Odlewnictwo (odlewanie)

Odlewnictwo – w technologii metali wykonywanie przedmiotów poprzez wypełnianie form ciekłym metalem. Podobne znaczenia występują także w innych dziedzinach technologii i rzemiosła (odlewy z tworzyw sztucznych, wytwarzanie porcelany). Odlewnictwo należy do najczęściej stosowanych technik obróbki metalu i głównych gałęzi przemysłu metalurgicznego, gałęzi przemysłu elektromaszynowego.


Osoba zajmująca się odlewnictwem to odlewnik, przy czym określenie to odnosi się także do odlewnictwa artystycznego, w tym jego dawnych mistrzów. Produkt odlewnictwa określa się jako odlew, czynność wykonywania odlewów to odlewanie – wyraz ten jest także synonimem odlewnictwa. Zakład przemysłowy, w którym wykonuje się odlewy to odlewnia. W języku angielskim: casting, także founding.

Odlewanie metali

Odlewy wykonywane są najczęściej ze stopów żelaza takich jak żeliwo i staliwo oraz ze stopów metali niezależnych (zob. stop). Istnieją przy tym całe grupy stopów wykorzystywanych w odlewnictwie (stopy odlewnicze), którym przeciwstawiają się stopy do obróbki plastycznej. Podstawowa własność wymagana od stopów odlewniczych to dobra lejność. Odlewnictwo metali jest przy tym gałęzią techniki o bardzo dawnej tradycji – ma duże znacznie gospodarcze, stanowi jednak także gałąź sztuki (duże znaczenie artystyczne mają zwłaszcza rzeźby – odlewy z brązu) i rzemiosła, w których niezbędne są precyzja i duże umiejętności. Dział odlewnictwa zajmujący się wykonywaniem form do odlewania metalu to formierstwo.

Główne metody odlewania metali

Metody odlewania metali obejmują jego kształtowanie metalu przez topienie i wlewanie do formy odlewniczej. Proces odlewania dzieli się na cztery zasadnicze etapy: zalewanie ciekłym metalem form odlewniczych, krzepnięcie metalu, wyjmowanie metalu z form oraz wykończenie odlewu. Przed przystąpieniem do odlewania wykonuje się wiele zabiegów przygotowawczych (np. nakurzanie – pokrywanie wnętrza formy pudrem formierskim). Większość odlewów, zwłaszcza dużych, wykonuje się w formach piaskowych. Piasek, zmieszany ze spoiwem, który nadaje mu spójność, a następnie prasowany – dociskany do drewnianego wzornika, który tworzy nim zagłębienie o pożądanym kształcie. Płynny metal wlewa się do tak powstałej formy, w której pozwala mu się zastygnąć. Stosuje się także inne rodzaje form, w tym np. formy metalowe używane w wytwarzaniu wielu rodzajów małych i prostych części. Formowanie skorupowe jest bardziej dokładne, niż odlewanie w formach piaskowych i metalowych, pozwalając na większą dokładność przy produkcji dużej ilości części półprecyzyjnych.

Odlewanie metodą traconego wosku, które jest procesem dwuetapowym, pozwala na wytworzenie złożonych form także w przypadku niewielkich odlewów. Wykonane z wosku lub tworzyw sztucznych odzwierciedlenia części są tworzone w metalowych formach pozwalających na większą dokładność . Zasypywane są one następnie piaskiem znajdującym się w pojemniku tak, aby stworzyć ostateczną formę.  W czasie podgrzewania formy woskowy model topi się, pozostawiając wgłębienie, do którego wlewa się metal. Małe i precyzyjne części z metali, które mają niską temperaturę topnienia (np. cynk) mogą być wykonywane w dużych ilościach poprzez odlewanie ciśnieniowe. Jest to proces zautomatyzowany, w którym roztopiony metal wtłacza się pod ciśnieniem do metalowych form. Wadą żeliwa i stali uzyskiwanych w metodach odlewniczych jest ich większa kruchość w porównaniu z wyrobami uzyskiwanymi przez kucie.

W celu polepszenia struktury odlewu i usunięcia wtrąceń ciekły metal, po wytopieniu w piecu hutniczym., a przed odlaniem do form, poddaje się obróbce dodatkowej

Do podstawowych technik odlewniczych, w których nie wymaga się dużej dokładności wymiarów należą:

  • Odlewanie grawitacyjne, w którym formy napełniane są roztopionym metalem poprzez zwykłe ich zalewanie pod wpływem siły ciążenia.
  • Odlewanie w formach z mas samoutwardzalnych, stosowane głównie do dużych odlewów.
  • Odlewanie do form piaskowych. Formy takie mogą być tworzone ręcznie lub za pomocą prostych maszyn takich jak prasy.

Wyróżnia się także metody odlewnicze o podwyższonej dokładności wymiarowej. Należą do nich:

  • Odlewanie do form z mas piaskowych pod wpływem wysokich nacisków. W metodzie tej używa się zaawansowanych, zautomatyzowanych maszyn formierskich. Stosowane w nim metody to formowanie próżniowo-pulsujące, formowanie impulsowe oraz nadmuchiwanie. Używane materiały formierskie to masa piaskowa ze spoinami żywicznymi, masa piaskowo-bentonitowa, masa piaskowa ze szkłem wodnym. Materiały utwardzane są dwutlenkiem węgla.
  • Odlewanie odśrodkowe. Jest to metoda wytwarzania odlewów o kształtach obrotowych. Stosuje się w nim metalowe formy wirujące, napełniane roztopionym metalem pod wpływem siły bezwładności. Jest to także jedna z częstych technik platerowania.
  • Odlewanie odśrodkowe w formach precyzyjnych. Odbywa się pod działaniem sił odśrodkowych, służąc do wytwarzania precyzyjnych odlewów o kształtach obrotowych.
  • Odlewanie ciągłe i odlewanie półciągłe rur i prętów. Formy odlewnicze stanowią w nim krystalizatory. Można za jego pomocą odlewać rury i pręty o różnych profilach, uzyskując pożądane kształty wyrobów takich jak profile, pręty, rury i wylewki. Roztopiony metal wlewa się do krystalizatora w sposób ciągły, z którego usuwa się go następnie w sposób ciągły lub skokowy.

Istnieją także zaawansowane metody odlewnicze o dużej dokładności. Stosowane są one szczególnie często w przypadku bardziej kosztownych i zaawansowanych materiałów (np. stopy tytanu). Należą do nich:

  • Metoda modeli wytapianych. Odlewanie metodą wytapianych modeli umożliwia stworzenie odlewów o szczególnie gładkiej powierzchni i precyzyjnych wymiarach. Stosuje się w niej modele wykonane z wosku syntetycznego o wysokiej topliwości lub innego materiału łatwo topliwego, przeznaczone do jednorazowego użytku. Model taki pokrywany jest masą ceramiczną, która po stwardnieniu tworzy formę odlewniczą o dużej wytrzymałości. Następnie pozostały wosk wytapia się.
  • Metoda pełnej formy. Stosuje się w niej formy styropianowe. Modele te podczas zalewania formy płynnym metalem są wytapiane.
  • Odlewanie w formach piaskowych. Stosuje się w nim formy piaskowe, tworzone z piasków kwarcowych lub cyrkonowych, a następnie powlekane syntetyczną żywicą termoutwardzalną. Po nagrzaniu forma taka uzyskuje postać skorupy.
  • Odlewanie próżniowe.
  • Odlewanie przy obniżonym ciśnieniu.
  • Prasowanie w stanie ciekłym.
  • Prasowanie w stanie półciekłym.
  • Odlewanie tiksotropowe, w stanie ciekłym.
  • Odlewanie do form metalowych w sposób grawitacyjny, w których stosowane są kokile (formy wielokrotnego użytku). Jest to odlewanie ciśnieniowe, odbywające się pod niskim lub wysokim ciśnieniem. Odlewanie ciśnieniowe polega na wtłaczaniu roztopionego metalu do stalowych form pod wysokim ciśnieniem, stosując sprężone powietrze lub tłoki. Pozwala ono uzyskać wysokiej jakości odlewy o złożonych kształtach (głównie z aluminium, miedzi i cynku).

W procesie odlewnia wystąpić mogą wady (np. obciągnięcie – duże, płytkie wgłębienie powstałe na skutek skurczu metalu; przypalenie – przywarcie do odlewu spieczonej warstwy masy formierskiej; nakłucia – wystąpienie drobnych pęcherzyków pod powierzchnią). Otrzymane odlewy poddawane są często dalszej obróbce. Może to być obróbka cieplna, obróbka cieplno-chemiczna lub obróbka cieplno-mechaniczna. W przypadku wielu odlewów niezbędne jest usunięcie nierówności powierzchni oraz oraz inne czynności wykańczające i polepszające odlew. Należą do nich polerowanie, wygładzanie, malowanie oraz śrutowanie.

Odlewanie należy także do głównych technik stosowanych w złotnictwie i jubilerstwie. Także wyroby takie jak medale mogą być wykonane za pomocą techniki odlewania lub bicia stemplem (monety nie są natomiast odlewane, ale wybijane, technologią ich wytwarzania jest tłoczenie za pomocą stempli i pras, a więc obróbka plastyczna na zimno).

Historia odlewnictwa

Odlewnictwo jest gałęzią przemysłu o bogatej historii. Rozwijało się już w starożytności, a nawet prehistorii (epoka brązu). Pierwsze znane odlewy powstały w prehistorycznej Mezopotamii w IV tysiącleciu p.n.e. W Mezopotamii i w starożytnym Egipcie wykonywano tą techniką naczynia i inne przedmioty codziennego użytku, a także rzeźby. Wśród zabytków egipskich największe znaczenie ma miedziana, ołowiana i złota biżuteria wykonywana technikami odlewniczymi. Najstarsze odlewy wykonywano głównie z ołowiu i cyny, następnie także z miedzi, brązu i srebra. Odlewanie żelaza rozpowszechniło się dopiero w średniowieczu. Duże znaczenie już w starożytności miały wyroby z żelaza lanego powstające na terenie Chin – najstarsze chińskie odlewy żeliwne powstawały trzy tysiące lat temu, w czasach dynastii Han. W starożytności klasycznej wysoki poziom osiągnęło odlewnictwo artystyczne – greckie rzeźby z brązu, dorównujące wartościom rzeźbom marmurowym, tworzono już w okresie archaicznym, od VI wieku p.n.e. Dwa tysiące lat temu, w czasach rzymskich, w wielu regionach Europy rozpowszechniło się odlewanie metodą modeli wytapianych.

Od wczesnego średniowiecza rozwijało się odlewnictwo przedmiotów o wysokich walorach artystycznych, takich jak chrzcielnice, bogato rzeźbione drzwi i płyty nagrobne. Wykonywano je najczęściej z brązu. Do najwspanialsz1ch zabytków odlewnictwa średniowiecznego należą np. Drzwi Gnieźnieńskie. Z brązu i innych stopów wykonywano w średniowieczu także biżuterię wykonywaną technikami odlewniczymi. Od XIV wieku zaczęto stosować szeroko odlewy żeliwne – z żeliwa odlewano np. kule armatnie. W średniowieczu rozwinęło się silnie ludwisarstwo, gałąź rzemiosła obejmująca odlewanie dzwonów (głównie ze spiżu). Duże znaczenie miało także puszkarstwo, odlewanie dział i armat oraz innych rodzajów broni palnej.

Odlewy artystyczne z metali rozwinęły się znacznie w sztuce  renesansu i baroku. Stanowiły je nie tylko rzeźby (głównie z brązu), ale także dzieła sztuki użytkowej – bogato zdobione kraty, balustrady czy też metalowe kolumny. Ważny opis odlewnictwa XVI-wiecznego przedstawił Vannoccio Biringuccio w dziele De la pirotechnia. W XVII wieku rozwinęło się też znacznie odlewnictwo stopów żelaza. Dalszy rozwój odlewnictwa z żeliwa umożliwił żeliwiak, piec hutniczy, który w 1794 roku udoskonalił John Wilkinson. Rozwój pieców hutniczych w XIX wieku umożliwił natomiast szybki rozwój odlewów ze staliwa. W XIX wieku spopularyzowały się także odlewy gipsowe – wykonywano tą techniką np. masowe kopie słynnych rzeźb starożytnych i renesansowych. Od XX wieku odlewy żeliwne stosuje się szeroko w architekturze. Stanowią one tak elementy konstrukcyjne budowli, jak i elementy dekoracyjne.

Szybki rozwój odlewnictwa nastąpił po II wojnie światowej, co wiązało się z potrzebą tworzenia precyzyjnych maszyn i elementów aparatury. Ukształtowało się także bogate zaplecze naukowe współczesnego odlewnictwa. Zwiększyła się także różnorodność tworzyw odlewniczych, co umożliwiło polepszenie właściwości mechanicznych i technologicznych odlewów, np. zwiększenie ich trwałości, dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni oraz zmniejszenie wagi. Możliwa stała się automatyzacja produkcji i wykonywanie dużej ilości identycznych odlewów w produkcji seryjnej.

Odlewnictwo tworzyw sztucznych

Odlewnictwo to także metoda stosowana powszechnie w technologii tworzyw sztucznych. Polega ona na uzyskiwaniu gotowych wyrobów oraz półwyrobów poprzez zalewanie ciekłym tworzywem form. Tworzywa sztuczne odlewa się w formach zamkniętych, a także za pomocą przenośników taśmowych i bębnów obrotowych. Formy odlewnicze do tworzyw sztucznych mogą być zamknięte lub obracać się wokół jednej lub dwóch prostopadłych osi. Otrzymuje się w ten sposób głównie przedmioty puste, takie jak lalki, piłki i inne zabawki. Za pomocą przenośników wytwarza się produkty takie jak folie z tworzyw sztucznych oraz wykładziny podłogowe. Odlewnictwo tworzyw sztucznych obejmuje również zalewanie i łączenie ze sobą elementów elektronicznych i elektrotechnicznych. Zanurzenie rdzenia w tworzywie sztucznym, które następnie zastyga, także traktuje się jako rodzaj odlewnictwa, określany jako “maczanie”.

Odlewnictwo w wyrobie porcelany. Odlewy z materiałów plastycznych

Odlewy wykonywać można także z innych materiałów – należą do nich np. masa kamienna, a przede wszystkim szybko krzepnące materiały plastyczne takie jak gips i wosk. Szczególne znaczenie odlewnictwo ma w produkcji porcelany, w której wykorzystuje się formy tworzone z porowatego gipsu. Technikę tę zapoczątkowano w XVII i XVIII wieku w Sèvres. Umożliwia ona tworzenie ceramicznych przedmiotów o złożonych kształtach i nietypowej wielkości (np. ludzkie i zwierzęce figurki porcelanowe), niemożliwych do stworzenia przy pomocy koła garncarskiego.


Tagi
Encyklopedia sztuk pięknychHumanistyczna encyklopedia nauki

Dodaj komentarz