Odlewanie ciśnieniowe

Odlewanie ciśnieniowe (odlewanie pod wysokim ciśnieniem) – technologia kształtowania ciekłego metalu w gotowy wyrób. Technologia ta umożliwia wytwarzanie wyrobów gotowych, głównie ze stopów metali nieżelaznych (Al, Mg, Zn, Cu). Odlewy ciśnieniowe charakteryzują się dużą dokładnością, stabilnością wymiarową, jakością powierzchni i odwzorowaniem ich kształtów.

Odlewanie ciśnieniowe polega na wymuszonym ruchu metalu wypełniającego wnękę formy, ciśnieniem wywołanym ruchem tłoka prasującego maszyny odlewniczej. Technologia ta zapewnia wysoki uzysk metalu, a dzięki drobnoziarnistej strukturze - dobre właściwości mechaniczne, fizyczne i chemiczne odlewów. Cechą charakterystyczną tej technologii odlewania są bardzo wysokie prędkości i ciśnienia niespotykane w innych technologiach odlewniczych. Prędkości te dochodzą do 100 m/s a ciśnienia do 150 MPa. Oznacza to, że sposób wypełniania wnęki formy przebiega w sposób turbulentny, któremu towarzyszą zjawiska rozpylania, zawirowania, rozbijania i mieszania się strug ciekłego metalu. Konsekwencją takiego sposobu wypełniania wnęki formy są niejednorodności strukturalne odlewów w postaci pęcherzy gazowych, rozdzielenia faz i wtrąceń niemetalicznych.

Maszyny do odlewania pod wysokim ciśnieniem budowane są zasadniczo w dwóch wersjach: z gorącą komorą prasowania i zimną komorą prasowania. W maszynach z zimną komorą prasowania wykonuje się odlewy ze stopów metali, które topnieją w wysokich temperaturach (stopy aluminium, magnezu, miedzi, ale również cynku), natomiast w maszynach z gorącą komorą prasowania - odlewy ze stopów cynku i ołowiu (często również z magnezu)^[1].

Jednym z najważniejszych parametrów charakteryzującym maszyny ciśnieniowe, decydującym o możliwości wykonania odlewu o założonych gabarytach, jest siła zwierania (zamykania). Jest to największa siła, z jaką mechanizm zamykania dociska połówki formy. Współczesne maszyny ciśnieniowe (zimnokomorowe) osiągają siłę zwierania 45 000 kN, natomiast maszyny gorącokomorowe - do 5000 kN^{[potrzebny przypis][2]}.

Ograniczenia w stosowaniu tej technologii wynikają również z wysokich kosztów inwestycyjnych związanych z zakupem maszyn, urządzeń pomocniczych i wykonawstwem formy, a przede wszystkim ze skłonności do okludowania w strukturze odlewu porów gazowych, skurczowych i wtrąceń tlenkowych. Obecne w odlewie ciśnieniowym wymienione wady naruszają ciągłość i zwartość struktury, która w istotny sposób wpływa na jego właściwości użytkowe, np. szczelność. Brak szczelności odlewów występuje szczególnie często wówczas, gdy przybrzeżna warstewka odlewu ciśnieniowego o zwartej i drobnoziarnistej strukturze podlega usunięciu podczas obróbki skrawaniem^[3].

Pomimo tych niekorzystnych ograniczeń technologia ta jest powszechnie stosowana. W Polsce wykonuje się nią ok. 70% wszystkich odlewów ze stopów aluminium i prawie 100% ze stopów magnezu i cynku^[4]. Wiodącym odbiorcą odlewów ciśnieniowych jest przemysł samochodowy, dla którego produkowane są takie odlewy jak: bloki silnika, pompy, turbiny, miski olejowe, elementy zawieszenia, różnego rodzaju obudowy i wyposażenia wnętrza (ramy siedzeń, układ kierowniczy i inne).

Pierwszy patent związany z odlewnictwem ciśnieniowym został przyznany w USA Johnowi I. Sturgisowi w 1849 roku^[5] na małą, ręczną maszynę w celu zmechanizowania produkcji czcionek drukarskich (poprzez wtrysk ołowiu), które do tej pory były produkowane pojedynczo i ręcznie^[6].

W 1885 roku Ottmar Mergenthaler wynalazł drukarską automatyczną maszynę odlewniczą o nazwie „Linotype”, która stała się podstawą do automatycznego odlewania ciśnieniowego, jakie znamy dzisiaj. Linotyp zrewolucjonizował technologię druku^[6].

Pierwsza maszyna drukarska, która została wykorzystana komercyjnie, znana jako „Blower” powstała już w 1886 roku w wydawnictwie New York Tribune’s Room. W ciągu czterech lat, Tribune wyposażony został w kilkanaście linotypów i opublikował 500-stronicową książkę (The Tribune Book of Open Air Sports). Bardzo często mówi, że się w historii druku najważniejsze są dwa nazwiska – Johannesa Gutenberga i Ottmara Mergenthalera. Przed wynalazkiem Mergenthalera gazety na świecie miały nie więcej niż osiem stron. Odlewnictwo ciśnieniowe jest również prekursorem nowoczesnego druku^[6][7].

Od 1892 r. oprócz odlewania czcionek drukarskich rozpoczęto produkcję odlewanych ciśnieniowo elementów do gramofonów i kas fiskalnych, jednak masowa produkcja wielu rodzajów części rozpoczęła się na początku XX wieku^[6].

Nieco wcześniej, bo w 1868 roku Brytyjczyk Charles Babbage wykorzystał technologię wtrysku pod ciśnieniem stopów ołowiu, antymonu, cyny i cynku do produkcji drobnych elementów precyzyjnych dla liczydeł mechanicznych^[6][8].

W 1893 roku została założona przez przemysłowca Herberta H. Franklina w Syracuse w stanie Nowy Jork firma H.H. Manufacturing Company Franklin. Firma specjalizowała się w produkcji maszyn ciśnieniowych i wykonywaniu drobnych części, takich jak przekładnie i tuleje łożyskowe. Jest to pierwsza firma na świecie zajmująca się wykonywaniem maszyn i odlewów ciśnieniowych. Franklin jest ponadto autorem terminu „odlewanie ciśnieniowe” (die casting). Odlewnictwem Herbert H. Franklin zainteresował się w 1892 roku (wcześniej był redaktorem czasopisma, którego właścicielem był jego wuj) i wraz z Herbertem G. Underwoodem rozpoczął eksperymenty nad „procesem hydrostatycznego formowania” (hydrostatic moulding proces). Był wizjonerem tej technologii: „Rozwijamy proces, który zrewolucjonizuje branżę produkcji metalowej”. Dlatego też został nazwany „ojcem chrzestnym” procesu odlewania ciśnieniowego. Od 1903 roku produkcja firmy obejmowała głównie tuleje cylindrowe do silników spalinowych^[6].

W 1907 E. B. Van Wagner opatentował maszynę pneumatyczną do odlewania ciśnieniowego, która była prototypem maszyny ciśnieniowej z gorącą komorą, a w 1910 roku założył firmę Manufacturing Company, która była pierwszą odlewnią ciśnieniową w Anglii^[6].

Kolejnym kamieniem milowym w odlewnictwie ciśnieniowym była działalność Hermana Doehlera, który opracował maszynę ciśnieniową i uzyskał na nią patent w 1910 roku. W 1915 roku w Stanach Zjednoczonych zostały wyprodukowane pierwsze odlewy ciśnieniowe, którymi były elementy masek przeciwgazowych, wykorzystywanych podczas I wojny światowej^[6].

Opatentowanie w 1930 roku przez Josefa Polaka zimnokomorowej maszyny ciśnieniowej z poziomą komorą prasowania wpłynęło na znaczny rozwój ciśnieniowego odlewnictwa stopów aluminium, ale dopiero w 1967 roku, produkcja odlewów ciśnieniowych z tych stopów przewyższyła produkcję odlewów ciśnieniowych ze stopów cynku. Znaczącą innowacją było opatentowanie w 1966 roku przez General Motors technologii acurad. Nazwa jest akronimem słów dokładny, niezawodny i zwarty (accurate, reliable, dense)^[6].

Technologia odlewania ciśnieniowego stale jest rozwijana i unowocześniania (m.in. ze względu na znaczy postęp elektroniki), ale główne założenia pozostają od ponad 100 lat niezmienione^[6].