Šest ključnih metoda livenja: Sveobuhvatna usporedba & Insights

Uvođenje

Livenje, kao jedan od najranije savladanih procesa vruće obrade metala za ljude, ima istoriju od otprilike 6,000 godina.

Kina je ušla u doba procvata bronzanog livenja između 1700 BC i 1000 BC, sa ljevanjem koji je dostigao prilično napredan nivo.

Kao osnovni proces u modernoj proizvodnji, livenje omogućava formiranje metalnih komponenti složenog oblika koje je teško proizvesti kovanjem ili mašinskom obradom, i ima široku primenu u vazduhoplovstvu, automobilski, strojevi, i industrije preciznih instrumenata.

Odabir metoda livenja direktno određuje kvalitet livenja, efikasnost proizvodnje, i troškovi proizvodnje.

1. Green Sand Casting (Konvencionalno livenje u pijesak)

Osnovna definicija & Princip procesa

Zeleno livenje pijeska je najtradicionalnija i najrasprostranjenija metoda livenja na globalnom nivou.

Njegova osnovna sirovina je livački pesak (pretežno silicijum peska; specijalni pijesak poput cirkonskog pijeska i korundnog pijeska se usvaja kada silicijum pijesak ne ispuni zahtjeve za visoke temperature) i veziva za pijesak (glina je najčešća; suvo ulje, silikat rastvorljiv u vodi, fosfat, i sintetičke smole su alternativne opcije).

Vanjski pješčani kalupi su klasifikovani u tri tipa na osnovu veziva i mehanizama za formiranje čvrstoće: kalup od zelene gline, suvi glineni pješčani kalup, i kemijski vezani pješčani kalup.

Rastopljeni metal se sipa u peščani kalup, koji se učvršćuje i formira odlitke, a kalup je oštećen nakon jednog sipanja i ne može se ponovo koristiti.

Prednosti

• Isplative sirovine: Glina je bogata resursima i niska je cijena; preko 90% iskorištenog zelenog glinenog pijeska može se reciklirati i ponovo koristiti nakon tretmana pijeskom, smanjenje materijalnog otpada.
• Visoka fleksibilnost procesa: Kratak ciklus izrade kalupa i visoka efikasnost; miješani kalupni pijesak ima dug vijek trajanja; prilagodljiv je malim, veliki, jednostavno, i složeni odljevci, kao i jednodelni, mala serija, i scenarije masovne proizvodnje.
• Nizak prag opreme: Ne zahtijeva vrhunsku specijalizovanu opremu, pogodan za male i srednje livnice.

Nedostaci & Ograničenja

• Niska efikasnost proizvodnje: Svaki pješčani kalup može se koristiti samo jednom i mora se preoblikovati za sljedeće livenje, što dovodi do niske efikasnosti kontinuirane proizvodnje.
• Loša tačnost dimenzija: Krutost pješčanih kalupa je niska, što rezultira stepenom tolerancije dimenzija livenja CT10–CT13, koji ne mogu ispuniti zahtjeve visoke preciznosti.
• Visok rizik od kvara: Odljevci su skloni tipičnim defektima kao što je pranje pijeska, uključivanje pijeska, poroznost gasa, i poroznost skupljanja zbog labave strukture pješčanih kalupa.
• Slabiji kvalitet površine: Površina livenja je relativno hrapava, zahtijeva dodatnu mašinsku obradu radi poboljšanja završne obrade.

2. Investicijska livenja (Izgubljeni vosak)

Osnovna definicija & Princip procesa

Investicijska livenja, opšte poznato kao livenje izgubljenog voska, karakteriše sofisticirani tok procesa:

izraditi uzorke od voska koristeći topljive materijale, premazati više slojeva vatrostalnih materijala na površini uzorka kako bi se formirala keramička školjka, otopite i uklonite uzorak voska kako biste dobili kalup bez površina koje se razdvajaju, i izvršiti pečenje na visokoj temperaturi prije izlivanja rastopljenog metala.

Primjenjiv je na širok spektar legura, uključujući ugljenični čelik, legirani čelik, legura otporna na toplotu, nehrđajući čelik, legura bakra, legura aluminijuma, legura titanijuma, i nodularno gvožđe, posebno za materijale koji se teško obrađuju kovanjem ili rezanjem.

Prednosti

• Odlična dimenzijska tačnost: Tolerancija bacanja razredi dostižu CT4–CT6, mnogo više od lijevanja u zeleni pijesak (CT10 - CT13) i uporedivi sa tlačnim livenjem (CT5–CT7), minimiziranje obrade nakon livenja.
• Visoka iskorištenost materijala: Smanjuje obim obrade formiranih i spojnih površina značajno, ušteda vremena obrade i potrošnje reznog alata, sa većom stopom iskorištenja materijala 90%.
• Snažna prilagodljivost oblika: Može baciti izuzetno složene komponente, tankih zidova (minimalna debljina zida 0,5 mm), i mikro odljevci (minimalna težina 1g);
  takođe podržava integrisano livenje sastavljenih delova, pojednostavljivanje naknadnih procesa montaže.
• Široka kompatibilnost legure: Pogodan za gotovo sve metalne materijale, uključujući legure visoke temperature, legure magnezijuma, legura titanijuma, i plemeniti metali koje je teško obraditi drugim metodama.
• Fleksibilna skala proizvodnje: Prilagođava se masovnoj proizvodnji, maloserijska proizvodnja, pa čak i individualno prilagođavanje, sa jakom skalabilnošću.

Nedostaci & Ograničenja

• Složen tok procesa: Ima najsloženiji proces među svim metodama livenja, uključujući izradu uzoraka od voska, premaz ljuske, deparatiranje, pečenje, i lije, zahtijevaju strogu kontrolu procesa.
• Ograničena veličina livenja: Nije prikladno za velike odljevke; maksimalna težina konvencionalnih odlivaka je uglavnom unutar 50 kg, jer su velike školjke sklone pucanju tokom pečenja i sipanja.
• Sporo hlađenje: Keramička školjka ima nisku toplotnu provodljivost, što dovodi do sporog skrućivanja rastopljenog metala, što može uzrokovati grubo zrnaste strukture u nekim legurama.
• Visoki troškovi proizvodnje: Cijena voštanih uzoraka, vatrostalni materijali, a kontrola procesa je relativno visoka; ekonomski je isplativo samo kada se kombinuje sa smanjenom obradom i uštedom materijala.

3. Die Casting

Osnovna definicija & Princip procesa

Die Casting je metoda lijevanja pod visokim pritiskom koja uključuje ubrizgavanje rastopljenog metala u preciznu metalnu šupljinu kalupa velikom brzinom (10–50m/s) pod visokim pritiskom (20–150MPa), i učvršćivanje metala pod pritiskom kako bi se formirali odlivci.

Ima dva osnovna procesa: livenje u vrućoj komori (rastopljeni metal automatski teče u tlačnu komoru) i livenje u hladnoj komori (rastopljeni metal se ručno ili automatski ulijeva u tlačnu komoru).

Kalup je izrađen od čelika visoke čvrstoće, obezbeđivanje ponovne upotrebe.

Prednosti

• Vrhunski kvalitet proizvoda: Dimenzionalna preciznost livenja dostiže ocjenu 6–7 (čak i ocjenu 4 za precizne proizvode) sa površinskom hrapavošću Ra 5–8μm;
  čvrstoća i tvrdoća su 25-30% veće od odlivaka od zelenog peska zbog očvršćavanja pod pritiskom, iako se istezanje smanjuje za oko 70%.
• Ultra visoka proizvodna efikasnost: Mašina za livenje pod pritiskom sa horizontalnom hladnom komorom može da završi 600–700 ciklusa po 8 sati,
  dok mala mašina za livenje pod pritiskom u vrućoj komori može postići 3.000-7.000 ciklusa, daleko prevazilaze druge metode livenja.
• Dug vijek trajanja kalupa: Kalupi za livenje pod pritiskom od legure cinka mogu trajati stotine hiljada ili čak milione puta, smanjenje dugoročnih troškova proizvodnje.
• Jednostavna automatizacija: Proces je vrlo kompatibilan sa mehanizacijom i automatizacijom, smanjenje troškova rada i poboljšanje stabilnosti proizvodnje.
• Odlične ekonomske koristi: Odljevci zahtijevaju minimalnu ili nikakvu mašinsku obradu, poboljšanje upotrebe metala i smanjenje ulaganja u opremu za obradu;
  kombinovano livenje metala i nemetalnih materijala štedi vreme montaže i sirovine.

Nedostaci & Ograničenja

• Visok rizik od kvarova od poroznosti gasa: Punjenje velikom brzinom dovodi do nestabilnog protoka rastopljenog metala,
  lako hvata gas da bi se formirala unutrašnja poroznost, što onemogućava termičku obradu odlivaka (toplinska obrada uzrokuje ekspanziju plina i pucanje).
• Slaba prilagodljivost složenim unutrašnjim konkavnim dijelovima: Teško je rušiti unutrašnje konkavne složene strukture, ograničavanje dizajna oblika livenja.
• Kratak vijek trajanja kalupa za legure visoke tačke topljenja: Za legure visoke tačke topljenja kao što su legure bakra i crni metali, kalup je sklon termičkom zamoru i habanju, značajno smanjujući vijek trajanja.
• Nije pogodno za proizvodnju malih serija: Cijena proizvodnje kalupa je visoka, a visoka efikasnost mašina za tlačno livenje čini proizvodnju malih serija ekonomski neodrživom.

4. Trajno livenje u kalup (Tvrdo livenje kalupa)

Osnovna definicija & Princip procesa

Trajno livenje kalupa, također se naziva i tvrdo livenje u kalup, uključuje ulijevanje rastopljenog metala u metalni kalup za formiranje odljevaka.

Kalup je napravljen od livenog gvožđa ili livenog čelika i može se ponovo koristiti stotine do hiljade puta, otuda i naziv "trajni kalup".

Unutrašnja šupljina odljevaka može koristiti metalna jezgra ili jezgra od pijeska, a konstrukcije kalupa su podijeljene na horizontalne pregrade, vertikalni rastanak, i kompozitni razdjeljak za prilagođavanje različitim oblicima livenja:

vertikalno razdvajanje olakšava zatvaranje i demontažu, Horizontalni rastanak je za tankozidne dijelove u obliku kotača, a kompozitni rastanak je za složene komponente.

Prednosti

• Odlična mogućnost ponovne upotrebe kalupa: „Jedan kalup za više odlivaka“ eliminiše potrebu za ponovljenom izradom kalupa, ušteda materijala za oblikovanje i vremena, i poboljšanje efikasnosti proizvodnje.
• Visoke performanse livenja: Metalni kalup ima snažan kapacitet hlađenja, što dovodi do guste strukture livenja i superiornih mehaničkih svojstava u poređenju sa odlivcima od peska.
• Dobra točnost dimenzija i kvaliteta površine: Stepen tolerancije livenja dostiže IT12–IT14, hrapavost površine Ra ≤6.3μm, smanjenje radnog opterećenja nakon obrade.
• Poboljšani uslovi rada: Koristi malo ili nimalo pijeska, izbjegavanje zagađenja prašinom i optimizacija radnog okruženja za radnike.

Nedostaci & Ograničenja

• Visoka cijena kalupa i dug proizvodni ciklus: Metalni kalup zahtijeva materijale visoke čvrstoće i preciznu obradu,
  sa velikim početnim ulaganjem i dugim rokom isporuke, neprikladan za jednodijelnu i maloserijsku proizvodnju.
• Ograničene primjenjive legure i veličine odljevaka: Uglavnom pogodan za masovnu proizvodnju odlivaka od obojenih legura (aluminijumski klipovi, blokovi cilindara, glave cilindara, čahure od legure bakra, itd.) za automobile, avion, i motori sa unutrašnjim sagorevanjem;
  za odljevke od željeznih legura, primjenjiv je samo na male i srednje dijelove jednostavnih oblika.
• Strogi zahtjevi procesa: Kalupu je potrebno predgrijavanje i kontrola temperature kako bi se izbjeglo hladno zatvaranje i pucanje kalupa; sklon je termičkom zamoru nakon dugotrajne upotrebe, utiče na kvalitet livenja.

5. Livenje pod niskim pritiskom

Osnovna definicija & Princip procesa

Lijevanje pod niskim pritiskom je metoda lijevanja koja ispunjava kalup i učvršćuje rastopljeni metal pod niskim pritiskom (0.02-0,06 MPa).

Osnovni proces uključuje: sipanje rastopljenog metala u izolirani lončić, zaptivanje lonca, povezivanje usponske cijevi sa kalupom, uvođenje suhog komprimiranog zraka u lončić kako bi se rastopljeni metal tjerao prema gore kroz usponsku cijev kako bi se ispunila šupljina kalupa,
učvršćivanje metala pod stalnim pritiskom, otpuštanje pritiska kako bi se preostali rastopljeni metal vratio u lončić, i konačno otvaranje kalupa za vađenje odljevka.

Prednosti

• Fleksibilna kontrola procesa: Brzina rasta rastaljenog metala i pritisak očvršćavanja su podesivi, pogodan za razne kalupe (Metalni kalupi, peščane kalupe) i legure, kao i odljevci različitih veličina.
• Stabilno punjenje i niska stopa kvarova: Punjenje odozdo prema gore osigurava nesmetan protok rastopljenog metala bez prskanja, izbjegavanje zarobljavanja plina i erozije zidova i jezgara kalupa;
  defekti livenja kao što su poroznost gasa i inkluzija šljake su značajno smanjeni, sa stopom kvalifikacija preko 95%.
• Visokokvalitetni odljevci: Stvrdnjavanje pod pritiskom ostvaruje usmjereno skrućivanje izvana prema unutra, što rezultira gustom strukturom livenja,
  jasne konture, glatke površine, i odličnih mehaničkih svojstava, posebno pogodan za velike dijelove tankih stijenki.
• Visoka iskorištenost materijala: Nije potreban uspon za hranjenje, sa stopom iskorišćenja materijala koja dostiže 90-98%, smanjenje metalnog otpada.
• Prijateljsko radno okruženje: Nizak intenzitet rada, jednostavna oprema, i laka realizacija mehanizacije i automatizacije, u skladu sa savremenim zahtevima proizvodnje.

Nedostaci & Ograničenja

• Kratak vijek trajanja cijevi za uspon: Cijev uspona je u direktnom kontaktu sa rastopljenim metalom visoke temperature dugo vremena, sklona oksidaciji i habanju, zahtijeva redovnu zamjenu.
• Rizik od zagađenja rastopljenim metalom: Tokom očuvanja toplote, rastopljeni metal se lako oksidira i miješa sa šljakom, zahtijevaju strogu kontrolu okruženja za očuvanje topline i prečišćavanje rastopljenog metala.
• Ograničen opseg primjene: Uglavnom se koristi za livenje visokokvalitetnih odlivaka od legura aluminijuma i magnezijuma, kao što su blokovi cilindara, glave cilindara, kućišta radilice, i aluminijumski klipovi motora sa unutrašnjim sagorevanjem velike brzine; rijetko se koristi za željezne legure zbog zahtjeva za visokim temperaturama.

6. Centrifugalno livenje

Osnovna definicija & Princip procesa

Centrifugalno livenje uključuje izlivanje rastopljenog metala u rotirajući kalup, gdje metal ispunjava kalup i skrućuje se pod centrifugalnom silom.

Prema orijentaciji rotirajuće ose kalupa, podijeljen je u tri tipa: horizontalno centrifugalno livenje (vodoravna osa ili <4° prema horizontali, pogodan za dugačke cilindrične dijelove),

vertikalno centrifugalno livenje (osa vertikalna, pogodan za kratke cilindrične ili prstenaste dijelove), i centrifugalno livenje sa kosom osovinom (rijetko se koristi zbog složenog rada).

Centrifugalna sila pokreće usmjereno kretanje rastopljenog metala, optimizacija strukture livenja.

Prednosti

• Pojednostavljena struktura kalupa: Za šuplje rotirajuće dijelove, bez jezgra, gating system, ili je potreban uspon, pojednostavljivanje dizajna kalupa i smanjenje troškova proizvodnje.
• Visokokvalitetni odljevci: Centrifugalna sila odvaja gasove male gustine i trosku na unutrašnju površinu,
  i promoviše usmjereno učvršćivanje izvana prema unutra, što rezultira gustom strukturom livenja, nekoliko nedostataka, i odličnih mehaničkih svojstava.
• Ušteda za bimetalne dijelove: Jednostavne za livenje bimetalne komponente kao što su čahure i ležajevi (E.g., čelični rukavi sa tankom bakrenom postavom), ušteda skupih obojenih metala uz istovremeno osiguranje performansi.
• Snažan kapacitet punjenja: Centrifugalna sila povećava fluidnost rastopljenog metala, pogodan za livenje tankozidnih delova i legura sa slabom fluidnošću.
• Smanjen materijalni otpad: Eliminiše sisteme kapija i uspone, dalje poboljšanje upotrebe materijala.

Nedostaci & Ograničenja

• Loš kvalitet unutrašnje površine: Unutrašnja slobodna površina odlivaka je hrapava, sa velikim dimenzionalnim greškama i slabom uniformnošću, zahtijeva naknadnu mašinsku obradu kako bi se ispunili zahtjevi za dimenzioniranje.
• Neprikladan za određene legure: Nije primjenjivo na legure sa jakom segregacijom gustine (E.g., olovna bronza), jer će centrifugalna sila pogoršati segregaciju;
  također nije pogodan za legure aluminija i magnezija zbog njihove male gustine i slabog efekta centrifugalnog odvajanja.
• Ograničeni oblici livenja: Pogodno samo za rotirajuće simetrične dijelove (Cilindri, prstenovi, rukavima); ne mogu lijevati dijelove složenog oblika nepravilnih kontura.
• Visoki zahtjevi za opremom: Zahteva specijalizovane mašine za centrifugalno livenje sa stabilnom kontrolom brzine rotacije, povećanje ulaganja u opremu.

7. Tabela poređenja najčešće korištenih metoda livenja

8. Zaključak

Svaka metoda livenja nudi jedinstvene prednosti i ograničenja koja ga čine pogodnim za specifične primene.

Lijevanje u pijesak ostaje najsvestranija i najekonomičnija metoda za velike, složeni odljevci, dok livenje po ulaganju obezbeđuje izuzetnu preciznost za komponente visoke vrednosti.

Lijevanje pod pritiskom ističe se u proizvodnji dijelova tankih stijenki velikih količina, a trajno livenje u kalupe daje dosljedan kvalitet za proizvodnju obojenih metala srednjeg obima.

Lijevanje pod niskim pritiskom idealno je za komponente od aluminija i magnezija visokog integriteta, a centrifugalno livenje je bez premca za šuplje simetrične delove.

Izbor odgovarajuće metode livenja zavisi od faktora uključujući geometriju dela, potrebna tačnost dimenzija, Površinski finiš, vrsta materijala, obim proizvodnje, i razmatranja troškova.

Moderna proizvodnja sve više kombinuje ove tehnike kako bi iskoristila njihove komplementarne prednosti, poticanje inovacija u proizvodnji složenih komponenti u svemiru, automobilski, i industrijskim sektorima.