Šest klíčových metod castingu: Komplexní srovnání & Postřehy

Zavedení

Obsazení, jako jeden z prvních zvládnutých procesů zpracování kovů za tepla pro lidi, se může pochlubit historií přibližně 6,000 roky.

Čína vstoupila do rozkvětu bronzových odlitků mezi 1700 př. n. l. a 1000 př.n.l, s odléváním dosahujícím poměrně pokročilé úrovně.

Jako základní proces v moderní výrobě, odlévání umožňuje vytváření složitých tvarovaných kovových součástí, které se obtížně vyrábějí kováním nebo obráběním, a je široce používán v letectví, automobilový průmysl, stroje, a odvětví přesných přístrojů.

Výběr metod odlévání přímo určuje kvalitu odlévání, efektivitu výroby, a výrobní náklady.

1. Lití zeleného písku (Konvenční lití do písku)

Základní definice & Princip procesu

Zelený lití písku je celosvětově nejtradičnější a nejrozšířenější metoda odlévání.

Jeho hlavní surovinou je slévárenský písek (převážně křemičitý písek; speciální písky jako zirkonový písek a korundový písek se používají, když křemičitý písek nesplňuje požadavky na vysoké teploty) a pískových pojiv (nejběžnější je hlína; suchý olej, ve vodě rozpustný křemičitan, fosfát, a syntetické pryskyřice jsou alternativní možnosti).

Vnější pískové formy jsou rozděleny do tří typů na základě pojiv a pevnostních mechanismů: zelená hlína písková forma, suchá hliněná písková forma, a chemicky pojené pískové formy.

Roztavený kov se nalije do pískové formy, který tuhne a tvoří odlitky, a forma se po jediném nalití poškodí a nelze ji znovu použít.

Výhody

• Cenově výhodné suroviny: Hlína je bohatá na zdroje a je levná; nad 90% použitý zelený jílový písek lze po úpravě pískem recyklovat a znovu použít, snížení plýtvání materiálem.
• Vysoká flexibilita procesu: Krátký cyklus výroby forem a vysoká účinnost; směsný formovací písek má dlouhou životnost; je přizpůsobitelný malým, velký, jednoduchý, a složité odlitky, stejně jako jednodílné, malosériový, a scénáře hromadné výroby.
• Nízký práh vybavení: Nevyžaduje špičkové specializované vybavení, vhodné pro malé a střední slévárny.

Nevýhody & Omezení

• Nízká efektivita výroby: Každá písková forma může být použita pouze jednou a pro další odlévání musí být přeformována, což vede k nízké efektivitě nepřetržité výroby.
• Špatná rozměrová přesnost: Tuhost pískových forem je nízká, výsledkem jsou stupně tolerance rozměrů odlitku CT10–CT13, které nemohou splnit požadavky na vysokou přesnost.
• Vysoké riziko defektu: Odlitky jsou náchylné k typickým vadám, jako je praní písku, zahrnutí písku, poréznost plynu, a smršťovací pórovitost v důsledku volné struktury pískových forem.
• Nižší kvalita povrchu: Povrch odlitku je poměrně drsný, vyžadující dodatečné obrábění pro zlepšení konečného výsledku.

2. Investiční obsazení (Lití ztraceného vozu)

Základní definice & Princip procesu

Investiční obsazení, běžně známé jako lití do ztraceného vosku, vyznačuje se sofistikovaným procesním tokem:

vyrábět voskové vzory pomocí tavitelných materiálů, naneste na povrch vzoru několik vrstev žáruvzdorných materiálů, aby se vytvořil keramický plášť, roztavte a odstraňte voskový vzor, ​​abyste získali formu bez dělicích ploch, a před litím roztaveného kovu proveďte pražení při vysoké teplotě.

Je použitelný pro širokou škálu slitin, včetně uhlíkové oceli, Slitinová ocel, žáruvzdorná slitina, nerez, slitina mědi, Hliníková slitina, slitina titanu, a tvárné litiny, zejména pro materiály obtížně zpracovatelné kováním nebo řezáním.

Výhody

• Vynikající rozměrová přesnost: Tolerance odlévání stupně dosahují CT4–CT6, mnohem vyšší než lití do zeleného písku (CT10 - CT13) a srovnatelné s tlakovým litím (ČT5–CT7), minimalizace obrábění po lití.
• Vysoké využití materiálu: Výrazně snižuje objem obrábění tvářených a lícovaných ploch, úspora času obrábění a spotřeby řezných nástrojů, s překročením míry využití materiálu 90%.
• Silná tvarová přizpůsobivost: Dokáže odlévat extrémně složité součásti, tenkostěnné části (minimální tloušťka stěny 0,5 mm), a mikroodlitky (minimální hmotnost 1g);
  podporuje také integrované odlévání sestavených dílů, zjednodušení následných montážních procesů.
• Široká kompatibilita slitin: Vhodné pro téměř všechny kovové materiály, včetně vysokoteplotních slitin, slitiny hořčíku, slitiny titanu, a drahé kovy, které jsou obtížně zpracovatelné jinými metodami.
• Flexibilní výrobní měřítko: Přizpůsobí se hromadné výrobě, malosériová výroba, a dokonce i individuální přizpůsobení, se silnou škálovatelností.

Nevýhody & Omezení

• Složitý procesní tok: Má nejsložitější proces ze všech metod odlévání, zahrnující tvorbu voskových vzorů, povlak pláště, Dewaxing, pražení, a nalévání, vyžadující přísnou kontrolu procesu.
• Omezená velikost odlitku: Nevhodné pro velké odlitky; maximální hmotnost konvenčních přesných odlitků je obecně do 50 kg, protože velké skořápky jsou náchylné k praskání během pražení a nalévání.
• Pomalá rychlost chlazení: Keramický plášť má nízkou tepelnou vodivost, což vede k pomalému tuhnutí roztaveného kovu, což může u některých slitin způsobit hrubozrnnou strukturu.
• Vysoké výrobní náklady: Náklady na voskové vzory, žáruvzdorné materiály, a řízení procesu je relativně vysoké; je ekonomicky životaschopné pouze v kombinaci se sníženým obráběním a úsporou materiálu.

3. Zemřít

Základní definice & Princip procesu

Zemřít je metoda vysokotlakého lití, která zahrnuje vstřikování roztaveného kovu do dutiny přesné kovové formy vysokou rychlostí (10-50 m/s) pod vysokým tlakem (20– 150 MPa), a tuhnutí kovu pod tlakem za vzniku odlitků.

Má dva základní procesy: Horká komora zemřete (roztavený kov automaticky proudí do tlakové komory) and cold-chamber die casting (molten metal is manually or automatically poured into the pressure chamber).

The mold is made of high-strength die steel, ensuring repeated use.

Výhody

• Superior product quality: Casting dimensional accuracy reaches grade 6–7 (even grade 4 for precision products) with surface roughness Ra 5–8μm;
  the strength and hardness are 25–30% higher than green sand castings due to pressure solidification, though elongation decreases by about 70%.
• Ultra-high production efficiency: A horizontal cold-chamber die casting machine can complete 600–700 cycles per 8 Hodiny,
  while a small hot-chamber die casting machine can achieve 3,000–7,000 cycles, far exceeding other casting methods.
• Long mold life: Molds for zinc alloy die casting can last hundreds of thousands or even millions of times, snížení dlouhodobých výrobních nákladů.
• Snadná automatizace: Proces je vysoce kompatibilní s mechanizací a automatizací, snížení mzdových nákladů a zlepšení stability výroby.
• Vynikající ekonomické výhody: Odlitky vyžadují minimální nebo žádné opracování, zlepšení využití kovů a snížení investic do zpracovatelského zařízení;
  kombinované tlakové lití kovových a nekovových materiálů šetří montážní čas a suroviny.

Nevýhody & Omezení

• Vysoké riziko defektů plynové pórovitosti: Vysokorychlostní plnění vede k nestabilnímu toku roztaveného kovu,
  snadno zachycuje plyn a vytváří vnitřní poréznost, díky čemuž odlitky nemohou podstoupit tepelné zpracování (tepelné zpracování způsobuje expanzi plynu a praskání).
• Špatná adaptabilita na složité vnitřní konkávní části: Je obtížné demontovat vnitřní konkávní složité struktury, omezení návrhu tvarů odlitků.
• Krátká životnost formy pro slitiny s vysokým bodem tání: Pro slitiny s vysokým bodem tání, jako jsou slitiny mědi a železné kovy, forma je náchylná k tepelné únavě a opotřebení, výrazně snižuje životnost.
• Nevhodné pro malosériovou výrobu: Náklady na výrobu formy jsou vysoké, a vysoká účinnost tlakových licích strojů činí malosériovou výrobu ekonomicky neživotaschopnou.

4. Trvalé lití formy (Odlévání tvrdých forem)

Základní definice & Princip procesu

Trvalé lití do forem, také nazývané lití do tvrdých forem, zahrnuje lití roztaveného kovu do kovové formy pro vytvoření odlitků.

Forma je vyrobena z litiny nebo ocelolitiny a může být znovu použita stokrát až tisíckrát, odtud název „trvalá plíseň“.

Vnitřní dutina odlitků může používat kovová jádra nebo písková jádra, a struktury forem jsou rozděleny na horizontální dělení, vertikální dělení, a kompozitní dělení pro přizpůsobení různým tvarům odlitků:

vertikální dělení usnadňuje vstřikování a vyjímání z formy, horizontální dělení je pro tenkostěnné díly ve tvaru kola, a kompozitní dělení je pro složité součásti.

Výhody

• Vynikající znovupoužitelnost formy: „Jedna forma pro více odlitků“ eliminuje potřebu opakované výroby forem, úspora formovacích materiálů a času, a zlepšení efektivity výroby.
• Vysoký odlévací výkon: Kovová forma má silnou chladicí kapacitu, což vede k husté struktuře odlitku a lepším mechanickým vlastnostem ve srovnání s odlitky do písku.
• Dobrá rozměrová přesnost a kvalita povrchu: Stupně tolerance odlévání dosahují IT12–IT14, drsnost povrchu Ra ≤6,3μm, snížení zátěže po zpracování.
• Zlepšené pracovní podmínky: Používá málo nebo žádný písek, zamezení znečištění prachem a optimalizace provozního prostředí pro pracovníky.

Nevýhody & Omezení

• Vysoká cena forem a dlouhý výrobní cyklus: Kovová forma vyžaduje vysoce pevné materiály a přesné zpracování,
  s vysokou počáteční investicí a dlouhou dodací lhůtou, nevhodné pro kusovou a malosériovou výrobu.
• Omezené použitelné slitiny a velikosti odlitků: Vhodné především pro hromadnou výrobu odlitků z neželezných slitin (hliníkové písty, bloky válců, Hlavy válců, pouzdra ze slitiny mědi, atd.) pro automobily, letadlo, a spalovací motory;
  pro odlitky ze slitin železa, je použitelný pouze pro malé a středně velké díly s jednoduchými tvary.
• Přísné požadavky na proces: Forma potřebuje předehřátí a regulaci teploty, aby se zabránilo studeným uzávěrům a praskání formy; je náchylný k tepelné únavě po dlouhodobém používání, ovlivňující kvalitu odlitku.

5. Nízkotlaké lití

Základní definice & Princip procesu

Nízkotlaké lití je způsob odlévání, který plní formu a tuhne roztavený kov pod nízkým tlakem (0.02-0,06 MPa).

Základní proces zahrnuje: lití roztaveného kovu do izolovaného kelímku, utěsnění kelímku, připojení stoupací trubky k formě, zavádění suchého stlačeného vzduchu do kelímku, který tlačí roztavený kov nahoru skrz stoupací trubku, aby se vyplnila dutina formy,
tuhnutí kovu za stálého tlaku, uvolnění tlaku, aby mohl zbytkový roztavený kov proudit zpět do kelímku, a nakonec otevření formy pro vyjmutí odlitku.

Výhody

• Flexibilní řízení procesu: Rychlost stoupání roztaveného kovu a tlak tuhnutí jsou nastavitelné, vhodné pro různé formy (Kovové formy, pískové formy) a slitiny, stejně jako odlitky různých velikostí.
• Stabilní plnění a nízká chybovost: Plnění zdola nahoru zajišťuje hladký tok roztaveného kovu bez rozstřikování, zamezení zachycování plynu a eroze stěn a jader forem;
  casting defects such as gas porosity and slag inclusion are significantly reduced, with qualification rate over 95%.
• High-quality castings: Pressure solidification realizes directional solidification from outside to inside, resulting in dense casting structure,
  clear contours, hladké povrchy, a vynikající mechanické vlastnosti, especially suitable for large thin-walled parts.
• Vysoké využití materiálu: No feeding riser is required, with material utilization rate reaching 90–98%, reducing metal waste.
• Friendly working environment: Low labor intensity, jednoduché vybavení, and easy realization of mechanization and automation, conforming to modern production requirements.

Nevýhody & Omezení

• Short riser tube service life: The riser tube is in direct contact with high-temperature molten metal for a long time, prone to oxidation and wear, requiring regular replacement.
• Molten metal pollution risk: During heat preservation, molten metal is easily oxidized and mixed with slag, vyžadující přísnou kontrolu prostředí uchování tepla a čištění roztaveného kovu.
• Omezený rozsah aplikace: Používá se především pro odlévání odlitků z vysoce kvalitních hliníkových slitin a hořčíkových slitin, jako jsou bloky válců, Hlavy válců, klikové skříně, a hliníkové písty vysokorychlostních spalovacích motorů; zřídka se používá pro slitiny železa kvůli vysokým teplotním požadavkům.

6. Odstředivé obsazení

Základní definice & Princip procesu

Odstředivé lití zahrnuje lití roztaveného kovu do rotující formy, kde kov vyplní formu a tuhne pod odstředivou silou.

Podle orientace osy otáčení formy, dělí se na tři typy: horizontální odstředivé lití (osa horizontální popř <4° do vodorovné polohy, vhodné pro dlouhé válcové díly),

vertikální odstředivé lití (osa vertikální, vhodné pro krátké válcové nebo prstencové díly), a odstředivé lití se skloněnou osou (rarely used due to complex operation).

Centrifugal force drives the directional movement of molten metal, optimizing casting structure.

Výhody

• Simplified mold structure: For hollow rotating parts, no core, Gating System, or riser is needed, simplifying mold design and reducing manufacturing costs.
• High-quality castings: Centrifugal force separates low-density gases and slags to the inner surface,
  and promotes directional solidification from outside to inside, resulting in dense casting structure, few defects, a vynikající mechanické vlastnosti.
• Cost-saving for bimetallic parts: Easy to cast bimetallic components such as bushings and bearings (NAPŘ., steel sleeves with a thin copper lining), saving expensive non-ferrous metals while ensuring performance.
• Strong filling capacity: Centrifugal force enhances the fluidity of molten metal, suitable for casting thin-walled parts and alloys with poor fluidity.
• Reduced material waste: Eliminates gating systems and risers, další zlepšení využití materiálu.

Nevýhody & Omezení

• Špatná kvalita vnitřního povrchu: Vnitřní volný povrch odlitků je drsný, s velkými rozměrovými chybami a špatnou jednotností, vyžadující následné obrábění pro splnění rozměrových požadavků.
• Nevhodné pro určité slitiny: Neplatí pro slitiny se silnou segregací hustoty (NAPŘ., olověný bronz), protože odstředivá síla prohloubí segregaci;
  také není vhodný pro slitiny hliníku a hořčíku kvůli jejich nízké hustotě a špatnému odstředivému separačnímu účinku.
• Omezené tvary odlitků: Vhodné pouze pro rotující symetrické díly (válce, prsteny, rukávy); nelze odlévat tvarově složité díly s nepravidelnými obrysy.
• Vysoké požadavky na vybavení: Vyžaduje specializované odstředivé licí stroje se stabilní regulací otáček, zvýšení investic do vybavení.

7. Srovnávací tabulka běžně používaných metod odlévání

8. Závěr

Každá metoda odlévání nabízí jedinečné výhody a omezení, díky kterým je vhodná pro specifické aplikace.

Lití do písku zůstává nejuniverzálnější a nejekonomičtější metodou pro velké, složité odlitky, zatímco investiční lití poskytuje výjimečnou přesnost pro vysoce hodnotné součásti.

Tlakové lití vyniká velkosériovou výrobou tenkostěnných dílů, a trvalé lití do forem zajišťuje stálou kvalitu pro středněobjemovou výrobu neželezných kovů.

Nízkotlaké lití je ideální pro vysoce celistvé hliníkové a hořčíkové komponenty, a odstředivé lití nemá obdoby u dutých symetrických dílů.

Výběr vhodné metody odlévání závisí na faktorech včetně geometrie součásti, požadovaná rozměrová přesnost, povrchová úprava, typ materiálu, Objem výroby, a úvahy o nákladech.

Moderní výroba stále více kombinuje tyto techniky, aby se využily jejich doplňkové výhody, podpora inovací ve výrobě složitých komponent v celém letectví, automobilový průmysl, a průmyslová odvětví.