Seks nøglestøbningsmetoder: Omfattende sammenligning & Indsigt

Indledning

Casting, som en af ​​de tidligst mestrede metalvarmebearbejdningsprocesser for mennesker, prale af en historie på ca 6,000 år.

Kina trådte ind i bronzestøbningens storhedstid mellem 1700 BC og 1000 f.Kr, med at støbehåndværket nåede et ret avanceret niveau.

Som en kerneproces i moderne fremstilling, støbning muliggør dannelse af kompleksformede metalkomponenter, som er svære at fremstille via smedning eller bearbejdning, og det er almindeligt anvendt i rumfart, Automotive, maskineri, og præcisionsinstrumentindustrier.

Valget af støbemetoder afgør direkte støbekvaliteten, Produktionseffektivitet, og produktionsomkostninger.

1. Grøn sandstøbning (Konventionel sandstøbning)

Kernedefinition & Procesprincip

Grøn sandstøbning er den mest traditionelle og udbredte støbemetode globalt.

Dets kerneråmaterialer er støbesand (overvejende silicasand; specialsand som zirkonsand og korundsand anvendes, når silicasand ikke opfylder højtemperaturkrav) og sandbindere (ler er det mest almindelige; tør olie, vandopløseligt silikat, fosfat, og syntetiske harpikser er alternative muligheder).

De udvendige sandforme er klassificeret i tre typer baseret på bindemidler og styrkedannende mekanismer: grøn lersandskimmel, tør lersandskimmel, og kemisk bundet sandskimmel.

Smeltet metal hældes i sandformen, som størkner til støbegods, og formen er beskadiget efter en enkelt udhældning og kan ikke genbruges.

Fordele

• Omkostningseffektive råvarer: Ler er rigeligt af ressourcer og billigt; over 90% af brugt grønt lersand kan genbruges og genbruges efter sandbehandling, reducere materialespild.
• Høj procesfleksibilitet: Kort formfremstillingscyklus og høj effektivitet; blandet støbesand har en lang levetid; den kan tilpasses små, stor, enkel, og komplekse støbninger, samt enkeltstykke, lille batch, og masseproduktionsscenarier.
• Lav udstyrstærskel: Kræver ikke specialudstyr af høj kvalitet, velegnet til små og mellemstore støberier.

Ulemper & Begrænsninger

• Lav produktionseffektivitet: Hver sandform kan kun bruges én gang og skal omstøbes til efterfølgende støbninger, fører til lav kontinuerlig produktionseffektivitet.
• Dårlig dimensionsnøjagtighed: Stivheden af ​​sandforme er lav, resulterer i støbning af dimensionelle tolerancegrader af CT10-CT13, som ikke kan opfylde højpræcisionskrav.
• Høj defektrisiko: Støbegods er tilbøjelige til typiske defekter som sandvask, sand inklusion, gas porøsitet, og krympeporøsitet på grund af den løse struktur af sandforme.
• Dårlig overfladekvalitet: Støbeoverfladen er forholdsvis ru, kræver yderligere bearbejdning for at forbedre finish.

2. Investeringsstøbning (Lost-Wax casting)

Kernedefinition & Procesprincip

Investeringsstøbning, almindeligvis kendt som tabt voksstøbning, har et sofistikeret procesflow:

fremstille voksmønstre ved hjælp af smeltelige materialer, belæg flere lag af ildfaste materialer på mønsteroverfladen for at danne en keramisk skal, smelt og fjern voksmønsteret for at opnå en form uden skilleflader, og udfør højtemperaturristning, før du hælder smeltet metal.

Det er anvendeligt til en bred vifte af legeringer, inklusive kulstofstål, Legeringsstål, varmebestandig legering, Rustfrit stål, kobberlegering, Aluminiumslegering, titanlegering, og duktilt jern, især for materialer, der er svære at bearbejde ved smedning eller skæring.

Fordele

• Fremragende dimensionel nøjagtighed: Støbetolerance kvaliteter når CT4-CT6, meget højere end grøn sandstøbning (CT10 - CT13) og kan sammenlignes med trykstøbning (CT5-CT7), minimere efterstøbningsbearbejdning.
• Høj materialeudnyttelse: Reducerer bearbejdningsvolumen af ​​formede og parrende overflader betydeligt, saving machining time and cutting tool consumption, with material utilization rate exceeding 90%.
• Strong shape adaptability: Can cast extremely complex components, Tyndvæggede dele (minimum wall thickness 0.5mm), and micro-sized castings (minimum weight 1g);
  it also supports integrated casting of assembled parts, simplifying subsequent assembly processes.
• Wide alloy compatibility: Suitable for almost all metal materials, including high-temperature alloys, magnesium alloys, Titaniumlegeringer, and precious metals that are difficult to process by other methods.
• Flexible production scale: Adapts to mass production, small-batch production, and even single-piece customization, with strong scalability.

Ulemper & Begrænsninger

• Complex process flow: It has the most intricate process among all casting methods, involving wax pattern making, shell coating, afvoksning, roasting, og hældning, requiring strict process control.
• Limited casting size: Not suitable for large castings; den maksimale vægt af konventionelle investeringsstøbegods er generelt inden for 50 kg, da store skaller er tilbøjelige til at revne under stegning og hældning.
• Langsom afkølingshastighed: Den keramiske skal har lav varmeledningsevne, fører til langsom størkning af smeltet metal, som kan forårsage grove kornstrukturer i nogle legeringer.
• Høje produktionsomkostninger: Prisen for voksmønstre, ildfaste materialer, og proceskontrol er relativt høj; det er kun økonomisk rentabelt, når det kombineres med reduceret bearbejdning og materialebesparelser.

3. Die casting

Kernedefinition & Procesprincip

Die casting er en højtryksstøbemetode, der involverer indsprøjtning af smeltet metal i et præcisionsmetalformhulrum ved høj hastighed (10–50 m/s) under højt tryk (20-150 MPa), og at størkne metallet under tryk for at danne støbegods.

Det har to grundlæggende processer: Hotskamber-støbning (smeltet metal strømmer automatisk ind i trykkammeret) og koldkammer trykstøbning (smeltet metal hældes manuelt eller automatisk i trykkammeret).

Formen er lavet af højstyrkestål, sikre gentagen brug.

Fordele

• Overlegen produktkvalitet: Støbningens dimensionsnøjagtighed når grad 6-7 (lige karakter 4 til præcisionsprodukter) med overfladeruhed Ra 5–8μm;
  styrken og hårdheden er 25–30 % højere end grønt sandstøbning på grund af trykstørkning, selvom forlængelsen aftager med ca 70%.
• Ultrahøj produktionseffektivitet: En horisontal koldkammer trykstøbemaskine kan gennemføre 600–700 cyklusser pr 8 timer,
  mens en lille trykstøbemaskine med varmt kammer kan opnå 3.000-7.000 cyklusser, langt over andre støbemetoder.
• Lang levetid for skimmelsvamp: Forme til zinklegeringsstøbning kan holde hundredtusindvis eller endda millioner af gange, reducere langsigtede produktionsomkostninger.
• Nem automatisering: Processen er yderst kompatibel med mekanisering og automatisering, reduktion af lønomkostninger og forbedring af produktionsstabilitet.
• Fremragende økonomiske fordele: Støbegods kræver minimal eller ingen bearbejdning, forbedre metaludnyttelsen og reducere investeringer i forarbejdningsudstyr;
  kombineret trykstøbning af metal og ikke-metalmaterialer sparer monteringstid og råmaterialer.

Ulemper & Begrænsninger

• Høj defektrisiko for gasporøsitet: Højhastighedspåfyldning fører til ustabil strømning af smeltet metal,
  let at fange gas for at danne indre porøsitet, hvilket gør støbegods ude af stand til at gennemgå varmebehandling (varmebehandling forårsager gasudvidelse og revner).
• Dårlig tilpasningsevne til komplekse indre konkave dele: Det er svært at afforme indre konkave komplekse strukturer, begrænsning af udformningen af ​​støbeformer.
• Kort formlevetid for legeringer med højt smeltepunkt: Til legeringer med højt smeltepunkt, såsom kobberlegeringer og jernholdige metaller, skimmelsvampen er tilbøjelig til termisk træthed og slid, reducerer levetiden markant.
• Ikke egnet til små batch produktion: Formfremstillingsomkostningerne er høje, og den høje effektivitet af trykstøbemaskiner gør produktion af små partier økonomisk uoverkommelig.

4. Permanent formstøbning (Hård formstøbning)

Kernedefinition & Procesprincip

Permanent formstøbning, også kaldet hård formstøbning, involverer hældning af smeltet metal i en metalform for at danne støbegods.

Formen er lavet af støbejern eller støbestål og kan genbruges flere hundrede til tusindvis af gange, deraf navnet "permanent skimmelsvamp".

Det indre hulrum af støbegods kan bruge metalkerner eller sandkerner, og formstrukturerne er opdelt i vandret skille, lodret adskillelse, og kompositadskillelse for at tilpasse sig forskellige støbeformer:

lodret adskillelse letter porting og afformning, vandret skille er til tyndvæggede hjulformede dele, og sammensat skille er til komplekse komponenter.

Fordele

• Fremragende formgenanvendelighed: "Én form til flere støbninger" eliminerer behovet for gentagen formfremstilling, sparer støbematerialer og tid, og forbedring af produktionseffektiviteten.
• Høj støbeydelse: Metalformen har stærk kølekapacitet, fører til tæt støbestruktur og overlegne mekaniske egenskaber sammenlignet med sandstøbning.
• God dimensionsnøjagtighed og overfladekvalitet: Støbetolerancegrader når IT12–IT14, overfladeruhed Ra ≤6,3μm, reduktion af arbejdsbyrden efter behandling.
• Forbedrede arbejdsforhold: Den bruger lidt eller intet sand, undgå støvforurening og optimere arbejdsmiljøet for arbejdere.

Ulemper & Begrænsninger

• Høje formomkostninger og lang fremstillingscyklus: Metalformen kræver højstyrkematerialer og præcisionsbearbejdning,
  med høje forhåndsinvesteringer og lang leveringstid, uegnet til enkelt- og lille-batch produktion.
• Begrænsede anvendelige legeringer og støbestørrelser: Hovedsageligt velegnet til masseproduktion af ikke-jernholdige legeringsstøbegods (aluminium stempler, cylinderblokke, Cylinderhoveder, kobberlegeringsbøsninger, osv.) til biler, fly, og forbrændingsmotorer;
  til støbegods af jernholdige legeringer, den er kun anvendelig til små og mellemstore dele med enkle former.
• Strenge proceskrav: Formen har brug for forvarmning og temperaturkontrol for at undgå koldspærring og skimmelsvamp; det er tilbøjeligt til termisk træthed efter lang tids brug, påvirker støbekvaliteten.

5. Lavtryksstøbning

Kernedefinition & Procesprincip

Lavtryksstøbning er en støbemetode, der fylder formen og størkner smeltet metal under lavt tryk (0.02-0,06 MPa).

Kerneprocessen omfatter: at hælde smeltet metal i en isoleret digel, forsegling af diglen, forbinder stigrøret med formen, indføring af tør komprimeret luft i diglen for at drive smeltet metal opad gennem stigrøret for at fylde støbeformens hulrum,
størkner metallet under konstant tryk, frigivelse af trykket for at lade resterende smeltet metal strømme tilbage til diglen, og til sidst åbnes formen for at tage støbningen ud.

Fordele

• Fleksibel processtyring: Det smeltede metals stigehastighed og størkningstrykket er justerbare, velegnet til forskellige forme (metalforme, sandforme) og legeringer, samt støbegods i forskellige størrelser.
• Stabil fyldning og lav defektrate: Bottom-up fyldning sikrer en jævn strøm af smeltet metal uden at sprøjte, undgå gasindfangning og erosion af formvægge og -kerner;
  støbedefekter såsom gasporøsitet og slagger reduceres væsentligt, med kvalifikationsprocent over 95%.
• Støbegods af høj kvalitet: Trykstørkningen realiserer retningsbestemt størkning udefra og ind, resulterer i tæt støbestruktur,
  klare konturer, glatte overflader, og fremragende mekaniske egenskaber, specielt velegnet til store tyndvæggede dele.
• Høj materialeudnyttelse: Der kræves ingen fodringsrør, med en materialeudnyttelsesgrad på 90-98 %, reducere metalspild.
• Venligt arbejdsmiljø: Lav arbejdsintensitet, enkelt udstyr, og nem realisering af mekanisering og automatisering, i overensstemmelse med moderne produktionskrav.

Ulemper & Begrænsninger

• Kort levetid for stigrør: Stigrøret er i direkte kontakt med højtemperatursmeltet metal i lang tid, udsat for oxidation og slid, kræver regelmæssig udskiftning.
• Risiko for forurening af smeltet metal: Under varmekonservering, smeltet metal oxideres let og blandes med slagger, kræver streng kontrol af varmekonserveringsmiljøet og rensning af smeltet metal.
• Begrænset anvendelsesområde: Anvendes hovedsageligt til støbning af højkvalitets aluminiumslegering og magnesiumlegering støbegods, såsom cylinderblokke, Cylinderhoveder, krumtaphuse, og højhastigheds forbrændingsmotor aluminium stempler; det bruges sjældent til jernholdige legeringer på grund af høje temperaturkrav.

6. Centrifugalstøbning

Kernedefinition & Procesprincip

Centrifugalstøbning involverer hældning af smeltet metal i en roterende form, hvor metallet fylder formen og størkner under centrifugalkraft.

I henhold til orienteringen af ​​formens roterende akse, den er opdelt i tre typer: vandret centrifugalstøbning (akse vandret el <4° til vandret, velegnet til lange cylindriske dele),

lodret centrifugalstøbning (lodret akse, velegnet til korte cylindriske eller ringformede dele), og centrifugalstøbning med skrå akse (sjældent brugt på grund af kompleks drift).

Centrifugalkraft driver den retningsbestemte bevægelse af smeltet metal, optimering af støbestruktur.

Fordele

• Forenklet formstruktur: Til hule roterende dele, ingen kerne, portsystem, eller stigrør er nødvendigt, forenkling af formdesign og reduktion af produktionsomkostninger.
• Støbegods af høj kvalitet: Centrifugalkraften adskiller lavdensitetsgasser og slagger til den indre overflade,
  og fremmer retningsbestemt størkning udefra til inde, resulterer i tæt støbestruktur, få defekter, og fremragende mekaniske egenskaber.
• Omkostningsbesparende for bimetalliske dele: Let at støbe bimetalliske komponenter såsom bøsninger og lejer (F.eks., stålærmer med tynd kobberfor), sparer dyre ikke-jernholdige metaller og sikrer samtidig ydeevne.
• Stærk påfyldningskapacitet: Centrifugalkraft øger flydendeheden af ​​smeltet metal, velegnet til støbning af tyndvæggede dele og legeringer med dårlig flydeevne.
• Reduceret materialespild: Eliminerer portsystemer og stigrør, yderligere forbedring af materialeudnyttelsen.

Ulemper & Begrænsninger

• Dårlig indre overfladekvalitet: Den indre frie overflade af støbegods er ru, med store dimensionsfejl og dårlig ensartethed, kræver efterfølgende bearbejdning for at opfylde dimensionskrav.
• Uegnet til visse legeringer: Ikke anvendelig til legeringer med svær densitetsadskillelse (F.eks., bly bronze), da centrifugalkraft vil forværre adskillelse;
  heller ikke egnet til aluminium og magnesiumlegeringer på grund af deres lave densitet og dårlige centrifugalseparationseffekt.
• Begrænsede støbeformer: Kun egnet til roterende symmetriske dele (cylindre, ringe, ærmer); kan ikke støbe kompleksformede dele med uregelmæssige konturer.
• Høje krav til udstyr: Kræver specialiserede centrifugalstøbemaskiner med stabil rotationshastighedskontrol, øget udstyrsinvestering.

7. Sammenligningstabel over almindeligt anvendte støbemetoder

8. Konklusion

Hver støbemetode byder på unikke fordele og begrænsninger, der gør den velegnet til specifikke applikationer.

Sandstøbning er fortsat den mest alsidige og økonomiske metode til store, komplekse støbninger, mens investeringsstøbning giver enestående præcision til komponenter af høj værdi.

Trykstøbning udmærker sig ved højvolumenproduktion af tyndvæggede dele, og permanent formstøbning leverer ensartet kvalitet til mellemvolumen non-ferro produktion.

Lavtryksstøbning er ideel til højintegritetskomponenter af aluminium og magnesium, og centrifugalstøbning er uovertruffen for hule symmetriske dele.

Valget af en passende støbemetode afhænger af faktorer, herunder delens geometri, krævet dimensionsnøjagtighed, overfladefinish, materialetype, produktionsvolumen, og omkostningsbetragtninger.

Moderne fremstilling kombinerer i stigende grad disse teknikker for at udnytte deres komplementære fordele, driver innovation inden for kompleks komponentproduktion på tværs af rumfart, Automotive, og industrisektorer.