1. Introduction
Le cuivre et ses alliages occupent un rôle central dans l'industrie moderne en raison de leur conductivité électrique exceptionnelle, résistance à la corrosion, et performance thermique.
Historiquement, les civilisations remontant à 5000 BC maîtrisé en cuivre coulée en moules en pierre simples, jeter les bases des techniques sophistiquées d'aujourd'hui.
Dans cet article, Nous explorons le spectre complet des méthodes de coulée à base de cuivre, examiner leurs principes métallurgiques, et guide ingénieurs dans la sélection du processus optimal pour diverses applications.
2. Principes fondamentaux de la coulée des métaux
Chaque méthode de coulée suit quatre étapes de base:
- Création de moules - Les techniciens forment une cavité dans le sable, métal, céramique, ou plâtre qui reflète la géométrie des pièces.
- Verser - Les fours font fondre le cuivre (point de fusion 1 083 °C) ou alliages jusqu'à 1 600 °C, puis verser le liquide dans des moules.
- Solidification - refroidissement contrôlé - guidé par la conductivité thermique (~ 400 W / m · k pour le cuivre) et matériau de moisissure - conduit le développement de la microstructure.
- Secouer - une fois solide, Les moulages sortent du moule et subissent un nettoyage et un post-traitement.
Les demandes de conductivité thermique élevée du cuivre Préchauffeur de moisissure plus élevé (200–400 ° C) et un contrôle précis pour maintenir la fluidité (viscosité ~ 6 MPA · s à 1 200 °C).
En plus, cuivre dilatation thermique (16.5 µm / m · k) nécessite des décalages de motifs exacts pour atteindre les dimensions finales.
3. Méthodes de coulée en alliage de cuivre majeures
Cuivre Et ses alliages -cuivres, bronzes, nickels en cuivre, et d'autres - jettent une gamme de méthodes qui conviennent à différents volumes de production, exigences mécaniques, et les tolérances dimensionnelles.
Chaque technique comporte des avantages et des limitations distincts en fonction des caractéristiques d'alliage et des résultats des composants souhaités.
Cette section explore les méthodes de coulée en alliage de cuivre les plus importantes dans la fabrication moderne, ainsi que des informations techniques pour guider la sélection des processus.
Moulage au sable
Aperçu du processus & Équipement
Moulage au sable Reste l'une des méthodes les plus anciennes et les plus utilisées pour couler des alliages de cuivre. Il s'agit d'emballer du sable autour d'un motif réutilisable à l'intérieur d'une boîte de moisissure.
Le sable est lié à l'argile (de sable vert) ou durci avec des produits chimiques (sables liés à la résine ou à co₂). Après le retrait du modèle, Le métal fondu est versé dans la cavité.
Avantages
- Coût d'outillage faible, Convient pour les basses- à des courses à volume moyen
- Tailles de pièce flexibles- de quelques onces à plusieurs tonnes
- Compatibilité en alliage large
Limites
- Finitions de surface grossières (RA 6,3-25 µm)
- Tolérances lâches (généralement ± 1,5 à 3 mm)
- Nécessite un usinage post-casting pour la plupart des applications de précision
Investissement (Chanteur perdu) Fonderie
Construction de la coquille de précision
Moulage de précision utilise un modèle de cire recouvert de suspension en céramique pour construire un mince, moule à coque à haute précision. Après l'épuisement professionnel, Le métal fondu est versé dans le moule en céramique préchauffé.
Avantages
- Excellent précision dimensionnelle (± 0,1 à 0,3 mm)
- Idéal pour complexe, Géométries à parois minces
- Supérieur état de surface (RA 1,6-3,2 µm)
Défis
- Coûts d'outillage plus élevés (En raison du besoin de décès d'injection)
- Temps de cycle plus long, Surtout pour la construction et l'épuisement des obus
- Généralement économique uniquement pour volume moyen à élevé production
Coulée moulée en coquille
Détails du processus
Moulage en coquille utilise un motif métallique chauffé recouvert de sable lié à la résine. Lorsqu'il est exposé à la chaleur, La résine se fixe pour former une coquille mince qui agit comme le moule.
Le processus produit des pièces moulées plus précises et plus propres que la moulage de sable traditionnel.
Avantages
- Amélioration de la qualité de surface et définition
- Tolérances plus étroites que les moules de sable vert
- Allocation d'usinage réduite En raison de la coulée de forme proche
Limites
- Coût des matériaux plus élevés (Résines spécialisées et sables de silice)
- Outillage de motifs coûteux (Modèles métalliques requis)
Casting centrifuge
Horizontal vs. Configurations verticales
En casting centrifuge, Le métal fondu est versé dans un moule rotatif, horizontalement ou verticalement.
La force centrifuge distribue le métal contre la paroi de la moisissure, minimiser la porosité et assurer une excellente intégrité du matériau.
Avantages clés
- Haute densité et porosité réduite—Idéal pour les composants retenus par pression
- Solidification directionnelle Améliore les propriétés mécaniques
- Adapté à bagues, anneaux, tubes, et pièces creuses
- Coulée verticale souvent utilisée pour les petites pièces; horizontal pour les grands cylindres
Limites
- Limité à pièces symétriques en rotation
- La configuration de l'outillage est plus complexe et coûteux que le casting statique
Coulée de refroidissement
Contrôle de solidification
Le moulage du refroidissement utilise des moules métalliques (Souvent en fer ou en acier) pour extraire rapidement la chaleur du métal fondu. Cette solidification rapide affine la structure des grains et améliore les propriétés mécaniques.
Points forts
- Produit Plus fort, moulages plus denses (jusqu'à 50% Augmentation de la dureté vs. moulage au sable)
- Excellent bronze phosphore
- Rentable pour Casting répétitif des barreaux, tiges, et petites pièces
Limites
- Moins adapté à géométries complexes
- Plage de taille limitée en raison des contraintes de moule
Moulage sous pression (Chambre chaude et chambre froide)
Processus d'injection de pression
La coulée de la matrice implique l'injection d'alliages de cuivre fondus dans un moule en acier à haute résistance sous haute pression.
Les machines à chambre froide sont généralement utilisées en raison des points de fusion élevés des alliages de cuivre.
Avantages
- Taux de production rapides—Idéal pour la production de masse
- Finition de surface supérieure et précision (RA 1-2 µm, Tolérances ± 0,05 mm)
- Réduit ou élimine l'usinage
Contraintes
- Tous les alliages de cuivre ne conviennent pas (par ex., Les cuivres en zinc élevés peuvent corroder les matrices)
- L'outillage est cher (investissement de $50,000 ou plus)
- Idéal pour Volumes moyen à élevé
Coulée continue
Aperçu du processus
Le métal fondu est versé dans un moule refroidi par eau qui se forme en continu et tire du métal solidifié à travers un système de retrait.
Les sorties communes incluent les tiges, barres, et des billettes pour l'usinage en aval ou le roulement.
Avantages
- Productivité élevée avec une intervention humaine minimale
- Excellentes propriétés mécaniques en raison de la solidification contrôlée
- Surfaces lisses et rectitude adaptées à l'usinage automatique des aliments
- Faible taux de ferraille Et mieux rendement (sur 90% utilisation des matériaux)
Alliages typiques
- Bronzes en étain, bronzes au plomb, bronzes phosphore, et nickels de cuivre
Moule en plâtre
Utilisation spécialisée
Ce processus utilise des moules en plâtre ou en céramique formés autour d'un motif pour capturer les détails fins et les tolérances serrées.
Le moule est retiré après le coulage en cassant ou en dissolvant le plâtre.
Avantages
- Excellent formes complexes et finitions de surface lisses
- Bon prototypes et faible volume production
Inconvénients
- Faible perméabilité—Les fimitures à la taille de la coulée
- Temps de préparation plus long et Life limité de moisissure
Tableau de comparaison de résumé
| Méthode de coulée | Finition de surface (Râ) | Tolérance dimensionnelle | Volumes typiques | Forces clés |
|---|---|---|---|---|
| Moulage au sable | 6.3–25 µm | ± 1,5 à 3 mm | Bas à haut | Faible coût, flexibilité en alliage |
| Moulage d'investissement | 1.6–3,2 µm | ± 0,1 à 0,3 mm | Moyen à élevé | Haute précision, pièces complexes |
| Coulée moulée en coquille | 1.6–3,2 µm | ± 0,25 à 0,5 mm | Moyen | Tolérances serrées, prêt à l'automatisation |
| Casting centrifuge | 3.2–6,3 µm | ± 0,25–1,0 mm | Moyen | Densité élevée, défauts minimaux |
| Coulée de refroidissement | 3.2–6,3 µm | ± 0,5 à 1,0 mm | Moyen | Propriétés mécaniques améliorées |
| Moulage sous pression | 1–2 µm | ± 0,05–0,2 mm | Haut | Cycles rapides, usinage minimal |
| Coulée continue | 3.2–6,3 µm | ± 0,2 à 0,5 mm / m | Très haut | Production rentable des billettes |
| Moule en plâtre | 1.6–3,2 µm | ± 0,1 à 0,3 mm | Bas à moyen | Détaillé, formes complexes |
4. Alliages de cuivre communs utilisés dans la coulée
Foundries jette un large éventail d'alliages à base de cuivre, chacun conçu pour équilibrer la résistance mécanique, résistance à la corrosion, Performances thermiques et électriques, et coulabilité.
| Alliage | Désignation | Composition (WT%) | Propriétés clés | Méthodes de coulée préférées | Applications typiques |
|---|---|---|---|---|---|
| Laiton de mouche libre | C36000 / CZ121 | 61 Avec -35ZN - 3PB | Traction: 345 MPA Élongation: 20 % Conductivité: 29 % IACS |
Sable, Investissement, Mourir, Moulage de coque | Raccords maximaux CNC, engrenages, bornes électriques |
| Laiton à faible hauteur | C46400 / CZ122 | 60 Avec -39zn -1pb | Traction: 330 MPA Élongation: 15 % Conforme au NSF-61 |
Sable, Investissement, Mourir | Valves à eau potable, appareils de plomberie |
| Roulement Bronze | C93200 | 90 Avec -10SN | Traction: 310 MPA Dureté: HB90 Excellente résistance à l'usure |
Sable, Froideur, Centrifuge | Bagues, rondelles de poussée, Roulements à charge lourde |
| Aluminium Bronze | C95400 | 88 CU-9AL-2O-1ST | Traction: 450 MPA Dureté: HB120 Forte résistance à la corrosion d'eau de mer |
Mourir, Centrifuge, Moulage de coque | Quincaillerie marine, pompes, composants de vanne |
| Bronze phosphoreux | C51000 | 94.8 Cu - 5sn - 0,2p | Traction: 270 MPA Élongation: 10 % Bonne fatigue & Propriétés du printemps |
Investissement, Sable, Mourir | Ressorts, contacts électriques, diaphragmes |
Cuivre (90–10) |
C70600 | 90 Avec - 10ni | Traction: 250 MPA Élongation: 40 % Résistance biofantale exceptionnelle |
Sable, Centrifuge, Continu | Échangeurs de chaleur à l'eau de mer, tuyauterie marine |
| Cuivre (70–30) | C71500 | 70 Avec - 30ni | Traction: 300 MPA Chlorure supérieur et résistance à l'érosion |
Sable, Continu, Centrifuge | Tubes à condenseur, matériel offshore |
| Cuivre-béryllium | C17200 | 98 Avec - 2be | Traction: jusqu'à 1400mpa (âgé) Conductivité: 22 % IACS |
Investissement, Froideur, Mourir | Springs à haute liabilité, Outils non-saptiges, connecteurs |
| Bronze au silicium | C65500 | 95 Avec - 5si | Traction: 310 MPA Résistant à la corrosion dans la marine / chimique |
Sable, Investissement, Moulage de coque | Matériel décoratif, aménagements de navires |
5. Conclusion
Les fonderies en cuivre et en cuivre alliage offrent une riche boîte à outils de méthodes de casting - chacun d'équilibrage coût, précision, performance mécanique, et volume de production.
En comprenant les nuances de processus - des matériaux de moisissure et de la gestion thermique au comportement des alliages - les ingénieurs peuvent optimiser la conception de pièces, minimiser la ferraille, et assurer des performances fiables.
Comme des technologies aiment Fabrication de moisissure additive et Simulation en temps réel mature, Le moulage en cuivre continuera d'évoluer, Soutenir son rôle critique dans la fabrication à haute performance.
À CE, Nous sommes heureux de discuter de votre projet au début du processus de conception pour nous assurer que tout alliage est sélectionné ou le traitement post-casting appliqué, Le résultat répondra à vos spécifications mécaniques et de performance.
Pour discuter de vos exigences, e-mail [email protected].
FAQ
Tous les alliages de cuivre peuvent-ils être moulés?
Non. Seuls les alliages spécifiques comme bronzes en aluminium, cuivres à haute tension, et cuivres en silicium conviennent à moulage sous pression En raison des pressions élevées et du refroidissement rapide impliqués.
Des alliages comme bronze phosphoreux ou moulutin gun sont mieux adaptés à la coulée de sable ou de refroidissement.
Quelle est la différence entre le casting centrifuge et frisson?
- Casting centrifuge utilise la force de rotation pour pousser le métal fondu dans le moule, produisant dense, composants sans défaut (Idéal pour les tuyaux, bagues, et des manches).
- Coulée de refroidissement utilise des moules métalliques statiques pour solidifier rapidement la surface, améliorer les propriétés mécaniques et réduire la taille des grains - en particulier efficace pour bronzes en étain.
Pourquoi la coulée continue est-elle préférée pour les barres en alliage de cuivre à volume élevé?
Moulage continu Offre une qualité cohérente, Excellentes propriétés mécaniques, et de faibles taux de ferraille.
C'est optimal pour bronze phosphoreux, moulutin gun, et bronze au plomb billets, surtout lorsqu'il est intégré aux processus de roulement ou d'extrusion.
Quel post-traitement est requis après avoir lancé des alliages de cuivre?
En fonction de la méthode de coulée et de l'alliage, Le post-traitement peut inclure:
- Traitement thermique pour le soulagement du stress ou le vieillissement (Surtout pour le cuivre de béryllium)
- Usinage pour les surfaces critiques ou les tolérances serrées
- Finition de surface telle que le polissage ou le revêtement pour la protection contre la corrosion ou l'esthétique
