Šest ključnih metoda lijevanja: Sveobuhvatna usporedba & Uvidi

Uvod

Lijevanje, kao jedan od najranije savladanih postupaka vruće obrade metala za ljude, može se pohvaliti poviješću od otprilike 6,000 godina.

Kina je ušla u doba procvata brončanih odljevaka između 1700 prije Krista i 1000 PRIJE KRISTA, pri čemu je umijeće lijevanja dosegnulo prilično naprednu razinu.

Kao temeljni proces u modernoj proizvodnji, lijevanje omogućuje oblikovanje metalnih komponenti složenih oblika koje je teško proizvesti kovanjem ili strojnom obradom, a široko se primjenjuje u zrakoplovstvu, automobilski, strojevi, i industrije preciznih instrumenata.

Izbor metode lijevanja izravno određuje kvalitetu lijevanja, učinkovitost proizvodnje, i troškovi proizvodnje.

1. Odljev zelenog pijeska (Konvencionalno lijevanje u pijesak)

Definicija jezgre & Princip procesa

zelena lijevanje pijeska je najtradicionalnija i najraširenija metoda lijevanja u svijetu.

Njegove osnovne sirovine su ljevaonički pijesak (pretežno kremeni pijesak; posebni pijesak poput cirkonskog pijeska i korundnog pijeska se usvaja kada silikatni pijesak ne ispunjava zahtjeve za visoke temperature) i veziva pijeska (glina je najčešća; suho ulje, silikat topljiv u vodi, fosfat, a sintetičke smole su alternativne opcije).

Vanjski pješčani kalupi klasificirani su u tri vrste na temelju veziva i mehanizama za oblikovanje čvrstoće: zelena glina pijesak kalup, suha glina pijesak kalup, i kemijski vezani pješčani kalup.

Rastaljeni metal se ulijeva u pješčani kalup, koji se skrutne i oblikuje odljevke, a kalup je oštećen nakon jednog izlijevanja i ne može se ponovno koristiti.

Prednosti

• Isplative sirovine: Glina je bogata izvorima i ima niske cijene; nad 90% iskorišteni zeleni glineni pijesak može se reciklirati i ponovno upotrijebiti nakon obrade pijeska, smanjenje rasipanja materijala.
• Visoka fleksibilnost procesa: Kratak ciklus izrade kalupa i visoka učinkovitost; miješani kalupni pijesak ima dug vijek trajanja; prilagodljiv je malim, velika, jednostavan, i složeni odljevci, kao i jednodijelni, maloserijski, i scenariji masovne proizvodnje.
• Nizak prag opreme: Ne zahtijeva vrhunsku specijaliziranu opremu, pogodan za male i srednje ljevaonice.

Nedostaci & Ograničenja

• Niska učinkovitost proizvodnje: Svaki pješčani kalup može se koristiti samo jednom i mora se ponovno oblikovati za sljedeće odljevke, što dovodi do niske kontinuirane učinkovitosti proizvodnje.
• Loša dimenzijska točnost: Krutost pješčanih kalupa je niska, što rezultira stupnjevima tolerancije dimenzija lijevanja od CT10–CT13, koji ne mogu zadovoljiti zahtjeve visoke preciznosti.
• Visok rizik kvara: Odljevci su skloni tipičnim nedostacima kao što je ispiranje pijeskom, inkluzija pijeska, plinska poroznost, te poroznost stezanja zbog rahle strukture pješčanih kalupa.
• Loša kvaliteta površine: Površina odljevka je relativno hrapava, zahtijeva dodatnu strojnu obradu za poboljšanje završne obrade.

2. Casting (Izgubljeni vosak)

Definicija jezgre & Princip procesa

Casting, općenito poznat kao izgubljeni voštani lijev, karakterizira sofisticirani tijek procesa:

izrađivati ​​uzorke od voska koristeći topljive materijale, nanesite više slojeva vatrostalnih materijala na površinu uzorka kako biste formirali keramičku ljusku, rastopiti i ukloniti voštani uzorak da se dobije kalup bez rastavnih površina, te izvršiti prženje na visokoj temperaturi prije izlijevanja rastaljenog metala.

Primjenjiv je na širok raspon legura, uključujući ugljični čelik, čelik, legura otporna na toplinu, nehrđajući čelik, legura bakra, aluminijska legura, legura titana, i nodularnog lijeva, posebno za materijale koje je teško obraditi kovanjem ili rezanjem.

Prednosti

• Izvrsna dimenzijska točnost: Tolerancija lijevanja ocjene dosežu CT4–CT6, mnogo viši od lijevanja u zeleni pijesak (CT10 - CT13) i usporedivo s tlačnim lijevanjem (CT5–CT7), minimiziranje strojne obrade nakon lijevanja.
• Visoka iskoristivost materijala: Značajno smanjuje volumen obrade oblikovanih i spojenih površina, ušteda vremena obrade i potrošnje alata za rezanje, s prekoračenjem stope iskorištenja materijala 90%.
• Jaka prilagodljivost obliku: Može lijevati izuzetno složene komponente, dijelovi tankih stijenki (minimalna debljina stijenke 0,5mm), i odljevci mikro veličine (minimalna težina 1g);
  također podržava integrirano lijevanje sklopljenih dijelova, pojednostavljivanje naknadnih procesa montaže.
• Široka kompatibilnost legura: Pogodno za gotovo sve metalne materijale, uključujući visokotemperaturne legure, legure magnezija, legure titana, te plemenite metale koje je teško obraditi drugim metodama.
• Fleksibilna skala proizvodnje: Prilagođava se masovnoj proizvodnji, maloserijska proizvodnja, pa čak i individualna prilagodba, sa snažnom skalabilnošću.

Nedostaci & Ograničenja

• Složeni tijek procesa: Ima najsloženiji proces od svih metoda lijevanja, uključujući izradu šablona od voska, premaz školjke, deparafinacija, prženje, i nalijevanje, zahtijeva strogu kontrolu procesa.
• Ograničena veličina odljevka: Nije prikladno za velike odljevke; najveća težina konvencionalnih odljevaka za ulaganje općenito je unutar 50 kg, jer su velike školjke sklone pucanju tijekom pečenja i prelijevanja.
• Spora brzina hlađenja: Keramička ljuska ima nisku toplinsku vodljivost, što dovodi do sporog skrućivanja rastaljenog metala, što može uzrokovati grubo zrnate strukture u nekim legurama.
• Visoki troškovi proizvodnje: Trošak voštanih uzoraka, vatrostalni materijali, a kontrola procesa je relativno visoka; ekonomski je isplativo samo u kombinaciji sa smanjenom strojnom obradom i uštedom materijala.

3. Kasting

Definicija jezgre & Princip procesa

Kasting je metoda lijevanja pod visokim pritiskom koja uključuje ubrizgavanje rastaljenog metala u preciznu metalnu šupljinu kalupa velikom brzinom (10–50m/s) pod visokim pritiskom (20–150 MPa), i skrućivanje metala pod pritiskom da se formiraju odljevci.

Ima dva osnovna procesa: livenje pod pritiskom u vrućoj komori (rastaljeni metal automatski teče u tlačnu komoru) i tlačni lijev u hladnoj komori (rastaljeni metal se ručno ili automatski ulijeva u tlačnu komoru).

Kalup je izrađen od čelika visoke čvrstoće, osiguravajući ponovnu upotrebu.

Prednosti

• Vrhunska kvaliteta proizvoda: Točnost dimenzija lijevanja doseže stupanj 6–7 (čak i ocjena 4 za precizne proizvode) s površinskom hrapavošću Ra 5–8μm;
  čvrstoća i tvrdoća su 25-30% veće od odljevaka od zelenog pijeska zbog skrućivanja pod pritiskom, iako se produljenje smanjuje za oko 70%.
• Ultra-visoka učinkovitost proizvodnje: Horizontalni stroj za tlačni lijev s hladnom komorom može izvršiti 600–700 ciklusa po 8 sate,
  dok mali stroj za tlačni lijev s vrućom komorom može postići 3000–7000 ciklusa, daleko nadmašuje druge metode lijevanja.
• Dug vijek trajanja kalupa: Kalupi za lijevanje pod pritiskom od legure cinka mogu trajati stotine tisuća ili čak milijune puta, smanjenje dugoročnih troškova proizvodnje.
• Jednostavna automatizacija: Proces je visoko kompatibilan s mehanizacijom i automatizacijom, smanjenje troškova rada i poboljšanje stabilnosti proizvodnje.
• Izvrsne ekonomske koristi: Odljevci zahtijevaju minimalnu ili nikakvu strojnu obradu, poboljšanje iskorištenja metala i smanjenje ulaganja u opremu za obradu;
  kombinirano tlačno lijevanje metalnih i nemetalnih materijala štedi vrijeme montaže i sirovine.

Nedostaci & Ograničenja

• Visok rizik kvara zbog plinske poroznosti: Punjenje velikom brzinom dovodi do nestabilnog protoka rastaljenog metala,
  lako hvatanje plina za stvaranje unutarnje poroznosti, zbog čega se odljevci ne mogu podvrgnuti toplinskoj obradi (toplinska obrada uzrokuje širenje plina i pucanje).
• Slaba prilagodljivost složenim unutarnjim konkavnim dijelovima: Teško je izvaditi unutarnje konkavne složene strukture, ograničavanje dizajna oblika lijevanja.
• Kratak vijek trajanja kalupa za legure s visokim talištem: Za legure s visokim talištem kao što su legure bakra i željezni metali, kalup je sklon toplinskom zamoru i habanju, znatno smanjujući vijek trajanja.
• Nije pogodan za maloserijsku proizvodnju: Trošak proizvodnje kalupa je visok, a visoka učinkovitost strojeva za tlačni lijev čini maloserijsku proizvodnju ekonomski neodrživom.

4. Trajno lijevanje kalupa (Lijevanje u tvrdi kalup)

Definicija jezgre & Princip procesa

Trajno lijevanje kalupa, također se naziva lijevanje u tvrdi kalup, uključuje izlijevanje rastaljenog metala u metalni kalup za oblikovanje odljevaka.

Kalup je izrađen od lijevanog željeza ili lijevanog čelika i može se ponovno upotrijebiti stotine do tisuće puta, otuda naziv "trajna plijesan".

Unutarnja šupljina odljevaka može koristiti metalne jezgre ili jezgre od pijeska, a strukture kalupa podijeljene su na horizontalnu rastavu, okomiti rastanak, i kompozitni dio za prilagodbu različitim oblicima odljeva:

okomito razdvajanje olakšava otvaranje i vađenje iz kalupa, horizontalno razdvajanje je za dijelove u obliku kotača s tankim stijenkama, a kompozitni rastanak je za složene komponente.

Prednosti

• Izvrsna mogućnost ponovne upotrebe kalupa: "Jedan kalup za više odljevaka" eliminira potrebu za ponovljenom izradom kalupa, ušteda materijala i vremena za kalupljenje, i poboljšanje učinkovitosti proizvodnje.
• Visoke performanse lijevanja: Metalni kalup ima snažan kapacitet hlađenja, što dovodi do guste strukture odljevka i superiornih mehaničkih svojstava u usporedbi s pješčanim odljevcima.
• Dobra dimenzijska točnost i kvaliteta površine: Ocjene tolerancije lijevanja dosežu IT12–IT14, hrapavost površine Ra ≤6,3μm, smanjenje opterećenja nakon obrade.
• Poboljšani radni uvjeti: Koristi malo ili nimalo pijeska, izbjegavanje onečišćenja prašinom i optimiziranje radnog okruženja za radnike.

Nedostaci & Ograničenja

• Visoka cijena kalupa i dug ciklus proizvodnje: The metal mold requires high-strength materials and precision processing,
  with high upfront investment and long lead time, unsuitable for single-piece and small-batch production.
• Limited applicable alloys and casting sizes: Mainly suitable for mass production of non-ferrous alloy castings (aluminum pistons, cylinder blocks, glave cilindra, copper alloy bushings, itd.) for automobiles, zrakoplov, and internal combustion engines;
  for ferrous alloy castings, it is only applicable to small and medium-sized parts with simple shapes.
• Strict process requirements: The mold needs preheating and temperature control to avoid cold shuts and mold cracking; it is prone to thermal fatigue after long-term use, affecting casting quality.

5. Lijevanje pod niskim pritiskom

Definicija jezgre & Princip procesa

Low-pressure casting is a casting method that fills the mold and solidifies molten metal under low pressure (0.02–0.06MPa).

The core process includes: ulijevanje rastaljenog metala u izolirani lončić, brtvljenje lončića, spajanje uzlazne cijevi s kalupom, uvođenje suhog komprimiranog zraka u lončić za pokretanje rastaljenog metala prema gore kroz usponsku cijev kako bi se ispunila šupljina kalupa,
skrućivanje metala pod stalnim pritiskom, otpuštajući pritisak kako bi preostali rastaljeni metal tekao natrag u lončić, i konačno otvaranje kalupa za vađenje odljevka.

Prednosti

• Fleksibilna kontrola procesa: Brzina dizanja rastaljenog metala i tlak skrućivanja su podesivi, pogodan za razne kalupe (metalni kalupi, kalupi za pijesak) i legure, kao i odljevci različitih veličina.
• Stabilno punjenje i niska stopa kvarova: Punjenje odozdo prema gore osigurava glatki protok rastaljenog metala bez prskanja, izbjegavanje zarobljavanja plina i erozije stijenki kalupa i jezgri;
  nedostaci lijevanja kao što su plinska poroznost i uključivanje troske značajno su smanjeni, s kvalifikacijskom stopom preko 95%.
• Visokokvalitetni odljevci: Stvrdnjavanje pod pritiskom ostvaruje usmjereno skrućivanje izvana prema unutra, što rezultira gustom strukturom odljevka,
  jasne konture, glatke površine, i izvrsna mehanička svojstva, posebno pogodan za velike dijelove tankih stijenki.
• Visoka iskoristivost materijala: Nije potreban uspon za hranjenje, sa stopom iskorištenja materijala od 90–98%, smanjenje metalnog otpada.
• Prijateljsko radno okruženje: Nizak intenzitet rada, jednostavna oprema, te laka realizacija mehanizacije i automatizacije, u skladu sa zahtjevima moderne proizvodnje.

Nedostaci & Ograničenja

• Kratak vijek trajanja usponske cijevi: Usponska cijev je dugo vremena u izravnom kontaktu s rastaljenim metalom na visokoj temperaturi, sklona oksidaciji i habanju, zahtijeva redovitu zamjenu.
• Rizik od onečišćenja rastaljenim metalom: Tijekom očuvanja topline, rastaljeni metal se lako oksidira i miješa sa troskom, zahtijevaju strogu kontrolu okoline za očuvanje topline i pročišćavanje rastaljenog metala.
• Ograničen opseg primjene: Uglavnom se koristi za lijevanje visokokvalitetnih odljevaka od aluminijskih legura i magnezijevih legura, kao što su blokovi cilindra, glave cilindra, kartere, i aluminijskim klipovima motora s unutarnjim izgaranjem velike brzine; rijetko se koristi za željezne legure zbog visokih temperaturnih zahtjeva.

6. Centrifugalno lijevanje

Definicija jezgre & Princip procesa

Centrifugalno lijevanje uključuje izlijevanje rastaljenog metala u rotirajući kalup, gdje metal ispunjava kalup i skrućuje se pod djelovanjem centrifugalne sile.

Prema orijentaciji rotacijske osi kalupa, dijeli se na tri tipa: horizontalno centrifugalno lijevanje (os vodoravna odn <4° prema horizontali, pogodan za dugačke cilindrične dijelove),

okomito centrifugalno lijevanje (okomita os, pogodan za kratke cilindrične ili prstenaste dijelove), i centrifugalni lijev s kosom osi (rijetko se koristi zbog složenog rada).

Centrifugalna sila pokreće usmjereno kretanje rastaljenog metala, optimizacija strukture odljevka.

Prednosti

• Pojednostavljena struktura kalupa: Za šuplje rotirajuće dijelove, bez jezgre, gating sustav, ili je potreban uspon, pojednostavljivanje dizajna kalupa i smanjenje troškova proizvodnje.
• Visokokvalitetni odljevci: Centrifugalna sila odvaja plinove niske gustoće i trosku na unutarnju površinu,
  i potiče usmjereno skrućivanje izvana prema unutra, što rezultira gustom strukturom odljevka, nekoliko nedostataka, i izvrsna mehanička svojstva.
• Ušteda troškova za bimetalne dijelove: Bimetalne komponente koje se lako lijevaju kao što su čahure i ležajevi (Npr., čelični rukavci s tankom bakrenom oblogom), ušteda skupih obojenih metala uz osiguranje performansi.
• Snažan kapacitet punjenja: Centrifugalna sila povećava fluidnost rastaljenog metala, pogodan za lijevanje tankostijenih dijelova i legura slabe fluidnosti.
• Smanjeni materijalni otpad: Eliminira sustave zatvarača i uspone, daljnje poboljšanje iskorištenja materijala.

Nedostaci & Ograničenja

• Loša kvaliteta unutarnje površine: Unutarnja slobodna površina odljevaka je hrapava, s velikim pogreškama u dimenzijama i slabom uniformnošću, zahtijevaju naknadnu strojnu obradu kako bi se zadovoljili dimenzionalni zahtjevi.
• Neprikladno za određene legure: Nije primjenjivo na legure s velikom segregacijom gustoće (Npr., olovna bronca), budući da će centrifugalna sila pogoršati segregaciju;
  također nije pogodan za legure aluminija i magnezija zbog njihove niske gustoće i slabog učinka centrifugalnog odvajanja.
• Ograničeni oblici lijevanja: Prikladno samo za rotirajuće simetrične dijelove (cilindri, prstenje, rukavi); ne može lijevati dijelove složenog oblika s nepravilnim konturama.
• Visoki zahtjevi za opremu: Zahtijeva specijalizirane strojeve za centrifugalno lijevanje sa stabilnom kontrolom brzine vrtnje, povećanje ulaganja u opremu.

7. Tablica usporedbe najčešće korištenih metoda lijevanja

8. Zaključak

Svaka metoda lijevanja nudi jedinstvene prednosti i ograničenja koja je čine prikladnom za specifične primjene.

Lijevanje u pijesku ostaje najsvestranija i najekonomičnija metoda za velike, složeni odljevi, dok livenje po ulošku osigurava iznimnu preciznost za komponente visoke vrijednosti.

Tlačni lijev ističe se u proizvodnji velikih količina tankostijenih dijelova, a trajno lijevanje u kalupe pruža postojanu kvalitetu za proizvodnju obojenih metala srednje količine.

Lijevanje pod niskim pritiskom idealno je za aluminijske i magnezijeve komponente visokog integriteta, a centrifugalno lijevanje je bez premca za šuplje simetrične dijelove.

Odabir odgovarajuće metode lijevanja ovisi o čimbenicima uključujući geometriju dijela, potrebna dimenzijska točnost, površinski završetak, vrsta materijala, obujam proizvodnje, i razmatranja troškova.

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