Hat kulcsú öntési módszer: Átfogó összehasonlítás & Insights

Bevezetés

Öntvény, mint az egyik legkorábban elsajátított fém melegmegmunkálási folyamat az ember számára, kb. múlttal büszkélkedhet 6,000 évre.

között Kína a bronzöntvények virágkorába lépett 1700 Kr.e. és 1000 I.E, az öntési mesterség eléggé haladó szintjét elérve.

A modern gyártás alapvető folyamataként, az öntés lehetővé teszi összetett alakú fém alkatrészek kialakítását, amelyeket nehéz kovácsolással vagy megmunkálással előállítani, és széles körben alkalmazzák a repülésben, autóipar, gépek, és precíziós műszeripar.

Az öntési módszerek kiválasztása közvetlenül meghatározza az öntési minőséget, termelési hatékonyság, és a gyártási költségek.

1. Zöld homok öntés (Hagyományos homoköntés)

Alapdefiníció & A folyamat elve

Zöld homoköntés a világ leghagyományosabb és legszélesebb körben használt öntési módszere.

Alapanyaga az öntödei homok (túlnyomórészt kovasavas homok; speciális homokokat, például cirkónium homokot és korund homokot alkalmaznak, ha a szilícium-dioxid homok nem felel meg a magas hőmérsékleti követelményeknek) és homokkötő anyagokat (agyag a leggyakoribb; száraz olaj, vízben oldódó szilikát, foszfát, és a szintetikus gyanták alternatív lehetőségek).

A külső homokformák három típusba sorolhatók a kötőanyagok és a szilárdságképző mechanizmusok alapján: zöld agyag homok penész, száraz agyag homok penész, és kémiailag kötött homokpenész.

Az olvadt fémet a homokformába öntik, amely megszilárdul öntvényekké, és a forma egyetlen kiöntés után megsérül, és nem használható fel újra.

Előnyök

• Költséghatékony alapanyagok: Az agyag bővelkedik az erőforrásokban és alacsony az ára; felett 90% A használt zöld agyaghomok újrahasznosítható, és homokkezelés után újra felhasználható, anyagpazarlás csökkentése.
• Magas folyamatrugalmasság: Rövid formakészítési ciklus és nagy hatékonyság; kevert fröccsöntő homok hosszú élettartamú; kicsihez is illeszthető, nagy, egyszerű, és összetett öntvények, valamint egyrészes, kis tételben, és tömeggyártási forgatókönyvek.
• Alacsony felszerelési küszöb: Nem igényel csúcskategóriás speciális felszerelést, alkalmas kis és közepes méretű öntödék számára.

Hátrányok & Korlátozások

• Alacsony termelési hatékonyság: Minden homokforma csak egyszer használható, és a következő öntéshez újra kell formálni, alacsony folyamatos termelési hatékonysághoz vezet.
• Gyenge méretpontosság: A homokformák merevsége alacsony, CT10–CT13 öntvénymérettűrési fokozatokat eredményezve, amelyek nem tudnak megfelelni a nagy pontosságú követelményeknek.
• Magas hibaveszély: Az öntvények hajlamosak a tipikus hibákra, például a homokmosásra, homokzárvány, gáz porozitása, valamint a homokformák laza szerkezete miatti zsugorodási porozitás.
• Gyengébb felületi minőség: Az öntési felület viszonylag érdes, további megmunkálást igényel a minőség javítása érdekében.

2. Befektetési casting (Elveszett viaszöntés)

Alapdefiníció & A folyamat elve

Befektetési casting, közismert nevén elveszett viasz öntés, kifinomult folyamatfolyamattal rendelkezik:

olvadó anyagok felhasználásával viaszmintákat készít, vonjon be több réteg tűzálló anyagot a minta felületére, hogy kerámia héjat képezzen, olvasszuk meg és távolítsuk el a viaszmintát, hogy elváló felületek nélküli formát kapjunk, és magas hőmérsékleten pörkölni kell az olvadt fém öntése előtt.

Az ötvözetek széles skálájára alkalmazható, beleértve a szénacélt, ötvözött acél, hőálló ötvözet, rozsdamentes acél, rézötvözet, alumínium ötvözet, titán ötvözet, és gömbgrafitos vas, különösen kovácsolással vagy vágással nehezen feldolgozható anyagokhoz.

Előnyök

• Kiváló dimenziós pontosság: Öntési tolerancia fokozatok elérik a CT4–CT6-ot, sokkal magasabb, mint a zöld homoköntés (CT10 - CT13) és összehasonlítható a présöntéssel (CT5–CT7), az öntés utáni megmunkálás minimalizálása.
• Magas anyagfelhasználás: Jelentősen csökkenti a formált és illeszkedő felületek megmunkálási térfogatát, megmunkálási idő és forgácsolószerszám megtakarítás, meghaladó anyagfelhasználás mellett 90%.
• Erős formai alkalmazkodóképesség: Rendkívül összetett alkatrészeket tud önteni, vékony falú részek (minimális falvastagság 0,5 mm), és mikroméretű öntvények (minimális súly 1g);
  az összeszerelt alkatrészek integrált öntését is támogatja, a későbbi összeszerelési folyamatok egyszerűsítése.
• Széles ötvözetkompatibilitás: Szinte minden fémanyaghoz alkalmas, beleértve a magas hőmérsékletű ötvözetek, magnéziumötvözetek, titánötvözetek, és más módszerekkel nehezen feldolgozható nemesfémek.
• Rugalmas gyártási méretarány: Alkalmazkodik a tömeggyártáshoz, kis szériás gyártás, és akár egyrészes testreszabás is, erős skálázhatósággal.

Hátrányok & Korlátozások

• Komplex folyamatfolyamat: Ez a legbonyolultabb eljárással rendelkezik az összes öntési módszer közül, viaszmintázat készítésével jár, héjbevonat, viaszmentesítés, sütés, és kiöntve, szigorú folyamatszabályozást igényel.
• Korlátozott öntvényméret: Nem alkalmas nagy öntvényekhez; a hagyományos öntvények maximális súlya általában 50 kg-on belül van, mivel a nagy héjak hajlamosak a sütés és öntés során megrepedésre.
• Lassú hűtési sebesség: A kerámia héj alacsony hővezető képességgel rendelkezik, ami az olvadt fém lassú megszilárdulásához vezet, ami egyes ötvözetekben durva szemcsés szerkezeteket okozhat.
• Magas gyártási költség: A viaszminták költsége, tűzálló anyagok, és a folyamatszabályozás viszonylag magas; csak akkor gazdaságos, ha csökkentett megmunkálással és anyagmegtakarítással párosul.

3. Casting

Alapdefiníció & A folyamat elve

Casting egy nagynyomású öntési módszer, amely magában foglalja az olvadt fém nagy sebességgel történő befecskendezését egy precíziós fém formaüregbe (10-50 m/s) nagy nyomás alatt (20-150 MPa), és a fém nyomás alatti megszilárdítása öntvényekké.

Két alapvető folyamata van: melegkamrás présöntés (az olvadt fém automatikusan a nyomáskamrába áramlik) és hidegkamrás fröccsöntés (az olvadt fémet manuálisan vagy automatikusan öntik a nyomáskamrába).

A forma nagy szilárdságú présacélból készül, ismételt használat biztosítása.

Előnyök

• Kiváló termékminőség: Az öntés méretpontossága eléri a 6–7. fokozatot (egyenletes fokozat 4 precíziós termékekhez) felületi érdességgel Ra 5–8μm;
  a szilárdság és keménység a nyomásszilárdulás miatt 25-30%-kal nagyobb, mint a zöldhomoköntvényeknél, bár a nyúlás kb 70%.
• Ultra-magas termelési hatékonyság: Egy vízszintes hidegkamrás fröccsöntőgép 600-700 ciklust képes végrehajtani 8 órák,
  míg egy kis forrókamrás présöntőgép 3000-7000 ciklust képes elérni, messze meghaladja a többi öntési módot.
• Hosszú penészélettartam: A cinkötvözet fröccsöntéséhez használt formák több százezer vagy akár milliószor is kitarthatnak, a hosszú távú termelési költségek csökkentése.
• Könnyű automatizálás: Az eljárás nagymértékben kompatibilis a gépesítéssel és az automatizálással, a munkaerőköltségek csökkentése és a termelés stabilitásának javítása.
• Kiváló gazdasági előnyök: Az öntvények minimális megmunkálást igényelnek, vagy egyáltalán nem, a fémhasznosítás javítása és a feldolgozó berendezések beruházásának csökkentése;
  A fém és nem fém anyagok kombinált présöntése összeszerelési időt és nyersanyagokat takarít meg.

Hátrányok & Korlátozások

• Magas gázporozitási hibaveszély: A nagy sebességű töltés az olvadt fém instabil áramlásához vezet,
  könnyen felfogja a gázt, belső porozitást hozva létre, ami miatt az öntvények nem vethetők alá hőkezelésnek (a hőkezelés gáztágulást és repedést okoz).
• Rossz alkalmazkodóképesség bonyolult belső homorú részekhez: A belső homorú összetett szerkezeteket nehéz szétszerelni, az öntési formák kialakításának korlátozása.
• Rövid szerszámélettartam magas olvadáspontú ötvözetek számára: Magas olvadáspontú ötvözetekhez, például rézötvözetekhez és vasfémekhez, a penész hajlamos a termikus kifáradásra és kopásra, jelentősen csökkenti az élettartamot.
• Kis szériás gyártásra nem alkalmas: Az öntőforma gyártási költsége magas, a présöntőgépek nagy hatékonysága pedig gazdaságilag életképtelenné teszi a kisszériás gyártást.

4. Állandó penészöntés (Kemény öntés)

Alapdefiníció & A folyamat elve

Állandó öntés formába, keményformás öntésnek is nevezik, magában foglalja az olvadt fém öntését egy fémformába öntvények kialakításához.

A forma öntöttvasból vagy öntött acélból készül, és több száz-ezer alkalommal újrafelhasználható, innen ered az „állandó penész” elnevezés.

Az öntvények belső üregében fémmagok vagy homokmagok használhatók, és a formaszerkezeteket vízszintes elválasztásra osztjuk, függőleges elválás, és kompozit elválasztás a különböző öntvényformákhoz való alkalmazkodás érdekében:

A függőleges elválasztás megkönnyíti a kapuzást és a szétszerelést, A vízszintes elválasztás vékonyfalú kerék alakú alkatrészekhez való, a kompozit elválasztás pedig összetett alkatrészekhez való.

Előnyök

• Kiváló öntőforma újrafelhasználhatóság: „Egy öntőforma több öntéshez” szükségtelenné teszi az ismételt formakészítést, fröccsöntő anyagok és idő megtakarítása, és a termelés hatékonyságának javítása.
• Magas öntési teljesítmény: A fémforma erős hűtőkapacitással rendelkezik, sűrű öntvényszerkezethez és a homoköntvényekhez képest kiváló mechanikai tulajdonságokhoz vezet.
• Jó méretpontosság és felületminőség: Az öntési tűréshatárok elérik az IT12-IT14-et, felületi érdesség Ra ≤6,3μm, az utófeldolgozási munkaterhelés csökkentése.
• Javított munkakörülmények: Kevés homokot használ, vagy egyáltalán nem használ, a porszennyezés elkerülése és a dolgozók működési környezetének optimalizálása.

Hátrányok & Korlátozások

• Magas penészköltség és hosszú gyártási ciklus: A fémforma nagy szilárdságú anyagokat és precíziós feldolgozást igényel,
  magas előzetes befektetéssel és hosszú átfutási idővel, alkalmatlan egy darabos és kis szériás gyártásra.
• Korlátozottan alkalmazható ötvözetek és öntvényméretek: Főleg színesfém ötvözet öntvények tömeggyártására alkalmas (alumínium dugattyúk, hengerblokkok, hengerfejek, rézötvözet perselyek, stb.) autókhoz, repülőgép, és belső égésű motorok;
  vasötvözet-öntvényekhez, csak kis és közepes méretű, egyszerű formájú alkatrészekre alkalmazható.
• Szigorú folyamatkövetelmények: A formának előmelegítésre és hőmérséklet-szabályozásra van szüksége, hogy elkerülje a hidegzárást és a penészrepedést; hosszú távú használat után hajlamos a hőfáradásra, befolyásolja az öntési minőséget.

5. Alacsony nyomású öntés

Alapdefiníció & A folyamat elve

Az alacsony nyomású öntés olyan öntési módszer, amely kitölti a formát és alacsony nyomáson megszilárdítja az olvadt fémet (0.02-0,06 MPa).

Az alapfolyamat magában foglalja: olvadt fém öntése egy szigetelt tégelybe, a tégely lezárása, a felszállócső összekötése a formával, száraz sűrített levegő bevezetése a tégelybe, hogy az olvadt fémet felfelé hajtsa a felszállócsövön keresztül, hogy kitöltse a forma üregét,
állandó nyomás alatt megszilárdul a fém, a nyomás leengedése, hogy a maradék olvadt fém visszafolyhasson a tégelybe, és végül kinyitjuk a formát, hogy kivegyük az öntvényt.

Előnyök

• Rugalmas folyamatvezérlés: Az olvadt fém felfutási sebessége és a szilárdulási nyomás állítható, különböző formákhoz alkalmas (fémformák, homokformák) és ötvözetek, valamint különböző méretű öntvények.
• Stabil töltés és alacsony hibaarány: Az alulról felfelé történő töltés biztosítja az olvadt fém egyenletes áramlását fröccsenés nélkül, elkerülve a gáz beszorulását és a penészfalak és -magok erózióját;
  az öntési hibák, mint a gázporozitás és a salakzárvány jelentősen csökkennek, a minősítési arány lejártával 95%.
• Kiváló minőségű öntvények: A nyomás alatti szilárdítás irányos megszilárdulást valósít meg kívülről befelé, sűrű öntvényszerkezetet eredményezve,
  tiszta kontúrok, sima felületek, és kiváló mechanikai tulajdonságokkal, különösen alkalmas nagy vékonyfalú alkatrészekhez.
• Magas anyagfelhasználás: Nincs szükség etetővezetékre, 90-98%-os anyagfelhasználással, fémhulladék csökkentése.
• Barátságos munkakörnyezet: Alacsony munkaintenzitás, egyszerű berendezés, valamint a gépesítés és automatizálás egyszerű megvalósítása, megfelel a modern gyártási követelményeknek.

Hátrányok & Korlátozások

• A felszállócső rövid élettartama: A felszállócső hosszú ideig közvetlenül érintkezik a magas hőmérsékletű olvadt fémmel, oxidációra és kopásra hajlamos, rendszeres cserét igényel.
• Olvadt fémszennyezés veszélye: A hőmegőrzés során, az olvadt fém könnyen oxidálódik és slaggal keveredik, amely megköveteli a hőmegőrzési környezet és az olvadt fém tisztításának szigorú ellenőrzését.
• Korlátozott alkalmazási kör: Főleg kiváló minőségű alumíniumötvözet és magnéziumötvözet öntvények öntésére szolgál, mint például a hengerblokkok, hengerfejek, karterek, és nagy sebességű belső égésű motorok alumíniumdugattyúi; a magas hőmérsékleti követelmények miatt ritkán használják vasötvözetekhez.

6. Centrifugális casting

Alapdefiníció & A folyamat elve

A centrifugális öntés során megolvadt fémet öntenek egy forgó formába, ahol a fém kitölti a formát és centrifugális erő hatására megszilárdul.

A forma forgástengelyének tájolása szerint, három típusra oszlik: vízszintes centrifugális öntés (tengelye vízszintes ill <4° vízszintesre, alkalmas hosszú hengeres alkatrészekhez),

függőleges centrifugális öntés (tengely függőleges, alkalmas rövid hengeres vagy gyűrű alakú alkatrészekhez), és ferde tengelyű centrifugális öntvény (a bonyolult működés miatt ritkán használják).

A centrifugális erő mozgatja az olvadt fém irányított mozgását, az öntvényszerkezet optimalizálása.

Előnyök

• Egyszerűsített formaszerkezet: Üreges forgó alkatrészekhez, nincs mag, kapurendszer, vagy emelőre van szükség, a formatervezés egyszerűsítése és a gyártási költségek csökkentése.
• Kiváló minőségű öntvények: A centrifugális erő leválasztja a kis sűrűségű gázokat és salakokat a belső felületre,
  és elősegíti az irányított megszilárdulást kívülről befelé, sűrű öntvényszerkezetet eredményezve, kevés hiba, és kiváló mechanikai tulajdonságokkal.
• Költségtakarékos bimetál alkatrészek: Könnyen önthető bimetál alkatrészek, például perselyek és csapágyak (PÉLDÁUL., acél hüvelyek vékony réz béléssel), költséges színesfémek megtakarítása a teljesítmény biztosítása mellett.
• Erős töltőképesség: A centrifugális erő növeli az olvadt fém folyékonyságát, alkalmas vékony falú alkatrészek és gyenge folyékonyságú ötvözetek öntésére.
• Csökkentett anyaghulladék: Megszünteti a kapurendszereket és felszállókat, tovább javítja az anyagfelhasználást.

Hátrányok & Korlátozások

• Rossz minőségű belső felület: Az öntvények belső szabad felülete érdes, nagy mérethibákkal és gyenge egyenletességgel, utólagos megmunkálást igényel a méretkövetelmények teljesítése érdekében.
• Bizonyos ötvözetekhez alkalmatlan: Nem alkalmazható erős sűrűségű szegregációval rendelkező ötvözetekre (PÉLDÁUL., ólombronz), mivel a centrifugális erő súlyosbítja a szegregációt;
  szintén nem alkalmas alumínium- és magnéziumötvözetekhez alacsony sűrűségük és gyenge centrifugális elválasztó hatásuk miatt.
• Korlátozott öntési formák: Csak forgó szimmetrikus alkatrészekhez alkalmas (hengerek, gyűrűk, ujjú); nem önthet összetett alakú, szabálytalan kontúrú részeket.
• Magas felszerelési követelmények: Speciális centrifugális öntőgépeket igényel stabil forgási sebesség szabályozással, a berendezés beruházások növelése.

7. Az általánosan használt öntési módszerek összehasonlító táblázata

8. Következtetés

Mindegyik öntési módszer egyedi előnyöket és korlátokat kínál, amelyek alkalmassá teszik bizonyos alkalmazásokhoz.

A homoköntés továbbra is a legsokoldalúbb és leggazdaságosabb módszer a nagyok számára, összetett öntvények, míg a befektetési öntés kivételes pontosságot biztosít a nagy értékű alkatrészekhez.

A présöntvény kiváló a vékonyfalú alkatrészek nagy volumenű gyártásában, és az állandó öntőformás öntés egyenletes minőséget biztosít a közepes mennyiségű színesfém-gyártáshoz.

Az alacsony nyomású öntvény ideális a nagy integritású alumínium és magnézium alkatrészekhez, a centrifugális öntvény pedig páratlan az üreges szimmetrikus részek esetében.

A megfelelő öntési módszer kiválasztása olyan tényezőktől függ, mint az alkatrész geometriája, a szükséges méretpontosság, felszíni befejezés, anyagtípus, termelési mennyiség, és költségmegfontolások.

A modern gyártás egyre inkább kombinálja ezeket a technikákat, hogy kiaknázza egymást kiegészítő előnyeiket, innováció ösztönzése a komplex alkatrészgyártásban az űrhajózásban, autóipar, és ipari ágazatok.