Seks viktige støpemetoder: Omfattende sammenligning & Innsikt

Introduksjon

Støping, som en av de tidligste mestrede metallvarmearbeidsprosessene for mennesker, har en historie på ca 6,000 år.

Kina gikk inn i storhetstiden for bronsestøping mellom 1700 BC og 1000 f.Kr, med støpehåndverk som nådde et ganske avansert nivå.

Som en kjerneprosess i moderne produksjon, støping muliggjør dannelse av kompleksformede metallkomponenter som er vanskelige å produsere via smiing eller maskinering, og det er mye brukt i romfart, bil, maskineri, og presisjonsinstrumentindustri.

Valget av støpemetoder avgjør direkte støpekvaliteten, produksjonseffektivitet, og produksjonskostnader.

1. Grønn sandstøping (Konvensjonell sandstøping)

Kjernedefinisjon & Prosessprinsipp

Grønn Sandstøping er den mest tradisjonelle og mest brukte støpemetoden globalt.

Dens kjerneråmaterialer er støpesand (overveiende silikasand; spesiell sand som zirkonsand og korundsand brukes når silikasand ikke oppfyller kravene til høye temperaturer) og sandbindere (leire er det vanligste; tørr olje, vannløselig silikat, fosfat, og syntetiske harpikser er alternative alternativer).

De utvendige sandformene er klassifisert i tre typer basert på bindemidler og styrkedannende mekanismer: grønn leiresandform, tørr leiresandform, og kjemisk bundet sandform.

Smeltet metall helles i sandformen, som stivner til støpegods, og formen er skadet etter en enkelt helling og kan ikke gjenbrukes.

Fordeler

• Kostnadseffektive råvarer: Leire er rikelig med ressurser og lavt priset; over 90% av brukt grønn leiresand kan resirkuleres og gjenbrukes etter sandbehandling, redusere materialavfall.
• Høy prosessfleksibilitet: Kort formsyklus og høy effektivitet; blandet formsand har lang levetid; den kan tilpasses små, stor, enkel, og komplekse støpegods, samt enkeltstykke, liten batch, og masseproduksjonsscenarier.
• Lav utstyrsterskel: Krever ikke avansert spesialutstyr, egnet for små og mellomstore støperier.

Ulemper & Begrensninger

• Lav produksjonseffektivitet: Hver sandform kan kun brukes én gang og må støpes om for senere støping, fører til lav kontinuerlig produksjonseffektivitet.
• Dårlig dimensjonsnøyaktighet: Stivheten til sandformer er lav, resulterer i støping av dimensjonelle toleransegrader på CT10–CT13, som ikke kan oppfylle høypresisjonskrav.
• Høy defektrisiko: Støpegods er utsatt for typiske defekter som sandvasking, sand inkludering, Gassporøsitet, og krympeporøsitet på grunn av den løse strukturen til sandformer.
• Dårlig overflatekvalitet: Støpeoverflaten er relativt ru, krever ekstra maskinering for å forbedre finishen.

2. Investeringsstøping (Lost-wax casting)

Kjernedefinisjon & Prosessprinsipp

Investeringsstøping, vanligvis kjent som tapt voksstøping, har en sofistikert prosessflyt:

lage voksmønstre ved å bruke smeltbare materialer, belegg flere lag med ildfaste materialer på mønsteroverflaten for å danne et keramisk skall, smelt og fjern voksmønsteret for å få en form uten skilleflater, og utfør høytemperatursteking før du heller smeltet metall.

Den kan brukes på et bredt spekter av legeringer, inkludert karbonstål, Legeringsstål, varmebestandig legering, rustfritt stål, kobberlegering, aluminiumslegering, titanlegering, og duktilt jern, spesielt for materialer som er vanskelige å bearbeide ved smiing eller kutting.

Fordeler

• Utmerket dimensjonal nøyaktighet: Støpetoleranse karakterer når CT4–CT6, mye høyere enn grønn sandstøping (CT10 - CT13) og kan sammenlignes med formstøping (CT5–CT7), minimere maskinering etter støping.
• Høy materialutnyttelse: Reduserer bearbeidingsvolumet av formede og sammenfallende overflater betydelig, sparer bearbeidingstid og forbruk av skjæreverktøy, med materialutnyttelsesgrad over 90%.
• Sterk formtilpasningsevne: Kan støpe ekstremt komplekse komponenter, tynnveggede deler (minimum veggtykkelse 0,5 mm), og støpegods i mikrostørrelse (minimum vekt 1g);
  den støtter også integrert støping av sammensatte deler, forenkling av påfølgende monteringsprosesser.
• Bred legeringskompatibilitet: Passer for nesten alle metallmaterialer, inkludert høytemperaturlegeringer, magnesiumlegeringer, Titanlegeringer, og edle metaller som er vanskelige å bearbeide med andre metoder.
• Fleksibel produksjonsskala: Tilpasser seg masseproduksjon, små batch produksjon, og til og med tilpasning i ett stykke, med sterk skalerbarhet.

Ulemper & Begrensninger

• Kompleks prosessflyt: Den har den mest intrikate prosessen blant alle støpemetoder, involverer voksmønsterfremstilling, skallbelegg, avvoksing, steking, og helle, krever streng prosesskontroll.
• Begrenset støpestørrelse: Ikke egnet for store støpegods; den maksimale vekten av konvensjonelle investeringsstøpegods er vanligvis innenfor 50 kg, da store skjell er utsatt for å sprekke under steking og helling.
• Langsom nedkjølingshastighet: Det keramiske skallet har lav varmeledningsevne, fører til langsom størkning av smeltet metall, som kan forårsake grove kornstrukturer i enkelte legeringer.
• Høye produksjonskostnader: Kostnaden for voksmønstre, ildfaste materialer, og prosesskontrollen er relativt høy; det er økonomisk levedyktig bare når det kombineres med redusert maskinering og materialbesparelser.

3. Die casting

Kjernedefinisjon & Prosessprinsipp

Die casting er en høytrykksstøpemetode som innebærer å injisere smeltet metall i et presisjonsmetallformhulrom med høy hastighet (10–50m/s) under høyt trykk (20–150 MPa), og størkne metallet under trykk for å danne støpegods.

Den har to grunnleggende prosesser: Hot-chamber die casting (smeltet metall strømmer automatisk inn i trykkkammeret) og kaldkammer pressestøping (smeltet metall helles manuelt eller automatisk inn i trykkkammeret).

Formen er laget av høyfast formstål, sikre gjentatt bruk.

Fordeler

• Overlegen produktkvalitet: Dimensjonsnøyaktighet for støping når karakter 6–7 (jevn karakter 4 for presisjonsprodukter) med overflateruhet Ra 5–8μm;
  styrken og hardheten er 25–30 % høyere enn grønn sandstøping på grunn av trykkstørkning, selv om forlengelsen avtar med ca 70%.
• Ultrahøy produksjonseffektivitet: En horisontal kaldkammer støpemaskin kan gjennomføre 600–700 sykluser pr 8 timer,
  mens en liten trykkstøpemaskin med varme kammer kan oppnå 3000–7000 sykluser, langt over andre støpemetoder.
• Lang mugglevetid: Støpeformer for sinklegeringsstøping kan vare hundretusenvis eller til og med millioner av ganger, redusere langsiktige produksjonskostnader.
• Enkel automatisering: Prosessen er svært kompatibel med mekanisering og automatisering, redusere lønnskostnader og forbedre produksjonsstabiliteten.
• Utmerkede økonomiske fordeler: Støpegods krever minimal eller ingen maskinering, forbedre metallutnyttelsen og redusere investeringer i prosessutstyr;
  kombinert trykkstøping av metall og ikke-metallmaterialer sparer monteringstid og råmaterialer.

Ulemper & Begrensninger

• Høy defektrisiko for gassporøsitet: Høyhastighetsfylling fører til ustabil flyt av smeltet metall,
  lett å fange gass for å danne indre porøsitet, som gjør at støpegods ikke kan gjennomgå varmebehandling (varmebehandling forårsaker gassekspansjon og sprekker).
• Dårlig tilpasningsevne til komplekse indre konkave deler: Det er vanskelig å avforme indre konkave komplekse strukturer, begrense utformingen av støpeformer.
• Kort formlevetid for legeringer med høyt smeltepunkt: For legeringer med høyt smeltepunkt som kobberlegeringer og jernholdige metaller, muggsoppen er utsatt for termisk tretthet og slitasje, reduserer levetiden betydelig.
• Ikke egnet for små batch produksjon: Formproduksjonskostnaden er høy, og den høye effektiviteten til støpemaskiner gjør små batch-produksjon økonomisk ulønnsom.

4. Permanent muggstøping (Hard Mold støping)

Kjernedefinisjon & Prosessprinsipp

Permanent muggstøping, også kalt hard formstøping, innebærer å helle smeltet metall i en metallform for å danne støpegods.

Formen er laget av støpejern eller støpt stål og kan gjenbrukes hundrevis til tusenvis av ganger, derav navnet "permanent mold".

Det indre hulrommet til støpegods kan bruke metallkjerner eller sandkjerner, og formstrukturene er delt inn i horisontal skille, vertikal avskjed, og komposittskille for å tilpasse seg forskjellige støpeformer:

vertikal skille forenkler porting og avforming, horisontal skille er for tynnveggede hjulformede deler, og komposittskille er for komplekse komponenter.

Fordeler

• Utmerket gjenbrukbarhet av form: "Én form for flere støpinger" eliminerer behovet for gjentatt formproduksjon, sparer støpematerialer og tid, og forbedre produksjonseffektiviteten.
• Høy støpeytelse: Metallformen har sterk kjølekapasitet, fører til tett støpestruktur og overlegne mekaniske egenskaper sammenlignet med sandstøpegods.
• God dimensjonsnøyaktighet og overflatekvalitet: Støpetoleransegrader når IT12–IT14, overflateruhet Ra ≤6,3μm, redusere etterbehandlingsarbeidsmengden.
• Forbedrede arbeidsforhold: Den bruker lite eller ingen sand, unngå støvforurensning og optimalisere arbeidsmiljøet for arbeidere.

Ulemper & Begrensninger

• Høye formkostnader og lang produksjonssyklus: 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, Sylinderhoder, copper alloy bushings, etc.) for automobiles, fly, 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. Lavtrykksstøping

Kjernedefinisjon & Prosessprinsipp

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: helle smeltet metall i en isolert digel, forsegle digelen, koble stigerøret til formen, introdusere tørr komprimert luft inn i digelen for å drive smeltet metall oppover gjennom stigerøret for å fylle formhulen,
størkner metallet under konstant trykk, frigjør trykket for å la gjenværende smeltet metall strømme tilbake til digelen, og til slutt åpner formen for å ta ut avstøpningen.

Fordeler

• Fleksibel prosesskontroll: Det smeltede metallets stigehastighet og størkningstrykket er justerbare, egnet for ulike former (metallformer, sandformer) og legeringer, samt støpegods av forskjellige størrelser.
• Stabil fylling og lav defektrate: Fylling nedenfra og opp sikrer jevn flyt av smeltet metall uten sprut, unngå gassoppfanging og erosjon av formvegger og -kjerner;
  støpefeil som gassporøsitet og slagginklusjon reduseres betydelig, med kvalifikasjonsprosent over 95%.
• Støpegods av høy kvalitet: Trykkstørkning realiserer retningsbestemt størkning fra utsiden til innsiden, resulterer i tett støpestruktur,
  klare konturer, glatte overflater, og utmerkede mekaniske egenskaper, spesielt egnet for store tynnveggede deler.
• Høy materialutnyttelse: Ingen fôringsstige er nødvendig, med materialutnyttelsesgrad på 90–98 %, redusere metallavfall.
• Hyggelig arbeidsmiljø: Lav arbeidsintensitet, enkelt utstyr, og enkel realisering av mekanisering og automatisering, i samsvar med moderne produksjonskrav.

Ulemper & Begrensninger

• Kort levetid for stigerør: Stigerøret er i direkte kontakt med høytemperatursmeltet metall i lang tid, utsatt for oksidasjon og slitasje, krever regelmessig utskifting.
• Forurensningsrisiko for smeltet metall: Under varmekonservering, smeltet metall oksideres lett og blandes med slagg, krever streng kontroll av varmekonserveringsmiljøet og rensing av smeltet metall.
• Begrenset bruksområde: Brukes hovedsakelig til støping av høykvalitets aluminiumslegering og magnesiumlegering, som sylinderblokker, Sylinderhoder, veivhus, og høyhastighets forbrenningsmotorstempler i aluminium; den brukes sjelden til jernholdige legeringer på grunn av høye temperaturkrav.

6. Sentrifugalstøping

Kjernedefinisjon & Prosessprinsipp

Sentrifugalstøping innebærer å helle smeltet metall i en roterende form, hvor metallet fyller formen og stivner under sentrifugalkraft.

I henhold til orienteringen til formens roterende akse, den er delt inn i tre typer: horisontal sentrifugalstøping (akse horisontal eller <4° til horisontal, egnet for lange sylindriske deler),

vertikal sentrifugalstøping (vertikal akse, egnet for korte sylindriske eller ringformede deler), og sentrifugalstøping med skrå akse (brukes sjelden på grunn av kompleks operasjon).

Sentrifugalkraft driver retningsbevegelsen til smeltet metall, optimalisering av støpestruktur.

Fordeler

• Forenklet formstruktur: For hule roterende deler, ingen kjerne, Gatesystem, eller stigerør er nødvendig, forenkler formdesign og reduserer produksjonskostnadene.
• Støpegods av høy kvalitet: Sentrifugalkraft skiller gasser og slagger med lav tetthet til den indre overflaten,
  og fremmer retningsbestemt størkning fra utsiden til innsiden, resulterer i tett støpestruktur, få defekter, og utmerkede mekaniske egenskaper.
• Kostnadsbesparende for bimetalldeler: Enkelt å støpe bimetallkomponenter som foringer og lagre (F.eks., stålhylser med tynn kobberfôr), sparer dyre ikke-jernholdige metaller samtidig som ytelsen sikres.
• Sterk fyllingskapasitet: Sentrifugalkraft øker flyten til smeltet metall, egnet for støping av tynnveggede deler og legeringer med dårlig flyt.
• Redusert materialavfall: Eliminerer portsystemer og stigerør, ytterligere forbedring av materialutnyttelsen.

Ulemper & Begrensninger

• Dårlig kvalitet på indre overflate: Den indre frie overflaten til støpegods er ru, med store dimensjonsfeil og dårlig jevnhet, krever påfølgende maskinering for å møte dimensjonskrav.
• Uegnet for visse legeringer: Ikke aktuelt for legeringer med sterk tetthetssegregering (F.eks., bly bronse), som sentrifugalkraft vil forverre segregering;
  heller ikke egnet for aluminium og magnesiumlegeringer på grunn av deres lave tetthet og dårlige sentrifugalseparasjonseffekt.
• Begrensede støpeformer: Kun egnet for roterende symmetriske deler (sylindere, ringer, ermer); kan ikke støpe kompleksformede deler med uregelmessige konturer.
• Høye utstyrskrav: Krever spesialiserte sentrifugalstøpemaskiner med stabil rotasjonshastighetskontroll, øke utstyrsinvesteringene.

7. Sammenligningstabell over vanlige støpemetoder

8. Konklusjon

Hver støpemetode gir unike fordeler og begrensninger som gjør den egnet for spesifikke bruksområder.

Sandstøping er fortsatt den mest allsidige og økonomiske metoden for store, komplekse støpegods, mens investeringsstøping gir eksepsjonell presisjon for komponenter av høy verdi.

Pressestøping utmerker seg i høyvolumproduksjon av tynnveggede deler, og permanent formstøping gir jevn kvalitet for middels volum ikke-jernholdig produksjon.

Lavtrykksstøping er ideell for høyintegritetskomponenter av aluminium og magnesium, og sentrifugalstøping er uovertruffen for hule symmetriske deler.

Valget av en passende støpemetode avhenger av faktorer inkludert delens geometri, nødvendig dimensjonsnøyaktighet, overflatebehandling, materialtype, produksjonsvolum, og kostnadshensyn.

Moderne produksjon kombinerer i økende grad disse teknikkene for å utnytte deres komplementære fordeler, driver innovasjon innen produksjon av komplekse komponenter på tvers av romfart, bil, og industrisektorer.