Šesť kľúčových metód odlievania: Komplexné porovnanie & Insights

Zavedenie

Odlievanie, ako jeden z prvých zvládnutých procesov spracovania kovov za tepla pre ľudí, sa môže pochváliť históriou približne 6,000 rokov.

Čína vstúpila do obdobia rozkvetu bronzových odliatkov medzi 1700 BC a 1000 BC, s odlievaním, ktoré dosahuje pomerne pokročilú úroveň.

Ako hlavný proces v modernej výrobe, odlievanie umožňuje vytváranie zložitých tvarovaných kovových komponentov, ktoré sa ťažko vyrábajú kovaním alebo obrábaním, a je široko používaný v letectve, automobilový, strojové zariadenie, a presných prístrojov.

Výber metód odlievania priamo určuje kvalitu odlievania, efektívnosť výroby, a výrobné náklady.

1. Odlievanie do zeleného piesku (Konvenčné liatie do piesku)

Základná definícia & Procesný princíp

Zelená odlievanie piesku je celosvetovo najtradičnejšia a najpoužívanejšia metóda odlievania.

Jeho hlavnou surovinou je zlievárenský piesok (prevažne kremičitý piesok; špeciálne piesky ako zirkónový piesok a korundový piesok sa používajú, keď kremičitý piesok nespĺňa požiadavky na vysoké teploty) a pieskové spojivá (hlina je najbežnejšia; suchý olej, vo vode rozpustný kremičitan, fosfát, a syntetické živice sú alternatívnymi možnosťami).

Vonkajšie pieskové formy sú rozdelené do troch typov na základe spojív a mechanizmov vytvárania pevnosti: zelená hlina piesková forma, suchá hlinená piesková forma, a chemicky viazaná piesková forma.

Roztavený kov sa naleje do pieskovej formy, ktorý tuhne na odliatky, a forma sa po jedinom naliatí poškodí a nedá sa znovu použiť.

Výhody

• Cenovo výhodné suroviny: Hlina je bohatá na zdroje a je lacná; nadol 90% použitého zeleného ílového piesku je možné po úprave pieskom recyklovať a znovu použiť, zníženie plytvania materiálom.
• Vysoká flexibilita procesu: Krátky cyklus výroby formy a vysoká účinnosť; zmiešaný formovací piesok má dlhú životnosť; je prispôsobivá malým, veľký, jednoduchý, a zložité odliatky, ako aj jednodielne, malosériový, a scenáre sériovej výroby.
• Nízky prah vybavenia: Nevyžaduje špičkové špecializované vybavenie, vhodné pre malé a stredné zlievarne.

Nevýhody & Obmedzenia

• Nízka efektivita výroby: Každá piesková forma môže byť použitá len raz a pre ďalšie odlievanie musí byť preformovaná, čo vedie k nízkej efektivite nepretržitej výroby.
• Slabá rozmerová presnosť: Tuhosť pieskových foriem je nízka, výsledkom sú stupne tolerancie rozmerov odliatku CT10–CT13, ktoré nemôžu spĺňať požiadavky na vysokú presnosť.
• Vysoké riziko defektu: Odliatky sú náchylné na typické chyby, ako je umývanie piesku, zahrnutie piesku, pórovitosť plynu, a pórovitosť zmršťovania v dôsledku voľnej štruktúry pieskových foriem.
• Horšia kvalita povrchu: Povrch odliatku je pomerne drsný, vyžadujúce dodatočné opracovanie na zlepšenie konečnej úpravy.

2. Odlievanie investícií (Obsadenie strateného vosku)

Základná definícia & Procesný princíp

Odlievanie investícií, bežne známy ako odlievanie do strateného vosku, má sofistikovaný procesný tok:

vyrábať voskové vzory pomocou taviteľných materiálov, nanesenie viacerých vrstiev žiaruvzdorných materiálov na povrch vzoru, aby sa vytvoril keramický plášť, roztavte a odstráňte voskový vzor, ​​aby ste získali formu bez deliacich plôch, a pred naliatím roztaveného kovu vykonajte praženie pri vysokej teplote.

Je použiteľný pre širokú škálu zliatin, vrátane uhlíkovej ocele, legovanej ocele, tepelne odolná zliatina, nehrdzavejúca oceľ, zliatina medi, hliníkovej zliatiny, zliatina titánu, a tvárnej liatiny, najmä pre materiály ťažko spracovateľné kovaním alebo rezaním.

Výhody

• Vynikajúca rozmerová presnosť: Tolerancia odlievania stupne dosahujú CT4–CT6, oveľa vyššie ako odlievanie do zeleného piesku (CT10 – CT13) a porovnateľné s tlakovým liatím (CT5 – CT7), minimalizácia obrábania po odlievaní.
• Vysoká spotreba materiálu: Výrazne znižuje objem obrábania tvarovaných a lícovaných plôch, úspora času obrábania a spotreby rezného nástroja, s presahujúcou mierou využitia materiálu 90%.
• Silná tvarová prispôsobivosť: Dokáže odlievať extrémne zložité komponenty, tenkostenné časti (minimálna hrúbka steny 0,5 mm), a mikroodliatky (minimálna hmotnosť 1g);
  podporuje aj integrované odlievanie zmontovaných dielov, zjednodušenie následných montážnych procesov.
• Široká kompatibilita zliatin: Vhodné pre takmer všetky kovové materiály, vrátane vysokoteplotných zliatin, horčíkové zliatiny, zliatiny titánu, a drahé kovy, ktoré sa ťažko spracovávajú inými metódami.
• Flexibilná výrobná škála: Prispôsobí sa sériovej výrobe, malosériová výroba, a dokonca aj jednodielne prispôsobenie, so silnou škálovateľnosťou.

Nevýhody & Obmedzenia

• Zložitý procesný tok: Má najzložitejší proces zo všetkých metód odlievania, zahŕňajúce vytváranie voskových vzorov, povlak škrupiny, odparafínovanie, praženie, a nalievanie, vyžadujúce prísnu kontrolu procesu.
• Obmedzená veľkosť odliatku: Nevhodné pre veľké odliatky; maximálna hmotnosť konvenčných investičných odliatkov je vo všeobecnosti do 50 kg, pretože veľké škrupiny sú náchylné na praskanie počas pečenia a nalievania.
• Pomalá rýchlosť chladenia: Keramický plášť má nízku tepelnú vodivosť, čo vedie k pomalému tuhnutiu roztaveného kovu, čo môže v niektorých zliatinách spôsobiť hrubozrnnú štruktúru.
• Vysoké výrobné náklady: Náklady na voskové vzory, žiaruvzdorné materiály, a riadenie procesu je pomerne vysoké; je ekonomicky rentabilné len vtedy, keď sa spojí so zníženým obrábaním a úsporou materiálu.

3. Odlievanie

Základná definícia & Procesný princíp

Odlievanie je metóda vysokotlakového liatia, ktorá zahŕňa vstrekovanie roztaveného kovu do presnej kovovej dutiny formy pri vysokej rýchlosti (10-50 m/s) pod vysokým tlakom (20– 150 MPa), a tuhnutie kovu pod tlakom za vzniku odliatkov.

Má dva základné procesy: tlakové liatie s horúcou komorou (roztavený kov automaticky prúdi do tlakovej komory) a tlakové liatie v studenej komore (roztavený kov sa ručne alebo automaticky naleje do tlakovej komory).

Forma je vyrobená z vysokopevnostnej ocele, zabezpečenie opakovaného použitia.

Výhody

• Špičková kvalita produktu: Rozmerová presnosť odlievania dosahuje stupeň 6–7 (dokonca stupeň 4 pre presné výrobky) s drsnosťou povrchu Ra 5–8μm;
  pevnosť a tvrdosť sú o 25–30 % vyššie ako odliatkov do surového piesku v dôsledku tuhnutia v tlaku, hoci predĺženie sa zníži asi o 70%.
• Ultra vysoká efektivita výroby: Horizontálny stroj na tlakové liatie so studenou komorou môže vykonať 600 až 700 cyklov za kus 8 hodiny,
  zatiaľ čo malý stroj na tlakové liatie s horúcou komorou môže dosiahnuť 3 000 až 7 000 cyklov, ďaleko prevyšuje ostatné metódy odlievania.
• Dlhá životnosť formy: Formy na tlakové liatie zinkovej zliatiny môžu vydržať státisíce alebo dokonca milióny krát, zníženie dlhodobých výrobných nákladov.
• Jednoduchá automatizácia: Proces je vysoko kompatibilný s mechanizáciou a automatizáciou, zníženie nákladov na pracovnú silu a zlepšenie stability výroby.
• Vynikajúce ekonomické výhody: Odliatky vyžadujú minimálne alebo žiadne opracovanie, zlepšenie využitia kovov a zníženie investícií do spracovateľského zariadenia;
  kombinované tlakové liatie kovových a nekovových materiálov šetrí čas montáže a suroviny.

Nevýhody & Obmedzenia

• Vysoké riziko defektov plynovej pórovitosti: Vysokorýchlostné plnenie vedie k nestabilnému toku roztaveného kovu,
  ľahko zachytáva plyn a vytvára vnútornú pórovitosť, čo spôsobuje, že odliatky nie sú schopné podstúpiť tepelné spracovanie (tepelné spracovanie spôsobuje expanziu plynu a praskanie).
• Zlá adaptabilita na zložité vnútorné konkávne časti: Je ťažké demontovať vnútorné konkávne zložité štruktúry, obmedzenie návrhu tvarov odliatkov.
• Krátka životnosť formy pre zliatiny s vysokou teplotou topenia: Pre zliatiny s vysokou teplotou topenia, ako sú zliatiny medi a železné kovy, forma je náchylná na tepelnú únavu a opotrebovanie, výrazne znižuje životnosť.
• Nevhodné pre malosériovú výrobu: Náklady na výrobu formy sú vysoké, a vysoká účinnosť strojov na tlakové liatie robí malosériovú výrobu ekonomicky neživotaschopnou.

4. Trvalé odlievanie foriem (Odlievanie tvrdých foriem)

Základná definícia & Procesný princíp

Trvalé odlievanie foriem, nazývané aj odlievanie do tvrdých foriem, zahŕňa liatie roztaveného kovu do kovovej formy na vytvorenie odliatkov.

Forma je vyrobená z liatiny alebo oceľoliatiny a môže byť opakovane použitá stokrát až tisíckrát, odtiaľ názov „trvalá pleseň“.

Vnútorná dutina odliatkov môže používať kovové jadrá alebo pieskové jadrá, a konštrukcie formy sú rozdelené na horizontálne deliace časti, vertikálne delenie, a kompozitné delenie na prispôsobenie sa rôznym tvarom odliatku:

vertikálne delenie uľahčuje vtokové žliabky a vyberanie z formy, horizontálne delenie je pre tenkostenné diely v tvare kolesa, a kompozitné delenie je pre zložité komponenty.

Výhody

• Vynikajúca opätovná použiteľnosť formy: „Jedna forma pre viacero odliatkov“ eliminuje potrebu opakovanej výroby foriem, úspora formovacích materiálov a času, a zlepšenie efektívnosti výroby.
• Vysoký odlievací výkon: Kovová forma má silnú chladiacu kapacitu, čo vedie k hustej štruktúre odliatku a lepším mechanickým vlastnostiam v porovnaní s pieskovými odliatkami.
• Dobrá rozmerová presnosť a kvalita povrchu: Stupne tolerancie odlievania dosahujú IT12–IT14, drsnosť povrchu Ra ≤6,3μm, zníženie pracovného zaťaženia po spracovaní.
• Zlepšené pracovné podmienky: Používa málo alebo žiadny piesok, predchádzanie znečisteniu prachom a optimalizácia pracovného prostredia pre pracovníkov.

Nevýhody & Obmedzenia

• Vysoké náklady na formy a dlhý výrobný cyklus: Kovová forma vyžaduje vysokopevnostné materiály a presné spracovanie,
  s vysokými počiatočnými investíciami a dlhou dobou dodania, nevhodné pre kusovú a malosériovú výrobu.
• Obmedzené použiteľné zliatiny a veľkosti odliatkov: Vhodné predovšetkým na hromadnú výrobu odliatkov z neželezných zliatin (hliníkové piesty, bloky valcov, hlavy valcov, puzdrá zo zliatiny medi, atď.) pre automobily, lietadla, a spaľovacie motory;
  pre odliatky zo zliatin železa, je použiteľný len pre malé a stredne veľké diely s jednoduchými tvarmi.
• Prísne požiadavky na proces: Forma potrebuje predhrievanie a reguláciu teploty, aby sa predišlo studeným uzáverom a praskaniu plesní; pri dlhodobom používaní je náchylný na tepelnú únavu, ovplyvňujúce kvalitu odliatku.

5. Nízkotlakové liatie

Základná definícia & Procesný princíp

Nízkotlakové liatie je metóda odlievania, ktorá vyplní formu a stuhne roztavený kov pod nízkym tlakom (0.02-0,06 MPa).

Základný proces zahŕňa: liatie roztaveného kovu do izolovaného téglika, utesnenie téglika, pripojenie stúpacej rúrky k forme, zavedenie suchého stlačeného vzduchu do téglika, aby sa roztavený kov poháňal nahor cez stúpaciu rúrku, aby sa vyplnila dutina formy,
tuhnutie kovu pod stálym tlakom, uvoľnenie tlaku, aby mohol zvyškový roztavený kov tiecť späť do téglika, a nakoniec otvorenie formy na vybratie odliatku.

Výhody

• Flexibilné riadenie procesu: Rýchlosť stúpania roztaveného kovu a tlak tuhnutia sú nastaviteľné, vhodné pre rôzne formy (kovové formy, pieskové formy) a zliatin, ako aj odliatky rôznych veľkostí.
• Stabilná náplň a nízka chybovosť: Plnenie zdola nahor zaisťuje plynulý tok roztaveného kovu bez rozstrekovania, predchádzanie zachytávaniu plynu a erózii stien a jadier foriem;
  chyby odlievania, ako je pórovitosť plynu a inklúzia trosky, sú výrazne znížené, s kvalifikačnou mierou nad 95%.
• Vysoko kvalitné odliatky: Tlakové tuhnutie realizuje smerové tuhnutie zvonku dovnútra, výsledkom je hustá odlievacia štruktúra,
  jasné kontúry, hladké povrchy, a vynikajúce mechanické vlastnosti, vhodné najmä pre veľké tenkostenné diely.
• Vysoká spotreba materiálu: Nie je potrebná žiadna kŕmna stúpačka, s mierou využitia materiálu dosahujúcou 90-98%, zníženie kovového odpadu.
• Priateľské pracovné prostredie: Nízka pracovná náročnosť, jednoduché vybavenie, a jednoduchá realizácia mechanizácie a automatizácie, v súlade s modernými výrobnými požiadavkami.

Nevýhody & Obmedzenia

• Krátka životnosť stúpacej trubice: Rúrka stúpačky je v priamom kontakte s vysokoteplotným roztaveným kovom po dlhú dobu, náchylné na oxidáciu a opotrebovanie, vyžadujúce pravidelnú výmenu.
• Riziko znečistenia roztaveným kovom: Počas tepelnej ochrany, roztavený kov sa ľahko oxiduje a mieša s troskou, vyžadujúce prísnu kontrolu prostredia uchovávania tepla a čistenie roztaveného kovu.
• Obmedzený rozsah aplikácie: Používa sa hlavne na odlievanie odliatkov z vysokokvalitných hliníkových zliatin a horčíkových zliatin, ako sú bloky valcov, hlavy valcov, kľukové skrine, a hliníkové piesty vysokorýchlostného spaľovacieho motora; zriedka sa používa na zliatiny železa kvôli vysokým teplotným požiadavkám.

6. Odstredivé liatie

Základná definícia & Procesný princíp

Odstredivé liatie zahŕňa liatie roztaveného kovu do rotačnej formy, kde kov vyplní formu a pod odstredivou silou tuhne.

Podľa orientácie osi otáčania formy, delí sa na tri typy: horizontálne odstredivé liatie (os horizontálna resp <4° do vodorovnej polohy, vhodné pre dlhé valcové časti),

vertikálne odstredivé liatie (os vertikálna, vhodné pre krátke valcové alebo prstencové časti), a odstredivé liatie so sklonenou osou (zriedka používané kvôli zložitej prevádzke).

Odstredivá sila poháňa smerový pohyb roztaveného kovu, optimalizácia štruktúry odlievania.

Výhody

• Zjednodušená štruktúra formy: Pre duté rotačné diely, žiadne jadro, vtokový systém, alebo je potrebná stúpačka, zjednodušenie konštrukcie foriem a zníženie výrobných nákladov.
• Vysoko kvalitné odliatky: Odstredivá sila oddeľuje plyny a trosky s nízkou hustotou k vnútornému povrchu,
  a podporuje smerové tuhnutie zvonku dovnútra, výsledkom je hustá odlievacia štruktúra, málo defektov, a vynikajúce mechanické vlastnosti.
• Úspora nákladov na bimetalové diely: Jednoduché odlievanie bimetalových komponentov, ako sú puzdrá a ložiská (Napr., oceľové objímky s tenkou medenou podšívkou), úspora drahých neželezných kovov pri zabezpečení výkonu.
• Silná kapacita plnenia: Odstredivá sila zvyšuje tekutosť roztaveného kovu, vhodné na odlievanie tenkostenných dielov a zliatin so zlou tekutosťou.
• Znížený odpad materiálu: Eliminuje vtokové systémy a stúpačky, ďalšie zlepšenie využitia materiálu.

Nevýhody & Obmedzenia

• Zlá kvalita vnútorného povrchu: Vnútorný voľný povrch odliatkov je drsný, s veľkými rozmerovými chybami a slabou rovnomernosťou, vyžadujúce následné opracovanie na splnenie rozmerových požiadaviek.
• Nevhodné pre určité zliatiny: Nevzťahuje sa na zliatiny so silnou segregáciou hustoty (Napr., olovený bronz), keďže odstredivá sila prehĺbi segregáciu;
  tiež nie je vhodný pre zliatiny hliníka a horčíka pre ich nízku hustotu a slabý odstredivý separačný účinok.
• Obmedzené tvary odliatkov: Vhodné len pre rotujúce symetrické diely (valcov, krúžky, rukávy); nemôže odlievať diely zložitého tvaru s nepravidelnými obrysmi.
• Vysoké požiadavky na vybavenie: Vyžaduje špecializované stroje na odstredivé liatie so stabilnou reguláciou rýchlosti otáčania, zvýšenie investícií do vybavenia.

7. Porovnávacia tabuľka bežne používaných metód odlievania

8. Záver

Každá metóda odlievania ponúka jedinečné výhody a obmedzenia, vďaka ktorým je vhodná pre špecifické aplikácie.

Odlievanie do piesku zostáva najuniverzálnejšou a najhospodárnejšou metódou pre veľké, zložité odliatky, zatiaľ čo investičné liatie poskytuje výnimočnú presnosť pre komponenty vysokej hodnoty.

Tlakové liatie vyniká vo veľkosériovej výrobe tenkostenných dielov, a permanentné odlievanie do foriem poskytuje konzistentnú kvalitu pre stredne objemovú výrobu neželezných kovov.

Nízkotlakové liatie je ideálne pre hliníkové a horčíkové komponenty s vysokou integritou, a odstredivé liatie nemá obdobu pre duté symetrické diely.

Výber vhodnej metódy odlievania závisí od faktorov vrátane geometrie dielu, požadovaná rozmerová presnosť, povrchová úprava, typ materiálu, objem výroby, a úvahy o nákladoch.

Moderná výroba čoraz viac kombinuje tieto techniky, aby sa využili ich doplnkové výhody, podpora inovácií vo výrobe zložitých komponentov v kozmickom priemysle, automobilový, a priemyselných odvetviach.