Лиття з ковкого чавуну | Ливарне виробництво відливок на замовлення

1. Вступ

Лиття з ковкого чавуну (DI-LFC) це інноваційна технологія виробництва, яка поєднує чудові механічні властивості ковкого чавуну з геометричною свободою втрачених малюнків піни.

У цьому процесі, пінопластова копія компонента, як правило, виготовлена ​​зі спіненого полістиролу (EPS) або спінений поліпропілен (EPP)— покритий і закопаний у нескріплений пісок.

При розплаві ковкого чавуну (1,400–1450 °C) виливається, піна випаровується, дозволяючи металу заповнювати порожнину та відтворювати складні форми без серцевин або розділових ліній.

Спочатку розроблено для алюмінієвих сплавів у 1950-х роках, Лиття з пінополіуретану розвинулося завдяки прогресу в технологіях пінополіуретану, вогнетривкі покриття, і управління процесом для розміщення ковкого чавуну.

Сьогодні, Лиття з ковкого чавуну набирає популярності в автомобільній промисловості, важка техніка, та енергетичні сектори, де вони легкі, заплутаний, попит на міцне лиття постійно зростає.

2. Що таке лиття з ковкого чавуну?

Пластичне залізо Загублений кастинг піни (DI-LFC) це технологія виробництва майже чистої форми, яка поєднує свободу дизайну втрачених візерунків піни з чудовими механічними характеристиками ковкого чавуну.

У ковкого чавуну втрачено пінопластове лиття, жертовна копія пінополістиролу, зазвичай виготовляється зі спіненого полістиролу (EPS) або спінений поліпропілен (EPP)— покривається вогнетривким шламом і засипається в незв’язаний пісок.

Коли розплавлений ковкий чавун (приблизно 1400–1450 °C) виливається у форму, піна миттєво випаровується, дозволяючи металу текти в точну порожнину, що залишилася позаду.

Основні відмінності від звичайного піщаного лиття включають:

• Одноразовий шаблон «зникнення».: Ніяких розділових ліній або стрижнів не потрібно; малюнок піни витрачається під час лиття.
• Складність дизайну: Підрізи, тонкі зрізи (<2 мм), внутрішні канали, а інтегровані функції стають можливими без вторинної обробки.
• Якість поверхні & Допуски: Забезпечує обробку литої поверхні Ra 6–12 мкм і допуски на розміри близько ±0,5 %.

За допомогою левериджів пластичне залізо— легований магнієм або рідкоземельними елементами для сфероїдізації графіту — цей процес забезпечує:

• Покращена плинність: Краще заповнення форм, ніж сірий чавун, зменшення збоїв і холодних зупинок.
• Висока пластичність (2–18 % подовження): Поглинає залишкові термічні навантаження та мінімізує розтріскування.
• Механічна міцність: Міцність на розрив 400-700 МПа і ударна в'язкість 40-60 Дж.

Разом, ці атрибути дозволяють ливарним цехам ливарного ливарного виробництва з ковкого чавуну виробляти складні компоненти 20–30 % менші витрати на інструменти та постобробку порівняно з традиційним піщаним литтям, відповідаючи суворим вимогам продуктивності в автомобільній промисловості, важка техніка, та енергетичні програми.

3. Процес лиття з виплавленої піни для ковкого чавуну

З Загублений кастинг піни (LFC) процес для ковкого чавуну перетворює одноразовий візерунок піни в металевий компонент високої цілісності за допомогою послідовності точно контрольованих кроків. Нижче наведено детальний огляд кожного етапу:

3.1 Створення візерунка з піни

• Матеріали: Пінополістирол (EPS) щільністю 16–32 кг/м³ або спінений поліпропілен (EPP) при 50–80 кг/м³ для більших, багаторазові лекала.
• Виготовлення візерунка: Різання гарячим дротом з ЧПУ є звичайним для двовимірних профілів; адитивні підходи (3D друк на піні) дозволяють створювати складні геометрії та швидку ітерацію для запуску прототипу.
• Розмірна точність: ±0,5 мм для більшості функцій; критичні поверхні можуть бути оброблені або покриті до більш жорстких допусків перед формуванням.

3.2 Покриття та складання малюнка

• Вогнетривке покриття: Керамічний розчин на водній основі (Напр., колоїдний кремнезем з тонким оксидом алюмінію) наноситься на піну шарами 200–400 мкм.
• Сушіння: Кожен шар швидко сушиться при 80–100 °C для створення однорідної оболонки, яка контролює газопроникність (ціль K ≈ 1 × 10⁻⁹ м²) і протистоїть піщаній ерозії.
• Складання візерунка: Кілька пінопластових елементів, ліберні системи, і стояки зварені або склеєні в один кластер для оптимізації литникових литників і мінімізації заливних каналів.

3.3 Засипання та ущільнення піску

• Специфікація піску: Незв'язаний кремнеземний пісок з 15–30 % штрафи, середній розмір зерна 200–400 мкм, забезпечує баланс підтримки та проникності.
• Вбудовування: Кластер візерунка з покриттям поміщають у колбу, і насипається пісок, злегка вібрував (<0.5 g прискорення) досягти 30–40 % пористість.
• Проникність: Висока пористість дозволяє парам піни виходити без захоплення газу, критично для бездефектної заливки.

3.4 Заливка розплавленого ковкого чавуну

• Параметри розплаву: Ковкий чавун плавлять в індукційній або вагранці при 1400–1450 °C; хімічний склад (C: 3.4 %, І: 2.5 %, Мг: 0.04 %) перевіряється перед заливкою.
• Для технічного: Система нижнього зливу або кілька затворів забезпечують ламінарний потік (0.5–1,0 м/с) і запобігає включенню шлаків.
• Випаровування піни: При контакті, пінний малюнок випаровується при ~200 °C; вогнетривке покриття на мить містить гази, дозволяє металу чисто заповнити порожнину.

3.5 Затвердіння металу

• Спрямоване затвердіння: Тепловоліки (озноб) і стояки сприяють контрольованому твердінню, зменшення усадочної пористості.
• Швидкість охолодження: Приблизно 2–5 °C/с у тонких зрізах дає змішану феритно-перлітну матрицю; повільніші темпи в товстих зрізах сприяють утворенню графітових конкрецій.

3.6 Витряска, Прибирання, і Фетлінг

• Витряска: Після 30-60 хвилин охолодження, пісок вібрує, виявлення чорного лиття.
• Прибирання: Дробеструйна або хімічна чистка видаляє залишки покриття та пінопласту.
• Fettling: Ворота, стояки, і спалах видаляються розпилюванням або шліфуванням; критичні поверхні можуть бути оброблені для досягнення Ra 1.6 мкм.

4. Металургійна перспектива

Надійне розуміння металургії є важливим для використання повного потенціалу Лиття з ковкого чавуну (DI-LFC).

Склад сплаву та принципи конструкції

Властивості ковкого чавуну дуже чутливі до його хімічного складу. Типова композиція, яка використовується для лиття з пінопласту за виплавкою, розроблена для сприяння утворенню конкрецій, структура матриці керування, і уникнути дефектів лиття:

Утворення вузликів і контроль матриці

Пінопластовий піроліз виділяє вуглець, підвищення вмісту вуглецю в залізі на 0,05-0,1%. Для забезпечення цього потрібен суворіший контроль Mg >90% сфероїдальний графіт (проти. 85% в піщаному лиття).

Матриця типова 50/50 ферит/перліт, балансуюча сила (450–600 МПа) і пластичність (10–15% подовження).

Еволюція мікроструктури під час лиття з пінопласту

Середовище термічного затвердіння DI-LFC істотно відрізняється від піщаного лиття:

• Динаміка випаровування: Піна випаровується при ~600°C, створення локального тиску газу, який стабілізує фронт розплавленого металу та сповільнює відведення тепла.
• Контрольоване затвердіння: Пінопласт виступає в якості ізолятора, сприяння спрямованому твердінню та зменшенню гарячих точок.
• Результуюча мікроструктура:

• • Зона тонкої шкіри: Більш дрібні конкреції та збільшення фериту біля поверхні
  • Основний регіон: Багатий перлітом, зона вищої міцності
  • Чистота інтерфейсу: Відсутність контакту з піском зменшує поверхневі включення

Швидкість охолодження коливається від 1–5 °C/с залежно від товщини профілю та конфігурації форми, впливають на кількість вузликів і матрикс.

Механічні властивості

Ковкий чавун, відлитий за допомогою лиття з пінопласту, демонструє конкурентоспроможні механічні характеристики:

5. Конструкція для лиття з ковкого чавуну з пінопласту

Проектування компонентів для втрачене лиття піни пластичне залізо вимагає стратегічного підходу, який використовує унікальні переваги процесу, одночасно усуваючи його технічні обмеження.

На відміну від звичайного піщаного лиття, цей спосіб усуває лінії проділу, ядер, і кути осадки, пропонуючи інженерам надзвичайну геометричну свободу.

Однак, успішне застосування вимагає пильної уваги до поведінки шаблону, теплодинаміка, і характеристики матеріалів протягом усього етапу проектування.

Геометрична свобода: Створення складних функціональних конструкцій

Однією з найбільш трансформаційних переваг лиття з пінопласту є його здатність реалізувати складні геометрії, які були б непрактичними або навіть неможливими за допомогою традиційних методів лиття або кування..

Основні переваги включають:

• Підрізи та внутрішні порожнини: Виливка з пінопласту підтримує дуже складні внутрішні структури без використання знімних сердечників.
  Наприклад, Корпуси диференціалів в автомобілях часто включають лише підрізи для півосей 5 мм кліренсу, усунення необхідності вторинної механічної обробки.
  Дизайни з підрізами до 20% глибини частини досяжні.
• Тонкостінні конструкції: Чудова текучість ковкого чавуну дозволяє відливати профілі стінок тонкими як 3 мм.
  Це особливо корисно для додатків, які вимагають малої ваги.
  У сільськогосподарському обладнанні, дужки с 3 мм секцій стіни в ненесучих зонах і до 15 мм у зонах високого навантаження досягли зменшення ваги на 15–20% порівняно з традиційними компонентами, виготовленими з піщаного лиття.
• Інтегровані функціональні функції: Вузоли, які традиційно виготовляються за допомогою зварювання, наприклад гідравлічні колектори з 5 частин, можна об’єднати в єдине лиття.
  Ця інтеграція зменшує кількість компонентів на 40–60% і усуває зварні з’єднання, які відповідають за до 30% інцидентів збоїв у певних системах тиску.

Консолідація патернів і стратегія стробування

Пінопластовий візерунок у лиття з пінопласту – це не просто заповнювач; він визначає весь результат кастингу.

Інженери-конструктори повинні розглядати шаблон як невід’ємну частину процесу розробки продукту.

• Рівномірність малюнка піни: Зміни щільності піни можуть призвести до непостійних показників випаровування під час заливки.
  Наприклад, a 30 кг промислового корпусу клапана з кількома субкомпонентами може знадобитися градуована щільність піни — вища щільність (0.03 g/cm³) у більш товстих областях для уповільнення випаровування, і меншою щільністю (0.015 g/cm³) у більш тонких областях, щоб запобігти захопленню газу.
• Інтегрована конструкція воріт: Ворота вбудовуються в пінопласт, а не додаються до форми, як у традиційному піщаному лиття. Ефективні литникові системи:

• • Подайте розплавлений метал зі швидкістю 5–15 см/с, щоб мінімізувати турбулентність.
  • Розташовуються так, щоб уникнути прямого потоку в тонкостінні ділянки, зменшення локального перегріву та дефектів поверхні.
  • Може використовувати конфігурацію «дерева» для кількох невеликих частин, забезпечуючи збалансований розподіл металу з 3–5 компонентами на систему литника.

Допуски на розміри та допуски на усадку

Лиття з високоякісного чавуну за втратою температури забезпечує точність розмірів порівняно з піщаним литтям, але дизайнери повинні враховувати усадку при затвердінні та поведінку піни.

• Розмірні можливості:

• • Лінійні допуски: ±0,5 мм для деталей під 500 мм; ±0,1 мм на метр для компонентів до 6 метрів у довжину.
  • Рівність: Зазвичай в межах ±0,3 мм/м — критично для ущільнювальних поверхонь, таких як корпуси клапанів або насосів.
  • Позиціонування отвору: Точність до ±0,2 мм, часто усуває необхідність вторинного розгортання в гідравлічних системах.

• Компенсація усадки: Ковкий чавун дає усадку на 1,0–1,2% під час затвердіння у вилитому пінопласту — трохи більше, ніж у піщаному литті, завдяки швидшому охолодженню. Шаблони з поролону повинні бути відповідно більшими.
• Наприклад, a 100 мм кінцева функція вимагає a 101.2 мм розмір піни.
  Сучасне програмне забезпечення САПР із спеціальними алгоритмами лиття може автоматизувати ці розрахунки та зменшити помилки відхилення розмірів до 70%.

Оздоблення поверхні та ефекти покриття

Оздоблення поверхні лиття з пінопласту залежить як від текстури пінопласту, так і від вогнетривкого покриття, нанесеного на його поверхню.

• Якість малюнка з піни:

• • Гладкі візерунки EPS (Рак 6.3 мкм) зазвичай дають виливки з поверхнею Ra 12,5–25 мкм.
  • Для точних поверхонь, візерунки пінопласту обробляються після обробки до Ra 3.2 мкм, забезпечуючи кінцеву литу поверхню в діапазоні Ra 6,3–12,5 мкм.

• Вибір вогнетривкого покриття:

• • Покриття на основі кремнезему (0.5– товщина 1 мм) підходять для загального конструкційного застосування, досягнення Ra 12,5–25 мкм.
  • Покриття на основі цирконію (1– товщина 2 мм, з розміром частинок 5–10 мкм) використовуються в системах з високою герметичністю, таких як гідравлічні корпуси, де гладкість поверхні важлива, а рівень витоку повинен бути нижче 0.1 куб.см/хв.

• Проникність покриття: Оптимальна водопроникність знаходиться в діапазоні 10-20 Дарсі. Надмірно пористі покриття можуть спричинити прилипання піску або дефекти, пов’язані з газом, збільшення шорсткості поверхні до 50%.

6. Виробничі міркування для лиття з ковкого чавуну за виплавленою піною

Виробництво деталей з ковкого чавуну з використанням пінопластового лиття (LFC) процес вимагає точного контролю над матеріалами, параметри обладнання, та умови процесу.

Кожна стадія — від виготовлення пінополіуретану до розливу розплавленого металу — безпосередньо впливає на цілісність виливка, розмірна точність, і загальна економічна ефективність.

Вибір матеріалу візерунка з пінопласту

Пінополістирол (EPS) є стандартним матеріалом для візерунків з пінопласту, але в деяких сферах застосування можуть бути використані альтернативні пінопласти, такі як спінений поліпропілен (EPP).

Розробка та застосування покриття

У втрачену піну лиття з високоміцного чавуну, пінопласт покритий вогнетривкою суспензією для утворення захисного бар'єру між малюнком і розплавленим металом.

Покриття зазвичай складається з вогнетривких матеріалів (Напр., оксид алюмінію або циркон), сполучні речовини (такі як силікат натрію або фенольна смола), і добавки для покращення текучості та адгезії.

Покриття наноситься зануренням або розпиленням, а потім сушиться при 60–80°C для досягнення рівномірної товщини. (0.5–2 мм).

Цей шар запобігає проникненню піску, регулює вихід газу під час випаровування піни, і впливає на кінцеву поверхню виливка.

Правильна водопроникність (12–18 Дарсі) і міцність зчеплення (>2 MPA) мають вирішальне значення для запобігання дефектам, таким як пористість або проникнення металу.

Засипання та ущільнення піску

У ковкого чавуну втрачено пінопластове лиття, незв'язаний кварцевий пісок використовується для оточування та підтримки малюнка піни під час заливки.

Процес вбудовування передбачає розміщення пінопласту з покриттям у колбу та заповнення її сухим, дрібнозернистий кремнеземний пісок (зазвичай 90–150 меш) для забезпечення рівномірної підтримки та проникності.

Ущільнення досягається за допомогою контрольованої вібрації (50–60 Гц), що дозволяє піску розтікатися та щільно укладатися навколо візерунка, досягнення насипної щільності 65-70%.

Вакуумна допомога (-0.05 до -0.08 MPA) часто застосовується під час ущільнення та заливки для стабілізації форми та посилення евакуації газу.

Правильне ущільнення забезпечує точність розмірів, мінімізує спотворення малюнка, і підтримує бездефектне лиття.

Параметри печі та заливки для ковкого чавуну

Ковкий чавун для лиття з пінопласту зазвичай плавлять у середньочастотних індукційних печах, забезпечуючи точний контроль температури та низьке газоутворення.

Ідеальна температура розливу коливається від 1,350°C до 1400 °C, що вище, ніж у звичайному піщаному лиття, щоб забезпечити повне випаровування візерунка піни.

Необхідно суворо контролювати хімічний склад:

• Вуглець: 3.5–3,8% для хорошої плинності
• Кремнію: 2.0–2,8% для просування сфероїдального графіту
• Магній: 0.04–0,06% для забезпечення вузлуватості
• Сірка: <0.03% для запобігання дегенерації графіту

Розлив повинен бути рівномірним, за ставками 0.5–2 кг/с, збереження гладкого металевого фасаду (5–15 см/с) щоб уникнути турбулентності, неправильно, і уловлювання газу.

7. Контроль якості та усунення дефектів

• Поширені дефекти: Пористість (1–3 % за обсягом), включення, неправильно, жилкування
• Моніторинг процесів: Термопари в формі, перевірка в'язкості покриття
• NDT: Ультразвукове тестування (ЮТ) для виявлення внутрішньої пористості ≥1 мм; рентгенографія критичних частин
• Металографія & Механічне випробування: Відповідно до ASTM A897 для ковкого чавуну: розтяг, твердість, і тести Шарпі з V-подібним надрізом

8. Переваги лиття з ковкого чавуну з пінопласту

Виняткова геометрична складність

• Жодних розділових ліній або кутів нахилу: Дозволяє створювати складні форми, наприклад підрізи, Внутрішні порожнини, і гратчасті конструкції.
• Можливість роботи з тонкими стінками: Товщина стінок невелика 3 мм є досяжними, порівняно з 6–8 мм у звичайному піщаному лиття.

Інтеграція шаблону та скорочення складання

• Консолідація дизайну: Кілька компонентів можна відлити як єдине ціле, зменшення кількості частин на 30–60%.
• Скорочене зварювання/складання: Усуває операції приєднання, які зазвичай схильні до збоїв у системах високого тиску.

Повторюваність процесів і автоматизація

• Надійний для великих обсягів: При належному контролі процесу, лиття з втрати піни добре підходить для автоматизованих виробничих середовищ (Напр., автомобільний).
• Повторне використання піску: До 95% незв'язаного піску підлягає переробці, мінімізація впливу на навколишнє середовище та вартості сировини.

Чудова обробка поверхні та допуски

• Поверхнева обробка: Досягає значень Ra 12.5–25 мкм, перевершує виливки із зеленого піску (Ra 50-100 мкм).
• Розмірна точність: Лінійні допуски ± 0,5 мм на запчастини під 500 мм зменшити або виключити механічну обробку.

Матеріальна ефективність і економія коштів

• Менше матеріальних відходів: Лиття майже чистої форми зменшує надлишок матеріалу та припуски на обробку.
• Нижчі витрати на інструменти та виробництво: Одноразові візерунки з піни не потребують дорогих витрат, складні стрижневики.

Механічна цілісність ковкого чавуну

• Висока міцність і пластичність: Сила на розрив до 700 MPA і подовження до 18%, перевершує сірий чавун і деякі сталі.
• Втома: Графітові конкреції в ковкому чавуні підвищують стійкість до розтріскування та тривалу довговічність.

9. Застосування лиття з ковкого чавуну за виплавленим способом

Лиття з ковкого чавуну за виплавленим пінопластом широко використовується в багатьох галузях промисловості для виробництва високопродуктивних виробів, геометрично складні компоненти. Основні області застосування включають:

Автомобільна промисловість

• Важелі підвіски
• Випускні колектори
• Кріплення двигуна
• Корпуси диференціалів
• Кронштейни і поперечини

Важка техніка та сільськогосподарське обладнання

• Корпуси гідравлічних клапанів
• Корпуси насосів і двигунів
• Коробки передач і коробки передач
• Кровати та опорні рами двигуна

Електроенергетика

• Корпуси турбін
• Корпуси компресорів
• Крильчатки насосів
• Трубопровідні з’єднувачі та фітинги

Промислове обладнання та інфраструктура

• Підшипники
• Бази верстатів
• Структурні дужки
• Кришки колодязів і елементи дренажу

Нові та передові програми

• Прототип аерокосмічних компонентів
• Корпуси двигунів електромобілів
• 3Виливки на основі візерунків, надрукованих методом D
• Індивідуальні малосерійні промислові деталі

10. Порівняння з іншими процесами лиття

11. Виклики та майбутні напрямки

• Висока консистенція: Змінність щільності піни та ущільнення піску обмежує збільшення масштабу; автоматизація (роботизоване розливання, Моніторинг за допомогою ШІ) займається цим.
• Цифрова інтеграція: 3D сканування та моделювання (Напр., MAGMAsoft) зменшити час розробки шаблону на 50%.
• Розробка сплаву: Мікролегування ніобієм (0.05–0,1%) підвищує міцність на розрив до 700 МПа при збереженні пластичності.
• Передові покриття: Нанокомпозитні покриття (глинозем + вуглецевих нанотрубок) поліпшити проникність шляхом 30%.

12. Висновок

Лиття з виплавленої піни з ковкого чавуну об’єднує механічна досконалість чавуну з шаровидним шаром з свобода дизайну пінопластових візерунків, забезпечення ефективного виробництва комплексу, Високопродуктивні компоненти.

Постійний прогрес у технології візерунків, покриття, і моделювання процесів обіцяють ще більше підвищити конкурентоспроможність DI-LFC в автомобільній промисловості, важка техніка, та енергетичні ринки.

THIS пропонує послуги лиття з ковкого чавуну

В Це, ми спеціалізуємося на постачанні високоякісних виливків із ковкого чавуну, використовуючи повний спектр передових технологій лиття.

Незалежно від того, чи вимагає ваш проект гнучкості лиття із зеленого піску, точність черепашка цвіль або інвестиційне кастинг, міцність і послідовність металева форма (постійна цвіль) кастинг, або щільність і чистота, що забезпечується відцентровий і втрачене лиття піни,

Це має інженерний досвід і виробничі потужності, щоб точно відповідати вашим специфікаціям.

Наше підприємство обладнано для виконання будь-яких завдань, починаючи від розробки прототипів і закінчуючи масовим виробництвом, підтримується суворим контроль якості, простежуваність матеріалу, і металургійний аналіз.

З автомобільний та енергетичний сектори до інфраструктура та важка техніка, Це надає індивідуальні ливарні рішення, які поєднують металургійну досконалість, розмірна точність, і довгострокову продуктивність.

Зв'яжіться з нами!

Поширені запитання

Навіщо вибирати ковкий чавун для процесу лиття з пінопласту?

Ковкий чавун пропонує чудове поєднання міцності, пластичність, і кастості. Його висока текучість забезпечує точне відтворення складних візерунків піни,

тоді як його механічні властивості, такі як подовження (2–18%) і міцність на розтяг (400–700 МПа)— підходить для структурних застосувань у вимогливих галузях промисловості.

Які обмеження лиття з високоякісного чавуну з пінопласту?

Обмеження включають чутливість до якості піни та обробки візерунків, довші терміни виготовлення шаблону,

і необхідність ретельного контролю проникності покриття та температури заливки. Для дуже великих або малих деталей, витрати на інструмент також можуть бути фактором.

Як процес впливає на обробку поверхні?

Шорсткість поверхні залежить від малюнка і вогнетривкого покриття.

Типове покриття поверхні коливається від Ra 12.5 до 25 мкм. З високоякісною піною та покриттям на основі діоксиду цирконію, Значення Ra настільки низькі, як 6.3 мкм можна досягти.

Екологічно чистий ковкий чавун?

Так, він має кілька екологічних переваг. Залишки піни мінімальні та нетоксичні, пісок на 90–95% піддається переробці,

і цей процес усуває потребу у в’яжучих речовинах і стрижневому піску, який є у звичайному лиття, зменшення відходів і викидів.

Чи можна використовувати цей метод для великосерійного виробництва?

Абсолютно. З автоматизованими лініями формування піни та оптимізованими системами розливу, процес підтримує великі об’єми, особливо для автомобільних і промислових компонентів.

Однак, для економічної життєздатності інструменти для шаблону та налаштування повинні амортизуватися більшою кількістю.