Металевий кастинг, процес обробки металу з використанням рідкого металу та прес-форми, існує вже тисячі років.
Протягом своєї історії металеве лиття використовувалося для виготовлення всього, від мечів до вітрових турбін, і сьогодні це один із найцінніших і універсальних методів виготовлення високоякісних металевих деталей.
У цьому посібнику розглядаються основи лиття металу, включаючи його численні варіанти — лиття під тиском, лиття за виплавленими моделями тощо — і найпоширеніші метали для лиття.
Що таке лиття металу?
Металевий кастинг є типом процес лиття що передбачає заливання розплавленого рідкого металу у форму.
Внутрішня частина прес-форми розроблена з негативним відбитком деталі, що виготовляється, тому, коли розплавлений метал охолоджується та твердне у формі, він приймає форму кінцевої частини. Потім готову деталь можна вийняти з форми.
Залежно від деталей, які виготовляються, і металів, що використовуються, існують різні види металевого лиття, кожен з яких має свої особливі переваги. Візерунки, форми та техніка наповнення можуть сильно відрізнятися між цими різновидами.
Хоча лиття металу є універсальним процесом, литі деталі мають певні конструктивні обмеження, і інженери повинні враховувати усадку металу на етапі охолодження.
Розуміння лиття металу
Центральний металевий кастинг процес передбачає нагрівання металу, заливання його у форму, очікування, поки він охолоне й затвердіє, а потім видалення готової частини з форми. Насправді процес може мати набагато більше етапів, і різні процеси лиття металу працюють по-різному.
Нижче наведено спрощений огляд процесу лиття металу. Зверніть увагу, що деякі кроки відрізняються для різних варіантів кастингу, а деякі взагалі опущені.
1. Виготовлення шаблону. Починаючи з самого початку, багато процесів лиття металу вимагають виготовлення шаблону, дубліката кінцевої частини, яка використовується для виготовлення форми. Візерунки можуть бути як постійними, так і одноразовими та виготовлятися з таких матеріалів, як віск, дерево та пластик.
2. Виготовлення сердечника: для лиття порожнистих деталей може знадобитися розробити сердечник, суцільний шматок матеріалу, розміщений усередині порожнини форми, який формує внутрішню геометрію литої деталі. (Наприклад, циліндричний сердечник у більшій циліндричній формі дасть литу деталь у формі труби.)
3. Виготовлення форми: Форми виготовляються різними способами залежно від процесу. Наприклад, стійкі металеві форми можна виготовити за допомогою машини з ЧПК, а піщані форми виготовляють шляхом нанесення піщаної суміші на зовнішню частину візерунка. Практика виготовлення форм відома як виготовлення форм і є спеціальною дисципліною.
4. Заповнення форми: метал нагрівають, поки він не розплавиться, потім заливають або заповнюють форму. Наприклад, під час гравітаційного лиття розплавлений матеріал заливається вниз у порожнину; під час лиття під високим тиском, він вдавлюється в порожнину під високим тиском, з високими зусиллями затиску, необхідними для надійного утримання матриці.
5. Видалення деталі: коли лита деталь охолоне та затвердіє, її виймають із форми. Для таких процесів, як лиття в пісок, це означає, що форму потрібно знищити, щоб дістатися до внутрішньої частини; для постійних форм дві половини металевої форми роз’єднуються та готові до повторного використання.
6. Постобробка: литі металеві деталі можуть потребувати очищення — наприклад, для видалення залишків форми — або інших етапів постобробки, перш ніж вони будуть готові до використання.
Переваги металевого лиття
Є багато причин вибрати металеве лиття замість інших варіантів металообробки, таких як кування або обробка з ЧПУ. Деякі з ключових переваг лиття металу включають:
- Підходить для масового виробництва
- Може виготовляти величезні та важкі деталі
- Може виготовляти дуже товстостінні деталі
- Підходить для великих цільних деталей (а не зібраних компонентів)
- Відмінні несучі якості
- Ідеально підходить для деяких легких сплавів
- Універсальність матеріалу
Обмеження металевого лиття включають неминучі дефекти, обмежену точність розмірів (порівняно, наприклад, з обробкою з ЧПУ), трудомісткість і зазвичай високі мінімальні обсяги замовлення.
Основні види металевого лиття
Кастинг
Один з найважливіших видів металевого лиття для складних і детальних деталей, лиття під тиском використовує дві багаторазові матриці з інструментальної сталі як інструменти. Процес схожий на лиття під тиском пластику: розплавлений матеріал нагнітається в порожнину під високим тиском, що дозволяє інженерам виготовляти деталі з дрібними деталями.
Вартість створення штампів на замовлення висока, що робить цей процес більш поширеним у масовому виробництві. Однак після виготовлення ці матриці можна використовувати багато разів. Литі під тиском, як правило, мають чудову обробку поверхні.
Алюмінієве та магнієве лиття під тиском широко використовуються для виготовлення високоякісних деталей.
Гравітаційне лиття
Як і лиття під тиском, гравітаційне лиття — це спосіб лиття металу за допомогою багаторазової металевої форми. Однак гравітаційне лиття покладається на сили тяжіння для переміщення рідкого металу через форму зверху вниз, а не на тиск. Форми необхідно попередньо нагріти перед першим литтям і часто виготовляють із чавуну через його низьку термічну втому.
Гравітаційне лиття передувало всім іншим методам лиття металу, деталі лиття за допомогою гравітації існують тисячоліттями. Це форма постійного лиття в форму; Альтернативи процесу гравітаційного лиття включають тиск газу та вакуум.
Лиття по виплавленим моделям (лиття за виплавленим моделлю)
Лиття за виплавленими моделями або лиття за виплавленими моделями — це спосіб лиття металу з використанням одноразової форми та форми: обидва елементи руйнуються під час процесу лиття (хоча розплавлений віск часто можна використовувати повторно).
Як і гравітаційне лиття, литтю по моделлю виплавлених моделей тисячі років. Під час процесу лиття за виплавленим воском з воску або еквівалентного матеріалу виготовляється візерунок — іноді вручну, іноді за допомогою 3D-принтера зі смоли — перед тим, як навколо шаблону заливається вогнетривкий матеріал для виготовлення форми.
Інвестиція — це керамічний шар, нанесений навколо малюнка, який потім функціонує як форма для розплавленого металу. Цей керамічний шар видаляється в процесі, який називається видаленням.
Пісочний кастинг
Лиття в пісок – це простий, багатовіковий метод лиття металу, який є більш доступним, ніж альтернативні методи. Він використовує пісок (змішаний зі сполучним матеріалом, таким як глина) як матеріал для форми, а форми здатні витримувати високу температуру.
У процесі лиття в пісок візерунок занурюється в пісок, який міститься в спеціальній коробці, яка називається колбою. Утрамбовуючи пісок навколо візерунка, можна зробити форму, в яку можна залити розплавлений метал.
Пісок, який використовується в процесі лиття металу, може бути зеленим піском (мокра глина) або повітряним піском (сухий пісок з адгезивом).
Інші процеси лиття
Існують десятки інших процесів лиття металу, які використовуються у виробництві, включно з формуванням суглинків і литтям у оболонку — обидва процеси з використанням одноразових форм — і процеси постійного формування, як-от відцентрове лиття та безперервне лиття.
Тиск лиття: високий чи низький?
Лиття металу під тиском це цінний процес металообробки, і його можна розділити на дві додаткові категорії: лиття під високим тиском і лиття під тиском під низьким тиском. Вибір правильного тиску залежить від таких факторів, як матеріал, товщина стінки та розмір деталі.
Лиття під тиском під високим тиском є більш поширеною технікою, ніж лиття під тиском під низьким тиском, і використовується вдвічі частіше.
Ідеально підходить для м’яких сплавів, таких як алюміній і цинк, лиття під високим тиском передбачає нагнітання рідкого металу у форму під високим тиском і високою швидкістю, що вимагає потужного преса, щоб утримувати форму закритою. Тому цей процес дорожчий, ніж лиття під тиском під низьким тиском.
Переваги лиття під високим тиском:
- Швидке виготовлення
- Можливі тонкі стінки
- Гладка поверхня
- Мінімальна усадка
Лиття під тиском під низьким тиском — це повільніша форма лиття під тиском, яка м’якше надихає розплавлений метал у форму. Підходить для сплавів з низькою температурою плавлення. Незважаючи на те, що процес лиття під тиском під високим тиском є повільнішим, процес лиття металу під низьким тиском підходить для складних геометрій і може виробляти дуже міцні деталі.
Переваги лиття під тиском під низьким тиском:
- Міцні частини
- Складні геометрії
Литі метали
Для процесу лиття придатні різні метали. Однак три найпоширеніші матеріали для лиття, прийняті Kbear Metal, це алюміній, цинк і магній.
Алюмінієве лиття
Лиття алюмінію є найпоширенішим способом формування алюмінію. Він використовується для виробництва таких предметів, як промислові та автомобільні деталі, такі як трансмісії та двигуни, зі сплавів, таких як A380 і A383.
Існує кілька способів лиття алюмінію. Алюмінієве лиття під тиском чудово підходить для виробництва великої кількості завдяки своїй швидкості та чудовій обробці поверхні; постійне лиття в форму підходить для надміцних алюмінієвих деталей; а піщане лиття підходить для алюмінієвого лиття невеликих кількостей і складної геометрії.
Незалежно від процесу лиття, литий алюміній виготовляє міцні та легкі деталі, а тому є надзвичайно універсальним.
Лиття цинку
Цинкові сплави є популярними, доступними та широко доступними металами, придатними для лиття. Лиття цинку зазвичай включає лиття під високим тиском, що забезпечує високу продуктивність і мінімальні вимоги до обробки.
Через високу текучість лиття цинку можна отримати деталі з дуже тонкими стінками та тонкими деталями. Для кращого з’єднання цинк також можна формувати холодним способом.
Виробники можуть вибирати між цинковими сплавами ZAMAK або цинк-алюмінієвими (ZA) сплавами. Литі цинкові деталі включають автомобільні компоненти, деталі кондиціонерів та електронні компоненти.
Магнієве лиття
Лиття, зокрема лиття під тиском під високим тиском, є, безумовно, найпоширенішим процесом металообробки для виготовлення магнієвих деталей, на який припадає близько 98% виробництва магнієвих деталей.
Оскільки магній є найлегшим з усіх конструкційних металів, він ідеально підходить для застосування з легкістю. Інші переваги магнієвого лиття включають дуже тонкі стінки, чудову деталізацію та хороше співвідношення жорсткості та ваги.
У невеликих кількостях магнієві деталі також можна виготовляти за допомогою гіпсового лиття, хоча магнієве лиття під тиском найкраще підходить для професійного застосування.
Висновок
На закінчення, металевий кастинг це перевірений часом виробничий процес, який значно еволюціонував протягом століть, уможливлюючи виробництво широкого спектру продуктів, від складних машинних компонентів до великомасштабних промислових структур. Його універсальність і ефективність роблять його кращим вибором у багатьох галузях, включаючи автомобільну, аерокосмічну та споживчу промисловість.
Різноманітні методи лиття — від лиття під тиском до лиття в пісок — пропонують відмінні переваги, адаптовані до різних застосувань, дозволяючи інженерам досягати конкретних конструкцій, допусків і властивостей матеріалів. Незважаючи на деякі внутрішні обмеження, такі як потенційні дефекти та високі вимоги до робочої сили, переваги металевого лиття, включаючи економічну ефективність для масового виробництва та універсальність матеріалів, продовжують зміцнювати його важливу роль у сучасному виробництві.
Оскільки виробники стикаються зі зростаючим попитом на складні геометрії та легкі компоненти, інновації в процесах лиття металу, ймовірно, прокладуть шлях до постійного вдосконалення точності та ефективності. Розуміючи основи та тонкощі металевого лиття, професіонали галузі можуть краще використовувати цю цінну техніку виробництва для створення високоякісних металевих деталей, які відповідають сучасним суворим стандартам продуктивності.
Посилання
- Британська енциклопедія. “Лиття металу.” Британіка
- ASM International. “Процеси лиття.” ASM.org
- Шмід, Х. (2019). Процеси виробництва конструкційних матеріалів. Pearson Education.
- Д. Ф. Прітчетт. (2012). Технологія ливарного виробництва. Видавництво Woodhead.
- Каллістер, У. Д., & Ретвіш, Д. Г. (2018). Матеріалознавство та інженерія: Вступ. Wiley.
