Tento článek se podrobně zabývá tlakovým litím hliníku. Dozvíte se o klíčových aplikacích této techniky, přehledu procesů, typech slitin, konstrukčních aspektech, problémech atd.

Co je tlakové lití hliníku?

Při tlakovém lití hliníku se používá vysoký tlak (100-1000 barů) při vhánění roztaveného hliníku do formy. Tyto formy jsou obvykle vyrobeny z oceli a mohou být opakovaně použitelné.

Plnění formy závisí na tekutosti roztaveného kovu. Optimální tekutá forma naplní formu okamžitě (během několika sekund). Tento materiál při chladnutí nabývá skutečného tvaru dílu. Například bloky motorů automobilů, rámy chytrých telefonů nebo součásti dronů.

Tento výrobní proces je optimální pro rychlou a levnou výrobu více než 10 000 stejných výrobků.

Fyzika procesu

Vysoký tlak (100-1000 barů):

Čím vyšší je tlak, tím rovnoměrněji se hliník uvnitř matrice rozprostře a vyplní i ty nejmenší mezery. Tento tlak odstraňuje výskyt bublin a udržuje hladký přechod v povrchu. Například tlak 500 barů dokáže vyplnit zápustku za pouhých 0,02 sekundy.

Rychlé chlazení (500-1000 °C za sekundu):

Hliník se v HPDC ochlazuje 100× rychleji než při odlévání do písku a nabývá tvaru skutečného výrobku. To je to, co dělá rychlost chlazení: vytváří hustou mikrostrukturu s jemnými krystalickými zrny (0,01 mm). Díky tomu mají 20-30% větší pevnost než ty, které se vyrábějí pomalejšími variantami.

Typy strojů pro tlakové lití

Stroje s horkou komorou:

Stroje s horkou komorou většinou používají kovy s nižšími body tání, jako je zinek (420 °C). Je to proto, že nemohou zpracovávat slitiny s vysokými body tání, jako je hliník o teplotě 660 °C. I když v horkokomorovém stroji stále odléváte hliník, může dojít k poškození zařízení.

Stroje se studenou komorou:

Stroje se studenou komorou dobře pracují s kovy o střední teplotě, jako je hliník. Při tomto procesu odlévači připravují roztavenou formu slitiny. Naplní ji do pístu, který vstřikuje materiál do formy pod tlakem až 1000 barů. Tato technika však trvá déle (doba cyklu: 30-60 sekund), ale je mnohem bezpečnější pro houževnaté materiály.

Vhodnost pro slitiny hliníku

Mezi vhodné hliníkové slitiny patří A380 (85% hliník, 8% křemík) a A383 (84% hliník, 10,5% křemík). Tyto slitiny snesou vysoké tlaky a při chlazení nepraskají. Například kov A380 hladce vyplňuje formu a vytváří jemnou stěnu o tloušťce až 1 mm.

Srovnání technik tlakového lití

Klíčové informace o tlakovém lití

• Výrobní rychlost jednoho stroje HPDC může být 100-200 hodin.
• Počáteční sestavy stojí přibližně 50 000 až 1 milion. U velkých zakázek nad 50 000 kusů však klesají náklady na jednotku až o $0,50.
• Můžete vyvrtat otvory o průměru až 1,5 mm.
• Tento proces umožňuje vyrábět díly se stěnami tenkými až 0,8 mm.
• Použití oceli může zvýšit její životnost na přibližně 50 000-500 000 cyklů.

Proces tlakového lití hliníku

1. Návrh a výroba nástrojů

Design raznice:

Návrhy matric obsahují téměř čistý tvar vyráběného výrobku. Jejím hlavním úkolem je přeměnit roztavený hliník na tyto tvary. To znamená, že dokonalost konstrukce (rozměry, tloušťka atd.) umožňuje získat díly jemné kvality.

Systémy brány

Vtokové kanály jsou cesty, kterými roztavený hliník proudí směrem k matrici. Běžně jsou široké 3-8 mm. Aby bylo možné regulovat rychlost proudění kovu (1-5 m/s), zabraňuje se turbulencím a zachycování vzduchu.

Design běžce:

Vtokové systémy rovnoměrně rozdělují nebo rozprostírají kov uvnitř matrice. Jejich tloušťka se pohybuje od 5 do 15 mm. Snižuje také nesrovnalosti v případě, že se vyhnete nesprávnému tvaru.

Odvětrávání:

Na stroji jsou namontovány malé průduchy o šířce 0,1-0,3 mm. Pomáhají odstraňovat zachycený vzduch, čímž se snižují vady, jako je pórovitost a vzduchové kapsy.

Chladicí kanály:

Chladicí kanály jsou jako trubky. Proudí jimi 10-20 litrů tlakově lité vody za minutu. Jejich systémy udržují teplotu v rozmezí 200-300 °C, aby připravily díly k vyhození. Toto udržování teploty je důležité, aby se zabránilo přehřátí a získání rovnoměrných struktur.

Výsekové materiály:

Běžně používaná ocel H13 má tvrdost 45-50 HRC. Také, Tam jsou již přirozené vysoké pevnosti a odolnosti proti opotřebení vlastnosti tohoto kovu. Ta vydrží 50 000-500 000 odlévacích cyklů.

Simulační software:

Nástroje jako např. AutoCAST jsou užitečné v procesu HPDC, protože včas předpovídají selhání nástroje. Můžete optimalizovat tok kovu a lépe umístit kanál brány. Tímto způsobem je možné snížit počet vad až o 30% před zahájením výroby.

Údržba matrice:

Pro údržbu lisu je užitečné každých 5 až 10 cyklů použít mazací sprej. Zabraňuje lepení kovu a zajišťuje hladké vyhazování.

2. Výběr a příprava materiálu

Slitiny hliníku:

Nejdůležitější není jen výběr hliníkových slitin. Záleží na požadavcích na odlitky, které ovlivňují pevnost, tekutost a vhodnost použití.

• A380: Snadno teče a má vysokou pevnost. Výrobci jej běžně používají v automobilových dílech.
• ADC12: Tento kov se dobře hodí pro elektronické kryty a tenkostěnné díly (tloušťka 1-2 mm). Hladce teče a snižuje výskyt defektů. Také dokáže vyrábět hluboce přesné díly.

Kvalita taveniny:

Z logiky věci vyplývá, že údržba čistoty hliníku poskytuje bezchybné a pevné díly. K tomu slouží práce v peci. Ty udržují roztavený hliník při teplotě 660-700 °C, čímž zabraňují tuhnutí. Kromě toho zachycený vodík, který odplyňování odstraňuje pomocí plynného dusíku ve skutečnosti snižuje pórovitost o 90% a zabraňuje vzniku vnitřních dutin.

3. Tavení a lití

• Tavicí pec je plynová. Výrobce ji používá k tavení pevných hliníkových pelet při teplotách 700-750 °C. Zajišťuje konzistentní roztavený stav.
• V udržovací peci se uchovává roztavený hliník. Udržují ho v tekutém stavu při kontrolované teplotě až do ukončení výrobního cyklu.
• Ramenní a vstřikovací rukávy jsou součástí procesu, který jednoduše vtlačuje kov do dutiny matrice rychlostí 4-10 m/s pod vysokým tlakem. Jejich úkolem je zcela zaplnit formu a provést správné zhutnění.
• Tlakové licí stroje automatizují mechanické systémy vstřikování. Zajišťuje ostře detailní výsledky a opakovatelnost odlévaných dílů.
• Stroje se studenou komorou používají píst. Ten vstřikuje kov a dokončuje cykly za 30-60 sekund, což zajišťuje vysokou účinnost.

4. Vstřikování a tuhnutí

První fáze: Tavenina vyplňuje 80-90% dutiny matrice. Vstřikování trvá 0,01-0,1 sekundy. Dbejte na to, aby materiál rovnoměrně vyplnil mezery a dosáhl do každého rohu matrice.

Druhá fáze: Výrobce používá vysoký tlak (200-400 barů). Odstraňuje vzduchové mezery a dodává hustou kvalitu a strukturální integritu.

Chlazení: Vstřikovaný kov se rychle ochlazuje vodou nebo chladicím vzduchem při 500-1000 °C za sekundu. Během toho účinně získávají silnou mikrostrukturu s jemnou velikostí zrn (0,01-0,05 mm).

5. Vysunutí a následné zpracování

Po ztuhnutí dílu pomáhají vyhazovací kolíky bezpečně vyjmout odlitek z formy. Vyvíjí sílu 5-20 tun.

V kalicí nádrži se mezitím odlitky prudce ochlazují vodou po dobu 10-30 sekund. Tento dodatečný proces zabraňuje deformaci a zvyšuje vlastnosti materiálu.

Kromě toho ořezávací stroje používají sílu 20-50 tun k odřezání kovových zbytků (brány, otřepy). To vám pomůže při výrobě dílů vyšší kvality.

Oddělení dokončovacích prací:

Výrobci používají techniku odstraňování otřepů k odstranění ostrých hran. Tyto postupy umožňují hladký povrch, který dosahuje drsnosti Ra 1,6-3,2 µm.

Přesné otvory a prvky, které obrábění vytvářejí, mají za následek malé tolerance (±0,05 mm). Výsledkem je, že výrobek nakonec splňuje speciální specifikace.

7. Nakládání s odpady

Odlévači přetavili nebo znovu použili 5-10% hliníkového odpadu. Protože recyklace šrotu snižuje náklady na surový kov.

Odpad, který vzniká z maziv a zbytků kovů, lze zpracovat v systému čištění odpadních vod. Tato úprava kalů a olejů odstraňuje 95% znečišťujících látek před jejich likvidací.

Kromě toho výrobci používají čističe výfukových plynů. Jejich úkolem je zpracovávat emise filtrováním škodlivých plynů. Tyto nástroje pomáhají získat 99% úspěšnost při snižování znečištění ovzduší.

Udržitelné zdroje, jako jsou chladicí věže, recirkulují 80% použité vody. Tyto techniky rovněž minimalizují dopad na životní prostředí.

Aplikace a odvětví

Automobilový průmysl

Bylo zjištěno, že u automobilů vyráběných v Evropě se běžně používá více než 200 kg hliníku na vozidlo. Kromě toho se v automobilovém průmyslu vyrábějí různé lehké a pevné díly pomocí procesu HPDC. Například bloky motorů, kryty motorů stěračů, AC/DC regulátory, kryty baterií atd.

Letectví a kosmonautika

Letecké díly vyrobené pomocí tlakového lití hliníku by byly pevnější a lehčí. Například držáky letadel a satelitů mají pevnost v tahu až 300 MPa. Výsledkem je dobrá výkonnost dílu a nižší spotřeba paliva.

Spotřební zboží

Proces tlakového lití je užitečný při výrobě dílů s tenkými stěnami. To platí zejména pro kategorie spotřebního zboží. Lze tak například vyrábět elektronické kryty pro notebooky a telefony se stěnami tenkými pouhý 1 mm. Výrobci touto technikou vyrábějí více než 50 tisíc (ročně) kusů praček.

Průmyslová zařízení

Pro komponenty, které odolávají vyšším tlakům (až 100 barů), je cenný výběr tlakově litých dílů, jako jsou tělesa čerpadel a ventily. Tyto díly se vyznačují těsností a drsností povrchové úpravy pohybující se kolem Ra 1,6 a 3,2 µm.

Výhody tlakového lití hliníku

• Tímto procesem lze skutečně odlévat díly s těsnou tolerancí ±0,1 mm (5x lepší než při odlévání do písku).
• Perfektně sedí.
• Díly mají hladký povrch (až Ra 1,6 µm).
• Omezte následné zpracování.
• Hliníkové slitiny jsou recyklovatelné 100%.
• Tento proces spotřebuje 40-50% méně energie než lití do písku.
• Snižuje uhlíkovou stopu.
• Odlévané díly jsou pevné a mají poloviční hmotnost než ocel.
• Hromadná výroba snižuje náklady na jeden díl.

Výzvy a omezení

Velikost a složitost dílu:

Maximální velikost je omezena, protože dokáže vyrobit přibližně 600 x 600 mm (zhruba rozměry dveří automobilu).

Tenké stěny pod 0,8-1,5 mm způsobí neúplné vyplnění. Tato potřeba překračuje rychlost vstřikování až 4 m/s. Kromě toho může být obtížné reprodukovat složité rysy pod 0,5 mm.

Limity materiálu:

Tento proces je vhodný pouze pro speciální slitiny, jako je A380. A to díky své dobré tekutosti a vlastnostem odlévání.

Běžné vady

Zachycení vzduchu způsobuje pórovitost plynů, a když se tyto plyny rozpínají, dochází k defektům, jako jsou puchýře. Běžně k tomu dochází u silnějších dílů (pod 10 mm) a lze to kontrolovat odplyněním.

Podobně dochází ke smršťovací pórovitosti a trhlinám, pokud je rychlost ochlazování nerovnoměrná a klesne pod 500 °C/s. Aby se tomu předešlo, může tlak 200-400 barů udržet hustotu a celistvost během tuhnutí.

Testování a kontrola:

Stačí předvídat výkonnost projektu a být o několik kroků napřed prostřednictvím nedestruktivní zkoušení. Rentgenový kontrolní systém používá trubicovou hlavu. Ta je místem, kde ohnisko vysílá paprsky napříč odlitkem. Přítomnost prázdného místa mění průnik rentgenového záření. Vytváří jedinečný obraz, který zjednodušuje analýzu.

Stejně tak zavedení ultrazvukového testování pomáhá lokalizovat vnitřní trhliny během 2-5 sekund na díl. Jejich senzory monitorují rychlost vstřikování (±0,1 m/s) a tlak (±10 bar). To proto poskytuje jistotu konzistentní kvality.

Závěr:

Tlakové lití hliníku je spolehlivý proces. Většina odvětví, včetně automobilového, leteckého a elektronického průmyslu, jej používá díky cenové dostupnosti a vysoké vodivosti pro velké zakázky.

Tato možnost je vhodná pro získání přesných tvarů a hladkých povrchů při nižší spotřebě energie. I když to není ono, jsou zde problémy jako omezení velikosti a občasné vady. Pro tyto účely udržuje použití moderních testů a kontrol stabilní výrobu.