В этой статье мы подробно рассмотрим литье алюминия под давлением. Вы узнаете о ключевых областях применения этой технологии, а также об обзоре процесса, типах сплавов, конструктивных особенностях, проблемах и т. д.

Что такое литье алюминия под давлением?

При литье алюминия под давлением используется высокое давление (100-1000 бар) при подаче расплавленного алюминия в матрицу. Такие матрицы обычно изготавливаются из стали и могут быть многоразовыми.

Заполнение формы зависит от текучести расплавленного металла. Оптимальная жидкая форма заполняет форму мгновенно (в течение нескольких секунд). Остывая, этот материал принимает форму детали. Например, блоки двигателей автомобилей, рамы смартфонов или компоненты беспилотников.

Этот производственный процесс оптимален для быстрого и дешевого изготовления 10 000+ одинаковых изделий.

Физика процесса

Высокое давление (100-1000 бар):

Чем выше давление, тем равномернее оно распределяет алюминий внутри матрицы, заполняя мельчайшие зазоры. Такое давление устраняет появление пузырьков и поддерживает плавность перехода в поверхностях. Например, 500 бар могут заполнить матрицу всего за 0,02 секунды.

Быстрое охлаждение (500-1000°C в секунду):

Алюминий в HPDC остывает в 100 раз быстрее, чем при литье в песчаные формы, принимая форму реального изделия. Вот что делает скорость охлаждения: создает плотную микроструктуру с мелким кристаллическим зерном (0,01 мм). Это придает им 20-30% большую прочность по сравнению с изделиями, изготовленными более медленными способами.

Типы машин для литья под давлением

Горячие камерные машины:

В машинах с горячей камерой в основном используются металлы с более низкой температурой плавления, например цинк (420°C). Это связано с тем, что они не могут работать со сплавами с высокой температурой плавления, такими как алюминий с температурой 660°C. Даже если вы все же будете отливать алюминий в машине с горячей камерой, это может повредить оборудование.

Машины с холодной камерой:

Машины с холодной камерой хорошо работают с металлами умеренной температуры, такими как алюминий. В этом процессе литейщики готовят расплавленную форму сплава. Они заливают его в поршень, чтобы впрыснуть материал в форму под давлением до 1000 бар. Однако эта технология занимает больше времени (время цикла - 30-60 секунд), но гораздо безопаснее для прочных материалов.

Пригодность для алюминиевых сплавов

Подходящие алюминиевые сплавы включают A380 (85% алюминия, 8% кремния) и A383 (84% алюминия, 10,5% кремния). Эти сплавы выдерживают высокое давление и не растрескиваются при охлаждении. Например, металл А380 плавно заполняет форму, создавая тонкие стенки толщиной до 1 мм.

Сравнение технологий литья под давлением

Основные сведения о литье под давлением

• Скорость производства одной машины HPDC может составлять 100-200 штук в час.
• Первоначальные установки стоят от 50 000 до 1 миллиона. Однако при крупных заказах свыше 50 000 единиц стоимость единицы продукции снижается до $0,50.
• Вы можете сверлить отверстия размером до 1,5 мм.
• Этот процесс позволяет изготавливать детали с толщиной стенок до 0,8 мм.
• Использование стали позволяет увеличить срок службы до 50 000-500 000 циклов.

Процесс литья алюминия под давлением

1. Разработка и изготовление оснастки

Дизайн штампа:

Штампы содержат практически чистую форму производимого изделия. Его основная задача - преобразовать расплавленный алюминий в эти формы. Это означает, что совершенства конструкции (размеры, толщина и т. д.) позволяют получать детали высокого качества.

Затворные системы

Литниковые каналы - это пути, по которым расплавленный алюминий течет к матрице. Их ширина обычно составляет 3-8 мм. Они позволяют регулировать скорость потока металла (1-5 м/с), избегая турбулентности и захвата воздуха.

Дизайн бегунов:

Системы бегунков равномерно распределяют металл внутри штампа. Их толщина варьируется от 5 до 15 мм. Это также уменьшает несоответствия в случае избегания неправильной формы.

Вентиляция:

На станке установлены небольшие вентиляционные отверстия шириной 0,1-0,3 мм. Они помогают удалить задержанный воздух, чтобы уменьшить такие дефекты, как пористость и воздушные карманы.

Каналы охлаждения:

Каналы охлаждения похожи на трубы. Они подают воду для литья под давлением со скоростью 10-20 литров в минуту. Их системы поддерживают температуру в пределах 200-300°C, чтобы подготовить детали к выталкиванию. Такое поддержание температуры важно для предотвращения перегрева и получения однородных структур.

Материалы для штампов:

Обычно используемый материал сталь H13 обладает твердостью 45-50 HRC. Кроме того, у этого металла уже есть природные высокопрочные и износостойкие свойства. Они позволяют выдерживать 50 000-500 000 циклов литья.

Программное обеспечение для моделирования:

Такие инструменты, как AutoCAST полезны в процессе HPDC, позволяя предсказать поломку инструмента на ранней стадии. Вы можете оптимизировать поток металла и лучше разместить литниковый канал. Это позволяет сократить количество дефектов до 30% еще до начала производства.

Обслуживание штампов:

Для поддержания штампа в рабочем состоянии полезно наносить смазочный спрей каждые 5-10 циклов. Он предотвращает налипание металла и обеспечивает плавный выброс.

2. Выбор и подготовка материалов

Алюминиевые сплавы:

Самое главное - не просто выбрать алюминиевые сплавы. Это зависит от требований к литью, которые влияют на прочность, текучесть и пригодность к применению.

• A380: Легко течет и обладает высокой прочностью. Производители широко используют его для изготовления автомобильных деталей.
• ADC12: Этот металл хорошо подходит для корпусов электроники и тонкостенных деталей (толщиной 1-2 мм). Он плавно перетекает и уменьшает количество дефектов. Кроме того, из него можно изготавливать детали с высокой точностью.

Качество расплава:

Логично предположить, что поддержание чистоты алюминия позволяет получить бездефектные и прочные детали. Именно для этого и нужны печи. Они поддерживают температуру расплавленного алюминия на уровне 660-700°C, предотвращая его застывание. Кроме того, задерживаемый водород, который дегазация Удаление с помощью газа азота фактически уменьшает пористость на 90% и предотвращает появление внутренних пустот.

3. Плавление и заливка

• Мельтер представляет собой газовую печь. Производитель использует ее для расплавления твердых гранул алюминия при температуре 700-750°C. Это обеспечивает стабильное расплавленное состояние.
• В печи для выдержки хранится расплавленный алюминий. Они поддерживают его в жидком состоянии при контролируемой температуре до завершения производственного цикла.
• Рампы и дробовые втулки просто вдавливают металл в полость пресс-формы со скоростью 4-10 м/с под высоким давлением. Их задача - полностью заполнить форму и обеспечить надлежащее уплотнение.
• Машины для литья под давлением автоматизируют механические системы впрыска. Это обеспечивает четкую детализацию и повторяемость литых деталей.
• В машинах с холодной камерой используется плунжер. Он впрыскивает металл и выполняет циклы за 30-60 секунд, обеспечивая высокую эффективность.

4. Впрыскивание и затвердевание

Первая стадия: Расплавленный материал заполняет 80-90% полости штампа. Впрыск занимает 0,01-0,1 секунды. Убедитесь, что материал равномерно заполняет зазоры и достигает каждого угла штампа.

Второй этап: Производитель применяет высокое давление (200-400 бар). Оно устраняет воздушные зазоры и придает плотность и структурную целостность.

Охлаждение: Вода для литья под давлением или охлаждающий воздух быстро охлаждают впрыскиваемый металл при температуре 500-1000°C в секунду. Во время этого они эффективно формируют прочную микроструктуру с мелкими зернами (0,01-0,05 мм).

5. Выброс и постобработка

После застывания детали выталкивающие штифты помогают безопасно извлечь отливку из формы. Они прилагают усилие 5-20 тонн.

В то же время в закалочном баке вода быстро охлаждает отлитые детали в течение 10-30 секунд. Этот дополнительный процесс позволяет избежать коробления и повышает качество материала.

Кроме того, обрезные станки используют усилие в 20-50 тонн для срезания остатков металла (литников, вспышек). Это помогает изготавливать детали более высокого качества.

Отделочный отдел:

Производители используют технику снятия заусенцев для удаления острых кромок. Эти процессы обеспечивают гладкие поверхности, достигая значения шероховатости Ra 1,6-3,2 мкм.

Точные отверстия и особенности обработки создают жесткие допуски (±0,05 мм). В итоге изделие соответствует специальным спецификациям.

7. Управление отходами

Литейщики переплавили или повторно использовали 5-10% алюминиевых отходов. Ведь переработка лома снижает стоимость сырья.

Отходы, образующиеся из смазочных материалов и металлических остатков, могут быть очищены в системе очистки сточных вод. При обработке шлама и масла перед утилизацией удаляется 95% загрязняющих веществ.

Кроме того, производители используют скрубберы для очистки выхлопных газов. Их задача - справляться с выбросами, фильтруя вредные газы. Эти инструменты помогают добиться 99% успеха в снижении уровня загрязнения воздуха.

Такие экологичные ресурсы, как градирни, обеспечивают рециркуляцию 80% использованной воды. Эти технологии также минимизируют воздействие на окружающую среду.

Применение и отрасли

Автомобили

Было обнаружено, что более 200 кг на один автомобиль европейского производства обычно содержат алюминий. Кроме того, в автомобильной промышленности с помощью процесса HPDC производятся различные легкие и прочные детали. Например, блоки двигателя, корпуса моторов стеклоочистителей, контроллеры AC/DC, корпуса аккумуляторов и т.д.

Аэрокосмическая промышленность

Аэрокосмические детали, изготовленные методом литья алюминия под давлением, будут более прочными и легкими по весу. Например, кронштейны самолетов и спутников имеют прочность на разрыв до 300 МПа. В результате детали хорошо работают и потребляют меньше топлива.

Потребительские товары

Процесс литья под давлением полезен при изготовлении деталей с тонкими стенками. Это особенно актуально для категорий потребительских товаров. Например, с его помощью можно изготавливать электронные корпуса для ноутбуков и телефонов с толщиной стенок до 1 мм. Производители выпускают с помощью этой технологии более 50 тысяч единиц стиральных машин в год.

Промышленное оборудование

Для компонентов, выдерживающих высокое давление (до 100 бар), целесообразно выбирать литые детали, такие как корпуса насосов и клапаны. Эти детали обладают герметичностью и шероховатостью отделки, колеблющейся в пределах Ra 1,6-3,2 мкм.

Преимущества литья алюминия под давлением

• Этот процесс позволяет отливать детали с жестким допуском ±0,1 мм (в 5 раз лучше, чем при литье в песчаные формы).
• Он обеспечивает идеальную посадку.
• Детали имеют гладкие поверхности (с точностью до Ra 1,6 мкм)
• Сократите объем постобработки.
• Алюминиевые сплавы 100% подлежат вторичной переработке.
• Этот процесс потребляет на 40-50% меньше энергии, чем литье в песчаные формы.
• Это снижает выбросы углекислого газа.
• Литые детали прочны при вдвое меньшем весе, чем стальные.
• Массовое производство снижает стоимость каждой детали.

Проблемы и ограничения

Размер и сложность деталей:

Имеется ограничение по максимальному размеру, поскольку он может производить продукцию размером около 600 x 600 мм (примерно как дверь автомобиля).

Тонкие стенки менее 0,8-1,5 мм приводят к неполному заполнению. Для этого необходимо превысить скорость впрыска до 4 м/с. Кроме того, может быть сложно воспроизвести сложные элементы размером менее 0,5 мм.

Пределы материала:

Этот процесс хорошо подходит только для специальных сплавов, таких как A380. Это связано с его хорошей текучестью и особенностями литья.

Распространенные дефекты

Захват воздуха вызывает газовую пористость, и когда эти газы расширяются, они преобразуются в дефекты, такие как волдыри. Обычно это происходит в толстых деталях (менее 10 мм) и может контролироваться с помощью дегазации.

Аналогичным образом, усадочная пористость и трещины возникают, если скорость охлаждения неравномерна и составляет менее 500°C/с. Чтобы избежать этого, давление 200-400 бар позволяет сохранить плотность и целостность во время затвердевания.

Тестирование и контроль:

Вам просто нужно прогнозировать результаты проекта и быть на несколько шагов впереди. неразрушающий контроль. В системе рентгеновского контроля используется головка с трубкой. Это точка, в которой фокусное пятно испускает лучи через отливку. Наличие пустот изменяет проникновение рентгеновского излучения. Это позволяет получить уникальное изображение, упрощающее анализ.

Кроме того, ультразвуковое тестирование помогает обнаружить внутренние трещины в течение 2-5 секунд для каждой детали. Их датчики контролируют скорость впрыска (±0,1 м/с) и давление (±10 бар). Это дает гарантию стабильного качества.

Заключение:

Литье алюминия под давлением является надежным процессом. Большинство отраслей, включая автомобильную, аэрокосмическую и электронную, используют его благодаря доступности и высокой проводимости при выполнении крупных заказов.

Это вариант, который позволяет получить точные формы и гладкую отделку при меньших затратах энергии. Хотя это и не так, существуют такие проблемы, как ограничения по размерам и случайные дефекты. Поэтому использование современных средств тестирования и контроля позволяет поддерживать стабильность производства.