Denna artikel kommer att diskutera tryckgjutning av aluminium i detalj. Lär dig viktiga tillämpningar av denna teknik, tillsammans med dess processöversikt, legeringstyper, designöverväganden, utmaningar etc.

Vad är tryckgjutning av aluminium?

Tryckgjutning av aluminium använder högt tryck (100-1000 bar) när det smälta aluminiumet matas in i formarna. Dessa formar är vanligtvis tillverkade av stål och kan återanvändas.

Formfyllningen beror på den smälta metallens flytbarhet. Den optimala vätskeformen fyller formen direkt (inom några sekunder). Materialet antar den faktiska formen på detaljen medan det blir kallt. Till exempel motorblock till bilar, ramar till smartphones eller drönarkomponenter.

Denna tillverkningsprocess är optimal för att snabbt och billigt tillverka 10.000+ identiska produkter.

Processens fysik

Högt tryck (100-1000 bar):

Ju högre trycket är, desto jämnare sprids aluminiumet inuti matrisen och fyller de minsta springorna. Detta tryck avlägsnar bubblor och bibehåller en jämn övergång i ytorna. Till exempel kan 500 bar fylla formen på bara 0,02 sekunder.

Snabb kylning (500-1000°C per sekund):

Aluminiumet kyls 100 gånger snabbare i HPDC än vid sandgjutning och antar formen av en faktisk produkt. Det är detta som kylhastigheten gör: skapar tät mikrostruktur med fina kristallkorn (0,01 mm). Det ger dem 20-30% mer styrka än de som tillverkas med långsammare alternativ.

Typer av pressgjutningsmaskiner

Maskiner med varmkammare:

Varmkammarmaskiner använder oftast metaller med lägre smältpunkter, t.ex. zink (420°C). Detta beror på att de inte kan hantera legeringar med höga smältpunkter som aluminium vid 660°C. Även om du fortfarande gjuter aluminium i en varmkammarmaskin kan detta skada utrustningen.

Maskiner med kall kammare:

Kallkammarmaskiner fungerar bra med metaller med måttlig temperatur som aluminium. I denna process förbereder pressgjutare den smälta formen av legering. De laddar den i kolven för att injicera materialet i munstycket under tryck upp till 1000 bar. Denna teknik tar dock längre tid (cykeltid: 30-60 sekunder) men är mycket säkrare för tuffa material.

Lämplighet för aluminiumlegeringar

Lämpliga aluminiumlegeringar är A380 (85% aluminium, 8% kisel) och A383 (84% aluminium, 10,5% kisel). Dessa legeringar tål höga tryck och undviker sprickbildning under kylning. Till exempel fyller A380-metallen smidigt ut formen och skapar en fin väggtjocklek som är så tunn som 1 mm.

Jämförelse av pressgjutningstekniker

Viktiga detaljer om tryckgjutning

• Produktionshastigheten för en enda HPDC-maskin kan producera 100-200 timmar.
• De första installationerna kostar cirka 50.000-1 miljon. Kostnaden per enhet sjunker dock med upp till $0,50 för stora order på över 50.000 enheter.
• Du kan borra hål som är så små som 1,5 mm.
• Med denna process kan man tillverka detaljer med väggar som är så tunna som 0,8 mm.
• Om man använder stål kan hållbarheten ökas till cirka 50.000-500.000 cykler.

Tryckgjutningsprocessen för aluminium

1. Konstruktion och tillverkning av verktyg

Verktygsdesign:

Verktygsdesignen innehåller den nästan exakta formen på den produkt som ska tillverkas. Dess huvuduppgift är att omvandla smält aluminium till dessa former. Detta innebär att designens perfektion (dimension, tjocklek etc.) gör att du kan få delar av fin kvalitet.

Grindsystem

Gating-kanaler är de sätt på vilka smält aluminium flödar mot matrisen. De är vanligen 3-8 mm breda. För att reglera metallflödeshastigheten (1-5 m/s) undviker man turbulens och att luft fastnar.

Design av löpare:

Runnersystem fördelar eller sprider metallen jämnt inuti matrisen. Deras tjocklek varierar från 5 till 15 mm. Det minskar också inkonsekvenser om man undviker fel form.

Ventilation:

Det finns små ventiler, 0,1-0,3 mm breda, monterade på maskinen. De hjälper till att avlägsna instängd luft för att minska defekter som porositet och luftfickor.

Kanaler för kylning:

Kylkanalerna är som rör. De flödar pressgjutningsvatten 10-20 liter per minut. Systemen håller temperaturer mellan 200-300°C för att förbereda detaljerna för utskjutning. Denna bibehållna temperatur är viktig för att förhindra överhettning och för att få enhetliga strukturer.

Material för formar:

Vanligt förekommande stål H13-material har en hårdhet på 45-50 HRC. Dessutom finns det redan naturliga höghållfasta och slitstarka egenskaper hos denna metall. Det finns för att motstå 50.000-500.000 gjutcykler.

Simuleringsprogramvara:

Verktyg som AutoCAST är till hjälp i HPDC-processen och förutsäger tidigt verktygsfel. Du kan optimera metallflödet och placera portkanalen på ett bättre sätt. Genom att göra detta blir det möjligt att minska defekterna med upp till 30% innan produktionen påbörjas.

Underhåll av verktyg:

För att underhålla verktyget är det värdefullt att applicera smörjspray var 5:e till 10:e cykel. Det förhindrar att metallen fastnar och ger en smidig utmatning.

2. Val och beredning av material

Aluminiumlegeringar:

Det viktigaste är inte bara att välja aluminiumlegeringar. Det beror på gjutningskraven, som påverkar hållfasthet, flytbarhet och tillämpningslämplighet.

• A380: Detta material flyter lätt och ger hög hållfasthet. Tillverkarna använder den ofta i bildelar.
• ADC12: Denna metall fungerar bra för elektroniska höljen och tunnväggiga delar (1-2 mm tjocka). Den flyter smidigt och minskar defekter. De kan också producera djupt exakta delar.

Smältkvalitet:

Logiskt sett ger underhåll av aluminiumrenhet felfria och starka delar. Detta är vad arbetet med hållugnen är till för. De håller smält aluminium vid 660-700°C, vilket förhindrar stelning. Dessutom är det fångade väte som Avgasning Avlägsnande med kvävgas minskar faktiskt porositeten med 90% och förhindrar inre hålrum.

3. Smältning & hällning

• Melter är en gaseldad ugn. Tillverkaren använder den för att smälta fasta pellets av aluminium under 700-750°C temperaturer. Det säkerställer ett konsekvent smält tillstånd.
• I hållugnen förvaras det smälta aluminiumet. De håller dem i flytande form vid kontrollerade temperaturer tills produktionscykeln är klar.
• Ram- och spruthylsorna i processen tvingar helt enkelt in metallen i formhålan med 4-10 m/s under högt tryck. Deras uppgift är att fylla formen helt och hållet och göra en korrekt komprimering.
• Pressgjutningsmaskiner automatiserar de mekaniska systemen för injektion. Det säkerställer skarpa detaljerade resultat och repeterbarhet i gjutna delar.
• Maskiner med kall kammare använder en kolv. Den sprutar in metallen och slutför cyklerna på 30-60 sekunder för hög effektivitet.

4. Injektion och stelning

Första steget: Det smälta materialet fyller 80-90% av munstyckshålan. Det tar 0,01-0,1 sekunder för injektion. Se till att materialet jämnt fyller luckorna och når varje formhörn.

Andra steget: Tillverkaren applicerar högt tryck (200-400 bar). Det avlägsnar luftspalter och ger tät kvalitet och strukturell integritet.

Kylning: Gjutvatten eller kylluft kyler snabbt den injicerade metallen med 500-1000°C per sekund. Under denna tid får de effektivt en stark mikrostruktur med fina kornstorlekar (0,01-0,05 mm).

5. Utskjutning och efterbearbetning

När detaljen har stelnat hjälper utskjutningsstiften till att avlägsna gjutgodset från formen på ett säkert sätt. Den utövar en kraft på 5-20 ton.

Under tiden används vatten i kyltanken för att kyla gjutdelarna snabbt i 10-30 sekunder. Denna ytterligare process undviker skevhet och höjer materialegenskaperna.

Dessutom använder trimmaskiner 20-50 tons kraft för att skära metallrester (grindar, blixt). Det hjälper dig att tillverka delar av högre kvalitet.

Avdelning för efterbehandling:

Tillverkare använder avgradningstekniken för att ta bort vassa kanter. Dessa processer ger släta ytor och uppnår ett grovhetsvärde på Ra 1,6-3,2 µm.

De exakta hål och funktioner som bearbetningen ger upphov till skapar snäva toleranser (±0,05 mm). Resultatet blir att produkten slutligen uppfyller särskilda specifikationer.

7. Avfallshantering

Pressgjutare smälte om eller återanvände 5-10% aluminiumavfall. Eftersom skrotåtervinning minskar kostnaderna för råmetall.

Det avfall som kommer från smörjmedel och metallrester kan behandlas i avloppsreningssystemet. Denna slam- och oljebehandling avlägsnar 95% av föroreningar före bortskaffande.

Utöver detta använder tillverkarna avgasskrubbrar. Deras uppgift är att hantera utsläpp genom att filtrera skadliga gaser. Dessa verktyg hjälper till att få en 99% framgångsgrad när det gäller att minska luftföroreningar.

Hållbara resurser som kyltorn återcirkulerar 80% av använt vatten. Dessa tekniker minimerar också miljöpåverkan.

Tillämpningar och branscher

Fordon

Det har visat sig att över 200 kg aluminium per fordon används i bilar som tillverkas i Europa. Dessutom tillverkar fordonssektorn olika lätta och starka delar med HPDC-processen. Till exempel motorblock, höljen till torkarmotorer, AC/DC-regulatorer, batterihöljen etc.

Flyg- och rymdindustrin

De flygplansdelar som tillverkas med gjutning av aluminium skulle vara starkare och lättare i vikt. Till exempel har flygplansfästen och satelliter en draghållfasthet på upp till 300 MPa. Som ett resultat presterar delen bra och använder mindre bränsle.

Konsumentvaror

Pressgjutningsprocessen är användbar vid tillverkning av delar med tunna väggar. Detta gäller särskilt för konsumentvarukategorier. Till exempel kan man tillverka elektroniska höljen för bärbara datorer och telefoner med väggar som är så tunna som 1 mm. Tillverkare producerar mer än 50 000 (per år) tvättmaskinenheter med denna teknik.

Industriell utrustning

För komponenter som tål högre tryck (upp till 100 bar) är det värdefullt att välja pressgjutna delar som pumphus och ventiler. Dessa delar har läckagesäkra ämnen och en ytjämnhet som varierar mellan Ra 1,6 och 3,2 µm.

Fördelar med tryckgjutning av aluminium

• Denna process kan verkligen gjuta delar med en snäv tolerans på ±0,1 mm (5x bättre än sandgjutning).
• Det ger en perfekt passform.
• Detaljerna har släta ytor (så fina som Ra 1,6 µm)
• Minska efterbearbetningen.
• Aluminiumlegeringarna är 100% återvinningsbara.
• Denna process använder 40-50% mindre ström än sandgjutning.
• Det minskar koldioxidavtrycket.
• De gjutna delarna är starka och väger hälften så mycket som stål.
• Massproduktion sänker kostnaden per del.

Utmaningar och begränsningar

Delstorlek och komplexitet:

Det finns en begränsning av den maximala storleken, vilket beror på att den kan producera ca 600 x 600 mm (ungefär en bildörrs mått).

Tunna väggar under 0,8-1,5 mm leder till ofullständig fyllning. Detta behov överstiger insprutningshastigheter på upp till 4 m/s. Dessutom kan det vara svårt att återskapa komplicerade detaljer under 0,5 mm.

Gränsvärden för material:

Denna process är endast väl lämpad för speciallegeringar som A380. Detta på grund av dess goda flyt- och gjutegenskaper.

Vanliga defekter

Luften orsakar gasporositet och när dessa gaser expanderar omvandlas de till defekter som t.ex. blåsbildning. Detta händer ofta i tjockare delar (under 10 mm) och kan kontrolleras genom avgasning.

På samma sätt uppstår krympporositet och sprickor när kylhastigheten är ojämn och sjunker under 500°C/s. För att undvika detta kan ett tryck på 200-400 bar bibehålla densiteten och integriteten under stelningen.

Testning och kontroll:

Du behöver bara förutse hur ditt projekt kommer att utvecklas och ligga några steg före via oförstörande provning. Ett röntgeninspektionssystem använder ett rörhuvud. Detta är den punkt där den fokala punkten sänder ut strålar över gjutgodset. Förekomsten av ett tomrum förändrar röntgenstrålningens penetration. Det ger en unik bild för att förenkla analysen.

På samma sätt hjälper ultraljudstestning till att lokalisera inre sprickor inom 2-5 sekunder per detalj. Deras sensorer övervakar insprutningshastighet (±0,1 m/s) och tryck (±10 bar). Det ger därför en försäkran om jämn kvalitet.

Slutsats:

Tryckgjutning av aluminium är en tillförlitlig process. De flesta sektorer, inklusive fordons-, flyg- och elektronikindustrin, använder den på grund av dess prisvärdhet och höga ledningsförmåga för stora beställningar.

Detta är det alternativ som fungerar för att få exakta former och släta ytor samtidigt som du använder mindre energi. Även om det inte är det, finns det utmaningar som storleksbegränsningar och enstaka defekter. Genom att använda moderna tester och kontroller kan produktionen hållas stabil.