odlew ciśnieniowy

Wspornik amortyzatora wykonany z aluminium

Diecast (English High Pressure Die Casting (HPDC)) to odlew przeznaczony do produkcji seryjnej lub masowej. Do tego celu stosuje się zwykle stopy odlewnicze o niskiej temperaturze topnienia.

Podczas odlewania ciśnieniowego ciekły stop jest wtłaczany do formy odlewniczej ( forma odlewnicza , wnęka ) pod wysokim ciśnieniem ok. 10 do 200  MPa i przy bardzo wysokiej prędkości napełniania formy do 12 m / s , gdzie następnie krzepnie . Cechą szczególną procesu odlewania ciśnieniowego jest to, że w przypadku stałej formy, tj. H. bez modelu . W rezultacie, formy jest wytwarzany tylko raz dla szeregu identycznych elementów , lecz ze znacznie wyższymi kosztami produkcji. W ten sposób uzyskuje się wysoką wydajność, zwłaszcza w odlewarce ciśnieniowej z gorącą komorą, w której pojemnik odlewniczy i tłok odlewniczy są stale w stopie. W przypadku stopów o wyższej temperaturze topnienia stosuje się odlewanie ciśnieniowe w zimnej komorze, zestaw odlewniczy znajduje się na zewnątrz roztopionego metalu.

Konkuruje matrycy do odlewania wtryskowego formowania z tworzywa sztucznego . Materiały metaliczne mają zalety w indywidualnych przypadkach, które zabezpieczają rynek artykułów odlewanych ciśnieniowo.

Najczęściej używanymi materiałami są

• Aluminium ( odlewane ciśnieniowo aluminium )
• Cynk ( cynk odlewany ciśnieniowo )
• Magnez ( odlew magnezu )
• Tombak silikonowy

nieruchomości

Części odlewane ciśnieniowo mają gładkie, czyste powierzchnie i krawędzie. Ponadto ta metoda pozwala na zmniejszenie grubości ścian w porównaniu z innymi metodami. Na przykład w przypadku cynku części mogą mieć grubość ścianki 1 mm, aw przypadku aluminium 1,4 mm, w wyjątkowych przypadkach nawet mniej niż 1 mm.

Osiągalne tolerancje wynoszą od ± 0,05 do ± 0,15 mm, więc można mówić o dokładnym lub gotowym odlewie. W przypadku dużych odlewów wymagane są jednak nieco większe tolerancje.

Możliwe jest użycie części wykonanych z innych materiałów, np. B. nasadki, trzpienie gwintowane lub kołki do wlania. Gwinty wewnętrzne są wytwarzane bezpośrednio za pomocą obrotowych stalowych rdzeni, które można później ponownie usunąć. W przeciwieństwie do innych procesów odlewanie nazywa się tutaj „strzałem”. Istnieje możliwość wykonania do 1000 strzałów na godzinę (w zależności od wielkości maszyny). W zależności od materiału odlewniczego żywotność formy wynosi do 2 000 000 śrutów (stopy cynku).

W przypadku aluminium uzyskuje się żywotność około 80 000 do 200 000 strzałów. Przez długi czas aluminium odlewane ciśnieniowo uważano za nieodpowiednie do spawania i obróbki cieplnej. W międzyczasie szeroko zakrojone badania umożliwiły produkcję odlewanego ciśnieniowo aluminium nadającego się do spawania i obróbki cieplnej. W tym miejscu należy podkreślić szczególnie mało wypaczalne procesy spawania wiązką (spawanie wiązką elektronów i wiązką laserową) - dla uzyskania optymalnych właściwości wytrzymałościowych. Jednak w celu uzyskania optymalnych wyników konieczne i wskazane jest uwzględnienie wymagań procesu podczas projektowania. Ponadto odlewane ciśnieniowo aluminium można również bardzo dobrze spawać przy użyciu procesów zgrzewania tarciowego, takich jak zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem .

Maszyna do odlewania ciśnieniowego

Maszyny do odlewania ciśnieniowego zwykle składają się z zespołu zaciskowego formy, który służy do otwierania i zamykania formy odlewniczej. Komponenty zespołu zaciskowego formy (zwane również częścią zamykającą) to:

• stałe urządzenie płyta (zwany również płyty stałej ) w celu utrzymania stałej połówce formy odlewniczej, a w procesie zimnej komorze, zestaw odlewniczy
• ruchome urządzenie płyta (również płyta komórkowego ) do pomieszczenia wyrzutnik hydrauliczny i ruchomą połówkę formy
• cztery kolumny prowadzące, po których prowadzona jest ruchoma płyta maszyny
• system dźwigni kolankowej (składający się z płyty cylindrycznej (zwanej również poprzeczką), krótkiej i długiej dźwigni oraz głowicy krzyżowej)
• cylinder zamka

Ciekły metal jest tłoczony z komory odlewniczej do formy za pomocą tłoka odlewniczego. W zależności od typu używanej maszyny rozróżnia się procesy w ciepłej i zimnej komorze. Tłok odlewniczy jest napędzany przez napęd zespołu odlewniczego. Na tłok napędowy zwykle oddziałuje hydrauliczny akumulator ciśnieniowy. W niektórych przypadkach tłok jest napędzany elektrycznie (stan na 2006 r.).

Obrzeże

Jednostki peryferyjne pracują w pobliżu odlewarki ciśnieniowej. Są to urządzenia inżynierii procesowej , które są niezbędne do automatycznego przebiegu procesu.

• Maszyna do rozpylania form lub manipulator do rozpylania form lub dysz stałych
• Urządzenia grzewcze i chłodzące
• Urządzenia do ekstrakcji
• Piec dozujący lub chochla

Proces odlewania ciśnieniowego wspomagany próżniowo

Proces odlewania ciśnieniowego wspomagany próżniowo z wymuszoną wentylacją umożliwia obróbkę detali z niewielką ilością lub bez wtrąceń gazowych. Wnęki i komory napełniania odprowadza się na początku odlewania, dzięki czemu powietrze znajdujące się w niej, a gazy wytwarzane są zasysane podczas odlewania, a więc mniej lub brak wtrąceń powietrza mogą tworzyć się w stopie.

Ponowne zagęszczenie

Podobny efekt uzyskuje się tutaj poprzez wysokie ściskanie w fazie przed ostatecznym zestaleniem przedmiotu obrabianego. Pory i kieszenie powietrzne są znacznie zmniejszone. Ponieważ podczas krzepnięcia stopu, tj. Innymi słowy, kiedy następuje zmiana objętości z ciekłej na stałą, deficyty objętościowe nieuchronnie pojawiają się we wnętrzu elementów grubościennych. W celu skompensowania tego efektu skurczu cieczy, w celu sprasowania zestalonego stopu można zastosować tzw. Proces ściskania. W tym celu papkowaty stopiony materiał jest ściskany za pomocą „ściskanego kołka” w formie odlewniczej w obszarach, w których spodziewany jest deficyt objętości.

Forma i narzędzie do odlewania ciśnieniowego

Narzędzia odlewnicze wymagane w procesie odlewania ciśnieniowego są wytwarzane w narzędziowni lub w formowni . Jako materiał na formy odlewnicze stosuje się zwykle materiały specjalne lub stale do pracy na gorąco o wysokiej wytrzymałości zgodnie z normą DIN EN ISO 4957.

Sekwencja faz

Podczas odlewania ciśnieniowego, uprzednio odpuszczona (100 do 300 stopni Celsjusza) stała forma (dwie lub więcej części) jest wypełniana stopionym metalem pod ciśnieniem z dużą prędkością. Właściwy proces odlewania można podzielić na trzy fazy.

Faza wstępnego napełniania służy do transportu stopionego materiału w komorze odlewniczej do wlewu. Powietrze sprężone w układzie wlewów w pierwszej fazie może ulatniać się kanałami wentylacyjnymi i przez płaszczyznę formowania dzięki stosunkowo niskiej prędkości tłoka (0,05–0,7 m / s).

Podczas fazy napełniania formy tłok odlewniczy wciska stopiony materiał do formy z bardzo dużą prędkością (0,4–6 m / s). Czas wypełniania formy jest niezwykle krótki i wynosi 5–60 ms. Dlatego praktycznie niemożliwe jest odpowietrzenie formy.

W fazie docisku na końcu napełniania formy powstaje bardzo wysokie statyczne ciśnienie końcowe. Powietrze uwięzione podczas napełniania formy jest sprężane, a odlew jest uzupełniany.

Ciśnienie odlewania

Każdy z różnych materiałów odlewniczych wymaga innego ciśnienia odlewania. Stopy aluminium i magnezu są odlewane pod ciśnieniem 300–1200 barów, cynk przy 130–250 barów, a mosiądz przy 300–1000 barów. Wytrzymałość przedmiotu obrabianego jest większa przy wysokim ciśnieniu odlewu.

Nie można zmienić przekroju tłoka napędowego i ciśnienia roboczego akumulatora ciśnienia. W celu uzyskania określonego ciśnienia odlewania zmienia się przekrój poprzeczny tłoka odlewniczego. Obowiązują następujące zasady ${\ displaystyle A_ {1}}$${\ displaystyle p_ {b}}$${\ displaystyle p_ {g}}$${\ displaystyle A_ {0}}$

${\ Displaystyle p_ {g} \ cdot A_ {0} = p_ {b} \ cdot A_ {1}}$ (Równowaga sił)

W przypadku okrągłego przekroju tłoka obowiązują następujące zasady dotyczące średnicy tłoka napędowego i średnicy tłoka odlewniczego${\ displaystyle d_ {1}}$${\ displaystyle d_ {0}}$

${\ Displaystyle p_ {g} \ cdot {\ Frac {\ pi} {4}} \, {d_ {0}} ^ {2} = p_ {b} \ cdot {\ frac {\ pi} {4}} \, {d_ {1}} ^ {2}}$

Przekształcając to równanie, uzyskuje się wymaganą średnicę tłoka odlewniczego dla żądanego ciśnienia odlewania

${\ displaystyle d_ {0} = d_ {1} \ cdot {\ sqrt {\ frac {p_ {b}} {p_ {g}}}}}$

Kurczliwość stopów aluminium i krzemu

Kalkulator odlewniczy, slajd danych

Jeśli wlewamy płynne aluminium o temperaturze około 700 ° C do gniazda formy w taki sposób, aby forma była dokładnie wypełniona, wówczas objętość metalu spadnie do temperatury pokojowej łącznie o około 1,3% na skutek jego skurczu. Z tej całkowitej wartości 0,05% wynika ze skurczu cieczy, 0,75% z zestalenia, a 0,5% ze skurczu w stanie stałym.

Ten deficyt objętościowy wynoszący 1,3%, który w przypadku stopów aluminium jest niewiele mniejszy niż w przypadku czystego metalu, jest zauważalny w krzepnącej części odlewanej w postaci ubytków objętościowych. Oprócz normalnego skurczu, wady te występują częściowo jako zapadnięcia, częściowo jako makropolecenia lub jako skurczowe pory.

Skurcz nie może przebiegać tak bez przeszkód w formie odlewniczej, jak na przykład w formie odlewniczej z piasku. W technologii odlewniczej termin „skurcz” oznacza, oprócz procesu, wymiar, a mianowicie procentowe odchylenie wymiarowe schłodzonego odlewu od wymiarów formy w temperaturze roboczej. To, czy skurcz może przebiegać swobodnie, czy z przeszkodami, zależy prawie wyłącznie od geometrycznego kształtu odlewu. Jest zatem możliwe, że stopień skurczu wynoszący 0,5%, który jest obecnie powszechnie stosowany, może być stosowany w wielu wymiarach na jednym i tym samym elemencie odlewanym, podczas gdy 0,4% może być nadal zbyt duży dla innych obszarów. Wymiary formy należy określać z uwzględnieniem rysunku skurczowego rozpatrywanych stopów odlewniczych.

Wpływ pierwiastków stopowych w aluminiowych stopach odlewniczych

Blok cylindrów silnika BMW serii N52. Odlewanie ciśnieniowe w procesie odlewania hybrydowego: strefy zewnętrzne z magnezu, wkład ze stopu AlSi.

Krzem

Struktura

Z 12,5% krzemu aluminium tworzy eutektykę1, która topi się w temperaturze 577 ° C. W układzie binarnym nie ma połączenia między aluminium a krzemem. Rozpuszczalność krzemu w stałym aluminium wynosi 1,65% w stanie równowagi w 577 ° C, spada do 0,22% w 300 ° C, a nawet dalej w niższych temperaturach. Jeśli stop ma więcej krzemu niż odpowiada rozpuszczalność, struktura zawiera nie tylko mieszane kryształy aluminium, ale także kryształy krzemu. Jeśli szybkość chłodzenia nie jest szczególnie duża, krzem krzepnie w mieszaninie eutektycznej w postaci kanciastych kryształów, igieł i płytek. Te formy treningu są możliwe dzięki niewielkim domieszkom z. B. pod wpływem sodu, strontu, antymonu lub fosforu. Odlewanie kokilowe powoduje podobne efekty ze względu na szybkie krzepnięcie.

Eutectic1 to mieszanina pierwiastków stopowych, która ze wszystkich możliwych kompozycji ma najniższą temperaturę topnienia. Punkt eutektyczny, np. Np .: stop Al-Si ma 12,5% i 577 ° C.

Właściwości odlewnicze

Im wyższa zawartość Si, tym bardziej korzystnie wpływa na przepływ i zdolność wypełniania formy . Wraz ze spadkiem zawartości Si pogarsza się sypkość.

Wpływ krzemu na zachowanie żywieniowe

Wraz ze wzrostem zawartości Si, powyżej 11%, objętość makro-pustek gwałtownie wzrasta. Objętość występowania przebiega w przeciwnym kierunku niż objętość makro pustych przestrzeni. Przy zawartości Si poniżej 9% grubościenne części mają zwykle wnęki ssące. Możliwości podawania makropodmuchów są ograniczone w odlewaniu ciśnieniowym (grubościenne odlewane części leżące od bramy powodują pewne problemy, ponieważ nagromadzony materiał podczas śrutu jest wypełniany jako ostatni, a następnie krzepnie). W stopach podeutektycznych, w wyniku przegrzania z punktów zasysania, widoczne staje się gruboziarniste ziarno.

Niemal eutektyczny stop (około 11% Si) powoduje silniejsze makro-puste przestrzenie. Eutektyczne i prawie eutektyczne topnienia Al-Si, które prowadzą do „ziarnistej” lub „rafinowanej” struktury, zestalają się z utworzeniem peryferyjnej powłoki (krzepnięcie egzogenne), dzięki czemu te stopnie nie są podatne na zassanie dziur.

żelazo

Wyższa zawartość żelaza wpływa pozytywnie na odlewanie ciśnieniowe (np. Stop EN AC-AlSi9Cu3 (Fe) max. 1,2%), ponieważ zmniejsza skłonność metalu do przywierania do powierzchni formy. W granicach tolerancji żelazo zwykle nie ma wpływu na właściwości odlewu. Niezamierzony wzrost spowodowany niewłaściwymi metodami topienia lub pracy w odlewni może prowadzić do kruchości odlewów, a także do niepożądanego tworzenia się wnęk, pęknięć na gorąco lub zapadnięć. Przy niskich temperaturach przetrzymywania i zalewania często występują segregacje grawitacyjne, które gromadzą się na dnie pieca. Produkty segregacji składają się z żelaza, manganu i krzemu. Twardość produktów segregacji wynosi 500–1000  Vickersów .

miedź

Dodatki miedziowe zmniejszają skurcz krzepnięcia. W rezultacie stopy Al zawierające miedź pozwalają na łatwiejsze wykonanie odlewów ciśnieniowych. Dodatki Cu mają pozytywny wpływ na wytrzymałość i skrawalność. Miedź zmniejsza odporność na korozję.

mangan

Dodatek manganu w ilości kilku dziesiątych części procentowej zmniejsza niekorzystny wpływ żelaza na wydłużenie i udarność. Jeśli jednak żelazo i mangan występują w większej zawartości, mogą w niekorzystnych warunkach topnienia, np. B. przez niskie temperatury przetrzymywania prowadzą do twardej segregacji.

magnez

Przy jednoczesnej obecności krzemu, miedzi lub cynku, magnez prowadzi do polepszenia skrawalności w wyniku wzrostu twardości. Magnez nie ma negatywnego wpływu na zachowanie korozyjne. Magnez staje się również coraz bardziej interesujący w motoryzacji, zwłaszcza ze względu na mniejszą wagę.

nikiel

Najważniejszą zaletą dodatku niklu jest wzrost odporności na ciepło. W szczególności tłoki i głowice cylindrów są głównymi obszarami zastosowania stopów aluminium zawierających nikiel.

cynk

Cynk odlewany ciśnieniowo, jeszcze nie gratowany i nie chromowany

Różna zawartość cynku w granicach tolerancji na ogół nie ma żadnego wpływu. Podczas odlewania ciśnieniowego zawartość Zn wraz z magnezem jest czasami zmniejszana w częściach podatnych na pęknięcia na gorąco.

tytan

Tytan jest dodawany do stopów Al głównie jako uszlachetniacz ziarna do maksymalnie 0,15%. W przypadku piasków i stopów odlewniczych jest to składnik stopu uszlachetniającego ziarno.

prowadzić

W stanie stałym ołów jest nierozpuszczony w postaci drobnych kropelek. W granicach tolerancji (<0,1%) Pb nie wpływa znacząco na właściwości stopu.

cyna

Przy zawartości powyżej 0,02% cyna oddziela się wzdłuż granic ziaren i ma bardzo negatywny wpływ na pękanie na gorąco w przypadku przekroczenia normalnej tolerancji - szczególnie w przypadku odlewania kokilowego.

Porównanie odlewania kokilowego i wtrysku

Koszty inwestycyjne maszyn odlewniczych i wysokie koszty produkcji formy są z grubsza porównywalne. W obu procesach duża liczba sztuk musi uzasadniać te wysokie koszty inwestycyjne. Po tym pierwszeństwo mają koszty surowców.

Elementy metalowe odlewane ciśnieniowo mają znacznie wyższą wytrzymałość na zginanie (sztywność) niż elementy formowane wtryskowo; może być nawet 20 razy wyższy. Elementy odlewane ciśnieniowo można nadal obciążać nawet w wyższych temperaturach (aluminium do ok. 450 ° C). W przypadku materiałów formowanych wtryskowo, wytrzymałość i sztywność gwałtownie spada w wyższych temperaturach (od 100 ° C); jedynymi wyjątkami są drogie specjalne tworzywa sztuczne. Kolejną zaletą jest to, że gdy elementy (z wyjątkiem cynku ) są obciążone, nie występuje pełzanie, jak ma to miejsce w przypadku wielu elementów formowanych wtryskowo. Części odlewane ciśnieniowo mają znacznie lepszą wytrzymałość strukturalną , to znaczy obrobiona powierzchnia jest powierzchnią, w której powierzchnia części z tworzywa sztucznego jest znacznie łatwiej odkształcana. Ponadto niektóre tworzywa sztuczne formowane wtryskowo zmieniają kształt w warunkach klimatycznych. Materiały odlewane ciśnieniowo posiadają ekranowanie elektromagnetyczne i są odporne na roztwory organiczne. Ponadto możliwy jest recykling bez utraty jakości.

Elementy formowane wtryskowo są tańsze, jeśli używane są standardowe materiały. Kolor może być również użyty do formowania wtryskowego. Kolejną zaletą jest niższa waga w porównaniu z elementami odlewanymi ciśnieniowo. Te ostatnie mają również gorsze właściwości korozyjne. Ponadto produkcja elementów metalowych odlewanych ciśnieniowo jest bardziej złożona i w niektórych przypadkach nie można zastosować „skomplikowanych” geometrii.

Zobacz też

• Formowanie wtryskowe
• Squeeze Casting (odlewanie ciśnieniowe)
• Tiksoformowanie