Литье под давлением: Процесс, сплавы и применение.

Введение

Литье металла

Литье под давлением – это процесс литья металла, характеризующийся принудительным нагнетанием расплавленного металла под высоким давлением в литейную форму. Литейная форма создается с помощью двух закаленных штампов из инструментальной стали, которые обработаны до нужной формы и работают аналогично пресс-формам для литья под давлением в процессе производства. Большинство изделий, отлитых под давлением, изготавливаются из цветных металлов, в частности, цинка, меди, алюминия, магния, свинца, сплавов на основе олова и оловянных сплавов. В зависимости от типа литого металла используется машина с горячей или холодной камерой. Оборудование для литья под давлением и металлические штампы требуют значительных капитальных вложений, что обычно ограничивает применение этого процесса крупносерийным производством. Изготовление деталей методом литья под давлением относительно просто и включает всего четыре основных этапа, что обеспечивает низкую себестоимость единицы продукции. Этот метод особенно подходит для производства больших партий небольших и средних отливок, поэтому литье под давлением является наиболее производительным процессом литья. Отливки, полученные литьем под давлением, отличаются очень хорошей поверхностной отделкой (по стандартам литья) и высокой размерной точностью.

История

Устройство для литья под давлением было изобретено в 1838 году для производства подвижных литер для полиграфической промышленности. Первый патент, связанный с литьем под давлением, был выдан в 1849 году на небольшую ручную машину для механизированного производства печатных литер. В 1885 году Оттмар Мергенталер изобрел линотипную машину, которая отливала целую строку литер как единый блок, используя процесс литья под давлением. Она почти полностью вытеснила ручную наборку в издательском деле. Литейная машина Soss, произведенная в Бруклине, штат Нью-Йорк, стала первой машиной, поступившей в открытую продажу в Северной Америке. Область применения быстро расширялась, и литье под давлением способствовало росту производства потребительских товаров и бытовой техники, значительно снижая себестоимость изготовления сложных деталей крупными сериями. В 1966 году,

Литой металл

Основными сплавами для литья под давлением являются: цинк, алюминий, магний, медь, свинец и олово; хотя и редко, возможно также литье под давлением из черных металлов. Конкретные сплавы для литья под давлением включают: цинковый алюминий; алюминиевые сплавы, например, соответствующие стандартам Ассоциации алюминия (AA): AA 380, AA 384, AA 386, AA 390; и магниевый сплав AZ91D. Ниже приведено описание преимуществ каждого сплава:

Цинк: самый простой в литье металл; высокая пластичность; высокая ударная прочность; легко поддается покрытию; экономичен для изготовления небольших деталей; продлевает срок службы пресс-формы. Алюминий: малый вес; высокая стабильность размеров для сложных форм и тонких стенок; хорошая коррозионная стойкость; хорошие механические свойства; высокая тепло- и электропроводность; сохраняет прочность при умеренно высоких температурах. Магний: самый простой в обработке металл; отличное отношение прочности к весу; самый легкий сплав, обычно используемый для литья под давлением. Медь: высокая твердость; высокая коррозионная стойкость; самые высокие механические свойства среди сплавов, отливаемых под давлением; отличная износостойкость; отличная стабильность размеров; прочность, приближающаяся к прочности стальных деталей. Силиконовый томпак: высокопрочный сплав на основе меди, цинка и кремния. Часто используется как альтернатива деталям, изготовленным методом литья по выплавляемым моделям. Свинец и олово: высокая плотность; чрезвычайно высокая точность размеров; применяются для специальных требований к коррозионной стойкости. Такие сплавы не используются в производстве оборудования для пищевой промышленности по соображениям безопасности для здоровья. Типовой сплав, состоящий из свинца, олова и сурьмы (иногда с незначительными примесями меди), используется для литья литер в буквенно-выбивном способе печати и горячего тиснения фольгой. Традиционно отливаемые вручную формы теперь преимущественно отливаются под давлением после индустриализации типографических литейных цехов. Около 1900 года появились машины для литья литер, что позволило автоматизировать процесс, и на некоторых газетах работали десятки таких машин. По состоянию на 2008 год расчетные максимальные весовые ограничения для отливок из алюминия, латуни, магния и цинка составляли примерно , , , и , соответственно. К концу 2019 года прессовые машины, способные отливать единичные детали весом более , использовались для производства алюминиевых компонентов шасси автомобилей. Используемый материал определяет минимальную толщину стенки и минимальный уклон, необходимые для отливки, как указано в таблице ниже. Толщина самой толстой части должна быть меньше , но может быть и больше. Отливки с правильным уклоном легче извлекаются из формы, что обеспечивает высокое качество поверхности и более точный готовый продукт. Филе – это скругленный переход между двумя поверхностями, которые в противном случае соприкасались бы острым углом или ребром. Проще говоря, филе добавляются к отливке для устранения нежелательных краев и углов. Линия расъема – это точка соединения двух половин формы. Расположение линии расъема определяет, какая сторона формы является крышкой, а какая – выталкивающей. Боссы добавляются к отливкам для создания опор и точек крепления для деталей, которые необходимо будет установить. Для обеспечения максимальной целостности и прочности отливки боссы должны иметь одинаковую толщину стенок. Ребра добавляются к отливке для обеспечения дополнительной поддержки конструкций, требующих максимальной прочности без увеличения толщины стенок. Отверстия и окна требуют особого внимания при литье под давлением, поскольку их периметры могут прилипать к стали формы при затвердевании. Чтобы противодействовать этому эффекту, к отверстиям и окнам следует добавлять достаточный уклон.

Zinc: the easiest metal to cast; high ductility; high impact strength; easily plated; economical for small parts; promotes long die life. Aluminium: lightweight; high dimensional stability for very complex shapes and thin walls; good corrosion resistance; good mechanical properties; high thermal and electrical conductivity; retains strength at moderately high temperatures. Magnesium: the easiest metal to machine; excellent strength to weight ratio; lightest alloy commonly die cast. Copper: high hardness; high corrosion resistance; highest mechanical properties of alloys die cast; excellent wear resistance; excellent dimensional stability; strength approaching that of steel parts. Silicon tombac: high strength alloy made of copper, zinc and silicon. Often used as an alternative for investment cast steel parts. Lead and tin: high density; extremely close dimensional accuracy; used for special forms of corrosion resistance. Such alloys are not used in foodservice applications for public health reasons. Type metal, an alloy of lead, tin and antimony (with sometimes traces of copper) is used for casting hand set type in letterpress printing and hot foil blocking. Traditionally cast in hand jerk moulds now predominantly die cast after the industrialisation of the type foundries. Around 1900 the slug casting machines came onto the market and added further automation, with sometimes dozens of casting machines at one newspaper office. as of 2008, maximum weight limits for aluminium, brass, magnesium, and zinc castings are estimated at approximately , , , and , respectively. By late 2019, press machines capable of die casting single pieces over were being used to produce aluminium chassis components for cars. The material used defines the minimum section thickness and minimum draft required for a casting as outlined in the table below. The thickest section should be less than , but can be greater. Die castings that feature proper draft are easier to remove from the die and result in high quality surfaces and more precise finished product. Fillet is the curved juncture of two surfaces that would have otherwise met at a sharp corner or edge. Simply, fillets can be added to a die casting to remove undesirable edges and corners. Parting line represents the point at which two different sides of a mould come together. The location of the parting line defines which side of the die is the cover and which is the ejector. Bosses are added to die castings to serve as stand offs and mounting points for parts that will need to be mounted. For maximum integrity and strength of the die casting, bosses must have universal wall thickness. Ribs are added to a die casting to provide added support for designs that require maximum strength without increased wall thickness. Holes and windows require special consideration when die casting because the perimeters of these features will grip to the die steel during solidification. To counteract this effect, generous draft should be added to hole and window features.

Процесс

Ниже приведены четыре этапа традиционного литья под давлением, также известного как литье под высоким давлением. Выход составляет примерно 67%. Впрыск под высоким давлением обеспечивает быстрое заполнение формы, что необходимо для полного заполнения полости до начала затвердевания какой-либо части отливки. Это позволяет избежать дефектов, даже если форма содержит тонкие участки, которые сложно заполнить. Однако это создает проблему захвата воздуха, поскольку при быстром заполнении формы у воздуха остается мало времени для выхода. Эта проблема минимизируется за счет наличия вентиляционных каналов вдоль линии разъема, но даже в высокотехнологичном процессе в центре отливки все равно сохраняется некоторая пористость. Большинство литейщиков выполняют дополнительные вторичные операции для создания элементов, которые сложно получить непосредственно литьем, таких как нарезание резьбы, полировка, нанесение гальванического покрытия, шлифовка или окраска.

Инспекция

После очистки литья от литниковой системы оно проверяется на наличие дефектов. Наиболее распространенными дефектами являются недоливы и холодные спайки. Эти дефекты могут быть вызваны холодными формами, низкой температурой металла, загрязненным металлом, недостаточной вентиляцией или избыточным количеством смазки. Другие возможные дефекты – газовая пористость, усадочная пористость, горячие трещины и следы течения. Следы течения – это отметины, остающиеся на поверхности отливки из-за неоптимальной литниковой системы, острых углов или избыточного количества смазки.

Мази

Смазочные материалы на водной основе являются наиболее распространенным типом смазочных материалов из-за соображений здоровья, экологии и безопасности. В отличие от смазочных материалов на основе растворителей, если вода правильно очищена от всех минералов, она не оставляет никаких побочных продуктов в форме. Если вода очищена недостаточно, минералы могут вызывать дефекты и неоднородности поверхности. Сегодня используются эмульсии "вода в масле" и "масло в воде", поскольку при нанесении смазки вода охлаждает поверхность формы, испаряясь и оставляя на ней масло, которое облегчает извлечение отливки. Типичное соотношение для таких эмульсий – тридцать частей воды на одну часть масла, однако в экстремальных случаях может использоваться соотношение сто к одному. В качестве масел применяют тяжелые остаточные масла (HRO), животные жиры, растительные жиры, синтетические масла и различные их смеси. HROs имеют гелеобразную консистенцию при комнатной температуре, но при высоких температурах, возникающих при литье под давлением, образуют тонкую пленку. Для регулирования вязкости и тепловых свойств этих эмульсий добавляют другие вещества, например, графит, алюминий, слюду. Для предотвращения коррозии и окисления используются другие химические добавки. Кроме того, для улучшения процесса производства эмульсий добавляют эмульгаторы, такие как мыло, спиртовые эфиры, оксиды этилена. Ранее широко использовались смазочные материалы на основе растворителей, такие как дизельное топливо и керосин. Они хорошо обеспечивали отделение отливки от формы, но при каждом впрыске происходил небольшой взрыв, приводящий к образованию нагара на стенках литьевой формы. Однако их было легче наносить равномерно, чем смазочные материалы на водной основе.

Точно.

Acurad – это процесс литья под давлением, разработанный компанией General Motors в конце 1950-х – 1960-х годах. Название является акронимом от слов "accurate" (точный), "reliable" (надежный) и "dense" (плотный). Он был разработан для сочетания стабильного заполнения формы и направленной кристаллизации с высокой скоростью цикла, характерной для традиционного литья под давлением. Этот процесс стал пионером в четырех прорывных технологиях для литья под давлением: термический анализ, моделирование течения и заполнения формы, литье под давлением, допускающее термообработку и обладающее высокой целостностью, и косвенное прессование (описано ниже).

Высоковольтное литье под вакуумом

При вакуумном литье под высоким давлением, также известном как вакуумное литье высокого давления (VHPDC), вакуумный насос удаляет воздух и газы из литьевой формы и системы подачи металла до и во время впрыска. Вакуумное литье снижает пористость, допускает термообработку и сварку, улучшает качество поверхности и может повысить прочность.

Прямая инъекция с подогревом

Нагретый коллекторный метод литья под давлением, также известный как прямое литье под давлением или безлитёвое литье, — это процесс литья цинковых деталей, при котором расплавленный цинк подается под давлением через нагретый коллектор, а затем через нагретые мини-сопла, ведущие в литейную форму. Этот процесс имеет преимущества в виде снижения себестоимости детали за счет уменьшения отходов (путем исключения литников, выпоров и каналов), экономии энергии и улучшения качества поверхности благодаря более медленным циклам охлаждения. После заполнения формы может применяться несколько более высокое давление (до ), чтобы обеспечить заполнение мелкими деталями и устранить пористость. Типичные циклы литья под низким давлением более продолжительные, чем при других методах литья под давлением; изготовление блока двигателя может занимать до пятнадцати минут. В основном используется для алюминия, но также применяется и для углеродистой стали.

Интегрированный литейный процесс

Интегрированное литье под давлением – это высокоуровневая интеграция множества отдельных и разрозненных деталей из алюминиевого сплава посредством литья под давлением на машинах с большим усилием смыкания, в результате чего формируются 1-2 крупных алюминиевых отливки. Этот метод обработки впервые был предложен командой Илона Маска в процессе производства Tesla в рамках программы Giga Press.