Materiały do odlewania ciśnieniowego aluminium: Kompleksowy przewodnik 

Rola odlewania ciśnieniowego aluminium jest szeroko stosowanym, wysoce wydajnym procesem produkcyjnym zdolnym do wytwarzania złożonych, wysokowytrzymałych i lekkich komponentów o dobrej dokładności wymiarowej. Jest to masowa produkcja trwałych i precyzyjnych części, oparta na zasadzie wstrzykiwanie stopionego aluminium do formy pod wysokim ciśnieniem. W tych branżach, w których wydajność lub trwałość zależy od właściwości materiału, technika ta jest stosowana w szerokim zakresie. Stop aluminium jest kluczowym czynnikiem przy wyborze produktu końcowego, który obejmuje wytrzymałość, odporność na korozję, właściwości termiczne i skrawalność. Charakterystyka różnych stopów aluminium jest różna, a niektóre z nich obejmują A380, równowagę między wytrzymałością a podatnością na odlewanie; A383, doskonałą płynność dla złożonych części; oraz A360, wysoką odporność na korozję. Co więcej, miedź, mangan, magnez i krzem mogą dodatkowo zwiększyć właściwości mechaniczne.

Oprócz wyboru stopu, producenci mogą również wzmocnić części odlewane ciśnieniowo z aluminium poprzez obróbkę powierzchni, taką jak anodowanie, powlekanie lub malowanie proszkowe, aby uzyskać wyższą odporność na zużycie, ochronę przed korozją i twardość. Dodatkowo, jednolita grubość ścianek, kąty pochylenia i żebra wzmacniające zmniejszają jakość i brak wad komponentów przy niskich kosztach. Dzięki właściwemu doborowi odpowiedniego stopu aluminium, odpowiednim technikom wzmacniania i uwzględnieniu rozmiaru części odlewanych ciśnieniowo z aluminium, producenci wysokowydajnych części odlewanych ciśnieniowo z aluminium mogą być dostosowani specjalnie do wymaganych zagadnień przemysłowych. W tym przewodniku zbadamy najlepsze materiały, właściwości stopów i metody wzmacniania oraz rozważymy projekt komponentów odlewanych ciśnieniowo z aluminium, które poprawią ich trwałość i wydajność.

W tym artykule wyjaśniono materiały do odlewania ciśnieniowego aluminium, właściwości stopów stosowanych w procesach odlewania ciśnieniowego, metody wzmacniania i obróbki powierzchni, a także kwestie projektowe mające na celu poprawę wydajności, trwałości i wydajności działania komponentów odlewanych ciśnieniowo.

Czym jest odlewanie ciśnieniowe aluminium?  

Odlewanie ciśnieniowe aluminium to proces wtryskiwania stopionego aluminium pod wysokim ciśnieniem do stalowej formy (matrycy) w celu wytworzenia precyzyjnie uformowanych, złożonych i trwałych części metalowych. Lekkość, wytrzymałość, odporność na korozję i doskonałe przewodnictwo cieplne sprawiają, że aluminium jest powszechnie stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, elektronicznym i przemysłowym. Szybka produkcja, dobra wydajność kosztowa i dobra dokładność wymiarowa są możliwe, ponieważ jest to proces.

Projektowanie części odlewanych ciśnieniowo z aluminium - 3 czynniki do rozważenia 

Aby uzyskać wysokiej jakości, wytrzymałe i ekonomiczne części odlewane ciśnieniowo z aluminium, konieczne jest staranne planowanie. Odpowiedni projekt może zwiększyć wydajność produkcji, zmniejszyć liczbę wad i poprawić ogólną wydajność. Części odlewane ciśnieniowo z aluminium mają trzy parametry, wśród których kluczowe czynniki podano poniżej.

1. Grubość i jednorodność ścianki

Dlaczego ma to znaczenie:

Prawidłowe wypełnienie formy, chłodzenie i krzepnięcie są utrzymywane przy stałej grubości ścianki.

Zmiany grubości mogą wystąpić nagle i spowodować wypaczenie, skurcz i porowatość części końcowej.

Najlepsze praktyki

• Ureguluj grubość ścianki, aby uniknąć wewnętrznych naprężeń i uszkodzeń.
• Typowy zakres grubości ścianek od 1,5 mm do 4,0 mm zależy od rozmiaru części i zastosowania.
• Przejdź od nagłej zmiany do stopniowego przejścia, aby wyeliminować słabe punkty.

Przykład

Podobnie jak w przypadku wsporników silników samochodowych, grubość ścianki musi być stała, aby utrzymać wytrzymałość i stabilność termiczną wszystkich materiałów.

2. Kąty zanurzenia i filety

Dlaczego to ma znaczenie

Proste kąty pochylenia pomagają w usuwaniu części z formy, zapobiegając przywieraniu i wadom powierzchni. Flety (zaokrąglone krawędzie) zapobiegają koncentracji naprężeń i są bardziej trwałe w formie.

Najlepsze praktyki

• Należy uwzględnić kąt zanurzenia wynoszący co najmniej od 1° do 3° w celu zapewnienia płynnego wyrzutu.
• Użyj zaokrągleń na ostrych rogach, aby zwiększyć wytrzymałość i żywotność formy.
• Unikaj głębokich wgłębień bez odpowiedniego ciągu i wzmocnienia.

Przykład

Różne typy obudów elektronicznych wykorzystują zaokrąglone krawędzie, kąty pochylenia itp. w celu zwiększenia możliwości produkcyjnych i wytrzymałości.

3. Żebra i wzmocnienia 

Dlaczego to ma znaczenie

Dzięki dodaniu żeber waga pozostaje niska, ale zwiększa się wytrzymałość. Takie wzmocnienie utrzymuje również kształt i wytrzymałość pod naciskiem.

Najlepsze praktyki

• Aby zwiększyć sztywność, należy dodać żebra zamiast zwiększać grubość ścianki.
• Zachowaj równowagę, stosując żebra o grubości od 50 do 60 procent grubości sąsiedniej ściany.
• Upewnij się, że żebra są umieszczone w równej odległości od siebie, aby zmniejszyć ryzyko powstawania naprężeń w strukturze żeber.

Przykład

Żebra są stosowane w celu utrzymania lekkiej wytrzymałości obudów przekładni samochodowych przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości potrzebnego materiału.

Podstawowe atrybuty stopów aluminium do odlewania ciśnieniowego

Właściwości materiałowe stopów aluminium do odlewania ciśnieniowego obejmują wysoką wytrzymałość, niską wagę i doskonałą ochronę przed korozją. Każdy stop aluminium posiada różne właściwości materiałowe, które określają jego praktyczne zastosowanie.

Tabela 1 przedstawia aluminiowe odlewy ciśnieniowe, które zawierają ich podstawowe atrybuty materiałowe.

Produkty wykonane metodą odlewania ciśnieniowego aluminium wykazują wyższą wytrzymałość niż te wykonane metodą odlewania piaskowego, ponieważ ich metoda produkcji powoduje szybkie chłodzenie i wyrafinowany układ ziaren.

Popularne stopy aluminium stosowane w odlewnictwie indywidualnym

Kilka stopów aluminium jest powszechnie stosowanych w operacjach odlewania ciśnieniowego, z których każdy zapewnia pewne unikalne właściwości, które ostatecznie określają wydajność i trwałość produktu. Najczęściej stosowane aluminiowe stopy odlewnicze to:

1. Stop aluminium A380 

Właściwości: A380 jest jednym z najczęściej stosowanych stopów aluminium do odlewania ciśnieniowego ze względu na jego doskonałą "wytrzymałość, odporność na korozję i przewodność cieplną". Ponadto charakteryzuje się dobrą płynnością, co pozwala na odlewanie go w skomplikowane kształty.

Zastosowania: Części samochodowe, obudowy elektroniczne, skrzynie biegów i wsporniki silnika są szeroko stosowane w tym stopie.

2. Stop aluminium A383 

Właściwości A383: Podobny do A380, ale o lepszej odporności na pękanie na gorąco i lepszych właściwościach wypełniania matrycy. Zapewnia to korzyści, gdy końcowe komponenty są skomplikowane i wymagają dużej precyzji.

Zastosowania: Stosowany jest w cienkościennych i złożonych częściach, w szczegółowych obudowach elektronicznych i komponentach urządzeń.

3. Stop aluminium A360

Właściwości: A380 ma lepszą ciągliwość i wyższą odporność na korozję oraz szczelność ciśnieniową niż ten stop. Jest jednak trudniejszy do odlania.

Zastosowania: Nadaje się do zastosowań o wysokiej wydajności, takich jak komponenty lotnicze i sprzęt morski.

4. Stop aluminium ADC12 

Właściwości: Szeroko stosowany w Japonii i na innych rynkach azjatyckich z dobrymi właściwościami odlewniczymi, dobrą stabilnością termiczną i wysoką wytrzymałością. Oferuje również dobrą obrabialność.

Zastosowania: Stosowany w komponentach silników samochodowych, częściach rowerowych i elektronarzędziach.

5. Stop aluminium AlSi10Mg 

Właściwości: Wysoka wytrzymałość i dobre połączenie właściwości mechanicznych, dobrych właściwości termicznych i odporności na zużycie. Jest często stosowany w druku 3D i odlewnictwie ciśnieniowym.

Zastosowania: Powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i wysokowydajnych częściach przemysłowych.

Właściwości stopów wpływające na wynik wyjściowy 

Wybór stopu aluminium jest ważnym czynnikiem wpływającym na jakość, wydajność i efektywność końcowego produktu odlewanego ciśnieniowo. Każdy ze stopów wykazuje unikalne właściwości fizyczne, mechaniczne i chemiczne, które bezpośrednio wpływają na precyzję odlewania, trwałość i wydajność procesu. Znajomość tych właściwości pozwala producentom wybrać najlepszy materiał odpowiedni do ich potrzeb.

Zwiększenie wytrzymałości części odlewanych ciśnieniowo z aluminium 

Naturalny poziom wytrzymałości odlew aluminiowy części istnieje. Niemniej jednak, ich wytrzymałość i właściwości mechaniczne mogą zostać poprawione poprzez dodanie pierwiastków stopowych i obróbkę powierzchni. Odpowiednia metoda jest wybierana w celu zwiększenia twardości, odporności na korozję i ogólnej wydajności.

1. Elementy stopowe zwiększające wytrzymałość

Aby zwiększyć wytrzymałość, odporność na korozję i skrawalność, w procedurze odlewania ciśnieniowego dodaje się określone pierwiastki stopowe. Powszechnie stosowane pierwiastki i ich działanie przedstawiono w poniższej tabeli.

Tabela 1: Pierwiastki stopowe zwiększające wytrzymałość 

2. Obróbka powierzchni w celu zwiększenia wytrzymałości

Zwiększają również twardość, odporność na zużycie i korozję. Poniżej opisałem najskuteczniejsze zabiegi:

Tabela 2 Korzyści i obróbka powierzchni

Poniżej wymieniono kluczowe właściwości stopu w odlewach aluminiowych, które wpływają na wyniki wyjściowe.

1. Wytrzymałość i twardość

Wpływ: Oprócz wyższej wytrzymałości i twardości, zwiększa to odporność produktu na odkształcenia, zużycie i uderzenia.

Przykład: Stop A380 jest dobrze znany ze swojej bardzo wysokiej wytrzymałości i powinien być brany pod uwagę w przypadku części samochodowych i konstrukcyjnych.

Rozważny:  Twardsze stopy są trudne w obróbce i wykończeniu.

2. Płynność i odlewalność

Wynik: Stopy o dobrej płynności można łatwo obkurczać w złożonych formach, minimalizując w ten sposób takie wady, jak porowatość i skurcz.

Na przykład:  Stop A383 ma lepszą płynność niż A380 i nadaje się do cienkościennych komponentów.

Biorąc pod uwagę: Warto rozważyć całkowite wypełnienia i defekty powierzchni spowodowane słabą płynnością.

3. Odporność na korozję

Wpływ: Żywotność produktu jest wydłużona dzięki zastosowaniu stopów odpornych na korozję w zastosowaniach zewnętrznych i morskich.

Na przykład: Stopy A360 i AlSi10Mg wykazują bardzo dobrą odporność na korozję, a zatem są dobrymi kandydatami do stosowania w przemyśle morskim i lotniczym.

Rozważania: Może być konieczne dodanie dodatkowych powłok lub obróbek do stopów, które są mniej odporne na korozję.

4. Przewodność cieplna i elektryczna

Rozpraszanie ciepła: Ulepszenia w zakresie rozpraszania ciepła przekładają się na wysoką przewodność, co jest niezbędnym atutem zarówno dla komponentów elektronicznych, jak i silnikowych.

Na przykład: Stop AlSi10Mg ma doskonałe właściwości termiczne i może być stosowany w radiatorach i częściach silnika.

Przewodność cieplna: Wysoka przewodność cieplna może być kompensowana niższą wytrzymałością i wymagać wzmocnienia.

5. Plastyczność i wytrzymałość

Charakterystyka: Komponenty wykonane z bardziej plastycznego materiału byłyby w stanie wytrzymać zginanie i odkształcanie bez pękania.

Przykład: Stop A380 nie jest tak plastyczny jak stop A360, dzięki czemu nadaje się również do zastosowań odpornych na uderzenia.

Twardość i odporność na zużycie: Stają się one tym niższe, im bardziej plastyczne są stopy.

6. Obrabialność i wykończenie

Wpływ: Stopy, które są łatwiejsze w obróbce, zwiększają produktywność, obniżają koszty produkcji i poprawiają jakość wykończenia w porównaniu ze szlifowaniem.

Przykład: Stop ADC12 jest jednym z powszechnie stosowanych materiałów do produkcji precyzyjnych komponentów ze względu na jego dobrą skrawalność.

Uwagi dotyczące przetwarzania: W przypadku niektórych stopów, powierzchnia może wymagać polerowania, tak jak jest, lub, na przykład, powlekania, aby była gładka.

7. Odporność na skurcz i porowatość

Stopy:  Im niższy skurcz stopu, tym dokładniejsze wymiary części i mniej wad.

A380 ma mniejszy skurcz: niż stop A383 i chociaż A380 ma wyższy skurcz niż żelazo, jest lepszy do zastosowań o wąskiej tolerancji niż żelazo, które ma najniższy skurcz ze wszystkich trzech stopów.

Zalety: Generowanie wysokiej porowatości może zmniejszyć efektywną średnią gęstość i może zwiększyć wytrzymałość na ściskanie ze względu na wynikający z tego efekt wzmacniający.

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiału do odlewania ciśnieniowego aluminium 

Przy wyborze odpowiedniego stopu aluminium do odlewania ciśnieniowego w celu uzyskania najwyższej wydajności przy minimalnych kosztach należy wziąć pod uwagę kilka aspektów:

• Wytrzymałość i trwałość: W zależności od zastosowania, takie stopy oferują wyższą wytrzymałość na rozciąganie i odporność na uderzenia.
• Odporność na korozję: Stopy o dobrej odporności na korozję nadają się zarówno do użytku zewnętrznego, jak i morskiego.
• Przewodność cieplna i elektryczna: Inne mogą być odpowiednim wyborem w środowiskach o wysokiej temperaturze, takich jak radiatory lub obudowy elektryczne.
• Łatwość obróbki: (obrabialność) odnosi się do procesu po odlewaniu, w tym wiercenia, frezowania i wykańczania.
• Koszt i dostępność: Niektóre stopy mogą być droższe i mniej dostępne niż inne, co wpływa na całkowite koszty produkcji.

Zastosowania materiałów odlewniczych z aluminium

Powodem, dla którego materiały do odlewania ciśnieniowego aluminium są szeroko stosowane w wielu gałęziach przemysłu, jest to, że oprócz tego, że są lekkie i mają wysoką wytrzymałość i odporność na korozję, mają również doskonałą przewodność cieplną i elektryczną. Ze względu na te cechy, aluminium jest doskonałym materiałem do produkcji złożonych, wysokowydajnych części o niezbędnej trwałości i precyzji. Poniżej wymieniono niektóre z głównych branż wykorzystujących materiały do odlewania ciśnieniowego aluminium:

Przemysł motoryzacyjny

W przemyśle motoryzacyjnym odlewanie ciśnieniowe aluminium jest jedną z najważniejszych części, gdzie zmniejszenie masy pojazdu ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia efektywności paliwowej, obniżenia emisji i poprawy osiągów. Aluminium jest materiałem preferowanym przez producentów, ponieważ może wytwarzać mocne, a jednocześnie lekkie części. Niektóre typowe zastosowania obejmują:

• Elementy silnika (głowice cylindrów, bloki silnika, tłoki i miski olejowe).
• Skrzynie biegów i obudowy przekładni, które płynnie przenoszą moc.
• Elementy konstrukcyjne, takie jak części podwozia, elementy zawieszenia i wsporniki.
• Wysoka przewodność cieplna i lekkość są wymagane dla optymalnej wydajności obudów akumulatorów pojazdów elektrycznych (EV).

Urządzenia przemysłowe

Ważne jest, aby wiedzieć, że materiały odlewane ciśnieniowo z aluminium są wykorzystywane do ciężkich zastosowań przemysłowych, w których wytrzymałość i trwałość mają ogromne znaczenie. Materiały te mają dużą odporność na zużycie i mogą wytrzymać trudne warunki pracy:

• Używany w produkcji i automatyzacji części maszyn.
• Płynny transfer płynu i wydajna praca obudowy pompy i sprężarki.
• Narzędzia i sprzęt o dużym obciążeniu, które wymagają długotrwałej wydajności przy niewielkiej konserwacji.
• Elementy układów hydraulicznych i pneumatycznych zapewniające wydajną i niezawodną pracę w warunkach przemysłowych.

Przemysł elektroniczny i elektryczny

Materiały odlewane ciśnieniowo z aluminium charakteryzują się doskonałym rozpraszaniem ciepła, przewodnością elektryczną i odpornością na korozję, co czyni je bardzo przydatnym materiałem w przemyśle elektronicznym. Typowe zastosowania obejmują:

• Radiatory, które skutecznie rozpraszają ciepło w komputerach, lampach LED i konwerterach mocy.
•  Ochrona wrażliwych komponentów, takich jak obudowy i obudowy elektroniczne.
• Złącza i uchwyty są stosowane w elektronice użytkowej, zasilaczach i urządzeniach komunikacyjnych.
• Wytrzymałość bez zwiększania wagi obudów smartfonów i laptopów.

Przemysł lotniczy i obronny

W przemyśle lotniczym i obronnym lekki, ale wytrzymały materiał odgrywa istotną rolę w zwiększaniu efektywności paliwowej oraz zwiększaniu nośności i ogólnej wydajności. Odlewanie ciśnieniowe aluminium zapewnia wysoką precyzję i integralność strukturalną w następujących przypadkach.

• Są one stosowane w silnikach lotniczych i elementach turbin, które muszą być odporne na ciepło i korozję.
• Zmniejszenie całkowitej masy części konstrukcyjnych płatowca bez poświęcania trwałości.
• Obudowy systemu nawigacji i sterowania, zapewniające niezawodność w ekstremalnych warunkach.
• Do użytku w sprzęcie klasy wojskowej, ponieważ wymaga wytrzymałości i precyzji, które są niezbędne do zapewnienia wymaganej wydajności i bezpieczeństwa.

Towary konsumpcyjne i urządzenia

Przemysł AGD i dóbr konsumpcyjnych również szeroko wykorzystuje odlewy aluminiowe ze względu na lekkość aluminium, jego estetyczny wygląd i odporność na korozję. Niektóre powszechne zastosowania obejmują:

• Odporność termiczna jest wysoka, stosowana w lodówkach i piekarnikach.
• Trwałe i odporne na korozję elementy pralki.
• Mocne i eleganckie ramy mebli oraz okucia dekoracyjne.
• Takich jak wiertarki i piły, gdzie lekka konstrukcja może być wykorzystana do poprawy użyteczności.

Dlaczego odlewanie ciśnieniowe aluminium?

• Jego popularność w wielu branżach odlewania ciśnieniowego aluminium wynika z:
• Lekki i wytrzymały - potrzeba mniejszego zużycia paliwa i większego zasięgu.
• Odporność na korozję - zapewnia trwałość w trudnych warunkach.
• Przewodność cieplna i elektryczna - idealna do zastosowań w elektronice i energetyce.
• Efektywność kosztowa w produkcji masowej - Redukcja odpadów materiałowych i kosztów przetwarzania końcowego.
• Możliwość formowania złożonych kształtów - Możliwość uzyskania wysokiego stopnia złożoności projektu.

Odlewanie ciśnieniowe aluminium będzie nadal kluczową technologią dla takich innowacji, ponieważ branże nadal wymagają lżejszych, mocniejszych i bardziej wydajnych materiałów. Istnieją dwa główne powody rosnącej popularności odlewania ciśnieniowego aluminium: możliwy jest rozwój w zakresie rozwoju stopów, automatyzacji i zrównoważonego rozwoju.

Wnioski 

W dzisiejszych czasach odlewanie ciśnieniowe aluminium jest nadal podstawową częścią produkcji ze względu na lekkie, mocne i opłacalne rozwiązania, które oferuje różnym branżom. Wybór stopów aluminium, takich jak A380, A383, A360, ADC12, a także AlSi10Mg, jest szczególnie istotny ze względu na ich wytrzymałość, odporność na korozję i właściwości termiczne. Każdy stop jest unikalny, z pewnymi zaletami, które będą wykorzystywane w zastosowaniach motoryzacyjnych, lotniczych, przemysłowych i konsumenckich. Wybór stopu nie jest całkowicie wystarczający do poprawy właściwości mechanicznych części odlewanych ciśnieniowo z aluminium, zamiast tego można wykorzystać elementy stopowe i obróbkę powierzchni w celu poprawy właściwości mechanicznych. Cynkowanie, anodowanie i malowanie proszkowe zwiększają odporność na zużycie i żywotność. Ponadto, starannie zaprojektowane części powinny mieć jednolitą grubość ścianki, odpowiednie kąty pochylenia i żebra wzmacniające, aby zredukować defekty i ułatwić wydajną produkcję. Odpowiednie połączenie materiału, obróbki i podejścia projektowego do stosowania części odlewanych ciśnieniowo z aluminium zapewnia, że producenci wytwarzają części wysokiej jakości, które spełniają wymagania dotyczące wysokiej wydajności. Odlewanie ciśnieniowe aluminium będzie nadal niezawodną i wszechstronną formą procesu produkcyjnego dla komponentów silników samochodowych, konstrukcji lotniczych lub precyzyjnej elektroniki oraz powyższych zastosowań.

Często zadawane pytania (FAQ)

1. Który stop aluminium jest najbardziej odpowiedni do odlewania ciśnieniowego?

Aluminium A380 jest jednym z najczęściej stosowanych stopów aluminium w odlewnictwie ciśnieniowym, ze względu na dobrą równowagę między wytrzymałością, odpornością na korozję i odlewalnością. Jest bardzo często stosowany w motoryzacji i przemyśle.

2. Jakie są sposoby zwiększenia wytrzymałości części odlewanych ciśnieniowo z aluminium?

Wytrzymałość aluminiowych części odlewanych ciśnieniowo można poprawić poprzez dodanie pierwiastków stopowych, takich jak miedź, magnez i krzem lub poprzez obróbkę powierzchni, taką jak anodowanie, powlekanie galwaniczne lub malowanie proszkowe.

3. Jakie są główne powody odlewania części matryc z aluminium?

Lekkie i wytrzymałe komponenty, doskonała przewodność cieplna i elektryczna, odporność na korozję, zdolność do wytwarzania złożonych kształtów z bardzo wysoką dokładnością mogą być wytwarzane za pomocą odlewów aluminiowych.

4. Które branże zwykle wykorzystują materiały do odlewania ciśnieniowego aluminium?

W zależności od unikalnych wymagań formowania, odlewy aluminiowe są wykorzystywane do produkcji wszelkiego rodzaju części silników, skrzyń biegów, elementów konstrukcyjnych, radiatorów, obudów, pomp, sprężarek, motoryzacji, lotnictwa, elektroniki i maszyn przemysłowych.

5. Która metoda odlewania jest lepsza od odlewania ciśnieniowego aluminium w porównaniu z innymi metodami odlewania?

Ze względu na wypełnienie formy pod wysokim ciśnieniem i szybki proces chłodzenia, odlewanie ciśnieniowe aluminium zapewnia wyższą precyzję i szybszą produkcję niż odlewanie piaskowe i inwestycyjne z mocniejszymi częściami.