Полное руководство по металлическому литью: технологии, материалы и применения

Металлическое литье, металлообрабатывающий процесс, включающий жидкий металл и форму, существует тысячелетиями.

За свою историю металлическое литье использовалось для изготовления всего — от мечей до ветряных турбин, и сегодня это один из самых ценных и универсальных методов изготовления высококачественных металлических деталей.

Это руководство рассматривает основы литья металла, включая его многочисленные варианты — литье под давлением, литье в оболочке и т.д. — и наиболее распространенные литейные металлы.

Что такое металлическое литье?

Металлическое литье — это производственный / фабрикационный процесс, включающий заливку расплавленного жидкого металла в форму.

Внутренняя часть формы спроектирована с негативным отпечатком изготавливаемой детали, так что когда расплавленный металл остывает и затвердевает внутри формы, он принимает форму конечной детали. Готовая деталь может затем быть удалена из формы.

В зависимости от изготавливаемых деталей и используемых металлов, существуют разные виды металлического литья, каждое со своими особыми преимуществами. Выкройки, формы и методы наполнения могут сильно варьироваться между этими вариантами.

Хотя литье металла — универсальный процесс, литые детали подчиняются определенным проектным ограничениям, и инженеры должны учитывать усадку металла на стадии остывания.

Процесс металлического литья объяснен

Центральный процесс металлического литья включает нагрев металла, заливку его в форму, ожидание остывания и затвердевания, затем удаление готовой детали из формы. В реальности может быть много больше стадий процесса, и разные процессы металлического литья работают по-разному.

Ниже приведен упрощенный обзор процесса металлического литья. Обратите внимание, что некоторые шаги варьируются для разных вариантов литья, в то время как некоторые опущены полностью.

1. Изготовление выкройки (pattern): Начиная с начала, многие процессы металлического литья требуют изготовления выкройки, дубликата конечной детали, который используется для изготовления формы. Выкройки могут быть постоянными или расходными, и могут быть сделаны из материалов вроде воска, дерева и пластика.

2. Изготовление сердечника (core): Для литья полых деталей может потребоваться проектировать сердечник, твердый кусок материала, помещенный внутри полости формы, который формирует внутреннюю геометрию литой детали. (Например, цилиндрический сердечник внутри большей цилиндрической формы произведет трубчастую литую деталь.)

3. Изготовление формы: Формы изготавливаются разными способами в зависимости от процесса. Например, постоянные металлические формы могут быть изготовлены с использованием ЧПУ-станка, в то время как песчаные формы делаются путем нанесения песчаной смеси на внешнюю часть выкройки. Практика изготовления форм известна как формообразование и является специализированной дисциплиной.

4. Наполнение формы: Металл нагревается до плавления, затем заливается или вдавливается в форму. В гравитационном литье, например, расплавленный материал заливается вниз в полость; в литье под высоким давлением он вдавливается в полость под высоким давлением, с высокими зажимными силами, необходимыми для удержания кокильи в безопасности.

5. Удаление детали: После того как литая деталь остыла и затвердела, она удаляется из формы. Для процессов вроде песчаного литья это означает, что форма должна быть разрушена, чтобы добраться до детали внутри; для постоянных форм две половины металлической формы раздвигаются и готовы к повторному использованию.

6. Постобработка: Литые металлические детали могут требовать очистки — для удаления остатков формы, например — или других этапов постобработки перед тем, как они будут готовы к использованию.

Преимущества металлического литья

Существует множество причин выбрать металлическое литье перед другими металлообрабатывающими опциями вроде ковки или ЧПУ-обработки. Некоторые ключевые выгоды металлического литья включают:

• Подходит для массового производства
• Может производить огромные и тяжелые детали
• Может производить детали с очень толстыми стенками
• Подходит для крупных цельных деталей (вместо собранных компонентов)
• Отличные антифрикционные свойства
• Идеально для некоторых легких сплавов
• Материальная универсальность

Ограничения металлического литья включают неизбежные дефекты, ограниченную размерную точность (по сравнению с, например, ЧПУ-обработкой), трудоемкость и обычно высокие минимальные заказы.

Основные типы металлического литья

Литье под давлением (Die casting)

Один из самых важных типов металлического литья для сложных и детализированных деталей, литье под давлением использует две многоразовые кокильи из инструментальной стали как оснастку. Процесс похож на пластиковое литье под давлением: расплавленный материал вдавливается в полость под высоким давлением, что позволяет инженерам делать детали с тонкими деталями.

Стоимость создания индивидуальных кокильи высока, что делает процесс более распространенным в массовом производстве. После изготовления, однако, эти кокильи могут использоваться много раз. Детали литья под давлением, как правило, имеют отличную поверхностную отделку.

Литье алюминия под давлением и литье магния под давлением оба широко применяются для высококачественных деталей.

Гравитационное литье (Gravity casting)

Как и литье под давлением, гравитационное литье — это способ литья металла с использованием многоразовой металлической формы. Однако гравитационное литье опирается на гравитационные силы для перемещения жидкого металла через форму, сверху вниз, а не на давление. Формы должны быть предварительно нагреты перед первым литьем и часто изготавливаются из чугуна из-за его низкой тепловой усталости.

Гравитационное литье предшествует всем другим методам металлического литья, гравитационно-литые детали существуют тысячелетиями. Это форма постоянного литья в кокиль; альтернативы гравитационному процессу включают газовое давление и вакуум.

Литье в оболочке (Investment casting / lost wax casting)

Литье в оболочке или литье по выплавляемым моделям — это способ литья металла с использованием расходной выкройки и формы: оба предмета разрушаются в процессе литья (хотя расплавленный воск часто можно повторно использовать).

Как и гравитационное литье, литье в оболочке имеет тысячелетия. В процессе литья по выплавляемым моделям выкройка делается из воска или эквивалентного материала — иногда вручную, иногда с использованием смольного 3D-принтера — прежде чем рефрактарный материал заливается вокруг выкройки для изготовления формы.

Инвестиция (investment) — это керамический слой, нанесенный вокруг выкройки, который затем функционирует как форма для расплавленного металла. Этот керамический слой удаляется в процессе, называемом дивитинг (divesting).

Песчаное литье (Sand casting)

Песчаное литье — простой, вековой метод литья металла и более доступный, чем альтернативные техники. Он использует песок (смешанный с связующим материалом вроде глины) как материал формы, и формы способны выдерживать высокое тепло.

В процессе песчаного литья выкройка погружается в песок, содержащийся в специальном ящике, называемом фляга (flask). Уплотнением песка вокруг выкройки можно сделать форму, в которую можно залить расплавленный металл.

Песок, используемый в процессе металлического литья, может быть либо зеленым песком (влажной глиной) либо воздушно-отвердевающим песком (сухой песок с клеем).

Другие процессы литья

Существует десятки других процессов металлического литья, используемых в производстве, включая глиняное формование и оболочековое формование — оба расходных форм процесса — и постоянные процессы форм вроде центробежного литья и непрерывного литья.

Давление литья: высокое или низкое?

Металлическое литье под давлением — ценный металлообрабатывающий процесс, и его можно разделить на две дополнительные категории: литье под высоким давлением и литье под низким давлением. Выбор правильного давления зависит от таких факторов, как материал, толщина стенки и размер детали.

Литье под высоким давлением — более распространенная техника, чем литье под низким давлением, и используется более чем в два раза чаще.

Идеально для мягких сплавов вроде алюминия и цинка, литье под высоким давлением включает вдавливание жидкого металла в форму под высоким давлением и высокой скоростью, требуя мощного пресса для удержания формы закрытой. Процесс поэтому дороже, чем литье под низким давлением.

Преимущества литья под высоким давлением:

• Быстрое производство
• Возможны тонкие стенки
• Гладкая поверхностная отделка
• Минимальная усадка

Литье под низким давлением — более медленная форма литья под давлением, которая вдавливает расплавленный металл в форму более мягко. Она подходит для сплавов с низкими температурами плавления. Хотя медленнее, чем литье под высоким давлением, процесс литья металла под низким давлением подходит для сложных геометрий и может производить очень прочные детали.

Преимущества литья под низким давлением:

• Прочные детали
• Сложные геометрии

Литьеспособные металлы

Разнообразие металлов подходит для процесса литья. Однако три самых распространенных литейных материала, принимаемых 3ERP — алюминий, цинк и магний.

Литье алюминия

Литье алюминия — наиболее распространенный способ формовки алюминия. Оно используется для производства изделий вроде промышленных и автомобильных деталей, таких как трансмиссии и двигатели, из сплавов вроде A380 и A383.

Существует несколько способов выполнения литья алюминия. Литье алюминия под давлением отлично для высокообъемного производства благодаря своей скорости и отличной поверхностной отделке; постоянное литье в кокиль подходит для сверхпрочных алюминиевых деталей; и песчаное литье уместно для литья алюминия малых количеств и сложных геометрий.

Независимо от процесса литья, литье алюминия делает прочные и легкие детали и поэтому высоко универсально.

Литье цинка

Цинковые сплавы популярны, доступны и широко доступны металлы, подходящие для литья. Литье цинка обычно включает литье под высоким давлением, позволяя высокие темпы производства и минимальные требования к постобработке.

Благодаря высокой литейной текучести цинка, литье цинка может приводить к деталям с очень тонкими стенками и мелкими деталями. Цинк также может быть холодово формован для лучшего соединения.

Производители могут выбирать между ZAMAK цинковыми сплавами или цинк-алюминиевыми (ZA) сплавами. Литые цинковые детали включают автомобильные компоненты, компоненты кондиционеров и электронные компоненты.

Литье магния

Литье — в частности литье под высоким давлением — является бесспорно самым распространенным металлообрабатывающим процессом для изготовления магниевых деталей, составляя около 98% производства магниевых деталей.

Поскольку магний — легкий из всех структурных металлов, он идеален для применений по облегчению веса. Другие преимущества литья магния включают очень тонкие стенки, отличную детализацию и хорошее соотношение жесткости к весу.

В малых количествах магниевые детали также могут быть сделаны с использованием гипсового литья, хотя литье магния под давлением лучше для профессиональных применений.

3ERP — специалист по прототипированию с надежной сетью литейных компаний, доступных для вашего следующего проекта, неважно, насколько малый. Получите бесплатную котировку сегодня.