ریخته گری: فرایندها, خواص, و برنامه ها

1. مقدمه

ریخته گری یک فرآیند تولید بنیادی است که شامل ذوب آلیاژهای آلومینیوم و تشکیل آنها به شکل های دقیق با استفاده از تکنیک های مختلف قالب بندی است.

این روش نقش مهمی در تولید پیچیده دارد, سبک وزن, و اجزای مقاوم در برابر خوردگی در طیف گسترده ای از صنایع, از جمله خودرو, هوا و فضا, الکترونیک, وت انرژی تجدید پذیر.

به عنوان تقاضا برای انرژی کارآمد, محصولات با کارایی بالا همچنان رو به افزایش است, ریخته گری آلومینیوم به دلیل آلومینیوم برجسته شده است نسبت قدرت به وزن, هدایت حرارتی عالی, وت بازیافت.

به عنوان مثال, در بخش خودرو, ریخته گری های آلومینیومی در کاهش وزن وسیله نقلیه و بهبود راندمان سوخت یا دامنه باتری در وسایل نقلیه برقی بسیار مهم هستند.

2. ریخته گری آلومینیوم چیست?

ریخته گری یک فرآیند تولیدی است که در آن آلیاژهای آلومینیوم یا آلومینیوم مذاب در قالب ریخته می شوند تا پس از جامد سازی شکل مورد نظر را تشکیل دهند.

این تکنیک به دلیل خاصیت مطلوب آلومینیوم - سبک وزن برای تولید مدرن اساسی است, مقاومت در برابر خوردگی, هدایت حرارتی, و بازیافت بالا.

فرآیند ریخته گری تولید هندسه های پیچیده با زباله های نسبتاً کم را امکان پذیر می کند, ساختن آن به یک راه حل مقرون به صرفه برای صنایع اعم از خودرو وت هوا و فضا به الکترونیک, انرژی, وت ساخت و ساز.

چندین روش ریخته گری آلومینیوم وجود دارد - مانند ریخته گری, ریخته گری, وت سرمایه گذاری سرمایه گذاری- هرکس برای برنامه های خاص بر اساس حجم تولید بهینه شده است, پایان سطح, و الزامات دقیق بعدی.

3. آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم و خصوصیات آنها

آلومینیوم آلیاژهای ریخته گری به طور خاص برای پردازش فلز مذاب طراحی شده و ترکیبی منحصر به فرد از استحکام را ارائه می دهند, مقاومت در برابر خوردگی, سیالیت, و قابلیت ماشینکاری.

این آلیاژها به طور معمول بر اساس آنها طبقه بندی می شوند ترکیب شیمیایی, عملیات حرارتی, وت عملکرد ریخته گری.

طبقه بندی آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم

آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم در دو دسته اصلی قرار می گیرند:

• آلیاژهای قابل درمان با گرما
  این آلیاژها از طریق عملیات حرارتی محلول و پیری مصنوعی قدرت به دست می آورند (به عنوان مثال, T6 مزاج). در قطعات ساختاری و اتومبیل رایج است.
• آلیاژهای غیر قابل درمان
  با سخت شدن محلول جامد یا سخت شدن کرنش تقویت می شود, آنها را آسانتر می کنند و اغلب در اجزای هدف کلی مورد استفاده قرار می گیرند.

علاوه بر, آنها مطابق با سری گروه بندی می شوند انجمن آلومینیوم سیستم طبقه بندی (به عنوان مثال, 3xx.x, 5xx.x, A356, ADC12):

4. روش های ریخته گری آلومینیوم

روش های ریخته گری آلومینیوم متنوع و متناسب با نیازهای خاص هندسه است, حجم, هزینه, پایان سطح, و عملکرد مکانیکی.

هر فرآیند دارای نقاط قوت و محدودیت های منحصر به فرد است, انتخاب روش یک عامل مهم در طراحی محصول و بهره وری تولید.

ریخته گری شن و ماسه آلومینیوم

ریخته گری یکی از قدیمی ترین و متنوع ترین فرآیندهای ریخته گری است. این شامل بسته بندی مخلوط ماسه ای در اطراف یک الگوی برای ایجاد حفره قالب است, که سپس با آلومینیوم مذاب پر می شود.

قالب ماسه به طور معمول از ماسه سیلیس که با رس یا رزین پیوند خورده است ساخته می شود و پس از جامد شدن برای بازیابی قسمت شکسته می شود.

از الگوهای قابل استفاده مجدد می توان استفاده کرد, و هسته ها را می توان برای حفره های داخلی وارد کرد.

این روش برای اجزای بزرگ و تولید دسته کوچک مناسب است.

این انعطاف پذیری عالی در انتخاب آلیاژ را ارائه می دهد و طیف گسترده ای از شکل ها و اندازه ها را در خود جای می دهد - از براکت های کوچک گرفته تا محفظه های عظیم پمپ یا بلوک های موتور با وزن چندین تن.

ریخته گری آلومینیوم

ریخته گری با فشار بالا (HPDC) & ریخته گری کم فشار (LPDC)

ریخته گری شامل تزریق آلومینیوم مذاب در قالب های فولادی است (بمیرد) تحت فشار کنترل شده.

در HPDC, آلومینیوم در فشارهایی که معمولاً از آن قرار دارد ، وارد حفره مرده می شود 1,500 به 25,000 PSI, منجر به دقت سطح عالی و دقت بعدی.

در مقابل, LPDC از فشار گاز استفاده می کند (معمولاً 0.7 پوند) برای اینکه به آرامی فلز مذاب را از زیر به داخل قالب فشار دهید, کاهش تلاطم و بهبود یکپارچگی ساختاری.

ریخته گری مرده در درجه اول به دلیل زمان چرخه سریع آن در محیط های تولید انبوه استفاده می شود, تحمل های تنگ, و تکرارپذیری.

هر چند, این امر به سرمایه گذاری قابل توجهی در ابزار قالب نیاز دارد و بیشتر محدود به آلیاژهای آلومینیومی خاص برای بهینه سازی و رفتار حرارتی است (به عنوان مثال, ADC12, A380).

ریخته گری سرمایه گذاری آلومینیوم (ریخته گری موم گمشده)

سرمایه گذاری سرمایه گذاری با استفاده از الگوهای موم قابل خرج شده با مواد سرامیکی نسوز برای تشکیل قالب ، دقت برتر را ارائه می دهد.

یک بار سرامیک سخت می شود, موم ذوب می شود و با آلومینیوم مذاب جایگزین می شود. پوسته سرامیکی پس از جامد شدن شکسته می شود.

این فرآیند برای هندسه های پیچیده ایده آل است, دیوارهای نازک, و جزئیات ریز که دستیابی به سایر روشهای ریخته گری دشوار یا غیرممکن خواهد بود.

معمولاً در هوافضا استفاده می شود, دفاع, و مؤلفه های صنعتی سطح بالا که در آن دقت و یکپارچگی مواد بسیار مهم است. توانایی ریخته گری قطعات نزدیک به شکل ، نیازهای ماشینکاری را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

ریخته گری قالب دائمی آلومینیوم (ریخته گری گرانش)

ریخته گری قالب دائمی از قالب های فولادی یا آهن غیر قابل خرید برای تولید ریخته گری های با حجم متوسط و متوسط استفاده می کند.

آلومینیوم مذاب در قالب زیر گرانش ریخته می شود, بدون استفاده از فشار خارجی. قالب ها اغلب از قبل گرم شده و با مواد نسوز برای تقویت جریان پوشانده می شوند, پایان سطح, و ماندگاری قالب.

در مقایسه با ریخته گری ماسه, این روش ثبات بعدی بهتر را ارائه می دهد, پایان سطح, و خصوصیات مکانیکی به دلیل خنک کننده سریعتر و ساختار دانه یکنواخت تر.

معمولاً برای قطعات خودرو استفاده می شود, محل تجهیزات دنده, و اجزای روشنایی. درج های اصلی می تواند برای ایجاد ویژگی های داخلی استفاده شود.

روشهای تخصصی ریخته گری آلومینیوم

ریخته گری

ریخته گری گریز از مرکز از یک قالب به سرعت در حال چرخش برای توزیع آلومینیوم مذاب به بیرون توسط نیروی گریز از مرکز استفاده می کند.

این روش در درجه اول برای اجزای استوانه ای مانند لوله مناسب است, حلقه, بوش, و آستین. این فرایند گرفتار گاز و ناخالصی ها را از بین می برد, تولید متراکم, لایه بیرونی ریز دانه.

این فرآیند برای تولید اجزای یکپارچه که به یکپارچگی بالا و مقاومت در برابر سایش نیاز دارند مناسب است.

فشار دادن

Squeeze Casting مزایای جعل و ریخته گری را با هم ترکیب می کند. آلومینیوم مذاب در یک قالب از قبل گرم شده ریخته می شود و با فشار زیاد فشرده می شود (به طور معمول 10،000-20،000 psi) در حین استحکام.

فشار تخلخل گاز را از بین می برد و ساختار دانه را اصلاح می کند, منجر به ریخته گری با خواص نزدیک به آلیاژهای فرفورژه.

ریخته گری فشار به ویژه در برنامه های خودرو برای اجزای مهم مانند سلاح های تعلیق بسیار ارزشمند است, گره های فرمان, و براکت های با استحکام بالا.

جدول مقایسه: روش های ریخته گری آلومینیوم

5. خصوصیات مکانیکی و فیزیکی آلومینیوم ریخته گری

آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری به دلیل ترکیب عالی عملکرد مکانیکی ، به طور گسترده در صنایع مورد استفاده قرار می گیرند, خصوصیات سبک وزن, و مقاومت در برابر خوردگی.

هر چند, این خصوصیات بسته به روش ریخته گری متفاوت است, نوع آلیاژ, و عملیات حرارتی.

6. عملیات پس از بازی ریخته گری آلومینیوم

پس از تولید ریخته گری های آلومینیومی, آنها غالباً برای تقویت خصوصیات مکانیکی خود به چندین فرآیند پس از کاشت نیاز دارند, کیفیت سطح, دقت ابعادی, و عملکرد کلی.

این عملیات برای تحقق مشخصات صنعت و الزامات عملکردی بسیار مهم است.

عملیات حرارتی

• هدف: عملیات حرارتی ریزساختار آلیاژهای آلومینیوم را برای بهبود قدرت تغییر می دهد, سختی, و انعطاف پذیری. تیمارهای حرارتی مشترک شامل راه حل است, فروکش, و پیری.
• انواع معمولی عملیات حرارتی:

• • t5: پیری مصنوعی پس از ریخته گری بدون درمان قبل از راه حل. برای افزایش استحکام متوسط استفاده می شود.
  • t6: عملیات حرارتی محلول و به دنبال پیری مصنوعی. برای دستیابی به استحکام و مقاومت در برابر خستگی به طور گسترده ای برای آلیاژهای مانند A356 استفاده می شود.
  • t7: پیری بیش از حد برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی و ثبات بعدی با هزینه ای از قدرت.

• اثر: عملیات حرارتی به طور قابل توجهی قدرت کششی و عملکرد را افزایش می دهد (به عنوان مثال, مقاومت کششی A356-T6 می تواند به 250 پوند MPa برسد), کشیدگی را بهبود می بخشد, و ساختار ریخته گری را تثبیت می کند.

تکمیل سطح

• انفجار شات/انفجار شن و ماسه: تمیز کردن مکانیکی برای از بین بردن ماسه, اندازه, و بی نظمی سطحی, بهبود چسبندگی رنگ یا پایان زیبایی.
• آندایز کردن: درمان الکتروشیمیایی برای ایجاد یک لایه اکسید بادوام برای مقاومت در برابر خوردگی و سختی سطح, اغلب در برنامه های هوافضا و معماری استفاده می شود.
• نقاشی و روکش پودر: محافظت از خوردگی و سفارشی سازی رنگ را فراهم می کند, برای محصولات خودرو و مصرفی ضروری است.
• ماشینکاری: ماشینکاری دقیق ابعاد را اصلاح می کند, به تحمل های محکم می رسد, و سطوح کاربردی را فراهم می کند (به عنوان مثال, صورتهای مهر و موم شده یا سطوح تحمل).

• • پارامترهای ویژه ابزار و برش به دلیل نرمی و تمایل آلومینیوم به گالن یا چسبیدن به ابزارهای برش مورد نیاز است.

• صیقل دادن و گاومیش: برای پایان های تزئینی یا کاربردی اعمال می شود, به خصوص در محفظه های الکترونیکی یا کالاهای مصرفی.

ملاحظات ماشینکاری

• آلیاژهای آلومینیوم به طور کلی ماشین را به خوبی انجام می دهند, اما کنترل تراشه و زندگی ابزار به ترکیب آلیاژ و کیفیت ریخته گری بستگی دارد.
• استفاده از ابزارهای کاربید یا روکش شده (قلع, قله) عمر ابزار را گسترش می دهد و سطح سطح را بهبود می بخشد.
• کمک هزینه های ماشینکاری در هنگام طراحی ریخته گری برای اسکان مواد در حال انجام است.

آزمایش غیر مخرب (NDT)

• هدف: با تشخیص نقص داخلی یا نقص های سطحی بدون آسیب رساندن به قسمت ، یکپارچگی ریخته گری را تضمین می کند.
• روشهای متداول NDT:

• • رادیوگرافی اشعه ایکس: تخلخل داخلی را تشخیص می دهد, حفره های کوچک شدن, و اجزاء.
  • تست اولتراسونیک: ترک های زیرسطحی یا لایه برداری را مشخص می کند.
  • بازرسی نافذ رنگ: برای آشکار کردن ترک ها و شکاف های سطحی استفاده می شود.

• اجرای NDT از رعایت استانداردهای کیفیت اطمینان می دهد (به عنوان مثال, ASTM B108 برای بازیگران آلومینیومی) و از خرابی زودرس در خدمت جلوگیری می کند.

7. نقص در ریخته گری آلومینیوم و پیشگیری آنها

• تخلخل:

• • تخلخل گاز: هیدروژن از رطوبت; با استفاده از دفع (پاکسازی نیتروژن/آرگون) به <0.15 CC/100g H₂.
  • تخلخل کوچک: طراحی آسانسور ضعیف; با شبیه سازی ثابت شده است (به عنوان مثال, ماگماسافت) برای اطمینان از جامد سازی جهت.

• اجزاء: اکسیدها/ذرات شن و ماسه; فیلتر از طریق فیلترهای کف سرامیکی (20-50 PPI) برای حذف >90% اجزاء ≥50 میکرومتر.
• اشکهای گرم: تنش در هنگام جامدات; از گوشه های گرد جلوگیری می شود, ضخامت دیواره یکنواخت, و خنک کننده کندتر.
• خلوت های سرد: پر کردن قالب ناقص; با افزایش دمای ریختن ثابت شد (5-10 درجه سانتیگراد) یا نرخ (0.5–2 کیلوگرم در ثانیه).

8. مزایا و محدودیت ها

مزایای ریخته گری آلومینیوم

• سبک وزن: آلومینیوم چگالی کم دارد (~ 2.7 گرم در سانتی متر مربع), امکان تولید اجزای سبک تر, که در صنایع خودرو و هوافضا برای بهبود راندمان و عملکرد سوخت بسیار مهم است.
• مقاومت در برابر خوردگی عالی: به طور طبیعی یک لایه اکسید محافظ تشکیل می دهد, مقاومت خوبی در برابر محیط های جوی و بسیاری از مواد شیمیایی, کاهش هزینه های نگهداری.
• هدایت حرارتی و الکتریکی خوب: ریخته گری های آلومینیومی به طور گسترده ای برای سینک های گرما استفاده می شود, محوطه برق, و مؤلفه هایی که نیاز به اتلاف گرما کارآمد دارند.
• نسبت قدرت به وزن: مخصوصاً هنگام تصفیه گرما (به عنوان مثال, شرایط T6), ریخته گری های آلومینیومی به خصوصیات مکانیکی قوی مناسب برای قطعات ساختاری دست می یابند.
• روش های ریخته گری همه کاره: آلومینیوم با انواع فرآیندهای ریخته گری سازگار است, از ریخته گری شن گرفته تا ریخته گری با دقت بالا, اجازه دادن به شکل های پیچیده و حجم تولید بزرگ.
• ماشینکاری خوب: آلیاژهای آلومینیوم به طور کلی با سایش ابزار کمتری و سرعت برش سریعتر در مقایسه با فلزات آهنی به خوبی ماشین می شوند.
• بازیافت: آلومینیوم بدون از بین رفتن خواص بسیار قابل بازیافت است, حمایت از تولید پایدار.

محدودیت ریخته گری آلومینیوم

• نقطه ذوب پایین: آلومینیوم در حدود 660 درجه سانتیگراد ذوب می شود, که استفاده از آن در برنامه های درجه حرارت بالا را در مقایسه با فولادها یا Superalloys محدود می کند.
• مسائل تخلیه: ریخته گری های آلومینیومی مستعد تخلخل گاز و نقص انقباض در صورت عدم کنترل صحیح است, یکپارچگی مکانیکی به طور بالقوه به خطر می افتد.
• مقاومت در برابر سایش پایین: در مقایسه با فلزات آهنی, آلیاژهای آلومینیوم سختی کمتری دارند و مقاومت در برابر سایش دارند, که می تواند برنامه ها را در محیط های ساینده محدود کند.
• هزینه ابزار برای ریخته گری: هزینه های ابزار بالا و قالب ، ریخته گری را به تولید با حجم بالا محدود می کند.
• انبساط حرارتی: آلومینیوم ضریب نسبتاً بالایی از انبساط حرارتی دارد, که می تواند باعث بی ثباتی بعدی در اجزای دقیق در معرض نوسانات دما شود.
• استفاده محدود در محیط های بسیار خورنده: اگرچه مقاوم در برابر خوردگی است, آلیاژهای آلومینیوم ممکن است برای شرایط بسیار اسیدی یا قلیایی بدون پوشش محافظ مناسب نباشند.

9. کاربردهای صنعتی ریخته گری های آلومینیومی

• خودرو: سرهای سیلندر, بلوک موتور, محورهای گیربکس, چرخ
• هوافضا: براکت های سبک وزن, محوطه, قاب های ساختاری
• الکترونیک: محوطه حرارتی, غرق گرما که نیاز به هدایت حرارتی بالا دارند
• دریایی: اتصالات مقاوم در برابر خوردگی, محفظه پمپاژ
• انرژی: قطب های توربین بادی, قاب های لامپ LED
• ساخت و ساز & معماری: نمای تزئینی, پروفایل ساختاری, اجزای دیواره پرده

10. ریخته گری آلومینیوم در مقابل. سایر مواد ریخته گری

ریخته گری آلومینیوم اغلب با سایر مواد ریخته گری متداول مانند چدن مقایسه می شود, منیزیم, و روی.

هر ماده بسته به نیازهای کاربردی مانند قدرت ، مزایا و محدودیت های مشخصی را ارائه می دهد, وزن, مقاومت در برابر خوردگی, هزینه, و قابلیت تولید.

خلاصه:

• آلومینیوم در مقابل. چدن: چگالی کم آلومینیوم در جایی که کاهش وزن بسیار مهم است ایده آل می کند, مانند بخش های اتومبیل و هوافضا.
  چدن در مقاومت در برابر سایش و مقاومت با درجه حرارت بالا برتری دارد اما بسیار سنگین تر و مستعد زنگ زدگی است, محدود کردن استفاده از آن در برنامه های سبک وزن یا حساس به خوردگی.
• آلومینیوم در مقابل. منیزیم: منیزیم حتی از آلومینیوم سبک تر است اما مقاومت و مقاومت در برابر خوردگی کمتری دارد, محدود کردن استفاده از آن در بسیار سبک وزن, محیط های غیر مصرفی.
  ریخته گری منیزیم می تواند گرانتر باشد و به دلیل نگرانی های اشتعالی نیاز به کار دقیق دارد.
• آلومینیوم در مقابل. روی: آلیاژهای روی دقت ابعادی عالی و پایان سطح را با هزینه کم ارائه می دهند, ایده آل برای کوچک, قطعات دقیق.
  هر چند, روی بسیار سنگین تر و مقاوم در برابر خوردگی کمتر از آلومینیوم است, محدود کردن استفاده از آن در برنامه های ساختاری یا فضای باز.

11. پایان

ریخته گری آلومینیوم همه کاره را ارائه می دهد, تولید مقرون به صرفه از سبک وزن, از نظر حرارتی, و قطعات مقاوم در برابر خوردگی.

با انتخاب دقیق آلیاژ (به عنوان مثال, A356, A319), انتخاب فرآیند, و کاهش نقص, بازیگران آلومینیوم عملکرد بالایی را ارائه می دهند خودرو, هوا و فضا, دریایی, الکترونیک, وت ساخت و ساز بخش.

به عنوان پایداری و طراحی سبک وزن بسیار مهم است, ریخته گری آلومینیوم همچنان رونق می گیرد.

متداول

قوی ترین آلیاژ ریخته گری آلومینیوم چیست?

206-آلیاژ T6 بالاترین استحکام کششی را ارائه می دهد (345 MPA) در میان آلیاژهای ریخته گری مشترک, در برنامه های هوافضا و پر استرس استفاده می شود.

آیا ریخته گری های آلومینیومی می توانند جوش داده شوند?

بله, اما با احتیاط. آلیاژهای قابل درمان با گرما (به عنوان مثال, 356) ممکن است در منطقه تحت تأثیر گرما استحکام خود را از دست بدهد; جوشکاری با 4043 فلز پرکننده این اثر را به حداقل می رساند.

چگونه ریخته گری آلومینیوم با جعل آلومینیوم مقایسه می شود?

ریخته گری اشکال پیچیده ای را در یک مرحله ایجاد می کند (به عنوان مثال, بلوک موتور) اما قدرت کمتری نسبت به جعل دارد. جعل برای قطعات استرس بالا بهتر است (به عنوان مثال, لشکر میل لنگ) اما 2-3 × بیشتر هزینه دارد.

چه چیزی باعث تخلخل در ریخته گری های آلومینیومی می شود?

گرفتاری گاز (هیدروژن از رطوبت) یا انقباض در هنگام جامد سازی. Die Casting بیشتر مستعد است, اما ریخته گری با کمک خلاء باعث کاهش تخلخل به <0.5%.

آیا ریخته گری های آلومینیومی مناسب برای استفاده در فضای باز هستند?

بله. آلیاژها مانند 5083 (دارای درجه دریایی) در برابر خوردگی آب شور مقاومت کنید, با یک عمر سرویس 20+ سالها در محیط های ساحلی.