铝砂铸造解决方案

1. 介绍

铝砂铸造在现代制造中起着至关重要的作用, 提供一种灵活且具有成本效益的解决方案，用于生产复合物, 大的, 和轻量级组件.

铝的低密度 (≈2.7g/cm³), 优异的耐腐蚀性, 和良好的导热率, 它仍然是跨汽车等行业的首选材​​料, 航天, 和机械.

与死亡铸造或投资铸造不同, 砂铸造的零件尺寸长达几米，工具成本最低, 使其非常适合定制或低到中等体积生产.

随着全球对铝铸件的需求不断上升，预期超过 24 百万吨 2026 - 这个过程在原型制造和最终制造中都具有价值.

本文提供了对铝砂铸造的深入探索, 覆盖合金选择, 过程步骤, 设计注意事项, 机械性能, 质量控制, 和铸造后治疗.

2. 为什么要铝 + 沙子铸造?

在现代金属铸造中, 结合 铝合金 和 沙铸造过程 提供设计自由的最佳平衡, 物质性能, 和生产经济学.

这种协同作用对于寻求一种经济有效的生产方式的制造商尤其有利 复杂的, 大的, 或定制的组件 在低至中体积.

铝的物质优势

铝是一种自然丰富的金属 特殊的体重与强度比.

与 密度仅为〜2.7 g/cm³, 铝制组件可以重达 比钢或铁少三倍 同时为结构和机械应用提供足够的强度.

而且, 铝合金提供了几种在工程和工业环境中特别有用的内在特性:

• 耐腐蚀性: 多亏了天然氧化物膜的形成, 铝表现出对生锈和化学攻击的强烈抵抗, 使其非常适合海洋, 汽车, 和户外应用.
• 出色的导热性和电导率: 和 导热率值从 100 到 150 w/m·k, 铝在散热器外壳和电子外壳等传热应用中受到青睐.
• 非磁性和可回收: 铝不会干扰敏感的磁器,
  及其可回收性 (和 节省能源 95% 与原铝生产相比) 增强其可持续性证书.

为什么要沙子铸造?

虽然可以使用多种方法铸造铝, 例如 高压 压铸 (HPDC), 低压铸造 (LPDC), 重力铸造, 和 投资铸造, 沙子铸造 提供几个不同的优势:

• 几何灵活性: 沙子铸造可容纳 复杂和空心几何形状, 使用由粘合沙制成的一次性核心.
  这允许生产具有复杂内部通道的零件, 底切, 和可变的壁厚.
• 大零件的可伸缩性: 它非常适合 大部分 (到 2 m³或更多), 由于工具尺寸和热应力，在永久性模具中生产具有挑战性.
• 降低工具成本: 与铸造相比, 霉菌工具可以花费 $10,000 到 $100,000+,
  可以以一小部分成本创建沙子铸造图案 - 开始 $500 - 2,000美元, 取决于复杂性和材料.
• 快速原型制作和迭代: 使用 3D打印模式 核心允许加速原型, 在承诺生产工具之前，使设计师能够快速迭代.

何时选择铝砂铸造

铝砂铸件特别理想:

• 中低生产量 (从数十到数千个零件)
• 原型和序列测试
• 结构铸件 需要较高的刚性和大型横截面
• 可以接受加工库存或后处理的情况

互补的好处

沙模的灵活性还可以整合诸如 肋骨, 老板, 安装法兰, 和冷却通道 不增加零件计数或组装复杂性.

而且, 表面纹理或品牌 (徽标, 零件号) 可以直接投入模具表面, 减少二级操作.

3. 冶金基础 & 合金选择

了解铝合金的冶金特性对于解锁全部潜力至关重要 沙子铸造 作为制造方法.

熔融铝的行为 - 流动性, 凝固, 收缩, 以及对热处理的反应 - 严重依赖于其 化学组成 和 微观结构进化 在铸造过程中.

典型的铝砂铸造合金

关键要点:

• A356 / Alsi7mg (和ZL101之类的等效物, AC4B) 由于它们的出色 强度与重量比, 良好的铸造性, 和 热处理性.
• ALSI12-基于合金优先 流动性和薄壁铸造, 尽管延性较低.
• 铜- 和含Mg的 A319或AC4C等合金改善 耐热性和疲劳性, 使它们理想 发动机组件 和 电力系统.
• T6治疗 通过优化MG₂SI颗粒的沉淀来显着提高强度和伸长率.

关键合金元素及其功能

铝合金的性能和可铸性由其元素成分支配. 每个都在调整微观结构和最终零件性能中起着独特的作用:

元素	典型内容 (%)	对合金特性的影响
硅 (和)	7–12％	提高流动性, 减少收缩, 提高铸性
镁 (毫克)	0.3–0.6％	实现年龄段的人 (T5/T6), 增加力量
铜 (铜)	2–4％	提高强度和可加工性, 降低耐腐蚀性
铁 (铁)	< 1%	增加耐磨性, 但是过多的铁会导致脆弱性
锰 (Mn)	0.2–0.8％	抵消铁的负面影响, 加强晶粒结构
锌 (Zn)	< 1.5%	提高机械强度, 降低熔点

砂铸造中的微观结构演变

这 固化率 与死亡铸造相比，在沙模中较慢, 允许发展 较粗糙的树突小结构.

因此, 合金选择还必须考虑谷物精炼过程:

• 使用谷物炼油厂 (tib₂, Sr) 有助于实现更精细的谷物结构.
• 与氩或氮脱气 降低氢诱导的孔隙率.
• 锶 (Sr) 或钠 (na) 添加修改硅形态, 增强延展性和抗疲劳性.

后期 热处理 例如溶解和衰老进一步改变沉淀物的分布 (例如。, mg₂si, al₂cu), 优化机械强度和尺寸稳定性.

砂铝的全球合金标准

公认的标准有助于确保国际供应链之间的兼容性和一致性. 一些经常指定的标准包括:

地区	标准身体	示例合金	指定
美国	ASTM	A356.0, A319.0, A357.0	ASTM B26/B26M
欧洲	在	Alsi7mg, ALSI12	在 1706
中国	GB	ZL101, ZL104, ZL108	GB/t 1173
日本	他是	AC4B, AC4C	只是H5302

4. 铝合金的砂铸造过程

铝砂铸造仍然是生产复杂金属组件的用途最广泛，最具成本效益的过程之一.

虽然适用于许多材料, 铝的轻量级, 耐腐蚀性, 出色的可铸性使其与这个传统但先进的过程特别协同.

图案 & 开心制造

沙子铸造旅程始于 图案, 最后一部分的复制品, 用于在沙模中创建一个腔.

图案材料:

• 木头: 负担得起, 易于修改; 适用于小体积运行. 尺寸公差±0.2 mm.
• 铝: 更耐用, 中等至高量的理想; 公差±0.05 mm.
• 3D打印树脂图案: 用于原型和高度复杂的几何形状.

核心类型 (用于内部空腔):

• 绿色核心: 用与模具相同的潮湿沙子制成.
• 壳芯: 用树脂和热量预先训练, 提供更高的精度和力量.
• 没有烘烤核心: 与化学树脂粘合以进行复合物, 高准确零件.

霉菌结构

成功的铝铸件在很大程度上取决于沙模的质量. 几个变量影响霉菌性能:

沙组成:

• 二氧化硅沙: 最常见, 具有谷物细度控制表面表面.
• 粘合剂系统:

• • 膨润土粘土 (绿沙) 可重复使用, 环保造型.
  • 化学粘合剂 (Furan, 酚类) 在无烘烤系统中以提高强度.

水分含量:

• 理想情况下，绿沙保持在2–4％之间，以保持霉菌强度并防止气体缺陷.

压实指标:

• 目标模具硬度: 65–75 Brinell.
• 渗透率≥ 300 气m³/m²·最小 为了确保倒入充足的气体排气.

融化 & 浇注

融化准备对铝铸造质量至关重要. 铝对氧气和氢的高亲和力要求严格控制.

炉类型:

• 电感应炉: 提供最小污染的快速融化.
• 电阻炉: 用于较小的批次或特定合金要求.

熔体规格:

• 浇注温度: 720–760°C
• 脱气: 氩气或氯气喷射以去除溶解的氢气
• 磁通: 清洁氧化物和夹杂物以完善熔体
• 门控 & 立管: 设计以最大程度地减少湍流并使用 Breakin的规则.

凝固 & 冷却

固化动力学的控制决定了铸造的音质和晶粒结构.

方向固化:

• 使用 发冷 (金属插入物) 和 放热袖子 引导从四肢到立管的冷却.

冷却率:

• 薄部分凉爽更快, 导致细粒.
• 厚部分需要仔细的立管设计以避免收缩腔.

颤抖 & 砂填胶

一旦铸造巩固, 它经历了 颤抖, 从零件和内部空腔中去除沙子.

脱和方法:

• 用于大型铸件的机械振动或气动系统
• 水喷头或射击爆炸以进行更精细的清洁

砂填胶:

• 现代铸造厂回收 >90% 通过机械的沙子 (振动筛选) 或热修饰, 减少废物和材料成本.

5. 机械的 & 铝砂铸件的热性能

铝砂铸件提供了机械强度和热性能的均衡组合, 使它们成为跨越苛刻部门（例如航空航天）的首选解决方案, 汽车, 和能量.

通过调整合金成分和热处理, 制造商可以设计满足结构和功能要求的属性.

静态机械性能

通过砂土产生的铝铸件具有固体基线机械性能, 特别是在A356等合金中, A319, 和 535.

这些特性可以通过适当的 T5或T6热处理.

性能特性	铸造 (A356.0)	T6处理 (A356.0-T6)
抗拉强度 (MPA)	150–190	240–320
屈服强度 (MPA)	70–100	170–240
伸长 (%)	3–6	4–9
Brinell硬度 (BNN)	60–75	85–120

过渡说明: 这些值取决于铸件厚度, 固化率, 和过程控制.

金属处理和霉菌设计的一致性可以显着改善整个组件的均匀性.

疲劳 & 蠕变性能

在动态或高温环境中运行时, 铝制铸件必须抵抗疲劳和蠕变等故障模式.

疲劳性抗性:

• 旋转光束疲劳极限 (A356-T6): 50–70 MPA
• 表面饰面和孔隙率是关键影响者. 射击和仔细的霉菌设计可以通过 20–30％.

蠕变行为:

• 在 150 °C, A319和A357合金显示最小的应变 (< 0.1% 超过 1,000 小时).
• 在发动机组件和涡轮壳体等应用中，抗蠕变是必不可少的.

导热率 & 扩张

铝的固有热特性使其非常适合需要散热或阻力热循环的应用.

热性能	典型的价值
导热率	100–150 w/m·k (A356, A319)
比热容量	〜900 j/kg·k
线性扩展系数	23–25×10⁻⁶ /K
融化范围	580–660°C (合金依赖性)

这些值的表现优于基于铁的铸件，并有助于证明铝在散热器外壳中的使用是合理的, LED住房, 和发动机组件.

比较基准

了解沙子铸造对性能的全部影响, 将铝砂铸件与其他铸造过程进行比较很有帮助:

属性	沙子铸造A356	演员A380	投资铸造Alsi7mg
抗拉强度 (MPA)	240–320 (T6)	180–240	250–310
尺寸公差 (ISO)	CT9 – CT12	CT6 -CT8	CT5 -CT8
工具成本	低的	高的	中等的
交货时间	短的 (1–2周)	长的 (8–12周)	中等的 (4–6周)

6. 后施工治疗 & 精加工

一旦铝铸件退出沙子, 有针对性的次要操作将它们转化为精确性, 高性能组件.

通过结合热处理, 表面增强, 和仔细的加工, 制造商优化强度, 耐用性, 和尺寸准确性.

热处理

T6解决方案 & 老化

第一的, 工程师解决方案处理合金，例如A356.0 AT 540 °C 8 小时, 然后淬灭和年龄 155 °C 6 小时.
该T6周期可提高拉伸强度 35 % (从〜190 MPa播种到〜260–320 MPA) 并将硬度提高到 85–120 BHN, 同时保持6-10 % 伸长.

T5衰老

对于要求最小失真的零件, 我们应用T5-在 155 °C 4 小时 - 没有事先解决方案.
尽管T5的强度略低 (〜230–280 MPA UTS), 它通过减少热冲击来提高尺寸稳定性.

表面处理

热处理后, 表面过程进一步提高了性能:

• 阳极氧化
  我们形成一个 10–25μm 通过电化学氧化氧化铝层. 阳极氧化铸件承受 1000 小时 在盐喷雾测试中, 使它们非常适合海洋或户外使用.
• 粉末涂料
  静电应用，然后在 200 °C 沉积物 60–120μm 聚合物膜. 结果: 紫外线稳定, 耐力的化学耐药表面.
• 绘画 & 钝化
  液体油漆和铬酸盐转换涂层增加了颜色和腐蚀保护. 钝化减少了表面铁污染, 在腐蚀媒体中延长服务寿命.
• 电镀 (在, Zn, Cr)
  我们将临界磨损表面（例如轴承期刊）板 5–15μm 镍或铬的, 增加表面硬度 HRC 40–50 并改善滑动式抵抗力.
• 抛光 & 电力
  用于卫生或光学应用, 我们机械地将铸件抛光到 RA < 1 μm, 然后电土以消除微观弥漫, 产生类似镜子的饰面.

加工实践

实现最终公差和功能功能, 紧随其后的精确加工:

• 工具 & 速度
  我们雇用 碳化物的工具 在 150–200 m/i 切割速度和进料速度 0.1–0.3 mm/rev, 平衡材料去除与工具寿命.
• 冷却液策略
  水溶性乳液在切割区保持稳定的温度, 防止铝上的内部边缘, 并确保平滑芯片疏散.
• 维控制
  机械师离开 1–2毫米 粗加工的库存, 然后完成 ±0.05毫米 使用CNC设备, 确保铸造加工零件符合严格的GD&t要求.

7. 质量保证 & 测试

进程控制

• OES光谱法: 关键元素的精度±0.01％
• 热控制: ±5°C以内的霉菌温度可靠性

NDT和破坏性测试

• X射线/CT扫描: 检测内部孔隙度 > 0.5 毫米
• 超声波 & 染料渗透剂: 评估体积和表面完整性
• 拉伸, 影响, 和硬度测试: 验证为ASTM B108/B209

统计过程控制

• CP/CPK目标≥ 1.33 对于尺寸关键特征
• 过程图表: 监视金属温度, 沙湿, 随着时间的流逝，维度趋势

8. 优点和局限性

铝砂铸造在设计自由和成本效率之间取得了独特的平衡, 然而，它还以精确和吞吐量的方式进行了权衡.

优点

出色的设计灵活性

砂霉可容纳底切, 可变的壁厚, 以及单个倒入中复杂的内部段落 - 铸造工具的功能通常无法匹配.

因此, 设计师可以整合肋骨, 老板, 和冷却频道没有其他组装步骤.

低工具投资

木材制成的图案, 铝, 或树脂成本之间 美元 500 和 2000, 与 20000–100000美元 高压模具铸造.

这减少了前期费用会加速原型，并支持低- 到中等体积的生产运行.

大零件的能力

沙子铸造容易产生超过的组件 2 m³ 在数量和 2000 公斤 体重,

启用单件外壳, 框架, 以及其他方法将不切实际或过于昂贵的结构元素.

广泛的合金兼容性

铸造厂几乎可以施放任何铝合金 - Al -Si – Mg, Al -Andi, 或专业等级 - 没有修改永久工具, 促进特定机械的材料选择, 热的, 或腐蚀要求.

可持续性和材料效率

现代开垦系统回收 90 % 沙子, 铝的再生内容通常超过 75 %, 降低原产成本和环境足迹.

砂铝平均值的能耗 1.3 MJ/kg, 关于 30 % 小于初级生产.

限制

更粗的尺寸公差

典型的公差属于 ISO CT9至CT12 (±0.3–1.2 % 超过 100 毫米), 相对 CT6 -CT8 为了铸造.

关键功能通常需要额外的加工才能满足紧密的几何规格.

表面更粗糙

播种表面寄存器 RA 6–12 µm (绿沙) 或者 RA 3-6 µm (树脂砂), 需要进行光滑或卫生表面的零件进行次要操作（结束或抛光）.

较慢的周期时间

每个模具必须被销毁以提取铸件, 产生周期时间 5–20分钟 per.

相比之下, 高压模具铸造可以在 5–15秒, 使沙子铸造不太适合非常高的体积.

更高的孔隙率风险

没有仔细的门控, 排气, 和脱气, 砂铝可以表现出气体和收缩孔隙度.

铸造厂通过流程模拟来减轻这些问题, 优化的立管设计, 和融化治疗, 但是绝对消除孔隙率很具有挑战性.

劳动力和技能依赖

许多整理步骤 - 大会, 颤抖, Fettling - 仍然依靠熟练的技术人员.

压实压力或核心位置的可变性会引入尺寸和化妆品不一致之处.

9. 金属和合金等级用于沙子铸造

10. 结论

铝砂铸造在当今的全球制造生态系统中起着至关重要的作用.

它平衡设计灵活性的能力, 机械强度, 成本效率使其成为广泛工业应用的首选方法.

随着数字铸造工具和高级合金配方的发展, 铝砂铸件的边界正在进一步推动, 支持运输的下一代创新, 活力, 防御, 及以后.

从原型到批量生产, 铝制铸造产品被证明不仅相关，而且是必不可少的.

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