Komplexní technická analýza lití hliníku do písku v moderní výrobě

Odlévání hliníku do písku je jedním z nejstarších a nejuniverzálnějších postupů odlévání kovů, který se v moderní výrobě hojně využívá k výrobě složitých, odolných a cenově výhodných součástí. Výrobci hliníkových odlitků do písku mohou díky lití roztaveného hliníku do připravených pískových forem vytvářet složité geometrie se složitými prvky, které by jinak bylo nepraktické nebo nerentabilní opracovávat z pevného materiálu. Tato metoda je vhodná zejména pro nízko a středně velkoobjemovou výrobu, výrobu prototypů a odlitků s vysokou konstrukční schopností u aplikací zahrnujících letecký, automobilový, obranný a energetický průmysl.

Nejzajímavější na hliníkovém odlitku z písku je, že je flexibilní a funkční. Hliník má velmi dobrý poměr pevnosti a hmotnosti, odolnost proti korozi a recyklovatelnost, a proto je vynikajícím materiálem pro odlévání. Spolu s tepelnou odolností písku a jeho vysokou lisovací schopností poskytuje tento proces škálovatelnou výrobní kapacitu s vynikající rozměrovou přesností. Návrh vzoru, složení formy, kvalita taveniny a konstrukce vtoku jsou klíčovými faktory úspěchu každého odlitku.

Špičková slévárna hliníkových odlitků do písku musí ovládat nejen klasická fakta v technologii kovů, ale také se dotýkat inovací v procesech. Současné provozy používají nejmodernější technologie, které zabraňují vzniku vad a zajišťují nejlepší vlastnosti odlitku pomocí 3D tisku z písku, simulačního softwaru a sledování procesu v reálném čase. Přesně konstruované a odlévané hliníkové díly jsou nyní schopny splňovat přísné technické normy pro bezpečnost, toleranci a trvanlivost.

S rostoucí poptávkou po složitých komponentech s kratšími dodacími lhůtami a nižším dopadem na životní prostředí se musí profesionální služby v oblasti lití hliníku do písku dále rozvíjet. Tento článek se zabývá technickými aspekty samotného procesu, jeho technickým průběhem, materiály, výzvami, inovacemi atd.

Základy lití hliníku do písku

Podstatou lití hliníku do písku je lití roztaveného hliníku do dutiny pískové formy, která je tvarována podle vzoru kopírujícího geometrii finálního dílu. Po ztuhnutí hliníku se písková forma setřese a vznikne odlitek. Tento proces se vyznačuje také mimořádnou rozměrovou flexibilitou a schopností škálování v podmínkách výroby s velkým množstvím směsi a malým objemem.

Proces je založen na použití nestálé formy, písku, který lze recyklovat a znovu použít, čímž se minimalizuje plýtvání materiálem a náklady. Pískové formy se nejčastěji skládají z křemičitého písku s přídavkem pojiva, přičemž povaha pojivového systému obecně výrazně ovlivňuje výslednou povrchovou úpravu, rozměrovou přesnost a rychlost chlazení.

Proces proudění v inženýrství lití hliníku do písku

Odlévání hliníku do písku je inženýrský proces, který se skládá ze souboru přesně kalibrovaných činností, jejichž cílem je přeměnit surový hliník na specifické, dobře zhotovené a přesně dimenzované díly. Aby byly všechny fáze procesu úspěšné, je třeba mít hluboké znalosti jak v oblasti materiálu, tak v oblasti mechaniky. Následuje postupná analýza způsobu, jakým je odlévání hliníku do písku odborně a technicky realizováno.

1. Návrh a tvorba vzorů

V procesu lití hliníku do písku je prvním krokem návrh a výroba vzoru, fyzické kopie konečného odlitku. Přídavky, které musí být zahrnuty do vzorů, jsou poměrně kritické, například smrštění, tah a obrábění materiálu. Protože se hliník během chladnutí smršťuje, jsou vzory vyloženy o něco větší než hotová součást. Míra smrštění hliníkových slitin se běžně uplatňuje na úrovni 1,3 %; v závislosti na slitině a podmínkách chlazení se však může lišit.

Svislé části forem mají úhel tahu, obvykle několik stupňů mezi 1 a 3, aby se zajistilo, že vzor lze v pískové formě snadno vyjmout, přičemž je třeba dbát na to, aby se dutina nezničila. Další přídavky (přídavky na obrábění) jsou zahrnuty tak, aby nedocházelo k nepříznivým interakcím mezi následným zpracováním a konečným dílem. Vzory mohou být vyrobeny ze dřeva, kovu, pryskyřice, nebo dokonce z polymerních materiálů vytištěných 3D tiskem, v závislosti na požadavcích na přesnost a potřebách objemu výroby.

2. Výroba forem (lisování a usazování jader)

Po přípravě vzoru je třeba připravit formu. U hliníkové formy odlévané do písku existují dvě oddělené poloviny: vrchní (horní) a spodní (vlek). Vyrábějí se napěchováním písku kolem formy v baňce. V závislosti na použití je písek obvykle na bázi oxidu křemičitého a je amalgamován pojivy, jako je jíl (zelený písek) nebo chemické pryskyřice (nepálený písek).

Pokud má konstrukce dílu vnitřní prostor a duté části, je nutné použít písková jádra. Ta se umístí do dutiny formy a poté se do ní nalije kov. Jádra lze vyrobit pomocí jádrových boxů a při přesné výrobě je lze vytisknout s větší přesností pomocí 3D pískového tisku. Přesná stopa jádra je velmi důležitá pro tuhou strukturu a dodržení konečného rozměru dílu.

3. Návrh systému brány

Včasnost a efektivita vytvořeného systému brány jsou důležité pro úspěch procesu lití hliníku do písku. Tento systém se skládá z vtokové vany, vtokového tělesa, vtokových kanálů a hradítek, které vhánějí hliník do formy. Vhodně zvolená vtoková vrata zabrání velké turbulenci, minimalizují vzduchový uzávěr a také zajistí rovnoměrné plnění.

Jsou zapotřebí také stoupačky (alternativně nazývané podavače), které lze považovat za zásobník roztaveného kovu, který vyrovnává směr smršťování, k němuž dochází po ztuhnutí. Software pro simulaci odlévání obvykle využívají konstruktéři ke studiu a optimalizaci systémů vtoků a stoupaček. Predikce probíhá pomocí simulačních nástrojů, jako je MAGMASoft nebo ProCAST, takže typické vady, jako jsou studené uzávěry, chybné náběhy a smršťovací pórovitost, mohou být opraveny prakticky ještě před zahájením výroby.

4. Tavení a zpracování Cu

Hliník se obvykle taví v reverberační peci, v kelímkové peci nebo v indukční peci a výběr závisí na objemu vsázky, potřebě slitiny a množství potřebné energie. Teplota tání čistého hliníku je přibližně 660 stupňů Celsia (1220 stupňů Fahrenheita), ačkoli teplota tání slitin se může v závislosti na složení mírně lišit.

Absorpce plynu, konkrétně absorpce plynného vodíku, je jedním z velkých technických problémů při tavení. Horký hliník velmi snadno přijímá vodík buď ze vzdušné vlhkosti, nebo z nabitých figur. Více než vodík se v hotovém odlitku vyskytuje pórovitost. V reakci na to se tavenina vystavuje odplyňovacím postupům, které často zahrnují zavádění pasivních plynů (např. argonu nebo dusíku), které se do taveniny vhánějí pomocí rotačního oběžného kola. K odstranění oxidů a inkluzí z taveniny mohou být přidána také tavidla.

5. Boj s roztaveným kovem

Když je roztavený hliník vyčištěn a upraven, nalije se do formy pomocí vtokového systému. Nalévání by mělo být plně pod kontrolou a kontinuální, aniž by došlo k promíchání formy, a tím k zachycení vzduchu a ztuhnutí v rané fázi. Ruční nastavení zahrnuje vany, které obsluhují osoby vyškolené na výšku a rychlost nalévání. Robotické nalévání je jedním z těch kroků, které zaručují bezpečnou a vysokou opakovatelnost v automatizovaných systémech.

Teplota lití je obvykle 690-740 °C v závislosti na slitině a složitosti formy. Lití při nízkých teplotách může způsobit studené uzávěry nebo neúplné plnění a lití při vysokých teplotách může způsobit větší sběr plynu a oxidaci.

6. Tuhnutí a chlazení

Krok tuhnutí je jedním z nejdůležitějších kroků procesu lití hliníku metodou odlévání do písku. Když se hliník mění v pevnou látku, smršťuje se a při konstrukci hradítek a stoupaček je třeba dbát na toto smršťování. Účelem řízeného chlazení je rovnoměrná mikrostruktura a snížení vnitřních pnutí a smršťovacích dutin.

V závislosti na geometrii v různých částech odlitku a na tloušťce stěny mají různou rychlost ochlazování. Místo toho se používá směrové tuhnutí, nejčastěji konstrukcí odlitku tak, že je odlitek orientován tak, aby tuhnutí probíhalo od tenkého k tlustému, což směřuje smršťovací dutiny do stoupaček. K urychlení ochlazování v určitých oblastech, a tím k regulaci struktury zrn a minimalizaci defektů je jednou z technik použití chladičů, kovových vložek ve formě.

7. Vyklepání, čištění a kování.

Po úspěšném vyjmutí formy se forma po úplném ztuhnutí odlitku vyklepne v procesu známém jako vyklepávání. Mechanicky nebo ručně se provede řezání nebo broušení, aby se odstranil písek. Řezání se provádí u odlitku a vtokového systému a stoupaček.

Odlitky se obvykle odlévají se zbytky písku na povrchu a usazeninami oxidů a k odstranění těchto usazenin se provádějí čisticí procesy, jako je tryskání, broušení nebo dokonce chemické moření. V této fázi se také provádí zušlechťování, při kterém se odstraňuje nepotřebný kov a zjemňuje se hrubý povrch. Dochází také k odstranění všech jader, která forma použila.

8. Tepelné zpracování a obrábění (v případě potřeby)

Mnoho hliníkových dílů odlévaných do písku se po odlití tepelně zpracovává, aby se zlepšily jejich mechanické vlastnosti. Mezi obvyklé přístupy patří:

• popouštění hliníkových slitin (např. A356-T6) T5/T6, při kterém se výrazně zvyšuje pevnost a tvrdost.
• Žíhání, aby se odstranilo napětí uvnitř a aby se zvýšila jeho kujnost.

Po tepelném zpracování může být vyžadováno přesné obrábění, aby byly dodrženy konečné tolerance, zejména u těch povrchů, které se spojují s jinými díly nebo musí být přesně dimenzovány. 

Protipříklad: CNC frézování, vrtání a soustružení dílů odlévaných do písku jsou běžné následné procesy.

9. Zajištění kvality a kontrola

Posledním krokem je závěrečná kontrola, zda má odlitek správné specifikace podle požadavků. Následuje obvyklé zajištění kvality hliníkového odlitku z písku:

• Kontrola na základě rozměrů (souřadnicový měřicí stroj, laserové nebo jiné skenování).
• Nedestruktivní zkoušení (NDT), jako je rentgenová radiografie, ultrazvuková zkouška nebo kontrola penetrací barvivem, které odhalí vnitřní nebo povrchové vady.
• Mechanické zkoušky pevnosti v tahu, prodloužení a tvrdosti, zejména v případě odlitků používaných pro konstrukční účely.
• Kontrolní údaje byly zaznamenány, aby bylo možné je sledovat a dále zlepšovat následné replikace procesu.

Metalurgické aspekty lití hliníku do písku

Hliníkové slitiny používané pro lití do písku lze obvykle rozdělit do následujících dvou skupin: tepelně neupravitelné a tepelně upravitelné slitiny. Známé slitiny jsou A356, A319 a 319.1, vybrané podle potřeb pevnosti, tepelné vodivosti a odolnosti proti korozi. Rychlost chlazení a legující prvky, jako je křemík, hořčík a měď, mají velký vliv na strukturu zrn odlitku.

Jedním z nejnáročnějších aspektů procesu lití hliníku do písku je kontrola pórovitosti. Rozpustnost plynného vodíku v hliníku je v kapalné fázi také velmi vysoká než v pevné fázi, což má tendenci způsobovat mikroporozitu v tuhnoucím bazénu. Standardními metodami omezení tohoto problému jsou vakuové odplyňování a proplachování inertním plynem.

Materiály používané při lití hliníku do písku

Materiály použité při odlévání hliníku do písku mají zásadní význam pro výkon, vyrobitelnost a trvanlivost konečného výrobku. Zahrnují nejen hliníkové slitiny, ale také různé druhy písku, pojiva a pomocné materiály při výrobě forem a jader. Sociálně-ekonomické faktory. Při výběru jednotlivých materiálů je nezbytné dosáhnout kompromisu v oblasti odlévatelnosti a mechanických vlastností, povrchové úpravy a hospodárnosti. Níže jsou podrobně uvedeny hlavní kategorie materiálů, v jejichž rámci se proces provádí.

1. Slitiny hliníku

Výběr hliníkové slitiny je klíčem k jakémukoli procesu lití hliníku do písku. Různé slitiny mají různé mechanické vlastnosti, korozi a tepelné chování. Obecně tyto slitiny spadají do dvou širokých kategorií: kované (kované/válcované) a lité slitiny. Při odlévání do písku se používají také slitiny hliníku určené k odlévání, protože jsou nejvhodnější pro odlévání, tekutost a tuhnutí.

Nejčastěji jsou slitiny litého hliníku:

A356 (Al-Si7-Mg):

Jedná se o jednu z nejoblíbenějších slitin v oblasti služeb lití hliníku do písku. Je velmi dobře odlévatelná, má poměrně dobrou odolnost proti korozi a lze ji tepelně upravit na temperaci T6 (vysoká pevnost, vysoká tažnost), což ji činí nejužitečnější. Přídavkem hořčíku je možné provádět úpravy zpevňující stárnutí.

319 (Al-Si-Cu-Mg):

Dobrá odolnost proti opotřebení a obrobitelnost je známá také u materiálu 319, který se používá v automobilovém průmyslu a ve všeobecném strojírenství. Jeho odolnost proti korozi je však horší než u A356.

535 (Al-Mg):

Jedná se o slitinu s vysokým obsahem hořčíku, a proto má velmi dobrou odolnost proti korozi i rázovou houževnatost. Běžně se používá v leteckém a lodním průmyslu.

Slitiny hliníku a křemíku (Al-Si):

Tyto slitiny získaly uznání pro svou vysokou tekutost a nižší smrštění, zejména při použití ve složitých komponentech, jako jsou hliníkové díly odlévané do písku.

Přísady a rafinerie obilí:

Pro zvýšení kvality odlitku, snížení pórovitosti a zlepšení mechanických vlastností lze přidat titanovo-borové hlavní slitiny (např. AlTi5B1), které zajistí zjemnění zrn. Modifikace křemíkového stupně ve slitinách Al-Si obvykle využívá použití stroncia, které zvyšuje tažnost a snižuje trhání za tepla.

2. Pískové materiály

Při této metodě je hlavním formovacím materiálem písek v procesu slévárny hliníkových odlitků do písku. Jeho účelem je vytvořit dutinu formy, do které se nalije roztavený hliník. Písek by měl být schopen snášet vysokou teplotu (nad 700 o C), být rozměrově přesný a také odolávat erozi proudem kovu.

Písek, který se má použít:

Křemičitý písek:

Nejčastěji používaný a nejlevnější písek. Je dobrý z hlediska žáruvzdornosti i zpracovatelnosti. Obsahuje však problémy s tepelnou roztažností, což může mít za následek vady odlitků, jako jsou žilky nebo horké trhliny, pokud nejsou dobře kontrolovány.

Chromitový písek:

Tento písek má lepší tepelnou vodivost a odolnost proti tepelným šokům, a proto jej lze použít při vysokoteplotních investicích i při odlévání velkých kusů.

Zirkonový písek:

Používá se v aplikacích, kde je přesnost rozměrů velmi důležitá. Je mnohem dražší, ale má velmi nízkou tepelnou roztažnost a vysokou lámavost.

Velikost zrnka písku:

Jemnozrnný písek vytváří hladší povrch a ovlivňuje propustnost. Hrubozrnný písek zvyšuje propustnost a pevnost formy, konečný výrobek však může být hrubší. S ohledem na geometrii dílu a specifikace povrchové úpravy se obvykle volí kompromis.

3. Vazivo a přísady

Odlévání hliníku do písku: Písek používaný při odlévání hliníku se spojuje pomocí pojiva, čímž vzniká forma, která je dostatečně pevná, aby vydržela pod tlakem roztaveného hliníku. Pojiva jsou buď organická, nebo anorganická a volí se v závislosti na použitém systému písku.

Zelená písková pojiva:

Bentonitový jíl:

Jílovitý bobtnavý materiál, který se používá v systému zelených písků k zajištění plasticity a soudržnosti. Mísí se s vodou a vytváří opakovaně použitelný tvarovací materiál.

Voda:

Je aktivátorem zelených písků a napomáhá spojování jílu a zhutňování písku.

Chemicky vázané pískové systémy:

Furanová pryskyřice:

Přírodní pojivo s vysokou pevností a dobrou povrchovou úpravou. Obvykle se aplikují v systému vypalování.

• Posledním typem výrobku byl fenolický uretanový chladicí box (PUCB).
• Má velkou sílu jádra a rozměrovou přesnost. Dietz se hojně používá při výrobě jader.

Přídatné látky:

Pravděpodobně nejstaršími doly na světě jsou uhelné doly v tomto uhelném revíru; sahají do hloubky 2 200 stop i více a je známo, že pokračují vedle žíly směrem k moři, kde se uhlí nazývá mořské uhlí nebo uhelný prach.

Přidává se zelený písek, který zvýrazňuje černou barvu na povrchu formy a odstraňuje vady při odlévání, například pronikání kovu.

Oxid železitý:

Je užitečná pro snížení žilnatiny a dilatačních poruch v horkých oblastech.

Grafit:

Zlepšuje výrobu písku, kde má vysokou úroveň tekutosti písku a uvolňování formy.

4. Základní materiály

Vnitřní prohlubně a složité tvary v tzv. pískovém lití hliníkových dílů se vyrábějí pomocí jader. Obvykle se odlévají do vysoce čistého křemičitého písku, který má pojivový systém shodný s formou, ale často je pevnější a přesnější.

Materiály, které jsou důležité pro výrobu jádra, jsou:

• Křemičitý písek ( vysoká síťovina )
• Pojiva (furanová pryskyřice nebo PUCB)
• Odvzdušňovací dráty nebo ventilační otvory v jádře, které umožňují únik plynu při odlévání.

Ve špičkových slévárnách se stává populárním tryskání pojiva v pískových jádrech vytištěných 3D tiskem. Odpadá tak použití jádrových boxů a umožňuje rychlé prototypování složitých geometrií.

5. Povlakování a mytí forem

Žáruvzdorné povlaky se nanášejí (nebo se formy vymývají), aby se zlepšila povrchová úprava odlitku nebo aby se zajistila tepelná a chemická ochrana formy nebo jádra.

Mezi tyto běžné nátěrové materiály patří:

Povlaky na bázi zirkonu 

Povlaky na bázi zirkonu jsou také vynikající z hlediska žáruvzdornosti a izolačních vlastností ve vysokoteplotních slitinách hliníku.

Povlaky na bázi grafitu:

Podporují snadné odlévání a jsou použitelné v chladných zónách.

Na bázi hlinitokřemičitanu: 

Povlaky na bázi hlinitokřemičitanu jsou univerzální ochranné povlaky, které minimalizují povrchové vady.

Nanášení těchto povlaků se provádí štětcem, stříkáním nebo máčením a poté se před litím kovu vysuší. Zmírňují nebezpečí pískové eroze, pronikání kovu a vývinu plynů.

6. Ostatní pomocné a technologické materiály

Mezi další materiály používané při odlévání hliníku do písku patří:

Fluxy:

Vyčistit taveninu a odstranit nekovové vměstky. V závislosti na typu použité slitiny se běžně používají tavidla na bázi chloridů nebo fluoridů.

Odplyňovací tablety nebo plyny:

Může se jednat o tablety s hexachlorethanem nebo podobně, ačkoli v současných slévárnách se z ekologických a bezpečnostních důvodů upřednostňuje odplyňování argonem.

Sondy, termočlánky a pyrometry:

Pro sledování stavu taveniny a formy jsou k dispozici teplotní čidla ve formě vysokoteplotních slitin a keramických materiálů.

Exotermické materiály rukávů a stoupaček :

Je umístěn ve stoupačkách, aby se déle udržel přívod roztaveného kovu. Ty mají izolační materiály nebo exotermické materiály, které při tuhnutí odevzdávají teplo.

Funkce slévárny hliníkových odlitků do písku

Vysoce sofistikovanou slévárnou je tzv. hliníková pískovna, která má formovací stroje, stanice na výrobu jader, tavicí pece a kontrolní systémy. Slévárny se specializují na odlévání, maximální kvalitu odlévaného předmětu, minimální dobu cyklu a maximální efektivitu využití materiálu. Vyvinuté slévárny kombinují takové digitální nástroje, jako jsou např:

• Simulation Software: Takzvaný simulační software (například MAGMASoft a FLOW-3D Cast) simuluje plnění a tuhnutí formy a umožňuje slévárenským inženýrům vyladit návrh vtoku a předem předvídat poruchy.
• Automatické jádro: Složitější vnitřní tvary lze snadno vytvořit pomocí nových pískových jader vytištěných na 3D tiskárně, což snižuje náklady na nástroje a čas.
• Nedestruktivní zkoušení (NDT): K tomu se používá rentgenové testování, ultrazvuk a penetrační barvivo, aby se zjistila úplnost odlitku dílu.

Úspěšná slévárna hliníkových odlitků do písku má systém kontroly kvality se všemi světovými normami, jako jsou ASTM B26, ISO 8062-3 a AMS 4218, který zaručuje stabilní kvalitu litých hliníkových slitin.

Výhody služeb lití hliníku do písku

Profesionální služby odlévání hliníku do písku nabízejí komplexní řešení odlévání, včetně konzultace návrhu, rychlého prototypování, výroby nástrojů a následného zpracování. Jedná se o služby pro dodavatele OEM a tier-1, kteří potřebují co nejrychlejší realizaci, vlastní geometrii a funkčnost dílů.

Některé z nich jsou hlavními výhodami:

• Nízké náklady na nástroje: Odlévání do písku má ve srovnání s tlakovým litím nízké nároky na náklady na nástroje, což z něj činí nejlepší volbu pro krátké výrobní série.
• Služba: Poskytovatelům služeb se doporučuje navrhnout slitiny na míru v závislosti na požadovaných mechanických nebo tepelných vlastnostech.
• Rychlé prototypování: S využitím současné digitální výroby modelů je možné připravit prototyp během několika dnů namísto týdnů.

Vzhledem k tomu, že průmyslová odvětví vyžadují rychlejší výrobkové cykly a větší přizpůsobení, vysoce kvalitní odlévání hliníku do písku služby se stávají neocenitelnými partnery v dodavatelských řetězcích.

Přesnost a výkon při lití hliníkových dílů do písku

Odlévání hliníkových dílů do písku je i nadále základem výroby bloků motorů, skříní převodovek, krytů rozvodů a součástí letadel. Tento proces si poradí i s jednoduchými a složitými geometriemi dílů s tloušťkou stěny od 3 mm do 75 mm, v závislosti na pevnosti formy a tekutosti použité slitiny.

Klíčové výkonnostní ukazatele pro odlévání hliníkových dílů do písku zahrnují:

• Rozměrová tolerance: Schopnost tolerovat 0 až 0,5 % jejich jmenovitých hodnot v závislosti na kvalitě forem.
• Drsnost povrchu: Ta se pohybuje v rozmezí 150-500 RMS, i když při sekundárním zpracování může být jemnější.
• Mechanická pevnost: Pevnost v tahu závisí na slitině a způsobu zpracování a obvykle se pohybuje v rozmezí 170-300 milimetrů Pascalů (MPa).

Inženýři mohou snížit množství defektů smrštění a vytvořit rovnoměrné struktury během struktury zrna pomocí pečlivě zvolených systémů hradítek a stoupání.

Výzvy a inovace při lití hliníku do písku

Přestože lití hliníku do písku obstálo jako univerzální a nákladově efektivní výrobní metoda, čelí mnoha technickým a provozním problémům, které ovlivňují kvalitu odlitků, efektivitu výroby a rozšiřitelnost. Naštěstí se tento proces s pomocí nových inovací řešení výrazně proměňuje, protože průmysl těmto výzvám čelí pomocí nových nástrojů a technologií. Zde je uveden další rozbor jak výzev, které nadále sužují umění lití hliníku do písku, tak i nových inovací, které v této oblasti zřejmě vznikly.

1. Kvalita taveniny a pórovitost plynu

Výzva:

Jedním z nejkritičtějších a nejtrvalejších problémů při odlévání hliníku do písku je pórovitost plynů, především v důsledku absorpce vodíku. Hliník má při tavení tendenci absorbovat plynný vodík, zejména za přítomnosti vlhkých podmínek nebo při zneužití použitím kontaminovaných náplní. Při ochlazování kovu rozpustnost vodíku klesá, a proto se plyn sráží a vytváří v odlitku drobné otvory. Tyto póry vážně omezují odolnost proti únavě a těsnicí schopnosti i mechanickou pevnost.

Inovace:

Tento problém byl vyřešen použitím moderní technologie odplyňování v moderních slévárnách, jako je rotační technologie odplyňování, použití inertních plynů, jako je argon nebo dusík. Tyto systémy míchají taveninu, aby se zvětšila její plocha a uvolnil se zachycený vodík. Kromě toho se k odstranění oxidů a vměstků používají systémy proplachovacích kroužků v odplyňovací lince. Některé závody dokonce zavádějí senzory pro monitorování plynů v reálném čase, které vyhodnocují stav vodíku během tavení a lití.

2. Rozměrný smutek a plíseň, která se na něj lepí

Výzva:

Dodržet přísné rozměrové tolerance při metodě lití hliníku do písku není snadné, protože písková forma je proměnlivá. Tyto geometrické změny mohou být způsobeny mimo jiné zhutněním písku, vlhkostí a také tepelnou roztažností, což způsobuje, že některé díly již nejsou v rámci svých specifikací. Také opakovaně použitelné vzory znamenají vyšší pravděpodobnost vibrací až rozměrových posunů, a to se v průběhu času nebere v úvahu.

Inovace:

Aby se tomu zabránilo, používá řada sléváren digitálně řízené formovací stroje, které zajišťují rovnoměrný tlak při zhutňování forem a dosahují určité míry jednotnosti kvality forem. 3D pískový tisk (binder jetting) mění tvorbu forem, protože nevyžaduje fyzický vzor. Tyto odlévací formy jsou vysoce přesné na úroveň mikronů, vhodné pro výrobu prototypů a malých výrobních sérií. Ve spojení se softwarem pro simulaci odlévání jsou inženýři schopni simulovat rozměrové změny při chlazení a kompenzovat změny při návrhu vzoru.

3. Lehká automatizace a silná závislost na práci

Výzva:

Tradiční postupy lití hliníku do písku jsou náročné na pracovní sílu, zejména na přípravu formy, lití a dokončovací práce. Ruční operace omezují nejen výkon, ale také variabilitu odlitku. Kromě toho se může ukázat, že využití kvalifikované pracovní síly je úzkým místem, zejména v oblastech, kde je pracovní síly nedostatek.

Inovace:

Robotická automatizace mění opakující se a rizikové operace, jako je aktuálnost forem, lití a broušení. Kolaborativní roboty (coboty) by měly schopnost spolupracovat s lidmi při základní montáži a vytahování odlitků. Slévárny také přijímají automatizovaná zařízení pro lití, která mají laserové senzory a systémy vidění, aby bylo možné přesně kontrolovat rovnováhu v rychlosti lití a teplotu lití. Takové pokroky přispívají nejen k efektivitě výroby, ale také k bezpečnosti a unifikaci pracoviště.

4. Předpověď kořenové příčiny vad odlitků

Výzva:

Obavy z vad odlitků, jako jsou studené uzávěry, trhliny za tepla, smršťovací otvory a vměstky, jsou i nadále hlavním faktorem, který přispívá k plýtvání materiálem a vadám výrobků. Primární příčinu těchto vad je třeba identifikovat a odstranit, aby se zabránilo jejich opakovanému výskytu; to by vyžadovalo hluboké znalosti dynamiky tekutin, tepelných gradientů a dynamiky slitin - aspektů, které nejsou v žádné slévárně bez zvláštních opatření snadno dostupné.

Inovace:

V poslední době jsou k dispozici sofistikované balíky pro výpočetní dynamiku tekutin (CFD) a modelování tuhnutí, které inženýrům umožňují simulovat celý proces odlévání ve virtuálním světě. Počítačový software FLOW-3D Cast, ProCAST a MAGMASoft patří mezi softwary, které umožňují předvídat vady roztavené oceli a místa, kde se vady pravděpodobně vytvoří ještě před odlitím jakéhokoli kovu. Tyto nástroje se používají k optimalizaci systémů vtoků, umístění stoupaček a strategií chlazení, aby bylo možné získat odlitky bez vad. Dále se pracuje na modelech strojového učení, kde se údaje o vadách z minulosti používají k analýze a poskytování doporučení v reálném čase, jak proces upravit.

5. Udržitelnost životního prostředí a nakládání s odpady

Výzva:

Při lití hliníku do písku vzniká odpad v podobě použitého písku, kovové strusky, zbytků tavidla a dílů, které neodpovídají specifikaci. Zejména likvidace písku představuje problém, protože chemicky vázaný písek nemusí být snadné recyklovat. Také vysoká spotřeba energie při tavení značně zvyšuje uhlíkovou stopu slévárenských procesů.

Inovace:

Většina progresivních sléváren investuje do uzavřených systémů regenerace písku, které recyklují dříve použitý písek pomocí termomechanických procesů. Tyto systémy snižují počet skládek i náklady na suroviny. Z energetického hlediska jsou indukční tavicí pece účinnější a mají minimální emise než jejich tradiční obdoby, plynové reverzační pece. Solární energie, recyklace odpadního tepla a monitorování energie v reálném čase také pomáhají slévárnám snižovat dopad na životní prostředí, protože splňují stále přísnější regulační požadavky.

6. Omezení způsobená slitinou a obtížnost metalurgie

Výzva:

Použití použitelných hliníkových slitin při odlévání do písku je spojeno s kompromisem mezi slévatelností, mechanickými vlastnostmi a tepelným zpracováním. Některé vysoce výkonné slitiny mají špatnou tekutost nebo jsou náchylné k trhání za tepla během tuhnutí, a proto je nelze použít ve složitých tvarech.

Inovace:

Metalurgové přicházejí s novými specifikacemi hliníkových slitin, které jsou speciálně navrženy pro lití do písku. Jedná se o slitiny modifikované vzácnými zeminami, které zvyšují tekutost a minimalizují praskání, a o hliníkové prášky zpevněné nanočásticemi, které mají lepší poměr pevnosti k hmotnosti. Rovněž se standardizují procesy zušlechťování zrn pomocí hlavních slitin (např. Al-Ti-B) ve prospěch jednotné mikrostruktury slitin a zajištění lepších mechanických vlastností po odlití.

7. Digitalizace a inteligentní slévárny

Výzva:

Běžné slévárny se v zásadě řídí znalostmi, které většinou vycházejí ze zkušeností, a nikoli z údajů v reálném čase, a proto dochází k nekonzistenci a minimální sledovatelnosti výroby.

Inovace:

Inteligentní slévárny vznikají v souvislosti s praktickým nástupem technologií Průmyslu 4.0. Taková zařízení využívají senzory internetu věcí, cloudovou analytiku a digitální dvojčata ke sledování teplot, tlaku, vlhkosti a také podmínek ve formě v různých fázích procesu odlévání. Informace týkající se různých fází jsou vloženy do centralizovaných řídicích panelů, což umožňuje předvídat údržbu, zajišťování kvality a neustálé zlepšování. Digitální dvojčata, která vytvářejí virtuální rozšířené verze celého procesu odlévání, lze využít k optimalizaci procesu a vysledování hlavních příčin bez nutnosti zastavení výroby.

Závěr

Odlévání hliníku do písku hraje v průmyslové výrobě i nadále zásadní roli a umožňuje efektivní a hospodárnou výrobu jednoduchých i složitých dílů. S rozvojem materiálových věd a slévárenských technologií je tento proces ještě přesnější, udržitelnější a flexibilnější, aby vyhovoval potřebám moderní výroby. Vzhledem k tomu, že se rozvíjí průmysl spojený se simulací, automatizací a výzkumem slitin, který dosáhl kapacity slévárny hliníkových odlitků do písku, je oživení tohoto typu řemesla vzhledem k poptávce po lehkých a vysoce výkonných kovových dílech na spadnutí.

Ať už se jedná o služby specializovaného odlévání hliníku do písku, nebo o pečlivé inženýrství při odlévání do písku. hliníkové díly,tato technika zůstane nedílnou součástí průmyslových odvětví, která si cení konstrukční celistvosti, flexibility konstrukce a nákladově efektivní výroby.

Často kladené otázky: Často kladené otázky 

1: Co je to lití hliníku do písku?

Odlévání hliníku do písku je proces, při kterém se roztavený hliník nalévá do pískových forem a vytváří se tak složité kovové díly. Lze jej dokonale využít v případech, kdy je zapotřebí nízký až střední objem výroby a jedná se o velké díly.

2: Kde se používají hliníkové díly odlévané do písku?

Hliníkové díly odlévané do písku se běžně používají v automobilovém, leteckém, námořním a průmyslovém průmyslu pro komponenty, jako jsou skříně, držáky a části motorů.

3: Jak mám postupovat při výběru vhodné slévárny hliníkových odlitků do písku?

Hledejte slévárnu známou jako slévárnu hliníku v písku s rozsáhlým řízením kvality, technickou podporou, znalostmi slitin a dalšími možnostmi přidané hodnoty, jako je obrábění a tepelné zpracování.