Mitä on painovoimavalu? Avaintietoja valmistajille

Nykyaikaisessa valmistuksessa metallivalu on erittäin tärkeää, kun halutaan valmistaa komponentteja, joiden geometria on monimutkainen ja korkealaatuinen. Yksi tehokkaimmista tavoista tehdä tämä on painovoimavalu. Tässä prosessissa yhdistyvät tarkkuus, tehokkuus ja kustannustehokkuus, joten se on suosittu ratkaisu esimerkiksi autoteollisuudessa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa sekä teollisuuslaitteissa. Pohjimmiltaan painovoimavalussa käytetään painovoimaa täyttämään metallimuotti ilman korkeapainelaitteita, jolloin prosessi ei ole monimutkainen. Jos olet insinööriopiskelija, tuotantopäällikkö tai vain kiinnostunut valutekniikoista, painovoimavalun oppiminen on ratkaisevan tärkeää, jotta voit omaksua yleisen näkemyksen metallituotannosta.

Tässä artikkelissa käsitellään alumiinin painovoimavalun perusperiaatteita, sen tekemistä, tärkeitä tekijöitä, kuten lämpötilaa ja aikaa, käytettävien materiaalien tyyppiä sekä sen etuja ja haittoja sekä yleisiä sovelluksia.

Miten alumiini painovoima Die Casting toimii?

Alumiinin painovoimavalu on kestomuottivaluprosessi, jota käytetään yleisesti värimetalliosien valmistukseen. Alumiinin painovoimavalussa sulaa alumiinimetallia valetaan uudelleenkäytettävään metallimuottiin ainoastaan painovoiman vaikutuksesta. Painovoimavalussa ei käytetä korkeapainevalua, jossa käytetään tuhansien psi:n painetta metallin puristamiseksi muottiin, vaan painovoimavalussa käytetään pelkästään luonnollisia painovoimia, jolloin sula metalliseos voi virrata muotin onteloihin ilman rajoituksia.

Seuraavassa on esitetty tyypillinen prosessi, johon tämä toiminta liittyy:

1. Kun metallimuotti (yleensä valurautaa tai terästä) on esilämmitetty noin 150-300 °C:een lämpöshokkien välttämiseksi ja metallin sujuvan virtauksen edistämiseksi, se työnnetään kohti metallimuottia.
2. Muotti peitetään keraamisella tai grafiittisella voiteluaineella, jotta sula metalli ei tartu siihen.
3. Muottiin kaadetaan sulaa metallia (alumiini-, magnesium- tai kupariseosta), joka on kuumennettu noin 650-750 °C:seen (materiaalista riippuen).
4. Sulanut metalli työnnetään muotin onteloon ruiskun kautta ja täyttää koko muotin painovoiman vaikutuksesta.
5. Muotti saa valukappaleen jähmettymään 20-90 sekunnin kuluessa koosta ja materiaalista riippuen.
6. Tämän jälkeen suulake avataan, ja se poistetaan käsin tai poistetaan suulakkeesta.
7. Ennen kuin tuote pääsee viimeistelyyn, ylimääräinen materiaali leikataan pois juoksuputkista ja kouruista.

Koska prosessissa käytetään painovoimaa eikä mekaanista painetta, laitteiden asennus on yksinkertaisempaa ja huolto- sekä työkalukustannukset ovat yleensä alhaisemmat.

Vaiheittainen prosessi painovoimavalussa

Painovoimavalutekniikka on suosittu sen helpon toistettavuuden vuoksi, ja sen avulla voidaan myös valmistaa korkealaatuista metallia, jossa on tiukat toleranssit. Toisin kuin korkeapainevalussa, siinä käytetään pelkkää painovoimaa ja täytetään muottipesä, mikä tekee koko prosessista kustannustehokkaamman ja mekaanisesti vähemmän hankalan.

Alla on vaiheittainen opas siitä, miten alumiinin painovoimainen painevalu tehdään tavallisessa kokoonpanossa:

1. Muotin valmistelu

Alumiinin painovoimavalun alkuprosessi on muotin eli niin sanotun muotin valmistaminen. Terästä tai valurautaa käytetään yleensä näiden muottien valmistuksessa, jotka on tarkoitettu toistuvaan käyttöön. Muotti puhdistetaan kunnolla sen jälkeen, kun metallia voidaan kaataa, jotta aikaisempien valujen jättämät jäämät voidaan poistaa.

Puhdistuksen jälkeen muotti esilämmitetään lämpötilassa 150-300 300 °C. Esilämmitys tarkoittaa sitä, että sula alumiiniseos ei jäähtyisi liian nopeasti kosketuksen yhteydessä, mikä johtaisi esimerkiksi kylmähalkeamiin tai riittämättömään täyttöön. Muotin sisäpinnalle levitetään irrotusaine, joka on yleensä grafiitti- tai keraaminen pinnoite. Tällä on kaksi tehtävää: se varmistaa, että sula alumiiniseos ei tartu muottiin, ja auttaa saamaan lopputuotteeseen sileämmän pinnan.

2. Alumiiniseoksen sulatus

Muotin valmistusta seuraa valitun metalliseoksen sulattaminen. Metalliseosten määrät asetetaan uuniin ja sulatetaan seoksesta riippuvaan valulämpötilaan. Esimerkiksi alumiiniseosten sulamispisteet ovat yleensä 650-750 °C:n välillä, kun taas kuparipohjaiset seokset saattavat vaatia 900-1100 °C:n sulamispisteitä.

On erittäin tärkeää, että sulamislämpötilaa voidaan hallita tarkasti. Liiallinen kuumentaminen voi aiheuttaa hapettumista tai kaasujen imeytymistä, kun taas liian vähäinen kuumentaminen voi johtaa muottien epätäydelliseen täyttymiseen tai huonoihin mekaanisiin ominaisuuksiin.

3. Sulan metallin valaminen seos

Kun oikea sulan lämpötila on saavutettu, sula metalli kaadetaan esilämmitettyyn muottiin. Painovoimavalussa ei käytetä mitään mekaanista voimaa tai edes painetta. Painovoima saa alumiiniseokset virtaamaan luonnollisin keinoin muotin ontelon sisäänkäyntiin useiden ruiskujen ja porttien kautta.

Tämä vaihe edellyttää hidasta ja hallittua kaatamista, jotta ei synny turbulenssia, joka voi sitoa kaasuja ja aiheuttaa huokoisuutta valukappaleeseen. Joissakin kehittyneissä järjestelmissä on mahdollisuus kallistaa muottia hyvin hitaasti valun aikana - kallistava painovoimavalu, jolla luodaan tasainen ja tasainen metallivirtaus.

4. Muotin ontelon täyttäminen

Kun sula metalli tunkeutuu muottiin, se täyttää kaikki ontelon osat muotin muodon mukaisesti. Muotin suunnittelu on tässä vaiheessa erittäin tärkeää. Oikein suunnitellut sulkujärjestelmät jakavat metallin niin, että vältetään turbulenssi, kylmät kohdat tai alueet, joilla on mahdollista kutistumista.

Koska metallin virtaukseen käytetään pelkkää painovoimaa, on välttämätöntä, että metalli valetaan oikealla nopeudella ja lämpötilassa. Virtauksen hallinnan puute voi aiheuttaa sellaisia virheitä kuin epätäydelliset täytöt tai kylmät sulut - paikat, joissa kaksi metallirintamaa koskettaa toisiaan, mutta ei sulaa yhteen.

5. Jähmettyminen ja jäähdytys

Kun ontelo on täytetty, sula metalliseos alkaa jäähtyä ja muuttua kiinteäksi. Jäähdytysaika riippuu valukappaleen koosta ja monimutkaisuudesta sekä käytetystä metallilajista. Esimerkiksi pienet alumiiniosat voivat jähmettyä jo 20-30 sekunnissa, kun taas suuret tai paksummat osat voivat kestää 60-90 sekuntia ja enemmän.

Useimmissa tapauksissa muotti on vesijäähdytteinen, jotta jäähdytysnopeutta voidaan hallita. Hallittu jäähdytys parantaa raerakennetta ja sisäisiä jännityksiä ja vähentää niitä, mikä tekee valukappaleista vahvempia ja luotettavampia.

6. Särmäyspuristimen avaaminen ja osan irrottaminen

Muotti avataan alumiiniseoksen jähmettymisen jälkeen. Mallista riippuen valukappale voidaan poistaa käsin tai se voidaan poistaa muottiin asennettujen mekaanisten ulosheittotappien aiheuttaman paineen avulla. Koska luokkavalussa käytetään metallista muottia, muotin voi käyttää uudelleen tuhansia kertoja, ja näin ollen prosessi on kustannustehokas keskisuurille ja suurille sarjoille.

Niin paljon kuin osia on poistettava, on huolehdittava siitä, että valukappale tai muotti ei vahingoitu. Tässä vaiheessa valukappaleeseen on vielä jäänyt ylimääräistä materiaalia juoksuputkista ja portista, joka on poistettava seuraavassa vaiheessa.

7. Viimeistely ja viimeistely

Uuttovalussa on yleensä ylimääräistä metallia, joka kiinnitetään ruiskuun ja sulkujärjestelmään. Tämä materiaali katkaistaan mekaanisesti sahan, saksilla tai hiomalaitteilla. Muita viimeistelytoimintoja voivat olla muun muassa purseenpoisto, hiekkapuhallus, koneistus tai lämpökäsittely, tapauksesta riippuen, tuotteen spesifikaatiota varten.

Tämän vaiheen tarkoituksena on hienosäätää valukappaleen ulkonäköä, lisätä mittatarkkuutta ja valmistella se lopulliseen käyttöön tai kokoonpanotyöhön.

8. Tarkastus ja laadunvalvonta

Painovoimavalumenetelmän viimeinen prosessi on tarkastus. Valukappaleiden pintavirheet, mittatoleranssit ja sisäiset virheet testataan luotettavasti. Ensin tehdään silmämääräinen tarkastus, ja sen jälkeen tarpeen mukaan muita kehittyneempiä tekniikoita, kuten esim:

• Sisäisen huokoisuuden tai kutistuman tunnistamiseksi tilataan röntgentutkimus.
• Pinnan halkeamat väriaineen tunkeutumistestauksen avulla.
• Rakenteellisen johdonmukaisuuden ultraäänitarkastus
• Painetestaus, erityisesti nestekäsittelyn komponenttien osalta.

Ainoastaan ne valukappaleet, jotka ovat läpäisseet kaikki laatutarkastukset, vapautetaan käytettäväksi tai toimitettavaksi asiakkaille. Hylätyt osat yleensä sulatetaan ja kierrätetään, mikä vähentää materiaalihukkaa.

Painovoimavalun tyypit

Painovoimavalu on monipuolinen prosessi, jota on saatavana eri muodoissa, joilla pyritään vastaamaan erilaisiin kappaleiden geometrioihin, materiaaleihin ja tuotantoon erilaisilla tarpeilla. Vaikka idean ydin - metallimuotin täyttäminen painovoiman avulla - on säilynyt, painovoimavaluprosessissa on erityisiä tyyppejä tai pikemminkin menetelmiä, joita eri valmistajat soveltavat tietyn sovelluksen täyttämiseksi.

1. Pysyvä muotti painovoimavalu

Tämä on tyypillisin painovoimavalu. Suurten määrien valmistaminen samasta komponentista tehdään uudelleenkäytettävän metallimuotin avulla (useimmiten teräksestä tai valuraudasta). Muotti esilämmitetään, levitetään irrotusaine ja täytetään sulalla metallilla. Jähmettymisen jälkeen osa irrotetaan muotista, jossa se kierrätetään.

Sovellukset: Autojen osat, putkistojen liitososat ja pumppujen kotelot.

Edut: Korkea mittatarkkuus, hyvä pintakäsittely ja pitkäikäinen muotti.

2. Kallistava painovoimavalu

Muotti kallistuu hitaasti valuprosessin aikana tässä menetelmässä. Näin sula metalli täyttää muotin ontelon hitaasti ja tasaisesti, jolloin vältetään turbulenssit ja kaasun tai kylmän sulkemisen mahdollisuus.

Sovellukset: Ohutseinäiset komponentit tai osat, joihin voi jäädä ilmaa

Edut: Parempi sisäinen lujuus, parempi pinta ja vähemmän vikoja.

3. Matalapaineinen painovoimavalu (hybridi)

Teknisesti ottaen tämä on erillinen kategoria, vaikka jotkut saattavat pitää sitä muunnelmana, jossa sulaan metalliin kohdistetaan alhainen kaasunpaine (yleensä 0,7-1,5 bar) ja se työnnetään varovasti muottiin. Siinä yhdistyvät painovoimavalun yksinkertaisuuden edut sekä jotkin paineen hallinnan edut.

Sovellukset: Ajoneuvojen pyörät ja rakenneosat ovat myös korkealaatuisia valuja.

Edut: Parempi metallin virtauksen hallinta, paremmat mekaaniset ominaisuudet

4. Hiekka-ydinavusteinen painovoimavalu

Menetelmässä käytetään hiekkasydämiä, jotka työnnetään metallimuottiin, jolloin voidaan muodostaa sisäisiä onteloita tai alikulmia, joita ei olisi koskaan mahdollista luoda käyttämällä vain kiinteää metallimuottia.

Sovellukset: Monimutkaiset moottorin osat, venttiilirungot

Edut: Mahdollistaa edistyksellisten osien valmistuksen ja samalla nauttii kestomuotin pidennetystä käyttöiästä. 

Pöytä: Painovoimavalun tyypit

Painovoimavalussa käytettävät materiaalit 

Painovoimavalu on yksi yleisimmistä kestomuottivalumenetelmistä, ja sitä käytetään useimmiten värimetalliseoksissa. Tässä prosessissa käytettävillä materiaaleilla on oltava korkea juoksevuus, kohtalaiset sulamispisteet ja erinomainen valettavuus, jotta sula metalli voi toimia ilman vikoja täyttämällä muotin ontelon. Koska painovoimavalussa käytetään ainoastaan painovoimaa muotin täyttämiseen ilman ulkoista painetta, materiaalin valinta on entistäkin kriittisempi tekijä mittatarkkuuden, pinnanlaadun ja lujuuden saavuttamiseksi. Painovoimavalussa käytetään pääasiassa seuraavia materiaaleja;

Alumiiniseokset

Alumiini on yleisimmin käytetty materiaali painovoimaisessa painevaluprosessissa, koska se on kevyt, poikkeuksellisen korroosionkestävä ja helppo valaa. Tyypillisiä alumiiniseoksia ovat A356, AlSi12 ja A319. Tällaiset seokset tarjoavat hyvän yhdistelmän lujuutta, sitkeyttä ja lämmönjohtavuutta, minkä vuoksi ne soveltuvat autojen osiin, kuten moottorilohkoihin, sylinterinpäihin, vaihteistokoteloihin ja muihin rakenneosiin.

Painovoimaisessa painevalussa käytettävät alumiiniseokset sulavat tyypillisesti 660 °C:n ja 750 °C:n lämpötila-alueella. Sula alumiini virtaa tasaisesti metallimuottiin ja jäähtyy nopeasti, jolloin muodostuu tiheä, hienorakeinen rakenne. Näille voidaan tehdä myös T5- tai T6-lämpökäsittely, joka parantaa mekaanista suorituskykyä. Alumiinin painovoimavalu antaa korkean mittatarkkuuden, hyvän pintakäsittelyn ja pitkän käyttöiän, kun muotti on hyvin huollettu.

Kuparipohjaiset seokset

Painovoimavalu on mahdollista myös kupariseoksilla, erityisesti pronssilla ja messingillä. Näitä materiaaleja käytetään silloin, kun tarvitaan korkeaa kulutuskestävyyttä, erinomaista lujuutta ja erinomaista lämmön- ja sähkönjohtavuutta. Pronssivaluja käytetään esimerkiksi laivojen potkureissa, pumppujen koteloissa ja laakereissa, kun taas messinkiä käytetään esimerkiksi LVI-kalusteissa ja koristeellisissa laitteissa.

Sulamislämpötilojen osalta kuparipohjaiset seokset ovat korkeampia, 1000-1200 celsiusasteen välillä. Tämä asettaa muotin materiaalin sietämään lämpörasitusta, ja valuprosessin odotetaan olevan hyvin hallittu hapettumisen ja kutistumisvirheiden estämiseksi. Kupariseoksia käyttävällä painovoimavalulla voidaan saada aikaan vahvoja osia, jotka palvelevat erinomaisesti ääriolosuhteissa, jos niitä hallitaan asianmukaisesti.

Magnesiumseokset

Magnesiumseoksia käytetään painovoimaisessa painevalussa silloin, kun kevyiden rakenteiden suunnittelu on keskeistä, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuudessa ja autoteollisuudessa. Joitakin yleisimpiä seoksia ovat AZ91D, jossa yhdistyvät hyvä tasapaino lujuuden, valettavuuden ja korroosionkestävyyden välillä. Sen tärkein etu on alhainen tiheys, joka on noin 1,8 g/cm³, mikä tarkoittaa, että se on kevyin rakenteellinen metalli, jota käytetään.

Magnesiumseokset nesteytetään noin 600-650 °C:ssa. Korkean reaktiivisuutensa vuoksi ne on valettava suojaavassa ympäristössä tai vuon avulla hapettumisen ja palamisen välttämiseksi. Painovoimavalun avulla voidaan kuitenkin valmistaa magnesiumkomponentteja hyvällä tarkkuudella ja pienemmällä jätemäärällä kuin muilla muokkausmenetelmillä.

Sinkkiseokset

Vaikka sinkki soveltuu paremmin korkeapainevaluprosessiin, sitä on käytetty myös painovoimavalussa erityissovelluksissa, erityisesti pienissä, tiiviisti istuvissa osissa, joissa on tiukemmat toleranssit. Sinkkiseoksia, kuten Zamak 3:a ja Zamak 5:tä, suositaan matalan sulamispisteen (noin 385 °C), hyvän juoksevuuden ja hienojen yksityiskohtien jäljentämisen vuoksi muoteissa.

Sinkkipainovoimavaluja käytetään elektroniikka- ja kuluttajatuotteissa sekä vähän kuormitetuissa mekaanisissa osissa. Sinkin käytön tärkein etu painovoimaisessa painevalussa on kyky tehdä teräviä reunoja ja hienoja piirteitä ilman suuria työstöprosesseja. Koska sen mekaaninen lujuus on kuitenkin alhainen verrattuna alumiiniin tai kupariin, sitä voidaan käyttää vain muuhun kuin rakenteelliseen käyttöön.

Piillä parannetut alumiiniseokset

Alumiiniseokset, kuten AlSi12, jotka sisältävät runsaasti piitä, ovat ihanteellisia painovoimaiseen painevaluun, koska lisätty pii lisää juoksevuutta, vähentää kutistumista ja parantaa kulumiskestävyyttä. Tällaisia seoksia käytetään laajalti moottorin osissa, jarrupaloissa ja hydrauliikkakoteloissa, joissa mittatarkkuus ja lujuus ovat tärkeitä.

Piipitoisuus, joka on välillä 7-12%, parantaa entisestään seoksen kykyä täyttää monimutkaisia muotteja ilman kuumarepeytymistä tai kaasuhuokoisuutta. Nämä seokset kiteytyvät johdonmukaisesti, jolloin syntyy vähemmän vikoja ja jälkikäsittely on vähäistä.

Vaihtoehdot painovoimavalulle

Painovoimavalu on yleisesti käytetty tekniikka, jolla valmistetaan keskisuuria tai suuria metalliosia, joilla on hyvät mekaaniset ominaisuudet. Se ei kuitenkaan ole aina paras valinta. Monet tekijät, kuten kappaleen monimutkaisuus, haluttu pintakäsittely, kustannukset ja tuotantomäärä, ovat keskeisiä valutekniikan tyypin määrittämisessä. Valmistajat voivat tällaisissa tapauksissa turvautua erilaisiin muihin vaihtoehtoisiin valumenetelmiin. Seuraavassa tarkastellaan tarkemmin painovoimavalun tärkeimpiä vaihtoehtoja ja niiden vahvuuksia, heikkouksia ja tavanomaisia sovelluksia.

Hiekkavalu

Perinteisin ja joustavin valumenetelmä on hiekkavalu. Se sisältää työskentelyn muottipesän kanssa valmistamalla hiekkaseosta, joka yleensä sidotaan savella tai kemiallisilla sideaineilla. Hiekkamuotin muotoiluun käytetään yleensä puusta tai metallista valmistettua mallia. Muotin muotoilun jälkeen onteloon täytetään sulaa metallia.

Tämä prosessi on erityisen hyvä pienille tai keskisuurille tuotantomäärille, suurille osille tai osille, joissa on monimutkaisia sisäisiä geometrisia rakenteita, joita ei voida helposti saavuttaa kiinteässä metallissa. Hiekkavalu on suhteellisen edullinen työkalujen valmistuskustannusten suhteen, joten se soveltuu prototyyppien valmistukseen tai tilaustöihin.

Hiekkavalu johtaa kuitenkin karkeaan viimeistelyyn ja huonompaan mitoitustarkkuuteen kuin painovoimavalu. Muotti tuhoutuu jokaisen käyttökerran jälkeen, joten tuotantoaika ja materiaalihävikki kasvavat suurissa sarjoissa. Hiekkavalu on kuitenkin joustava vaihtoehto, kun asetuskustannukset ovat alhaiset.

Korkeapainevalu

Korkeapainevalussa (HPDC) käytetään sulan metallin ruiskutusta teräsmuottiin korkeassa paineessa eli 600-1200 baarin (1 paine) välillä. Tämän menetelmän avulla voidaan luoda monimutkaisia muotoja, joiden mittatarkkuus ja pinnan laatu ovat suuria ja nopeatempoisia.

HPDC on erityisen hyödyllinen, kun valmistetaan ohutseinäisiä osia, joita ei olisi mahdollista valaa pelkällä painovoimatekniikalla. Se on yleinen käytäntö auto-, elektroniikka- ja kodinkoneteollisuudessa. Lyhyet sykliajat ja korkeat automatisointiominaisuudet tekevät siitä kustannustehokkaan erittäin suurten tuotantomäärien valmistuksessa.

Painovoimavaluun verrattuna ensisijaisia haittoja ovat liian kalliit työkalut sekä taipumus kaasun sulkeutumiseen, mikä voi johtaa huokoisuuteen lopullisessa valutuotteessa. Korkean paineen vuoksi prosessi rajoittuu yleensä pienempiin osiin, eikä sitä voida käyttää suurempiin tai paksumpiin osiin.

Matalapaineinen painevalu

Matalapainevalu (LPDC) on painovoimavalun muunnettu versio. Sen sijaan, että sulaa metallia vain kaadettaisiin muottiin, uunin kammioon kohdistetaan ylipaine (0,7-1,5 bar), joka saa sulan metallin nousemaan muottiin nousuputkeksi kutsutun putken kautta.

Tällä menetelmällä metallin virtaus on paremmin hallittavissa ja kaasuhuokosten riski on mahdollisimman pieni. Sitä käytetään yleisesti sovelluksissa, jotka vaativat erittäin eheitä osia, kuten autojen pyörät ja rakenteelliset alumiiniosat. LPDC johtaa myös parempiin mekaanisiin ominaisuuksiin ja parempiin romuasteisiin verrattuna painovoimaiseen painevaluun.

Lisääntyneellä valvonnalla on kuitenkin hintansa. Tekniikka on monimutkaisempaa ja kalliimpaa, ja prosessi on pidempi. Näissäkin olosuhteissa LPDC valitaan usein silloin, kun tarvitaan parempaa valun laatua ja sisäistä eheyttä.

Keskipakovalut

Keskipakovalussa muottia pyöritetään suurella nopeudella ja siihen kaadetaan sulaa metallia. Keskipakovoimat pakottavat metallin kovaa muotin seinämiä vasten, mikä auttaa vähentämään huokoisuutta ja luomaan erittäin hienorakeisen rakenteen.

Tämä tekniikka soveltuu sylinterimäisille tai putkimaisille osille eli putkille, renkaille ja holkeille. Suuntautuneen kiteytymisen ja tiiviin rakenteen ansiosta muotoilluilla osilla on yleensä korkeat mekaaniset ominaisuudet ja alhaiset kulumisominaisuudet.

Keskipakovalua rajoittaa kuitenkin merkittävästi kappaleen geometria - sitä voidaan käyttää vain silloin, kun kyseessä ovat symmetriset muodot, ja monimutkaisia sisäisiä piirteitä on vaikea toteuttaa. Alkuperäiset asetukset ja laitteet ovat myös melko erikoistuneita, mikä osoittautuu esteeksi joillekin toiminnoille. Pyöreiden, suuritehoisten osien tapauksessa keskipakovaluvalu on kuitenkin hyvä vaihtoehto painovoimavaluun verrattuna.

Sijoitusvalu (Lost-Wax Casting)

Sijoitusvalu, jota kutsutaan myös kadotetun vahan valuksi, on prosessi, jossa valmistettavasta osasta luodaan vahan muoto, levitetään keraaminen (pinnoite) ja sulatetaan vaha pois niin, että jäljelle jää ontelo. Tämän jälkeen tähän onteloon kaadetaan kuumaa metallia lopullisen osan valmistamiseksi.

Tämä prosessi on erittäin arvokas, koska sen avulla voidaan valmistaa hyvin monimutkaisia ja yksityiskohtaisia osia, joiden muoto on lähes verkon muotoinen. Se soveltuu erinomaisesti suhteellisen pienille tai keskikokoisille osille, joiden mittatarkkuus on suuri ja joiden esteettiset ominaisuudet edellyttävät laadukasta pintakäsittelyä, kuten turbiinien lavat, ilmailu- ja avaruustekniikan osat ja korut.

Painovoimaiseen painevaluun verrattuna tarkkuusvalun tuotantonopeus on hitaampi ja kustannukset ovat korkeat osaa kohti, varsinkin kun kappaleen määrä on suuri. Muotit ovat myös kertakäyttöisiä ja niissä on enemmän vaiheita. Jos kyseessä ovat monimutkaiset osat, joita ei voida valmistaa painovoimavalulla, tarkkuusvalu on kuitenkin yleensä paras vaihtoehto.

Milloin käyttää vaihtoehtoja?

Parhaan vaihtoehdon valinta painovoimavaluprosessille riippuu kappaleen tarpeista ja tuotanto-olosuhteista. Esimerkiksi hiekkavalu sopii erinomaisesti kertaluonteisille tai suurille, painaville osille. Korkeapainevalu soveltuu laajamittaiseen tuotantoon, jossa tarvitaan karkeat yksityiskohdat. Matalapainevalu sopii erinomaisesti, jos käyttötarkoitukset edellyttävät parempaa sisäistä eheyttä. Keskipakovalua ei voi voittaa, kun kyseessä ovat pyöreät osat, kun taas tarkkuusvalu soveltuu paremmin monimutkaisiin ja erittäin tarkkoihin kappaleisiin.

Jokaisella menetelmällä on erilaiset kompromissit hinnan, työkalujen, nopeuden ja kappaleen laadun suhteen. Näin tehdessä päätös on yleensä näiden tekijöiden tasapaino lopputuotteen toiminnallisuuden ja esteettisyyden kanssa.

Prosessiparametrit: Lämpötila, paine ja aika 

Useat tekniset parametrit vaikuttavat painovoimavalun onnistumiseen:

1. Kaatolämpötila

Alumiiniseoksilla tämä on yleensä 650 - 750 °C. Kuuman purkin ylivalaminen aiheuttaa kaasun sulkeutumista ja huokoisuutta. Liian kylmä, metalli ei välttämättä pääse muottiin kokonaan.

2. Muotin lämpötila

Muotit kuumennetaan yleensä 150-300 °C:een. Esilämmitetty muotti varmistaa, että metalli ei jähmety liian nopeasti ja metallin virtaus muuttuu tasaisemmaksi.

3. Jäähdytysaika

Metallin on annettava jähmettyä, ennen kuin se poistetaan valun jälkeen. Jäähdytysajat vaihtelevat seoksesta ja kappaleen geometriasta riippuen, mutta ne ovat yleensä 20-90 sekuntia.

4. Vain painovoima (ei ulkoista painetta)

Painovoimavalussa ei käytetä ulkoista voimaa verrattuna painevaluun. Tällainen yksinkertaisuus vähentää kustannuksia ja laitteiden kulumista.

5. Voitelu ja pinnoitus

Muottien pinnat voidellaan irrotuksen ja pinnan viimeistelyn helpottamiseksi. Tyypillisiä pinnoitteita ovat esimerkiksi boorinitridi- ja grafiittisuspensiot.

Näitä kolmea parametria on hallittava erittäin hyvin, jotta voidaan optimoida korkealaatuiset valukappaleet, joissa on mahdollisimman vähän puutteita, kuten huokoisuus, kutistuminen ja kylmäsulkeumat.

Painovoimavalun sovellukset 

Painovoimavalu on yksi suosituimmista metallien valukäytännöistä, joita on sovellettu laajalti eri teollisuudenaloilla, koska sen avulla voidaan valmistaa tarkkoja, pitkäikäisiä ja monimutkaisia osia värimetalleista. Prosessi tarjoaa korkean toistettavuuden, riittävät mekaaniset ominaisuudet ja tarkan mittasuhteiden hallinnan, mikä tekee prosessista soveltuvan sekä rakenteellisiin että toiminnallisiin sovelluksiin. Seuraavassa on lueteltu tärkeimmät alat ja joitakin esimerkkejä, joilla painovoimavalua käytetään kriittisesti.

1. Autoteollisuus

Autoteollisuus on yksi painovoimavalettujen komponenttien suurimmista kuluttajista. Tekniikka sopii erinomaisesti osien valmistus joissa on oltava lujuutta, lämmönkestävyyttä ja mittapysyvyyttä.

Tärkeimpiä sovelluksia ovat:

• Sylinterikallot ja moottorilohkot
• Jarrusatulat ja pääsylinterit
• Jousituksen kannattimet ja ohjausvarret
• Vaihteiston kotelot

Painovoimavalun avulla voidaan luoda monimutkaisia geometrioita, joissa on sileät sisäpinnat, mikä on erittäin tärkeää nesteiden tehokkaan kuljettamisen kannalta moottoreissa ja jarruissa. Komponentit toimivat lämpötiloissa, jotka vaihtelevat 90-120 °C:n välillä, mutta materiaalin lujuus on suunnittelun kannalta merkittävä huolenaihe.

2. Ilmailu ja ilmailu

Painon vähentäminen ja luotettavuus ovat tärkeitä ilmailu- ja avaruussovelluksissa. Painovoimavalua käytetään osiin, joiden on oltava kevyitä ja samalla kestäviä, eikä niiden mitoista ja väsymiskestävyydestä tarvitse tinkiä.

Tyypillisiä ilmailu- ja avaruustekniikan valukappaleita ovat:

• Asennustelineet
• Kotelon osat
• Ilmakanavajärjestelmät
• Moottorin suojukset

Alumiini- ja magnesiumseokset valitaan yleisesti ilmailu- ja avaruusteollisuuden osiin niiden korkean lujuus/painosuhteen vuoksi. Valukappaleiden on kestettävä ilmakehän aiheuttamaa kuormitusta, lämpötilanvaihteluita -55 °C:sta 125 °C:een lennon aikana sekä lennon aikana tapahtuvaa mekaanista tärinää.

3. Teollisuuskoneet

Painovoimavalua käytetään raskaissa koneissa ja teollisuuslaitteissa sellaisten osien valmistukseen, jotka tarvitsevat lujuutta ja kulutuskestävyyttä suuressa rasituksessa.

Yleisiä komponentteja ovat:

• Vaihdekotelot
• Pumppujen vaipat
• Kompressorin rungot
• Jakeluputket

Nämä valukappaleet ovat yleensä alumiini- tai pronssiseostyyppisiä, ja joissakin malleissa on seinämän paksuuden vaihteluita ja monimutkaisia sisäisiä onteloita. Toimintapaineet voivat vaihdella 10 baarista 150 baariin järjestelmästä riippuen.

4. Sähkö- ja elektroniikkakotelo

Painovoimavalua käytetään herkkien sähkö- ja elektroniikkakomponenttien lämmönkestävien ja korroosionkestävien koteloiden valamiseen.

Tyypillisiä sovelluksia:

• Moottorin kotelot
• Valaisimien rungot
• Liitäntärasiat
• Teholaitteiden jäähdytysripat

Komponenttien on tarjottava erinomainen lämmönsiirtokyky ja mittapysyvyys ja samalla estettävä ympäristötekijöiden, kuten pölyn ja kosteuden, tunkeutuminen. Alumiini-piiniseoksia käytetään laajalti näihin tarkoituksiin niiden lämmönjohtavuuden ja korroosionkestävyyden vuoksi.

5. Merenkulku ja laivanrakennus

Merisovellukset edellyttävät materiaaleja, jotka kestävät suolaveden aiheuttamaa korroosiota ja myös jatkuvaa altistumista kosteudelle. Painovoimavalua käytetään sellaisten vahvojen osien valmistamiseen, jotka toimivat luotettavasti tällaisissa olosuhteissa.

Esimerkkejä ovat:

• Potkurikotelot
• Venttiilirungot
• Vesipumpun kotelot
• Liittimet ja kytkimet

Tällöin tavanomaisia materiaaleja ovat pronssi ja alumiini-pronssiseokset. Nämä valukappaleet ovat todennäköisemmin painetiiviitä ja toimivat korkeassa kosteudessa, suolalle altistumisessa ja lämpötiloissa, jotka vaihtelevat 5 °C:sta 50 °C:een.

6. Maatalouslaitteet

Sisäisillä jäähdytyskanavilla koristellut painovoimavaletut tuotteet ovat arvokas osa maatalouskoneita, koska ne kestävät mekaanisia iskuja, ympäristön aiheuttamaa kulumista ja altistumista lannoitteille tai maaperälle.

Painovoimalla valettuihin komponentteihin kuuluvat:

• Hydrauliset venttiilirungot
• Vaihdelaatikon kannet
• Asennustelineet
• PTO-koteloyksiköt (Power Take-Off -järjestelmät)

Nämä laitteet toimivat yleensä ulkotiloissa laajalla lämpötila-alueella (-20 °C:sta 50 °C:seen), ja niiden on toimittava myös liassa, tärinässä ja syövyttävissä olosuhteissa.

7. Kuluttajatuotteet ja laitteistot

Painovoimavalua käytetään myös kuluttajatuotteiden koriste- ja toiminnallisten osien valmistukseen, joilta vaaditaan sekä lujuutta että koristeellisuutta.

Sovelluksia ovat mm:

• Ovenkahvat ja lukot
• Valaistuspohjat
• Keittoastiat
• Työkalujen kotelot

Monissa näissä osissa käytetään yleensä sinkki- tai alumiiniseoksia, koska niiden pinnanlaatu on poikkeuksellinen ja ne pystyvät säilyttämään hienoja yksityiskohtia vähäisellä työstöllä valua varten.

Painovoimavalun monipuolisuus

Painovoimavalun monipuolisuus on kyky valmistaa vahvoja, tarkkoja ja monimutkaisia metalliosia eri teollisuudenaloille. Auto- ja ilmailuteollisuudesta merenkulku- ja kuluttajatuotteisiin tämä valuprosessi tarjoaa vankan ratkaisun, kun rakenteellinen eheys, pinnan viimeistely, mittatarkkuus ja niin edelleen ovat etusijalla.

Uudelleenkäytettävien teräsmuottien, ei-rautametallien seosten sekä painovoimaisen metallivirran käyttö tekee siitä tehokkaan ja luotettavan ratkaisun nykyaikaisiin tuotantotarpeisiin.

Painovoimavalun edut

Painovoimavalun käyttöön liittyy useita keskeisiä etuja:

• Paremmat mekaaniset ominaisuudet: 

Vähemmän nopean jähmettymisen seurauksena rakeista tulee tasaisemman muotoisia, ja näin ollen saavutetaan suuri lujuus.

• Uudelleenkäytettävät muotit: 

Metallimuotteja voidaan käyttää uudelleen tuhansia kertoja, mikä alentaa osakohtaisia kustannuksia.

• Parannettu pintakäsittely: 

Toisin kuin hiekkavalu, se ei ole vain sileämpi viimeistely, vaan vaatii myös vähemmän koneistusta.

• Hyvä mittatarkkuus: 

Toleranssit ovat ±0,1 mm:n luokkaa.

• Ympäristöystävällinen: 

Painovoimavaluprosessi on myös kestävä, koska käytetyt muotit voidaan käyttää uudelleen ja jätettä syntyy verrattain vähän.

Näiden etujen ansiosta monet valmistajat suosivat painovoimavalua muiden, kuten hiekkavalun sijaan, kun vaaditaan sekä määrää että laatua.

Painovoimavalun rajoitukset

Painovoimaisella painevaluprosessilla, kuten kaikilla muillakin prosesseilla, on muutamia haittoja, vaikka se on sinänsä hyödyllinen:

• Korkeat työkalukustannukset: 

Verrattuna painevaluun metallimuottien hinta on verrattain korkeampi kuin hiekkamuottien.

• Rajoittuu yksinkertaisiin muotoihin:

Näiden herkkien yksityiskohtien ja alaleikkausten pitäisi olla vaikeita ilman monimutkaista ydintä.

• Pidemmät sykliajat: 

Sen sykli on hitaampi kuin korkeapainevalun, koska se on luonnollisen virtauksen ja jäähdytyksen ansiosta.

• Vaatii ammattitaitoista käyttöä: 

Lämpötila- ja ajoituskahvat ovat ratkaisevia vikojen välttämiseksi.

Tämä rajoitus on otettava huomioon, kun päätetään käyttää painovoimavalua tiettyyn kappaleeseen.

Päätelmä

Painovoimavalu on käytännöllinen, tehokas ja tarkka tapa valmistaa metallikappaleita erityisesti värimetalliseoksista, kuten alumiinista ja kuparista. Kun painovoimaa käytetään ulkoisen paineen sijasta, prosessissa on korkea pinnanlaatu ja mittatarkkuus, minkä lisäksi siitä saadaan rakenteellisesti vankka kappale, ja siksi menetelmä on suosittu monilla teollisuudenaloilla.

Jos valmistat autojen osia, ilmailu- ja avaruusteollisuuden komponentteja tai teollisuuskoteloita, painovoimavalu antaa kustannustehokkaan ja tasaisen lopputuloksen. Kun parametreja, kuten valulämpötilaa, muotin lämpötilaa ja kovettumisajan pituutta, valvotaan tarkasti, tuottajat pystyvät tuottamaan valukappaleita, jotka ovat suorituskyvyltään ja luotettavuudeltaan erittäin tarkkoja.

Koska kevyiden, vahvojen ja ympäristöystävällisten metalliosien tarve on kasvanut, on tärkeää, että painovoimavalu on elintärkeä teknologia nykyaikaisessa valmistusparadigmassa.