Een uitgebreide technische analyse van aluminium zand gieten in moderne productie

Gieten met aluminiumzand is een van de oudste en meest veelzijdige processen voor het gieten van metaal en wordt veel gebruikt in de moderne productie om complexe, duurzame en rendabele onderdelen te maken. Fabrikanten van aluminiumzandgietwerk kunnen complexe geometrieën met ingewikkelde kenmerken genereren die anders onpraktisch of onrendabel zouden zijn om uit vast materiaal te bewerken door gesmolten aluminium in voorbereide zandvormen te gieten. Deze methode is vooral geschikt voor kleine tot middelgrote productievolumes, prototyping en hoog structurele gietstukken voor toepassingen in de ruimtevaart, automobielindustrie, defensie en energie-industrie.

Het meest interessante aan zandgietaluminium is dat het zowel flexibel als functioneel is. Aluminium heeft een zeer goede sterkte versus gewicht, corrosiebestendigheid en recyclebaarheid, waardoor het een uitstekend gietmateriaal is. Samen met de thermische weerstand van zand en het hoge gietvermogen, biedt het proces een schaalbare productiecapaciteit met een uitstekende maatnauwkeurigheid. Het ontwerp van het patroon, de samenstelling van de mal, de kwaliteit van de smelt en het ontwerp van de openingen zijn sleutelfactoren voor het succes van elk gietstuk.

Een uitstekende gieterij van aluminium zandgietstukken moet niet alleen de klassieke feiten in metaaltechnologie beheersen, maar ook innovaties in de processen. De huidige faciliteiten passen de nieuwste technologie toe om defecten te voorkomen en de beste prestaties van het gietstuk te garanderen door gebruik te maken van 3D zandprinten, simulatiesoftware en real-time procesbewaking. Precisie ontworpen en gegoten aluminium onderdelen kunnen nu voldoen aan strenge technische normen voor veiligheid, tolerantie en duurzaamheid.

Naarmate de vraag naar complexe onderdelen met snellere doorlooptijden en minder impact op het milieu toeneemt, moeten professionele aluminium zandgietdiensten zich blijven ontwikkelen. Dit artikel gaat in op de technische ins en outs van het proces zelf, de technische workflow, materialen, uitdagingen, innovaties, enzovoort.

De grondbeginselen van aluminium zandgieten

De kern van aluminium zandgieten is het gieten van gesmolten aluminium in een holte van een zandvorm die gevormd wordt door een patroon dat de geometrie van het uiteindelijke onderdeel nabootst. Wanneer het aluminium stolt, wordt de zandvorm afgeschud en blijft het gegoten stuk over. Het proces heeft ook een uitstekende dimensionale flexibiliteit en schaalbaarheid in productieomstandigheden met een hoge mix en lage volumes.

Het proces is gebaseerd op het gebruik van een niet-permanente mal, zand, dat gerecycled en hergebruikt kan worden, waardoor verspilling van materialen en kosten geminimaliseerd worden. Zandmallen bestaan meestal uit kiezelzand met toevoeging van een bindmiddel en de aard van het bindmiddelsysteem heeft over het algemeen een aanzienlijke invloed op de resulterende oppervlakteafwerking, maatnauwkeurigheid en afkoelsnelheid.

Het stromingsproces in de techniek van het zandgieten van aluminium

Aluminium zandgieten is een technisch proces dat bestaat uit een reeks nauwkeurig gekalibreerde activiteiten die tot doel hebben ruw aluminium om te zetten in specifieke, goed gebouwde en nauwkeurig gedimensioneerde onderdelen. Zowel het materiaal als de mechanische expertise moeten diepgaand zijn om alle stadia van het proces succesvol te laten verlopen. Hieronder volgt een stapsgewijze analyse van de manier waarop zandgieten van aluminium professioneel en technisch wordt uitgevoerd.

1. Patroon ontwerpen en maken

In het aluminium zandgietproces is de eerste stap het ontwerpen en vervaardigen van het patroon, een fysieke kopie van het uiteindelijke gietstuk. De toeslagen die in patronen moeten worden opgenomen zijn nogal kritisch, zoals krimp, trek en bewerkingsvoorraad. Omdat aluminium krimpt, worden patronen tijdens het afkoelen iets groter gelegd dan het uiteindelijke onderdeel. De krimpsnelheid van aluminiumlegeringen is normaal gesproken 1,3%, maar afhankelijk van de legering en de koelomstandigheden kan dit variëren.

Verticale delen van mallen krijgen ontwerphoeken, meestal een paar graden tussen 1 en 3, om ervoor te zorgen dat het patroon gemakkelijk kan worden verwijderd in de zandvorm, waarbij erop moet worden gelet dat de holte niet wordt vernietigd. Extra toeslagen (bewerkingstoeslagen) worden opgenomen zodat er geen nadelige interactie is tussen de nabewerking en het uiteindelijke onderdeel. Patronen kunnen worden gemaakt van hout, metaal, hars of zelfs 3D-geprinte polymeermaterialen, afhankelijk van de nauwkeurigheidseisen en de behoeften van het productievolume.

2. Mallen maken (gieten en kern zetten)

Na het maken van het patroon moet de mal worden voorbereid. Voor de zandgegoten, aluminium mal zijn er twee aparte helften: de cope (bovenste helft) en de drag (onderste helft). Ze worden gemaakt door het zand rond de mal in een kolf te gieten. Afhankelijk van de toepassing is het zand meestal op basis van silica en wordt het vermengd met bindmiddelen zoals klei (groen zand) of chemische harsen (bakzand).

Als het ontwerp van het onderdeel interne ruimte en holle delen heeft, is het gebruik van zandkernen nodig. Deze worden in de matrijsholte geplaatst, waarna het metaal wordt gegoten. Kernen kunnen worden gemaakt met behulp van kerndozen en bij precisieproductie kunnen ze nog preciezer worden geprint met 3D-zandprinten. De exacte voetafdruk van de kern is erg belangrijk om een stijve structuur te krijgen en om de uiteindelijke afmetingen van het onderdeel aan te houden.

3. Het ontwerp van het Gating-systeem

De tijdigheid en effectiviteit van het gevormde gietsysteem zijn belangrijk voor het succes van het proces van aluminium zandgieten. Dit systeem bestaat uit een gietbassin, een sprue, runners en poorten die het opgestuwde aluminium in de betrokkenheid van de mal dwingen. Een goede afsluiting voorkomt veel turbulentie, minimaliseert de luchtinsluiting en zorgt ook voor een gelijkmatige vulling.

Risers (ook wel feeders genoemd) zijn ook nodig en deze kunnen worden gezien als een reservoir van gesmolten metaal dat de krimprichting na het stollen compenseert. Gietsimulatiesoftware wordt meestal gebruikt door ingenieurs om de gating- en risersystemen te bestuderen en te optimaliseren. Voorspelling vindt plaats met behulp van simulatietools zoals MAGMASoft of ProCAST, zodat typische defecten zoals koude sluitingen, mislopen en krimpporeusheid vrijwel allemaal kunnen worden gecorrigeerd voordat er productie plaatsvindt.

4. Cu-smelten en metaalbehandeling

Aluminium wordt meestal gesmolten in een reverberatory oven, een kroesoven of een inductieoven en de keuze hangt af van het batchvolume, de legering die nodig is en de hoeveelheid energie die nodig is. De smelttemperatuur van zuiver aluminium is ongeveer 660 graden Celsius (1220 Fahrenheit), hoewel legeringen een klein beetje kunnen variëren in smeltpunt op basis van samenstelling.

Gasabsorptie, specifiek de absorptie van waterstofgas, is een van de grote technische problemen tijdens het smelten. Heet aluminium neemt heel gemakkelijk waterstof op uit de luchtvochtigheid of uit de geladen cijfers. Meer dan waterstof ontstaat er porositeit in het afgewerkte gietstuk. Als reactie hierop wordt de smelt blootgesteld aan ontgassingsprocedures, waarbij vaak passieve gassen (zoals argon of stikstof) in de smelt worden geduwd met behulp van een roterende waaier. Er kunnen ook vloeimiddelen worden toegevoegd om oxiden en insluitsels uit de smelt te verwijderen.

5. Bestrijding van gesmolten metaal

Als het gesmolten aluminium gereinigd en geconditioneerd is, wordt het in de mal gegoten met behulp van het gietsysteem. Het gieten moet volledig onder controle en continu gebeuren zonder de mal te mengen, waardoor luchtinsluiting en stolling in een vroeg stadium optreden. Handmatige opstellingen bevatten opscheplepels die bediend worden door mensen die getraind zijn op de hoogte en snelheid van het gieten. Robotgieten is een van de stappen die een veilige en hoge herhaalbaarheid garanderen in geautomatiseerde systemen.

De temperatuur van het gieten is meestal 690-740 °C, afhankelijk van de legering en de complexiteit van de matrijs. Gieten bij lage temperaturen kan koudsluiting of onvolledige vulling veroorzaken en gieten bij hoge temperaturen kan meer pick-up in het gas en oxidatie veroorzaken.

6. Stollen en afkoelen

De stollingsstap is een van de belangrijkste stappen in het proces van aluminium gieten met een zandgietmethode. Wanneer aluminium een vaste stof wordt, krimpt het en de krimp moet worden opgevangen tijdens het ontwerp van de gating en de stijgbuis. Het doel van de gecontroleerde koeling is de uniforme microstructuur en de vermindering van interne spanningen en krimpholtes.

Afhankelijk van de geometrie op verschillende plaatsen in het gietstuk en afhankelijk van de wanddikte, hebben ze verschillende afkoelsnelheden. In plaats daarvan is er het gebruik van gerichte stolling, meestal door het gietstuk zo te ontwerpen dat de stolling van dun naar dik plaatsvindt, waardoor de krimpholtes naar stijgkamers worden geleid. Om het koelen in bepaalde gebieden te versnellen en zo de korrelstructuur te reguleren en defecten te minimaliseren, is een techniek het gebruik van chills, metalen inzetstukken in de mal.

7. Uitschudden, schoonmaken en afstellen.

Nadat de mal met succes is verwijderd, wordt de mal opengeschud nadat het gietstuk volledig is gestold in een proces dat shakeout wordt genoemd. Er wordt mechanisch of handmatig gesneden of geslepen om het zand te verwijderen. Het snijden gebeurt bij het gietsysteem en de stijgleidingen.

Gietstukken hebben meestal zandresten op het oppervlak en oxideafzettingen. Om deze afzettingen te verwijderen, worden reinigingsprocessen zoals stralen, slijpen of zelfs chemisch beitsen uitgevoerd. In deze fase wordt ook gefetalliseerd, waarbij onnodig metaal wordt verwijderd en dikke oppervlakken fijner worden gemaakt. Ook worden eventuele kernen verwijderd die in de mal zijn gebruikt.

8. Warmtebehandeling en machinale bewerking (indien nodig)

Veel zandgegoten aluminium onderdelen ondergaan na het gieten een warmtebehandeling om hun mechanische eigenschappen te verbeteren. Enkele van de gebruikelijke benaderingen zijn:

• T5/T6 ontlaten van verouderingshardende aluminiumlegeringen (bijv. A356-T6), waarbij de sterkte en hardheid aanzienlijk toenemen.
• Uitgloeien, om de spanningen eruit te halen en het kneedbaarder te maken.

Na de warmtebehandeling kan precisiebewerking nodig zijn om aan de uiteindelijke toleranties te voldoen, vooral bij oppervlakken die met andere onderdelen samenwerken of die nauw moeten aansluiten op de afmetingen. 

Tegenvoorbeelden: CNC frezen, boren en draaien van zandgegoten onderdelen zijn veel voorkomende nabewerkingen.

9. Kwaliteitsborging en inspectie

De laatste stap is een eindcontrole om er zeker van te zijn dat het gegoten onderdeel de juiste specificaties heeft. Hieronder volgt de gebruikelijke kwaliteitscontrole van aluminium zandgietwerk:

• Inspectie op basis van afmetingen (CMM, coördinatenmeetmachine, of laser- of andere scanning).
• Niet-destructief onderzoek (NDT) zoals röntgenradiografie, ultrasoon onderzoek of penetrant onderzoek dat interne of oppervlaktefouten aan het licht brengt.
• Mechanische tests van treksterkte, rek en hardheid, vooral in het geval van gietstukken die structureel worden gebruikt.
• De inspectiegegevens zijn gelogd om de gegevens te kunnen traceren en de daaropvolgende herhalingen van het proces verder te verbeteren.

Metallurgische aspecten van zandgieten van aluminium

Aluminiumlegeringen die worden toegepast voor zandgieten kunnen meestal worden onderverdeeld in de volgende twee groepen: niet-warmtebehandelbare en warmtebehandelbare legeringen. Bekende legeringen zijn A356, A319 en 319.1, geselecteerd op basis van sterkte, warmtegeleiding en corrosiebestendigheid. De koelsnelheden en legeringselementen zoals silicium, magnesium en koper hebben een groot effect op de korrelstructuur van het gietstuk.

Een van de meest veeleisende aspecten van het proces van aluminium zandgieten is het beheersen van de porositeit. De oplosbaarheid van waterstofgas in aluminium is ook erg hoog in de vloeibare fase dan in de vaste fase, wat de neiging heeft om microporositeit te veroorzaken in het stollingsbad. De standaardmethoden om dit te beperken zijn vacuümontgassing en spoelen met inert gas.

Materialen die worden gebruikt in aluminium zandgietwerk

De materialen die worden gebruikt bij aluminium zandgietwerk zijn cruciaal voor de prestaties, maakbaarheid en duurzaamheid van het eindproduct. Ze bestaan niet alleen uit de aluminiumlegeringen, maar ook uit verschillende soorten zand, bindmiddelen en hulpmaterialen bij het maken van de mal en de kern. Sociaal-economische factoren. Bij de selectie van elk materiaal is het essentieel om een compromis te bereiken over gietbaarheid en mechanische eigenschappen, oppervlakteafwerking en kosteneffectiviteit. De belangrijkste materiaalcategorieën waaronder het proces wordt uitgevoerd, worden hieronder in detail gepresenteerd.

1. Aluminiumlegeringen

De keuze van de aluminiumlegering is de sleutel tot elk proces voor het zandgieten van aluminium. Verschillende legeringen bieden verschillende mechanische eigenschappen, corrosie en thermisch gedrag. In het algemeen vallen deze legeringen onder twee brede categorieën: smeed- (gesmeed/gewalst) en gietlegeringen. Zandgieten gebruikt ook aluminiumlegeringen van gietkwaliteit omdat deze het meest geschikt zijn voor gieten, vloeibaarheid en stollen.

Gietaluminiumlegeringen zijn meestal:

A356 (Al-Si7-Mg):

Dit is een van de populairste legeringen op het gebied van zandgietwerk voor aluminium. Het is zeer goed gietbaar, heeft een relatief goede corrosiebestendigheid en kan een warmtebehandeling ondergaan tot T6 (hoge sterkte, hoge vervormbaarheid), wat het zeer bruikbaar maakt. Verouderingsverharders zijn mogelijk door toevoeging van magnesium.

319 (Al-Si-Cu-Mg):

Een goede slijtvastheid en bewerkbaarheid zijn ook bekend voor 319, dat wordt toegepast in automobieltoepassingen en algemene machinebouw. Maar de corrosieweerstand is slechter dan die van A356.

535 (Al-Mg):

Het is een legering met een hoog magnesiumgehalte en heeft daardoor een zeer goede corrosiebestendigheid en slagvastheid. Het wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en in scheepvaarttoepassingen.

Aluminium-Silicium (Al-Si) Legeringen:

Deze legeringen hebben erkenning gekregen voor hun hoge vloeibaarheid en lagere krimp, vooral bij gebruik in complexe onderdelen zoals onderdelen van zandgietaluminium.

Additieven en Graanraffinaderijen:

Om de gietkwaliteit te verbeteren, om porositeit te verminderen en de mechanische eigenschappen te verbeteren, kunnen titaan-borium meesterlegeringen (bijv. AlTi5B1) worden toegevoegd om korrelverfijning te geven. Wijziging van de siliciumfase in Al-Si-legeringen maakt meestal gebruik van strontium, dat de vervormbaarheid verhoogt en warmscheuren vermindert.

2. Zandmaterialen

In de methode is het belangrijkste vormmateriaal zand in het proces van de aluminium zandgieterij. Het doel is om de vormholte te maken waarin het gesmolten aluminium wordt gegoten. Het zand moet een hoge temperatuur kunnen verdragen (boven 700 o C), maatvast zijn en ook bestand zijn tegen erosie door de metaalstroom.

Het te gebruiken zand:

Kiezelzuur:

Het meest gebruikte en goedkoopste zand. Het is goed in termen van refractie en bewerkbaarheid. Maar het bevat problemen met thermische uitzetting, wat kan leiden tot gietfouten zoals adervorming of hete scheuren, tenzij dit goed onder controle wordt gehouden.

Chromietzand:

Dit zand heeft een betere thermische geleidbaarheid en weerstand tegen thermische schokken; het kan dus worden gebruikt voor investeringen bij hoge temperaturen en voor dikke stukken gietwerk.

Zirkoonzand:

Toegepast in toepassingen waar de nauwkeurigheid van de afmetingen van het grootste belang is. Het is veel duurder, maar heeft een zeer lage thermische uitzetting en een hoge vuurvastheid.

De grootte van een zandkorrel:

Fijnkorrelig zand zorgt voor een gladdere afwerking van het oppervlak en beïnvloedt de permeabiliteit. Grofkorrelig zand verhoogt de permeabiliteit en de sterkte van de gietvorm, maar het eindproduct kan ruwer zijn. Met betrekking tot onderdeelgeometrie en afwerkingsspecificaties wordt meestal een compromis gekozen.

3. Binding en additieven

Aluminium zand gieten: Zand dat gebruikt wordt in aluminium gietstukken wordt bij elkaar gehouden met een bindmiddel, waardoor een mal ontstaat die stevig genoeg is om onder de druk van gesmolten aluminium te blijven staan. Bindmiddelen zijn organisch of anorganisch en worden gekozen afhankelijk van het gebruikte zandsysteem.

Bindmiddelen voor groen zand:

Bentonietklei:

Een kleiafzetting die wordt gebruikt in een groen zandsysteem om plasticiteit en cohesie te bieden. Het wordt gemengd met water om herbruikbaar vormmateriaal te vormen.

Water:

Het is een activator in groen zand en helpt bij de binding tussen de klei en verdicht het zand.

Chemisch gebonden zandsystemen:

Furanhars:

Een natuurlijk bindmiddel met een hoge sterkte en goede afwerking. Ze worden gewoonlijk aangebracht in een baksysteem.

• Phenolic Urethane Cold Box (PUCB) was het laatste producttype.
• Heeft een grote kernsterkte en maatnauwkeurigheid. Dietz wordt veel gebruikt bij de productie van kernen.

Toevoegingen:

Waarschijnlijk zijn de oudste mijnen ter wereld de kolenmijnen van dit steenkooldistrict; ze strekken zich uit tot een diepte van 2.200 voet of meer en het is bekend dat ze zich naast de ader voortzetten in de richting van de zee, waar de steenkool zeekool of steenkoolstof wordt genoemd.

Verwerkt met groen zand om de zwarte kleur op het oppervlak van de mal te versterken en gebreken bij het gieten, zoals metaalpenetratie, te elimineren.

IJzeroxide:

Het is nuttig om ader- en expansiefouten in hete gebieden te verminderen.

Grafiet:

Verbetert de fabricage van zand waar het een hoge mate van vloeibaarheid en vormvrijheid bezit.

4. Kernmaterialen

Interne holtes en ingewikkelde vormen in zogenaamde zandgiet aluminium onderdelen worden geproduceerd door kernen. Ze worden meestal gegoten in hoogzuiver silicazand, met een bindmiddelsysteem dat identiek is aan de mal maar vaak stijver en nauwkeuriger.

Materialen die belangrijk zijn voor de kernproductie zijn:

• Kiezelzuurzand (hoge maaswijdte)
• Bindmiddelen (furaanhars of PUCB)
• Ontluchtingsdraden of kernventilatieopeningen, zodat het gas bij het gieten kan ontsnappen

Binder jetting in 3D-geprinte zandkernen wordt populair in hightech gieterijen. Deze maken het gebruik van kerndozen overbodig en maken snelle prototypes van complexe geometrieën mogelijk.

5. Schimmelcoating en schimmelwassingen

Vuurvaste coatings worden aangebracht (of mold washes) om de oppervlakteafwerking van het gietstuk te verbeteren of om de mal of kern thermisch en chemisch te beschermen.

Dergelijke veelgebruikte coatingmaterialen zijn:

Coatings op basis van zirkoon 

Coatings op basis van zirkoon zijn ook uitstekend wat betreft hun vuurvastheid en isolatie-eigenschappen in aluminiumlegeringen voor hoge temperaturen.

Coatings op basis van grafiet:

Bevorderen gemakkelijk gieten en zijn toepasbaar in koude zones.

Op basis van aluminiumsilicaat: 

De op aluminosilicaat gebaseerde coatings zijn beschermende coatings voor algemeen gebruik die oppervlaktefouten minimaliseren.

Het aanbrengen van deze coatings gebeurt door borstelen, spuiten of dompelen, en dan droogt men het voor het gieten van het metaal. Ze verminderen het gevaar van zanderosie, metaalpenetratie en gasgerelateerde ontwikkeling.

6. Overige hulp- en procesmaterialen

Andere materialen die worden gebruikt bij aluminium zandgietdiensten zijn onder andere:

Stromen:

Om de smelt te reinigen en de niet-metalen insluitingen te verwijderen. Afhankelijk van het type legering dat wordt gebruikt, zijn de gebruikelijke fluxen op basis van chloride of fluoride.

Ontgassingstabletten of -gassen:

Hierbij kan gebruik worden gemaakt van hexachloorethaan of iets dergelijks, hoewel in hedendaagse gieterijen om milieu- en veiligheidsredenen de voorkeur wordt gegeven aan argongasontgassing.

Sondes, thermokoppels en pyrometers:

Temperatuursensoren zijn beschikbaar in de vorm van hoge-temperatuurlegeringen en keramische materialen voor het bewaken van smelt- en matrijscondities.

Mouwen en stijgbuis exothermische materialen :

Het wordt in stijgleidingen geplaatst om de toevoer van gesmolten metaal langer op peil te houden. Deze hebben isolerende materialen of exotherme materialen die warmte afgeven tijdens het stollen.

De functie van de aluminium zandgieterij

De zeer geavanceerde gieterij is de zogenaamde aluminium zandgieterij, die beschikt over gietmachines, kernproductiestations, smeltovens en inspectiesystemen. Gieterijen zijn gespecialiseerd in gieten, maximale kwaliteit van het gegoten voorwerp, minimale cyclustijd en maximale materiaalefficiëntie. Ontwikkelde gieterijen combineren digitale hulpmiddelen zoals:

• Simulation Software: Zogenaamde simulatiesoftware (zoals MAGMASoft en FLOW-3D Cast) simuleert het vullen en stollen van de matrijs en stelt gieterijtechnici in staat om het ontwerp van de geleidingen te verfijnen en fouten te voorspellen.
• Automatische kern: Gecompliceerde binnenvormen kunnen gemakkelijk worden gemaakt met nieuwe 3D-geprinte zandkernen die minder gereedschap en tijd kosten.
• Niet-destructief onderzoek (NDT): Hierbij worden röntgenstralen, ultrageluid en penetrant materiaal gebruikt om de volledigheid van het gegoten onderdeel te controleren.

Een succesvolle aluminium zandgieterij heeft een kwaliteitscontrolesysteem met alle wereldwijde standaarden, zoals ASTM B26, ISO 8062-3 en AMS 4218 om een stabiele kwaliteit van gegoten aluminiumlegeringen te garanderen.

Voordelen van aluminium zandgietdiensten

Professionele aluminium zandgietdiensten bieden end-to-end gietoplossingen, inclusief ontwerpoverleg, snelle prototyping, tooling en nabewerking. Dit zijn OEM- en tier-1 leveranciersdiensten voor onderdelen, die de snelste doorlooptijd, aangepaste onderdeelgeometrie en functionaliteit nodig hebben.

Enkele daarvan zijn de belangrijkste voordelen:

• Lage gereedschapskosten: Bij zandgieten zijn de gereedschapskosten lager dan bij spuitgieten, waardoor het de beste optie is voor korte productieruns.
• Service: Dienstverleners wordt geadviseerd om aangepaste legeringen te ontwikkelen, afhankelijk van de vereiste mechanische of thermische eigenschappen.
• Snel prototypen: Met de huidige digitale patroonproductie is het mogelijk om een prototype te maken in dagen in plaats van weken.

Industrieën vragen om snellere productcycli en meer maatwerk, aluminium zandgietwerk van hoge kwaliteit diensten worden partners van onschatbare waarde in toeleveringsketens.

Precisie en prestaties in aluminium onderdelen van zandgietwerk

Het zandgieten van aluminium onderdelen blijft een hoeksteen in de productie van motorblokken, transmissiebehuizingen, spruitstukdeksels en vliegtuigonderdelen. Het proces kan ook eenvoudige en complexe onderdeelgeometrieën aan met wanddiktes van 3 mm tot 75 mm, afhankelijk van de sterkte van de mal en de vloeibaarheid van de legering.

De belangrijkste prestatiegegevens voor zandgegoten aluminium onderdelen zijn onder andere:

• Maattolerantie: In staat om tussen 0 en 0,5 procent van hun nominale waarden te tolereren, afhankelijk van de kwaliteit van de mallen.
• Oppervlakteruwheid: Dit is tussen 150 -500 RMS, hoewel ze met secundaire processen fijner kunnen zijn.
• Mechanische sterkte: De treksterkte is afhankelijk van de legering en de behandeling en ligt meestal tussen 170-300 millimeter Pascal (MPa).

Ingenieurs kunnen de hoeveelheid krimpdefecten verminderen en uniforme structuren maken tijdens de korrelstructuur door zorgvuldig geselecteerde gating- en stijgsystemen.

Uitdagingen en innovaties bij het zandgieten van aluminium

Hoewel aluminium zandgieten de tand des tijds heeft doorstaan als een veelzijdige en kosteneffectieve productiemethode, wordt het geconfronteerd met meerdere technische en operationele uitdagingen die de gietkwaliteit, productie-efficiëntie en schaalbaarheid beïnvloeden. Gelukkig wordt het proces sterk getransformeerd met behulp van nieuwe oplossingsinnovaties terwijl de industrie deze uitdagingen aangaat met nieuwe hulpmiddelen en technologieën. Hier volgt een verdere uitsplitsing van zowel de uitdagingen die de kunst van het aluminium zandgieten blijven plagen als de opkomende innovaties die op dit gebied lijken te zijn ontstaan.

1. Smeltkwaliteit en gasporositeit

Uitdaging:

Een van de meest kritieke en hardnekkige problemen bij aluminium zandgietwerk is gasporositeit, voornamelijk als gevolg van waterstofabsorptie. Als het gesmolten is, heeft aluminium de neiging om waterstofgas te absorberen, vooral in de aanwezigheid van vochtige omstandigheden of bij misbruik door het gebruik van verontreinigde laadmaterialen. Als het metaal afkoelt, neemt de oplosbaarheid van waterstof af en slaat het gas neer, waardoor minuscule gaatjes in het gietstuk ontstaan. Dergelijke poriën beperken de weerstand tegen vermoeiing en de afdichtingscapaciteiten evenals de mechanische sterkte aanzienlijk.

Innovatie:

Dit probleem is opgelost door gebruik te maken van moderne ontgassingstechnologie in moderne gieterijen, zoals roterende ontgassingstechnologie, waarbij inerte gassen zoals argon of stikstof worden gebruikt. Deze systemen roeren de smelt zodat er meer oppervlakte ontstaat en de ingesloten waterstof vrijkomt. Bovendien worden in-line ontgassingssystemen met spoelringen gebruikt om oxiden en insluitingen te verwijderen. Sommige fabrieken installeren zelfs real-time gasbewakingssensoren om de toestand van de waterstof tijdens het smelten en gieten te evalueren.

2. Dimensionale droefheid en schimmelplakken

Uitdaging:

Strikte maattoleranties aanhouden bij de methode van het zandgieten van aluminium is niet eenvoudig omdat de zandvorm een veranderlijk iets is. Deze geometrische veranderingen kunnen onder andere worden veroorzaakt door zandverdichting, vochtgehalte en thermische uitzetting, waardoor sommige onderdelen niet meer binnen hun specificaties vallen. Ook hebben de herbruikbare patronen een grotere kans op trillingen en dimensionale drift, en daar wordt in de loop van de tijd geen rekening mee gehouden.

Innovatie:

Om dit tegen te gaan, maken veel gieterijen gebruik van digitaal gestuurde spuitgietmachines die zorgen voor een uniforme druk bij het comprimeren van de gietvormen en een zekere mate van uniformiteit in de kwaliteit van de gietvorm bereiken. 3D zandprinten (binder jetting) verandert het maken van mallen, omdat er geen fysiek patroon nodig is. Deze gietmallen zijn zeer nauwkeurig tot op micronniveau en geschikt voor prototyping en kleine productieruns. In combinatie met simulatiesoftware voor het gieten kunnen ingenieurs dimensionale veranderingen bij het afkoelen simuleren en compenseren bij het patroonontwerp.

3. Lichte automatisering en sterke afhankelijkheid van arbeid

Uitdaging:

Traditionele aluminium zandgietprocessen zijn arbeidsintensief, vooral bij het voorbereiden van de mal, het gieten en het afwerken. De handmatige bewerkingen beperken niet alleen de doorvoer, maar ook de variabiliteit van het gietproces. Bovendien kan het gebruik van geschoolde arbeidskrachten een knelpunt zijn, vooral in gebieden waar er een tekort aan arbeidskrachten is.

Innovatie:

Robotautomatisering verandert repetitieve en risicovolle handelingen zoals het maken van mallen, gieten en slijpen. De samenwerkingsrobots (cobots) zouden de capaciteit hebben om samen te werken met mensen bij fundamentele assemblage en extractie van gietstukken. Gieterijen omarmen ook geautomatiseerde gietinstallaties met lasersensoren en vision-systemen om de balans tussen de gietsnelheid en de giettemperatuur nauwkeurig te kunnen regelen. Dergelijke ontwikkelingen dragen niet alleen bij aan de efficiëntie van de productie, maar ook aan de veiligheid en eenwording op de werkplek.

4. Voorspelling van de oorzaak van gietdefecten

Uitdaging:

Zorgen over gietdefecten zoals koudsluiting, warmscheuren, krimpgaten en insluitingen blijven een belangrijke factor voor materiaalverspilling en productdefecten. De hoofdoorzaak van deze defecten moet worden geïdentificeerd en weggenomen om te voorkomen dat ze zich opnieuw voordoen; dit vereist een grondige kennis van vloeistofdynamica, thermische gradiënten en legeringdynamica - aspecten die in geen enkele gieterij zonder speciale maatregelen beschikbaar zijn.

Innovatie:

Sinds kort zijn er geavanceerde pakketten voor computational fluid dynamics (CFD) en stollingsmodellering beschikbaar waarmee de ingenieur het volledige gietproces in een virtuele wereld kan simuleren. FLOW-3D Cast, ProCAST en MAGMASoft zijn enkele van de softwarepakketten waarmee defecten in het gesmolten staal kunnen worden voorspeld en waarmee kan worden bepaald waar defecten kunnen ontstaan voordat het metaal wordt gegoten. De tools worden gebruikt om de gietsystemen, de plaatsing van de stijgleidingen en de koelstrategieën te optimaliseren om gietstukken te krijgen die vrij zijn van defecten. Verder wordt er gewerkt aan machine-learningmodellen waarbij de defectgegevens uit het verleden worden gebruikt om te analyseren en realtime aanbevelingen te doen voor het proces dat moet worden aangepast.

5. Duurzaamheid van het milieu en afvalbeheer

Uitdaging:

Bij het gieten van aluminium met zand ontstaat afval in de vorm van gebruikt zand, metaalslakken, vloeimiddelresten en afwijkende onderdelen. Vooral de verwijdering van zand vormt een probleem omdat chemisch gebonden zand niet gemakkelijk te recyclen is. Ook het hoge energieverbruik in het smeltproces draagt bij aan de koolstofvoetafdruk in de gieterijprocessen.

Innovatie:

De meeste vooruitstrevende gieterijen investeren in gesloten systemen voor zandwinning, waarbij eerder gebruikt zand via thermomechanische processen wordt gerecycled. Dergelijke systemen verminderen het aantal stortplaatsen en de kosten van grondstoffen. In energetisch opzicht zijn de inductiesmeltovens efficiënter en hebben ze minimale emissies dan hun traditionele tegenhangers, gasgestookte reverberatory ovens. Zonne-energie, het recyclen van afvalwarmte en het in realtime monitoren van energie helpen gieterijen ook om de impact op het milieu te beperken, omdat ze voldoen aan de steeds strengere regelgeving.

6. Door de legering opgelegde beperkingen & moeilijkheden van metallurgie

Uitdaging:

Het gebruik van toepasbare aluminiumlegeringen in zandgietwerk gaat gepaard met een afweging tussen gietbaarheid, mechanische eigenschappen en warmtebehandelbaarheid. Bepaalde hoogwaardige legeringen hebben een slechte vloeibaarheid of zijn gevoelig voor warmscheuren tijdens het stollen en kunnen daarom niet worden gebruikt in complexe vormen.

Innovatie:

Metallurgen komen met nieuwe specificaties van aluminiumlegeringen die speciaal ontworpen zijn voor zandgieten. Dit zijn met zeldzame aardmetalen gemodificeerde legeringen die de vloeibaarheid verbeteren en scheurvorming minimaliseren, en met nanodeeltjes geharde aluminiumpoeders die een betere sterkte-gewichtsverhouding hebben. Ook worden korrelverfijningsprocessen door meesterlegeringen (bijv. Al-Ti-B) gestandaardiseerd ten gunste van een uniforme microstructuur van legeringen en om te zorgen voor betere mechanische eigenschappen na het gieten.

7. Digitalisering en intelligente gieterijen

Uitdaging:

Conventionele gieterijen werken voornamelijk met kennis die meestal gebaseerd is op ervaring en niet op realtime gegevens, waardoor er inconsistentie en minimale traceerbaarheid in de productie is.

Innovatie:

Slimme gieterijen zijn in opkomst door de praktische opkomst van Industrie 4.0-technologieën. Dergelijke faciliteiten maken gebruik van IoT-sensoren, cloud analytics en digital twins om de temperaturen, druk, vochtigheid en matrijscondities in verschillende stadia van het gietproces te observeren. Informatie met betrekking tot verschillende stadia wordt opgenomen in gecentraliseerde dashboards, waardoor onderhoud, kwaliteitsborging en voortdurende verbetering kunnen worden voorspeld. De digitale tweeling, die de virtuele uitgebreide versies van het hele gietproces creëert, kan worden gebruikt om het proces te optimaliseren en de hoofdoorzaken op te sporen zonder de productie stil te leggen.

Conclusie

Gieten met aluminiumzand blijft een cruciale rol spelen in de industriële productie, waarbij zowel eenvoudige als complexe onderdelen efficiënt en voordelig kunnen worden vervaardigd. Het proces wordt nog nauwkeuriger, duurzamer en flexibeler om te voldoen aan de behoeften van moderne productie naarmate de materiaalwetenschap en gieterijtechnologie zich verder ontwikkelen. Terwijl de industrie die zich bezighoudt met simulatie, automatisering en onderzoek naar legeringen groeit en de capaciteit van een aluminium zandgieterij bereikt, is een opleving in dit soort ambachtelijk werk te verwachten vanwege de vraag naar lichtgewicht en hoogwaardige metalen onderdelen.

Of het nu gaat om gespecialiseerde aluminium zandgietdiensten of de nauwgezette techniek achter zandgieten aluminium onderdelenDeze techniek zal een integraal deel blijven uitmaken van industrieën die waarde hechten aan structurele integriteit, ontwerpflexibiliteit en kosteneffectieve productie.

FAQ's: Veelgestelde vragen 

1: Wat is aluminium zandgieten?

Aluminium zandgieten is een proces waarbij gesmolten aluminium in zandvormen wordt gegoten om complexe metalen onderdelen te maken. Het kan perfect worden gebruikt als er kleine tot middelgrote volumes moeten worden geproduceerd en als het om grote onderdelen gaat.

2: Waar worden aluminium onderdelen van zandgietwerk gebruikt?

Onderdelen van zandgietend aluminium worden vaak gebruikt in de auto-, luchtvaart-, scheepvaart- en industriële sector voor onderdelen zoals behuizingen, beugels en motoronderdelen.

3: Wat moet ik doen om een geschikte aluminium zandgieterij te selecteren?

Zoek een gieterij die bekend staat als aluminium zandgieterij met breed kwaliteitsbeheer, technische ondersteuning, kennis van legeringen en andere mogelijkheden met toegevoegde waarde, zoals machinale bewerking en warmtebehandeling.