Czym jest odlewanie grawitacyjne? Kluczowe informacje dla producentów

W dzisiejszych czasach produkcji odlewanie metali jest bardzo ważne, jeśli chodzi o wytwarzanie komponentów o złożonej geometrii i wysokiej jakości. Jednym z najbardziej wydajnych sposobów jest odlewanie grawitacyjne. Proces ten jest połączeniem precyzji, wydajności i efektywności kosztowej; dlatego też jest preferowanym rozwiązaniem dla branż takich jak motoryzacja, lotnictwo i sprzęt przemysłowy. Zasadniczo odlewanie grawitacyjne polega na wykorzystaniu siły grawitacji do wypełnienia formy metalowej bez konieczności stosowania urządzeń wysokociśnieniowych, dzięki czemu proces nie jest skomplikowany w swojej konfiguracji. Jeśli jesteś studentem inżynierii, kierownikiem produkcji lub po prostu interesujesz się technologiami odlewniczymi, poznanie odlewania grawitacyjnego ma kluczowe znaczenie dla przyjęcia ogólnego poglądu na produkcję metali.

W tym artykule omówiono podstawowe zasady aluminiowego odlewania grawitacyjnego, sposób jego wykonywania, ważne czynniki, takie jak temperatura i czas, rodzaj użytych materiałów, a także jego zalety i wady, wraz z typowymi zastosowaniami.

Jak działa odlewanie grawitacyjne aluminium?

Grawitacyjne odlewanie ciśnieniowe aluminium to proces stałego odlewania form, który jest powszechnie stosowany do produkcji nieżelaznych części metalowych z aluminium. Grawitacyjne odlewanie ciśnieniowe aluminium polega na wlewaniu stopionego aluminium do metalowej formy wielokrotnego użytku wyłącznie pod wpływem grawitacji. Pozbywając się wysokociśnieniowego odlewania ciśnieniowego, które wykorzystuje ciśnienie tysięcy psi do ściskania metalu w formie, odlewanie grawitacyjne wykorzystuje wyłącznie naturalne siły grawitacji, umożliwiając stopionemu stopowi metalu przepływ do wnęk matrycy bez ograniczeń.

Poniżej przedstawiono typowy proces obejmujący tę czynność:

1. Po podgrzaniu do temperatury około 150-300°C w celu uniknięcia szoku termicznego i zapewnienia płynnego przepływu metalu, metalowa matryca (zwykle wykonana z żeliwa lub stali) jest popychana w kierunku metalowej formy.
2. Matryca jest pokryta smarem wykonanym z ceramiki lub grafitu, aby stopiony metal nie przywierał do niej.
3. Stopiony metal (w postaci stopu aluminium, magnezu lub miedzi), który jest podgrzewany do około 650-750°C (w zależności od rodzaju materiału), jest wlewany do matrycy.
4. Stopiony metal jest wpychany do wnęki matrycy przez wlew i zajmuje całą formę pod wpływem grawitacji.
5. W matrycy odlew zestala się w czasie od 20 do 90 sekund, w zależności od rozmiaru i materiału.
6. Następnie matryca jest otwierana i wyrzucana ręcznie lub usuwana z matrycy.
7. Zanim produkt zostanie ukończony, nadmiar materiału z prowadnic i wlewów jest odcinany.

Ponieważ proces obejmuje wykorzystanie grawitacji, a nie ciśnienia mechanicznego, konfiguracja sprzętu jest uproszczona, a koszty konserwacji i oprzyrządowania są zwykle niższe.

Proces grawitacyjnego odlewania ciśnieniowego krok po kroku

Technika odlewania grawitacyjnego jest popularna ze względu na łatwość powtarzalności, a także jest w stanie wytwarzać wysokiej jakości metal o wąskich tolerancjach. W przeciwieństwie do odlewania wysokociśnieniowego, wykorzystuje ona wyłącznie siłę grawitacji i wypełnia wnękę formy, dzięki czemu cały proces jest bardziej opłacalny i mniej uciążliwy mechanicznie.

Poniżej znajduje się przewodnik krok po kroku, w jaki sposób aluminiowe odlewy grawitacyjne są wykonywane w zwykłej konfiguracji:

1. Przygotowanie formy

Początkowy proces odlewania grawitacyjnego aluminium polega na przygotowaniu formy lub inaczej zwanej matrycy. Stalowe lub żeliwne matryce są zwykle używane do wielokrotnego użytku. Forma jest odpowiednio czyszczona po wylaniu jakiegokolwiek metalu, aby usunąć wszelkie pozostałości pozostawione przez poprzednie odlewy.

Po oczyszczeniu forma jest wstępnie podgrzewana w temperaturze od 150°C do 300-300°C. Podgrzewanie wstępne oznacza, że stopiony stop aluminium nie jest chłodzony zbyt szybko w kontakcie, co prowadzi do takich wad, jak zimne zamknięcia lub nieodpowiednie wypełnienie. Środek antyadhezyjny, zwykle powłoka na bazie grafitu lub ceramiki, jest nakładany na wewnętrzną powierzchnię formy. Służy to dwóm funkcjom: zapewnieniu, że stopiony stop aluminium nie przyklei się do matrycy i pomaga w uzyskaniu gładszego wykończenia produktu końcowego.

2. Topienie stopów aluminium

Po przygotowaniu formy następuje topienie wybranego stopu metalu. Ilości stopów metali są umieszczane w piecu i topione do temperatury zalewania, która zależy od stopu. Na przykład, temperatury topnienia stopów aluminium zwykle mieszczą się w zakresie 650°C-750°C, podczas gdy stopy na bazie miedzi mogą wymagać temperatur topnienia od 900°C do 1100°C.

Niezwykle ważne jest zapewnienie precyzyjnej kontroli nad temperaturą topnienia. Nadmierne podgrzanie może wymagać zwiększonego utleniania lub absorpcji gazu, podczas gdy niedogrzanie może spowodować niepełne wypełnienie form lub słabe właściwości mechaniczne.

3. Wylewanie stopionego metalu stop

Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury stopiony metal jest wlewany do podgrzanej formy. W odlewaniu grawitacyjnym nie stosuje się żadnej siły mechanicznej ani nawet ciśnienia. Grawitacja powoduje naturalny przepływ stopów aluminium do wnęki formy przez zestaw wlewów i zasuw.

Ten etap wymaga powolnego, kontrolowanego zalewania, aby nie tworzyć turbulencji, które mogą zatrzymywać gazy i prowadzić do porowatości odlewu. W niektórych zaawansowanych systemach istnieje możliwość bardzo powolnego przechylania formy podczas odlewania - przechylanie odlewu grawitacyjnego w celu uzyskania płynnego i równomiernego przepływu metalu.

4. Wypełnianie wnęki formy

Gdy stopiony metal przeniknie do formy, wypełnia wszystkie części wnęki pod kształtem matrycy. Na tym etapie bardzo ważna jest konstrukcja formy. Odpowiednio zaprojektowane systemy wlewowe rozprowadzą metal, aby uniknąć turbulencji, zimnych punktów lub obszarów z możliwym skurczem.

Ponieważ do przepływu metalu wykorzystywana jest sama grawitacja, konieczne jest, aby metal był wylewany z odpowiednią prędkością i temperaturą. Brak kontroli przepływu może powodować takie wady, jak niepełne wypełnienie lub zimne zamknięcia - miejsca, w których dwa metalowe fronty stykają się, ale nie topią się razem.

5. Krzepnięcie i chłodzenie

Po wypełnieniu wnęki stopiony stop metalu zaczyna stygnąć i staje się stały. Czas chłodzenia zależy od wielkości i złożoności odlewu, a także od rodzaju użytego metalu. Na przykład, małe części aluminiowe mogą zestalić się już po 20-30 sekundach, podczas gdy duże lub grubsze części mogą potrzebować 60-90 sekund i więcej.

W większości przypadków matryca jest chłodzona wodą, aby pomóc w kontrolowaniu szybkości chłodzenia. Kontrolowane chłodzenie poprawia strukturę ziaren i naprężenia wewnętrzne, a także zmniejsza je, dzięki czemu odlewy są mocniejsze i bardziej niezawodne.

6. Otwieranie matrycy i usuwanie części

Matryca jest otwierana po zestaleniu się stopu aluminium. W zależności od projektu, odlew może być usunięty ręcznie lub wyrzucony przez ciśnienie zapewniane przez mechaniczne kołki wypychające wbudowane w formę. Ponieważ odlewanie ciśnieniowe wykorzystuje metalową matrycę, forma może być ponownie używana przez tysiące cykli, a zatem proces ten jest opłacalny dla średnich i dużych serii.

Podczas usuwania części należy zachować ostrożność, aby nie uszkodzić odlewu lub formy. W tym momencie odlew nadal pozostawia nadmiar materiału z prowadnic i wrót, który należy usunąć w następnym kroku.

7. Przycinanie i wykańczanie

Wyciągnięty odlew zwykle wiąże się z dodatkowym metalem, który jest przymocowany do wlewu i systemu wlewowego. Materiał ten jest odcinany mechanicznie za pomocą piły, nożyc lub narzędzi szlifierskich. Inne operacje wykończeniowe mogą obejmować gratowanie, śrutowanie, obróbkę skrawaniem lub obróbkę cieplną, w zależności od przypadku, w celu uzyskania specyfikacji produktu.

Celem tego etapu jest dopracowanie wyglądu odlewu, zwiększenie dokładności wymiarowej i przygotowanie go do ostatecznej funkcji lub prac montażowych.

8. Inspekcja i kontrola jakości

Ostatnim procesem metody odlewania grawitacyjnego jest kontrola. Wady powierzchniowe, tolerancje wymiarowe i wady wewnętrzne odlewów są rzetelnie testowane. W pierwszej kolejności przeprowadzane są kontrole wizualne, a następnie, w zależności od potrzeb, inne bardziej zaawansowane techniki, takie jak:

• Badanie rentgenowskie jest zlecane w celu zidentyfikowania wewnętrznej porowatości lub skurczu.
• Pęknięcia powierzchniowe przy użyciu testów penetracyjnych.
• Ultradźwiękowe testy spójności strukturalnej
• Testy ciśnieniowe, w szczególności komponentów do transportu płynów

Tylko te odlewy, które przeszły wszystkie kontrole jakości, są dopuszczane do użytku lub dostarczane do klientów. Odrzucone części są zazwyczaj przetapiane i poddawane recyklingowi, co zmniejsza ilość odpadów materiałowych.

Rodzaje odlewów grawitacyjnych

Odlewanie grawitacyjne to wszechstronny proces, który występuje w różnych formach, mających na celu spełnienie różnych geometrii części, materiałów i produkcji z różnymi potrzebami. Mimo że istota pomysłu - wypełnianie metalowej formy za pomocą grawitacji - została zachowana, proces odlewania grawitacyjnego ma określone typy, a raczej metody, które różni producenci stosują w celu zaspokojenia konkretnego zastosowania.

1. Odlewanie grawitacyjne w stałej formie

Jest to najbardziej typowe odlewanie grawitacyjne. Produkcja dużych ilości tego samego komponentu odbywa się przy użyciu metalowej formy wielokrotnego użytku (głównie ze stali lub żeliwa). Forma jest wstępnie podgrzewana, a następnie pokrywana środkiem antyadhezyjnym i wypełniana stopionym metalem. Część jest następnie wyjmowana z formy po zestaleniu, gdzie jest poddawana recyklingowi.

Zastosowania: Elementy samochodów, armatura rurociągów i obudowy pomp

Zalety: Wysoka dokładność wymiarowa, dobre wykończenie powierzchni i długa żywotność formy

2. Przechylny odlew grawitacyjny

W tej metodzie forma jest powoli pochylana podczas procesu zalewania. Pozwala to stopionemu metalowi na powolne i równomierne wypełnienie wnęki matrycy, dzięki czemu unika się turbulencji i ryzyka uwięzienia gazu lub zimnych zamknięć.

Zastosowania: Cienkościenne komponenty lub części narażone na uwięzienie powietrza

Zalety: Zwiększona solidność wewnętrzna, ulepszona powierzchnia i zmniejszone występowanie wad

3. Niskociśnieniowe odlewanie grawitacyjne (hybrydowe)

Technicznie rzecz biorąc, jest to oddzielna kategoria, choć niektórzy mogą uznać ją za wariant, w którym niskie ciśnienie gazu (zwykle 0,7 - 1,5 bara) jest stosowane do stopionego metalu i delikatnie wpycha go do matrycy. Dodaje to zalety prostoty odlewania grawitacyjnego, a także pewne korzyści z kontroli ciśnienia.

Zastosowania: Koła pojazdów i elementy konstrukcyjne są również wykonane z odlewów o wysokiej integralności.

Zalety: Lepsza kontrola przepływu metalu, lepsze właściwości mechaniczne

4. Odlewanie grawitacyjne wspomagane rdzeniem piaskowym

Metoda ta polega na użyciu rdzeni piaskowych, które są wkładane do metalowej matrycy, gdzie umożliwiają formowanie wewnętrznych wnęk lub podcięć, które nigdy nie byłyby możliwe do stworzenia przy użyciu tylko litej metalowej formy.

Zastosowania: Złożone komponenty silnika, korpusy zaworów

Zalety: Umożliwia produkcję zaawansowanych części przy jednoczesnym wydłużeniu żywotności formy stałej. 

Tabela: Rodzaje odlewów grawitacyjnych

Materiały stosowane w odlewnictwie grawitacyjnym 

Grawitacyjne odlewanie ciśnieniowe jest jednym z najbardziej powszechnych procesów odlewania w formach stałych; jest stosowane głównie w przypadku stopów metali nieżelaznych. Materiały stosowane w tym procesie muszą charakteryzować się wysoką płynnością, umiarkowanymi temperaturami topnienia i doskonałą odlewalnością, aby stopiony metal mógł działać bez wad, będąc w stanie wypełnić wnękę matrycy. Ponieważ odlewanie grawitacyjne wykorzystuje tylko grawitację do wypełnienia formy bez ciśnienia zewnętrznego, wybór materiału jest jeszcze bardziej krytycznym czynnikiem dla osiągnięcia dokładności wymiarowej, jakości powierzchni i wytrzymałości. Główne materiały stosowane podczas odlewania grawitacyjnego to;

Stopy aluminium

Aluminium jest najczęściej stosowanym materiałem w procesie odlewania grawitacyjnego ze względu na jego lekkość, wyjątkową odporność na korozję i łatwość odlewania. Typowe stopy aluminium to A356, AlSi12 i A319. Takie stopy zapewniają dobre połączenie wytrzymałości, plastyczności i przewodności cieplnej, dzięki czemu nadają się do produkcji części samochodowych, takich jak bloki silnika, głowice cylindrów, obudowy skrzyni biegów i inne elementy konstrukcji.

Stopy aluminium stosowane do grawitacyjnego odlewania ciśnieniowego zazwyczaj topią się w zakresie temperatur od 660°C do 750°C. Stopione aluminium płynnie wpływa do metalowej formy i szybko się ochładza, tworząc gęstą, drobnoziarnistą strukturę. Można je również poddać obróbce cieplnej T5 lub T6, która poprawi właściwości mechaniczne. Odlewanie grawitacyjne w aluminium zapewnia wysoką dokładność wymiarową, dobre wykończenie powierzchni i długą żywotność, gdy matryca jest dobrze utrzymana.

Stopy na bazie miedzi

Odlewanie grawitacyjne jest również możliwe w przypadku stopów miedzi, zwłaszcza brązu i mosiądzu. Materiały te mają zastosowanie tam, gdzie wymagana jest wysoka odporność na zużycie, doskonała wytrzymałość, znakomite przewodnictwo cieplne/elektryczne. Na przykład odlewy z brązu są stosowane w takich obszarach, jak śruby napędowe statków, obudowy pomp i łożyska, podczas gdy mosiądz jest stosowany w takich obszarach, jak armatura i sprzęt dekoracyjny.

Jeśli chodzi o temperatury topnienia, stopy na bazie miedzi są wyższe, w zakresie od 1000° do 1200° Celsjusza. Sprawia to, że materiał matrycy jest odporny na naprężenia termiczne, a proces odlewania powinien być dobrze kontrolowany, aby zapobiec utlenianiu i wadom skurczowym. Odlewanie grawitacyjne przy użyciu stopów miedzi może być wykonane w celu dostarczenia wytrzymałych części o doskonałej obsłudze w ekstremalnych warunkach, jeśli jest odpowiednio kontrolowane.

Stopy magnezu

Stopy magnezu są stosowane w odlewnictwie grawitacyjnym, gdy projektowanie lekkich konstrukcji jest kluczowym zagadnieniem, w tym w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. Niektóre z popularnych stopów obejmują AZ91D, który łączy w sobie dobrą równowagę między wytrzymałością, odlewalnością i odpornością na korozję. Jego główną zaletą jest niska gęstość wynosząca około 1,8 g/cm³, co oznacza, że jest to najlżejszy stosowany metal konstrukcyjny.

Stopy magnezu ulegają upłynnieniu w temperaturze około 600°C - 650°C. Ze względu na wysoką reaktywność, powinny być odlewane w środowiskach ochronnych lub przy pomocy topników, aby uniknąć utleniania i spalania. Niemniej jednak odlewanie grawitacyjne umożliwia produkcję komponentów magnezowych z dużą precyzją i mniejszą ilością odpadów w porównaniu z innymi procedurami formowania.

Stopy cynku

Chociaż cynk jest bardziej odpowiedni do wysokociśnieniowych procesów odlewania ciśnieniowego, jest on również wykorzystywany do odlewania grawitacyjnego do określonych zastosowań, w szczególności małych, ściśle dopasowanych części o wąskich tolerancjach. Stopy cynku, takie jak Zamak 3 i Zamak 5, są faworyzowane ze względu na niską temperaturę topnienia (około 385 °C), dobrą płynność i replikację drobnych detali w formach.

Odlewy grawitacyjne z cynku są stosowane w produktach elektronicznych i konsumenckich oraz w częściach mechanicznych o niskim obciążeniu. Główną zaletą stosowania cynku w odlewach grawitacyjnych jest możliwość wykonywania ostrych krawędzi i drobnych elementów bez konieczności stosowania wielu procesów obróbki mechanicznej. Jednak ze względu na niską wytrzymałość mechaniczną w porównaniu z aluminium lub miedzią, może być stosowany tylko w zastosowaniach niekonstrukcyjnych.

Stopy aluminium z domieszką krzemu

Stopy aluminium bogate w krzem, takie jak AlSi12, są idealne do odlewania grawitacyjnego, ponieważ dodany krzem zwiększa płynność, zmniejsza skurcz i zwiększa odporność na zużycie. Takie stopy są szeroko stosowane w częściach silników, elementach hamulców i obudowach hydraulicznych, gdzie stabilność wymiarowa i wytrzymałość mają znaczenie.

Zawartość krzemu, która mieści się w zakresie 7-12%, dodatkowo poprawia zdolność stopu do wypełniania skomplikowanych kształtów form bez rozrywania na gorąco lub porowatości gazu. Stopy te krystalizują konsekwentnie, tworząc mniej defektów i wymagając niewielkiej obróbki końcowej.

Alternatywy dla grawitacyjnego odlewania ciśnieniowego

Odlewanie grawitacyjne jest powszechnie stosowaną techniką w produkcji części metalowych o średniej i dużej objętości o przyzwoitych właściwościach mechanicznych. Nie zawsze jest to jednak najlepszy wybór. Podczas gdy szereg czynników, takich jak złożoność części, pożądane wykończenie powierzchni, koszt i wielkość produkcji są kluczowe przy określaniu rodzaju technik odlewania. Producenci mogą w takich przypadkach uciekać się do stosowania różnych innych alternatywnych procesów odlewania. Poniżej znajduje się dokładna analiza kluczowych alternatyw dla odlewania grawitacyjnego oraz ich mocnych i słabych stron, a także typowych zastosowań.

Odlewanie w piasku

Najbardziej tradycyjną i elastyczną metodą odlewania jest odlew piaskowy. Obejmuje ona pracę z wnęką formy poprzez przygotowanie mieszanki piasku do jej ukształtowania, która jest zwykle związana gliną lub spoiwami chemicznymi. Wzór, który jest zwykle wykonany z drewna lub metalu, jest wykorzystywany do kształtowania formy piaskowej. Po uformowaniu formy stopiony metal jest wlewany do wnęki.

Proces ten jest szczególnie dobry w przypadku małych i średnich wielkości produkcji, dużych części lub części o złożonych wewnętrznych strukturach geometrycznych, których nie można łatwo uzyskać w litej matrycy metalowej. Odlewanie piaskowe jest stosunkowo tańsze pod względem kosztów oprzyrządowania, dlatego nadaje się do prototypowania lub niestandardowych zamówień.

Jednak odlewanie piaskowe skutkuje nierównym wykończeniem i gorszą dokładnością wymiarowania w porównaniu z odlewaniem grawitacyjnym. Forma jest niszczona po każdym użyciu, więc czas produkcji i straty materiału stają się wyższe w przypadku dużych serii. Niemniej jednak, odlewanie piaskowe jest elastyczną opcją, gdy koszt konfiguracji ma niski priorytet.

Odlewanie ciśnieniowe pod wysokim ciśnieniem

Odlewanie wysokociśnieniowe (HPDC) polega na wtryskiwaniu stopionego metalu do stalowej formy pod wysokim ciśnieniem, tj. od 600 do 1200 barów (1 ciśnienie). Metoda ta umożliwia tworzenie skomplikowanych kształtów z dużą dokładnością wymiarową i jakością powierzchni przy dużych prędkościach.

HPDC jest szczególnie pomocne przy produkcji cienkościennych części, których odlewanie w technologii wyłącznie grawitacyjnej nie byłoby możliwe. Jest to powszechna praktyka w przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym i AGD. Krótkie czasy cykli i wysoki poziom automatyzacji sprawiają, że jest to opłacalne w przypadku produkcji na bardzo dużą skalę.

Głównymi wadami w porównaniu do odlewania grawitacyjnego są zaporowo drogie narzędzia, a także skłonność do uwięzienia gazu, co może skutkować porowatością w końcowym odlewanym produkcie. Ponadto, ze względu na wysokie ciśnienie, proces ten jest zwykle ograniczony do mniejszych elementów i może nie być użyteczny w przypadku większych lub grubszych części.

Niskociśnieniowe odlewanie ciśnieniowe

Odlewanie niskociśnieniowe (LPDC) to zmodyfikowana wersja odlewania grawitacyjnego. Zamiast po prostu wlewać stopiony metal do formy, do komory pieca przykładane jest nadciśnienie (od 0,7 do 1,5 bara), co powoduje, że stopiony metal unosi się do formy przez rurę zwaną rurą wznoszącą.

Metoda ta zapewnia większą kontrolę nad przepływem metalu i minimalizuje ryzyko porowatości gazu. Jest powszechnie stosowana w aplikacjach wymagających części o wysokiej integralności, takich jak koła samochodowe i aluminiowe części konstrukcyjne. LPDC skutkuje również lepszymi właściwościami mechanicznymi i mniejszą ilością odpadów w porównaniu do odlewania grawitacyjnego.

Niemniej jednak taka zwiększona kontrola ma swoją cenę. Technologia jest bardziej skomplikowana i kosztowna, a proces jest dłuższy. Nawet w takich warunkach LPDC jest często wybierane, gdy wymagana jest lepsza jakość odlewu i wewnętrzna integralność.

Odlewanie odśrodkowe

Odlewanie odśrodkowe polega na obracaniu formy z dużą prędkością oraz wlewaniu do niej stopionego metalu. Siły odśrodkowe mocno dociskają metal do ścianek formy, co pomaga zmniejszyć porowatość i stworzyć niezwykle drobnoziarnistą strukturę.

Technika ta jest odpowiednia dla części cylindrycznych lub rurowych, tj. rur, pierścieni i tulei. Ze względu na kierunkową krystalizację i gęstą strukturę, uformowane części mają zwykle wysokie właściwości mechaniczne i niskie właściwości zużycia.

Odlewanie odśrodkowe jest jednak znacznie ograniczone pod względem geometrii części - może być stosowane tylko w przypadku symetrycznych kształtów, a złożone cechy wewnętrzne są trudne do wdrożenia. Początkowa konfiguracja i sprzęt są również dość wyspecjalizowane, co okazuje się barierą dla niektórych operacji. Jednak w przypadku okrągłych, wysokowydajnych części, odlewanie odśrodkowe stanowi dobrą opcję w porównaniu do odlewania grawitacyjnego.

Odlewanie inwestycyjne (odlewanie metodą traconego wosku)

Odlewanie inwestycyjne, określane również jako odlewanie z wosku traconego, to proces tworzenia woskowego kształtu części, która ma zostać wyprodukowana, nakładania ceramiki (powłoki) i topienia wosku w celu pozostawienia wgłębienia. Następnie gorący metal jest wlewany do tej wnęki w celu wytworzenia końcowej części.

Proces ten jest bardzo cenny ze względu na możliwość tworzenia bardzo skomplikowanych i szczegółowych części o niemalże siatkowym kształcie. Idealnie nadaje się do stosunkowo małych i średnich elementów, które wymagają wysokiej dokładności wymiarowej i estetycznych cech wysokiej jakości wykończenia powierzchni, takich jak łopatki turbin, elementy lotnicze i biżuteria.

W porównaniu do grawitacyjnego odlewania ciśnieniowego, odlewanie inwestycyjne ma wolniejsze tempo produkcji i wysoki koszt w przeliczeniu na część, zwłaszcza gdy objętość jest duża. Formy są również jednorazowe i mają więcej etapów. Jednak w przypadku skomplikowanych części, których nie można wykonać za pomocą odlewania grawitacyjnego, odlewanie inwestycyjne jest zwykle najlepszą opcją.

Kiedy używać alternatyw?

Wybór najlepszej alternatywy dla procesu odlewania grawitacyjnego zależy od potrzeb części i warunków produkcji. Na przykład, odlewanie piaskowe będzie idealne dla jednorazowych lub dużych, ciężkich części. Wysokociśnieniowe odlewanie ciśnieniowe jest odpowiednie do produkcji na dużą skalę, gdzie istnieje potrzeba grubych detali. Niskociśnieniowe odlewanie ciśnieniowe jest idealne, jeśli cele wymagają zwiększonej integralności wewnętrznej. Odlewanie odśrodkowe jest nie do pobicia, jeśli chodzi o okrągłe części, podczas gdy odlewanie inwestycyjne lepiej nadaje się do złożonych i bardzo precyzyjnych elementów.

Każda metoda wiąże się z innym zestawem kompromisów, jeśli chodzi o cenę, oprzyrządowanie, szybkość i jakość części. Decyzja zazwyczaj opiera się na równowadze między tymi czynnikami, a funkcjonalnością i estetyką gotowego produktu.

Parametry procesu: Temperatura, ciśnienie i czas 

Na sukces odlewania grawitacyjnego wpływa kilka parametrów technicznych:

1. Temperatura zalewania

Zwykle jest to 650 - 750 °C dla stopów aluminium. Zbyt gorące zalanie może spowodować uwięzienie gazu i porowatość. Zbyt zimny metal może nie dostać się do formy do końca.

2. Temperatura formy

Formy matrycowe są zwykle podgrzewane do temperatury 150-300 °C. Wstępnie podgrzana matryca sprawi, że metal nie zestali się zbyt szybko, a przepływ metalu stanie się płynniejszy.

3. Czas chłodzenia

Metal musi mieć możliwość zestalenia się, zanim zostanie usunięty po wylaniu. Czasy chłodzenia różnią się w zależności od stopu i geometrii części, ale zazwyczaj wynoszą od 20 do 90 sekund.

4. Tylko grawitacja (bez ciśnienia zewnętrznego)

Odlewanie grawitacyjne nie wykorzystuje żadnej siły zewnętrznej w porównaniu do odlewania ciśnieniowego. Taka prostota wpływa na zmniejszenie kosztów i zużycia sprzętu.

5. Smarowanie i powlekanie

Powierzchnie matryc są smarowane w celu ułatwienia uwalniania i wykończenia powierzchni. Niektóre z typowych powłok obejmują azotek boru i zawiesiny grafitu.

Te trzy parametry muszą być bardzo dobrze kontrolowane, aby zoptymalizować wysokiej jakości odlewy z minimalnymi wadami, takimi jak porowatość, skurcz i ścięcia na zimno.

Zastosowania grawitacyjnego odlewania ciśnieniowego 

Grawitacyjne odlewanie ciśnieniowe jest jedną z popularnych metod odlewania metali, która znalazła szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu ze względu na zdolność do produkcji precyzyjnych, trwałych i złożonych części z metali nieżelaznych. Proces ten zapewnia wysoką powtarzalność, odpowiednie właściwości mechaniczne i ścisłą kontrolę wymiarów, dzięki czemu nadaje się zarówno do zastosowań konstrukcyjnych, jak i funkcjonalnych. Poniżej znajdują się główne sektory i kilka przykładów, w których odlewanie grawitacyjne jest wykorzystywane w sposób krytyczny.

1. Przemysł motoryzacyjny

Przemysł motoryzacyjny jest jednym z największych odbiorców komponentów odlewanych grawitacyjnie. Technika ta jest idealna dla produkcja części które muszą charakteryzować się wytrzymałością, odpornością na ciepło i stabilnością wymiarową.

Kluczowe aplikacje obejmują:

• Głowice cylindrów i bloki silnika
• Zaciski hamulcowe i pompy hamulcowe
• Wsporniki zawieszenia i wahacze
• Obudowy skrzyni biegów

Odlewanie grawitacyjne umożliwia tworzenie złożonych geometrii o gładkich powierzchniach wewnętrznych, co jest bardzo ważne dla wydajnego transportu płynów w silnikach i hamulcach. Komponenty pracują w temperaturach od 90 do 120 °C, ale wytrzymałość materiału jest głównym problemem projektowym.

2. Lotnictwo i kosmonautyka

Redukcja masy i niezawodność są ważne w zastosowaniach lotniczych. Odlewy grawitacyjne są stosowane w przypadku części, które muszą być lekkie, a jednocześnie trwałe i bez kompromisów w zakresie wymiarów i odporności na zmęczenie.

Typowe odlewy lotnicze obejmują:

• Uchwyty montażowe
• Elementy obudowy
• Systemy kanałów powietrznych
• Osłony silnika

Stopy aluminium i magnezu są powszechnie wybierane do produkcji części lotniczych ze względu na ich wysoki stosunek wytrzymałości do masy. Odlewy muszą wytrzymywać obciążenia atmosferyczne, wahania temperatur od -55°C do 125°C podczas lotu oraz drgania mechaniczne podczas lotu.

3. Maszyny przemysłowe

Odlewanie grawitacyjne jest stosowane w ciężkich maszynach i urządzeniach przemysłowych do produkcji części, które wymagają wytrzymałości i odporności na zużycie przy zwiększonym obciążeniu.

Typowe komponenty obejmują:

• Obudowy przekładni
• Obudowy pomp
• Korpusy sprężarek
• Rozdzielacze

Odlewy te są zwykle wykonane ze stopu aluminium lub brązu, a niektóre konstrukcje mają różne grubości ścianek i złożone wnęki wewnętrzne. Ciśnienie robocze może wahać się od 10 barów do 150 barów, w zależności od systemu.

4. Obudowa elektryczna i elektroniczna

Odlewanie grawitacyjne jest stosowane w odlewaniu odpornych na ciepło i korozję obudów do delikatnych komponentów elektrycznych i elektronicznych.

Typowe zastosowania:

• Obudowy silników
• Korpusy opraw oświetleniowych
• Skrzynki przyłączeniowe
• Żebra chłodzące do urządzeń zasilających

Komponenty muszą zapewniać doskonałe rozpraszanie ciepła i stabilność wymiarową, jednocześnie zapobiegając przedostawaniu się czynników środowiskowych, w tym kurzu i wilgoci. Stopy aluminium i krzemu są szeroko stosowane do tych celów ze względu na ich przewodność cieplną i odporność na korozję.

5. Przemysł morski i stoczniowy

Zastosowania morskie wymagają materiałów, które są odporne na korozję spowodowaną słoną wodą, a także wytrzymują stałą ekspozycję na wilgoć. Grawitacyjny odlew ciśnieniowy jest wykorzystywany do tworzenia wytrzymałych części, które działają niezawodnie w takich warunkach.

Przykłady obejmują:

• Obudowy śmigieł
• Korpusy zaworów
• Obudowy pomp wodnych
• Osprzęt i złącza

W tym przypadku zwykle stosowanymi materiałami są brąz i stopy aluminium i brązu. Odlewy te są bardziej odporne na ciśnienie i pracują w warunkach wysokiej wilgotności, narażenia na działanie soli i temperatur w zakresie od 5°C do 50°C.

6. Sprzęt rolniczy

Ozdobione wewnętrznymi kanałami chłodzącymi, grawitacyjne odlewy ciśnieniowe są cennym aspektem maszyn rolniczych ze względu na ich odporność na elementy takie jak wstrząsy mechaniczne, zużycie środowiskowe i narażenie na działanie nawozów lub gleby.

Elementy odlewane grawitacyjnie obejmują:

• Korpusy zaworów hydraulicznych
• Osłony skrzyni biegów
• Uchwyty montażowe
• Obudowy przystawek odbioru mocy (PTO)

Urządzenia te zwykle pracują na zewnątrz w szerokim zakresie temperatur (od -20°C do 50°C) i muszą działać nawet w warunkach brudu, wibracji i korozji.

7. Produkty konsumenckie i sprzęt

Odlewanie grawitacyjne jest również stosowane w produkcji części dekoracyjnych i funkcjonalnych w produktach konsumenckich, które muszą być zarówno wytrzymałe, jak i dekoracyjne.

Aplikacje obejmują:

• Klamki i zamki drzwi
• Podstawy oświetleniowe
• Naczynia kuchenne
• Obudowy narzędzi

Wiele z tych części ma tendencję do stosowania stopów cynku lub aluminium ze względu na ich wyjątkowe wykończenie powierzchni i zdolność do utrzymywania drobnych szczegółów przy niewielkiej obróbce do odlewania.

Wszechstronność odlewania grawitacyjnego

Wszechstronność odlewania grawitacyjnego polega na zdolności do wytwarzania mocnych, dokładnych i złożonych części metalowych z różnych branż. Od przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego po produkty morskie i konsumenckie, ten proces odlewania stanowi solidne rozwiązanie, w którym priorytetem jest integralność strukturalna, wykończenie powierzchni, dokładność wymiarowa itp.

Zastosowanie form stalowych wielokrotnego użytku, stopów nieżelaznych, a także grawitacyjnego przepływu metalu sprawia, że jest to wydajne i niezawodne rozwiązanie dla nowoczesnych potrzeb produkcyjnych.

Zalety grawitacyjnego odlewania ciśnieniowego

Odlewanie grawitacyjne ma kilka kluczowych zalet:

• Lepsze właściwości mechaniczne: 

W wyniku mniej szybkiego krzepnięcia, ziarna stają się bardziej jednolite w kształcie, a tym samym osiągana jest wysoka wytrzymałość.

• Formy wielokrotnego użytku: 

Metalowe matryce mogą być ponownie używane przez tysiące cykli, zmniejszając w ten sposób koszt pojedynczej części.

• Ulepszone wykończenie powierzchni: 

W przeciwieństwie do odlewania piaskowego, jest to nie tylko gładsze wykończenie, ale także wymaga mniej obróbki.

• Dobra dokładność wymiarowa: 

Możliwe jest uzyskanie tolerancji rzędu ±0,1 mm.

• Przyjazny dla środowiska: 

Proces grawitacyjnego odlewania ciśnieniowego jest również zrównoważony ze względu na fakt, że zastosowane formy mogą być ponownie wykorzystane i powstaje stosunkowo mniej odpadów.

Ze względu na te zalety, wielu producentów preferuje odlewanie grawitacyjne zamiast innych, takich jak odlewanie piaskowe, gdy wymagana jest zarówno objętość, jak i jakość.

Ograniczenia odlewania grawitacyjnego

Proces odlewania grawitacyjnego, podobnie jak wszystkie inne procesy, ma kilka wad, choć sam w sobie jest korzystny:

• Wysokie koszty oprzyrządowania: 

W porównaniu do odlewania ciśnieniowego, cena metalowych matryc jest stosunkowo wyższa niż form piaskowych.

• Ograniczone do prostych kształtów:

Te delikatne detale i podcięcia powinny być trudne bez złożonego rdzenia.

• Dłuższe czasy cyklu: 

Ma wolniejszy czas cyklu w porównaniu do odlewania wysokociśnieniowego ze względu na naturalny przepływ i chłodzenie.

• Wymaga wykwalifikowanej obsługi: 

Uchwyty temperaturowe i czasowe mają kluczowe znaczenie dla uniknięcia usterek.

Ograniczenie to należy wziąć pod uwagę przy podejmowaniu decyzji o zastosowaniu odlewania grawitacyjnego dla konkretnej części.

Wnioski

Grawitacyjne odlewanie ciśnieniowe to praktyczny, skuteczny i dokładny sposób wytwarzania elementów metalowych, szczególnie ze stopów nieżelaznych, takich jak aluminium i miedź. Dzięki wykorzystaniu grawitacji zamiast ciśnienia zewnętrznego, proces ten charakteryzuje się wysoką jakością powierzchni i dokładnością wymiarową, a także daje strukturalnie solidny obiekt, dlatego metoda ta jest popularna w wielu gałęziach przemysłu.

Jeśli produkujesz części samochodowe, komponenty lotnicze lub obudowy przemysłowe, odlewanie grawitacyjne zapewnia opłacalne i spójne wyniki. Dzięki ścisłej kontroli parametrów, takich jak temperatura zalewania, temperatura formy i długość wiązania, producenci będą w stanie produkować odlewy, które są wysoce wyspecyfikowane pod względem wydajności i niezawodności.

Biorąc pod uwagę zwiększone zapotrzebowanie na lekkie, wytrzymałe i przyjazne dla środowiska części metalowe odlewanie grawitacyjne jest kluczową technologią we współczesnym paradygmacie produkcji.