O analiză tehnică cuprinzătoare a turnării în nisip a aluminiului în producția modernă

Turnarea în nisip a aluminiului este unul dintre cele mai vechi și mai versatile procese de turnare a metalelor, utilizat pe scară largă în producția modernă pentru a produce componente complexe, durabile și rentabile. Producătorii de turnare în nisip a aluminiului pot genera geometrii complexe cu caracteristici complicate care altfel ar fi fost fie nepractice, fie neprofitabile pentru a fi prelucrate din material solid prin turnarea aluminiului topit în matrițe de nisip pregătite. Această metodă este potrivită în special pentru producția de volum mic și mediu, prototipuri și piese turnate cu o structură ridicată pentru aplicații care acoperă industriile aerospațială, auto, de apărare și energetică.

Cel mai interesant aspect al aluminiului turnat în nisip este că este atât flexibil, cât și funcțional. Aluminiul are un raport foarte bun rezistență/greutate, rezistență la coroziune și capacitate de reciclare, fiind astfel un material de turnare excelent. Împreună cu rezistența termică a nisipului și capacitatea sa ridicată de turnare, procesul oferă o capacitate de producție scalabilă cu o precizie dimensională excelentă. Proiectarea modelului, alcătuirea matriței, calitatea topiturii și proiectarea gurilor sunt factori-cheie pentru succesul fiecărei piese turnate.

O turnătorie excelentă de piese turnate din nisip de aluminiu trebuie să controleze nu numai faptele clasice din tehnologia metalelor, ci și să abordeze inovațiile în procese. Instalațiile actuale aplică cele mai recente tehnologii pentru a preveni defectele și a asigura cea mai bună performanță a piesei turnate prin utilizarea imprimării 3D în nisip, a software-ului de simulare și a monitorizării proceselor în timp real. Piesele din aluminiu proiectate cu precizie și turnate sunt acum capabile să îndeplinească standardele inginerești stricte de siguranță, toleranță și durabilitate.

Pe măsură ce crește cererea de componente complexe cu termene de execuție mai rapide și impact redus asupra mediului, serviciile profesionale de turnare în nisip a aluminiului trebuie să continue să evolueze. Acest articol analizează detaliile tehnice ale procesului în sine, fluxul de lucru tehnic, materialele, provocările, inovațiile și așa mai departe.

Principiile de bază ale turnării în nisip a aluminiului

În esența sa, turnarea în nisip a aluminiului presupune turnarea aluminiului topit într-o cavitate a matriței de nisip, care este modelată după un tipar care reproduce geometria piesei finale. Când aluminiul se solidifică, matrița de nisip este scuturată, lăsând piesa turnată. Procesul are, de asemenea, o flexibilitate dimensională remarcabilă și o capacitate de scalabilitate în condiții de producție de volum redus cu amestec mare.

Procesul se bazează pe utilizarea unei matrițe nepermanente, nisipul, care poate fi reciclat și reutilizat, minimizând risipa de materiale și cheltuielile. Matrițele de nisip constau cel mai adesea din nisip de siliciu la care se adaugă un liant, iar natura sistemului de lianți influențează, în general, în mod considerabil finisajul suprafeței rezultate, precizia dimensională și rata de răcire.

Procesul de curgere în ingineria turnării în nisip a aluminiului

Turnarea în nisip a aluminiului este un proces de inginerie care constă într-un set de activități precis calibrate care vizează transformarea aluminiului brut în piese specifice, bine construite și precis dimensionate. Atât expertiza materială, cât și cea mecanică trebuie să fie aprofundate pentru ca toate etapele procesului să aibă succes. Următoarea este o analiză pas cu pas a modului în care turnarea în nisip a aluminiului este implementată din punct de vedere profesional și tehnic.

1. Proiectarea și realizarea modelelor

În procesul de turnare în nisip a aluminiului, pasul inițial este proiectarea și fabricarea modelului, o copie fizică a turnării finale. Rezervele care trebuie incluse în modele sunt destul de critice, cum ar fi contracția, tirajul și stocul de prelucrare. Pe măsură ce aluminiul se contractă, în timpul răcirii, modelele sunt dispuse puțin mai mari decât componenta finită. Rata de contracție a aliajelor de aluminiu este în mod normal de 1,3 %; totuși, în funcție de aliaj și de condițiile de răcire, aceasta poate varia.

Porțiunile verticale ale matrițelor sunt prevăzute cu unghiuri de tragere, în mod normal de câteva grade între 1 și 3, pentru a se asigura că modelul poate fi îndepărtat cu ușurință în matrița de nisip, având grijă să nu se distrugă cavitatea. Se includ toleranțe suplimentare (toleranțe de prelucrare) astfel încât să nu existe interacțiuni negative între postprocesare și piesa finală. Modelele pot fi realizate din lemn, metal, rășină sau chiar din materiale polimerice imprimate 3D, în funcție de cerințele de precizie și de nevoile volumului de producție.

2. Fabricarea matrițelor (turnare și fixarea miezului)

După pregătirea modelului, trebuie pregătită matrița. Pentru matrița de aluminiu, turnată în nisip, există două jumătăți separate: coala (jumătatea superioară) și traista (jumătatea inferioară). Acestea sunt produse prin îndesarea nisipului în jurul matriței într-un balon. În funcție de aplicație, nisipul este în general pe bază de siliciu și este amalgamat cu lianți precum argila (nisip verde) sau rășini chimice (nisip fără coacere).

În cazul în care designul piesei are spațiu intern și părți goale, este necesară utilizarea de miezuri de nisip. Acestea sunt plasate în cavitatea matriței, după care se toarnă metalul. Miezurile pot fi fabricate folosind cutii de miezuri, iar în cazul producției de precizie, acestea pot fi imprimate cu o precizie mai mare folosind imprimarea 3D pe nisip. Amprenta exactă a miezului este foarte importantă pentru a avea o structură rigidă și aderență la dimensiunea finală a piesei.

3. Proiectarea sistemului de grilaj

Punctualitatea și eficiența sistemului de porți format sunt semnificative pentru succesul procesului de turnare în nisip a aluminiului. Acest sistem constă dintr-un bazin de turnare, un canal de turnare, canale și porți, care forțează aluminiul reținut să intre în matrița de turnare. Un gating adecvat va preveni o mulțime de turbulențe, va minimiza blocajele de aer și, de asemenea, se va asigura că există o umplere uniformă.

De asemenea, sunt necesare înălțătoare (numite alternativ alimentatoare), care pot fi văzute ca un rezervor de metal topit care compensează direcția de contracție care apare după solidificare. Software-ul de simulare a turnării este, de obicei, utilizat de ingineri pentru a studia și optimiza sistemele de grilaj și de urcare. Predicția are loc prin utilizarea unor instrumente de simulare precum MAGMASoft sau ProCAST, astfel încât defectele tipice, cum ar fi închiderile la rece, derulările greșite și porozitatea de contracție, pot fi corectate practic înainte de a avea loc orice producție.

4. Topirea Cu și tratarea metalelor

Aluminiul se topește de obicei într-un cuptor cu reverberație, un cuptor cu creuzet sau un cuptor cu inducție, iar alegerea depinde de volumul lotului, de necesitățile de aliaj și de cantitatea de energie necesară. Temperatura de topire a aluminiului pur este de aproximativ 660 de grade Celsius (1220 Fahrenheit), deși punctul de topire al aliajelor poate varia foarte ușor în funcție de compoziție.

Absorbția gazelor, în special absorbția hidrogenului gazos, este una dintre marile dificultăți tehnice în timpul topirii. Aluminiul fierbinte absoarbe foarte ușor hidrogenul, fie din umiditatea aerului, fie din cifrele încărcate. Mai mult decât hidrogenul, porozitatea apare în turnarea finită. Ca răspuns la aceasta, topitura este expusă procedurilor de degazare, care implică frecvent introducerea de gaze pasive (cum ar fi argonul sau azotul) care este împins în topitură cu ajutorul unui rotor rotativ. De asemenea, se pot adăuga agenți de fluxare pentru a elimina oxizii și incluziunile din topitură.

5. Lupta cu metalul topit

Când aluminiul topit este curățat și condiționat, acesta este apoi turnat în matriță cu ajutorul sistemului de închidere. Turnarea trebuie să fie complet controlată și continuă, fără amestecarea matriței și, prin urmare, fără captarea aerului și solidificarea într-un stadiu incipient. Instalațiile manuale includ polonice care sunt acționate de persoane instruite cu privire la înălțimea și viteza de turnare. Turnarea robotizată este una dintre acele etape care garantează siguranța și repetabilitatea ridicată în sistemele automatizate.

Temperatura de turnare este de obicei de 690-740 °C, în funcție de aliaj și de complexitatea matriței. Turnarea la temperaturi scăzute poate provoca închideri la rece sau umplere incompletă, iar turnarea la temperaturi ridicate poate provoca o mai mare preluare în gaz și oxidare.

6. Solidificarea și răcirea

Etapa de solidificare este una dintre cele mai importante etape ale procesului de turnare a aluminiului printr-o metodă de turnare în nisip. Atunci când aluminiul se transformă într-un solid, acesta se contractă, iar contracția ar trebui să fie luată în considerare în timpul proiectării gaterului și a radiatorului. Obiectivele răcirii controlate sunt microstructura uniformă și reducerea tensiunilor interne și a cavităților de contracție.

În funcție de geometria diferitelor zone ale turnării și în funcție de grosimea peretelui, acestea au rate de răcire diferite. În schimb, se recurge la solidificarea direcționată, cel mai adesea prin proiectarea piesei turnate astfel încât aceasta să fie orientată astfel încât solidificarea să se producă de la subțire la gros, ceea ce direcționează cavitățile de contracție către radiatoare. Pentru a accelera răcirea în anumite regiuni și, prin urmare, pentru a regla structura granulelor și a minimiza defectele, o tehnică constă în utilizarea răcitorilor, inserții metalice în matriță.

7. Scuturarea, curățarea și aranjarea.

După ce matrița este îndepărtată cu succes, matrița este scuturată după ce turnarea s-a solidificat complet într-un proces cunoscut sub numele de shakeout. Tăierea sau șlefuirea se face mecanic sau manual pentru a îndepărta nisipul. Tăierea se face la nivelul sistemului de turnare și de grilaj și al înălțimilor.

De obicei, piesele turnate prezintă reziduuri de nisip la suprafață și depuneri de oxid, iar procesele de curățare, cum ar fi sablarea, șlefuirea sau chiar decaparea chimică, sunt efectuate pentru a elimina aceste depuneri. De asemenea, în această fază are loc și decaparea, în cadrul căreia se îndepărtează metalul inutil și suprafețele groase sunt făcute mai fine. Există, de asemenea, îndepărtarea oricăror miezuri pe care le-a folosit matrița.

8. Tratament termic și prelucrare (în cazul în care este necesar)

Multe piese din aluminiu turnate în nisip sunt supuse unui tratament termic post-fundare pentru a le îmbunătăți proprietățile mecanice. Printre abordările obișnuite se numără:

• Revenirea T5/ T6 a aliajelor de aluminiu cu întărire prin îmbătrânire (de exemplu, A356-T6), unde rezistența și duritatea sunt substanțial crescute.
• Recoacerea, pentru a elimina tensiunile din interiorul acestuia și pentru a-l face mai ductil.

Prelucrarea de precizie poate fi necesară după tratamentul termic pentru a respecta toleranțele finale, în special în cazul suprafețelor care se îmbină cu alte piese sau care trebuie să fie dimensionate strâns. 

Contraexemple: Frezarea, găurirea și strunjirea CNC a pieselor turnate în nisip sunt procese ulterioare comune.

9. Asigurarea calității și inspecția

Ultimul pas este efectuarea unei verificări finale pentru a vă asigura că piesa turnată are specificațiile corecte, conform cerințelor. Următoarea este asigurarea calității obișnuite a aluminiului de tip turnare în nisip:

• Inspecție bazată pe dimensiuni (CMM, mașină de măsurat coordonate sau scanare cu laser sau de altă natură).
• Teste nedistructive (NDT), cum ar fi radiografia cu raze X, testarea cu ultrasunete sau inspecția prin penetrare cu vopsea, care dezvăluie defectele interne sau de suprafață.
• Încercări mecanice de rezistență la tracțiune, alungire și duritate, în special în cazul pieselor turnate utilizate structural.
• Datele de inspecție au fost înregistrate pentru a putea urmări datele și a îmbunătăți în continuare replicările ulterioare ale procesului.

Aspecte metalurgice ale turnării în nisip a aluminiului

Aliajele de aluminiu aplicate pentru turnarea în nisip pot fi de obicei împărțite în următoarele două grupuri: aliaje netratabile termic și aliaje tratabile termic. Aliajele cunoscute sunt A356, A319 și 319.1, selectate în funcție de necesitățile de rezistență, conductivitate termică și rezistență la coroziune. Ratele de răcire și elementele de aliere precum siliciul, magneziul și cuprul au un efect important asupra structurii granulare a piesei turnate.

Unul dintre cele mai dificile aspecte ale procesului de turnare în nisip a aluminiului este controlul porozității. Solubilitatea hidrogenului gazos în aluminiu este, de asemenea, foarte mare în faza lichidă decât în faza solidă, ceea ce tinde să provoace microporozitate în bazinul de solidificare. Metodele standard de limitare a acestei provocări sunt degazarea în vid și spălarea cu gaz inert.

Materiale utilizate în turnarea în nisip a aluminiului

Materialele utilizate în turnarea în nisip a aluminiului sunt esențiale pentru performanța, manufacturabilitatea și durabilitatea produsului final. Acestea cuprind nu numai aliajele de aluminiu, ci și diferite tipuri de nisip, lianți, precum și materiale auxiliare pentru fabricarea matriței și a miezului. Factori social-economici. Prin selectarea fiecărui material, este esențial să se ajungă la un compromis privind turnabilitatea și proprietățile mecanice, finisarea suprafeței și rentabilitatea. Principalele categorii de materiale în cadrul cărora se realizează procesul sunt prezentate mai jos în detaliu.

1. Aliaje de aluminiu

Selectarea aliajului de aluminiu este cheia oricărui proces de turnare în nisip a aluminiului. Diversele aliaje oferă diferite proprietăți mecanice, coroziune și comportament termic. În general, aceste aliaje se încadrează în două mari categorii: aliaje forjate (forjate / laminate) și aliaje de turnare. Turnarea în nisip utilizează, de asemenea, aliaje de aluminiu pentru turnare, deoarece acestea sunt cele mai potrivite pentru turnare, fluiditate și solidificare.

Cel mai adesea, aliajele de aluminiu turnat sunt:

A356 (Al-Si7-Mg):

Acesta este unul dintre cele mai populare aliaje în domeniul serviciilor de turnare în nisip pentru aluminiu. Este extrem de ușor de turnat, are o rezistență relativ bună la coroziune și poate fi tratat termic până la obținerea temperaturii T6 (rezistență ridicată, ductilitate ridicată), care îl face foarte util. Tratamentele de întărire în vârstă sunt posibile prin adăugarea de magneziu.

319 (Al-Si-Cu-Mg):

Rezistența bună la uzură și prelucrabilitatea sunt, de asemenea, cunoscute pentru 319, care este utilizat în aplicații auto și inginerie generală. Dar rezistența sa la coroziune este mai slabă decât cea a A356.

535 (Al-Mg):

Este un aliaj cu un conținut ridicat de magneziu și, prin urmare, are o rezistență foarte bună la coroziune, precum și la impact. Este utilizat frecvent în aplicații aerospațiale și marine.

Aliaje aluminiu-siliciu (Al-Si):

Aceste aliaje au fost recunoscute pentru fluiditatea lor ridicată și contracția redusă, în special atunci când sunt utilizate în componente complexe precum piesele din aluminiu turnate în nisip.

Aditivi și rafinării de cereale:

Pentru a îmbunătăți calitatea turnării, pentru a reduce porozitatea și pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice, se pot adăuga aliaje principale titan-boron (de exemplu, AlTi5B1) pentru a asigura rafinarea granulelor. Modificarea stadiului de siliciu în aliajele Al-Si utilizează de obicei stronțiu, care crește ductilitatea și reduce ruperea la cald.

2. Materiale de nisip

În cadrul metodei, principalul material de turnare este nisipul în procesul de turnătorie de aluminiu cu nisip. Scopul său este de a crea cavitatea matriței în care este turnat aluminiul topit. Nisipul trebuie să fie capabil să tolereze temperaturi ridicate (peste 700 o C), să fie precis din punct de vedere dimensional și, de asemenea, să fie capabil să reziste eroziunii de către fluxul de metal.

Nisipul care urmează să fie utilizat:

Nisip silicios:

Este nisipul cel mai frecvent utilizat și cel mai ieftin. Este bun din punct de vedere al refractabilității, precum și al prelucrabilității. Cu toate acestea, prezintă probleme în ceea ce privește dilatarea termică, care poate duce la defecte de turnare, cum ar fi nervuri sau rupturi la cald, cu excepția cazului în care acest lucru este bine controlat.

Nisip de cromit:

Acest nisip are o conductivitate termică și o rezistență la șocuri termice mai bune; astfel, poate fi utilizat în investiții la temperaturi ridicate, precum și în turnarea secțiunilor groase ale pieselor mari.

Zircon Sand:

Se aplică în aplicații în care precizia dimensiunilor este extrem de importantă. Este mult mai costisitor, dar are o dilatare termică foarte scăzută și o refractabilitate ridicată.

Dimensiunea unui bob de nisip:

Nisipul cu granulație fină oferă un finisaj mai neted pe suprafață și afectează permeabilitatea. Dimensiunea nisipului cu granulație grosieră crește permeabilitatea și rezistența matriței; cu toate acestea, produsul final ar putea fi mai rugos. În ceea ce privește geometria piesei și specificațiile de finisare, se alege de obicei un compromis.

3. Legătura și aditivii

Turnarea aluminiului în nisip: Nisipul utilizat în turnarea aluminiului este ținut împreună cu ajutorul unui liant, creând o matriță suficient de solidă pentru a rezista la presiunea aluminiului topit. Lianții sunt fie organici, fie anorganici și sunt aleși în funcție de sistemul de nisip care este utilizat.

Lianți de nisip verde:

Argilă bentonită:

O argilă umflată care este utilizată într-un sistem de nisip verde pentru a oferi plasticitate și coeziune. Acesta este amestecat cu apă pentru a forma un material de turnare reutilizabil.

Apă:

Este un activator în nisipurile verzi și ajută la legarea dintre argilă și compactează nisipul.

Sisteme de nisip cu liant chimic:

Rezină de furan:

Un agent de lipire natural, o rezistență ridicată și un finisaj bun. Se aplică în mod normal într-un sistem de coacere.

• Cutia frigorifică din uretan fenolic (PUCB) a fost ultimul tip de produs.
• Are o rezistență mare a miezului și precizie dimensională. Dietz este utilizat pe scară largă în producția de miezuri.

Aditivi:

Probabil cele mai vechi mine din lume sunt minele de cărbune din acest district carbonifer; acestea se extind la o adâncime de 2.200 de picioare sau mai mult și se știe că continuă pe lângă filon, spre mare, unde cărbunele este numit cărbune de mare sau praf de cărbune.

Încorporat cu nisip verde pentru a îmbunătăți culoarea neagră de pe suprafața matriței și pentru a elimina defectele de turnare, cum ar fi penetrarea metalului.

Oxid de fier:

Este util pentru a diminua venele și defectele de expansiune în zonele fierbinți.

Grafit:

Îmbunătățește fabricarea nisipului în cazul în care posedă niveluri ridicate de fluiditate a nisipului și de eliberare a mucegaiului.

4. Materiale de bază

Golurile interne și formele complicate din așa-numitele piese din aluminiu turnate în nisip sunt produse de miezuri. Acestea sunt de obicei turnate în nisip de silice de înaltă puritate, având un sistem de liant identic cu cel al matriței, dar frecvent mai rigid și mai precis.

Materialele care sunt importante în producția de bază sunt:

• Nisip silicios (ochiuri mari)
• Lianți (rășină furanică sau PUCB)
• Fire de aerisire sau orificii de aerisire a miezului, pentru a permite evacuarea gazului în turnare

Jetul de liant în miezuri de nisip imprimate 3D devine popular în turnătoriile de înaltă tehnologie. Acestea elimină utilizarea cutiilor de miez și permit prototiparea rapidă a geometriilor complexe.

5. Acoperirea mucegaiului și spălarea mucegaiului

Acoperirile refractare sunt aplicate (sau spălarea matriței) pentru a îmbunătăți finisajul suprafeței de turnare sau pentru a oferi protecție termică și chimică matriței sau miezului.

Astfel de materiale de acoperire comune sunt:

Acoperiri pe bază de zirconiu 

Acoperirile pe bază de zircon sunt, de asemenea, excelente în ceea ce privește refractaritatea și proprietățile de izolare în aliajele de aluminiu la temperaturi ridicate.

Acoperiri pe bază de grafit:

Încurajează turnarea ușoară și sunt aplicabile în zonele reci.

Pe bază de aluminosilicat: 

Acoperirile pe bază de aluminosilicat sunt acoperiri de protecție de uz general care minimizează defectele de suprafață.

Procesul de aplicare a acestor acoperiri se face prin periere, pulverizare sau scufundare, iar apoi se usucă înainte de turnarea metalului. Acestea atenuează pericolul de eroziune a nisipului, penetrarea metalului și dezvoltarea legată de gaze.

6. Alte materiale auxiliare și de proces

Alte materiale utilizate în serviciile de turnare în nisip a aluminiului includ:

Fluxuri:

Pentru a curăța topitura și pentru a elimina incluziunile nemetalice. În funcție de tipul de aliaj utilizat, fluxurile obișnuite sunt cele pe bază de clorură sau de fluorură.

Tablete sau gaze degazante:

Acestea pot implica tablete de hexacloroetan sau altele asemenea, deși în turnătoriile contemporane, degazarea cu gaz argon este preferată din motive de mediu și siguranță.

Sonde, termocupluri și pirometre:

Senzorii de temperatură sunt disponibili sub formă de aliaje de înaltă temperatură și materiale ceramice pentru monitorizarea condițiilor de topire și turnare.

Materiale exoterme pentru manșoane și tuburi montante :

Acesta este plasat în coloane ascendente pentru a menține alimentarea cu metal topit mai mult timp. Acestea au materiale izolante sau exoterme care degajă căldură în timpul solidificării.

Funcția turnătoriei de nisip din aluminiu

Turnătoria de turnare extrem de sofisticată este așa-numita turnare în nisip de aluminiu, care are mașini de turnare, stații de producere a miezurilor, cuptoare de topire și sisteme de inspecție. Turnătoriile sunt specializate în turnare, calitatea maximă a articolului turnat, durata minimă a ciclului și eficiența maximă a materialelor. Turnătoriile dezvoltate combină instrumente digitale precum:

• Simulation Software: Așa-numitul software de simulare (cum ar fi MAGMASoft și FLOW-3D Cast) simulează umplerea și solidificarea matriței și permite inginerilor de turnătorie să ajusteze cu precizie designul grilajului și să previzioneze defecțiunile.
• Miez automat: Formele interioare complicate pot fi create cu ușurință cu ajutorul noilor miezuri de nisip imprimate 3D, ceea ce diminuează cheltuielile cu sculele și timpul.
• Teste nedistructive (NDT): Acest lucru implică utilizarea de teste cu raze X, ultrasunete, precum și penetrant de colorant pentru a verifica caracterul complet al piesei turnate.

O turnătorie de succes de aluminiu de turnare în nisip are un sistem de control al calității cu toate standardele globale, cum ar fi ASTM B26, ISO 8062-3 și AMS 4218 pentru a garanta o calitate stabilă a aliajelor de aluminiu turnate.

Avantajele serviciilor de turnare în nisip a aluminiului

Serviciile profesionale de turnare a aluminiului în nisip oferă soluții de turnare de la un capăt la altul, inclusiv consultanță de proiectare, prototipuri rapide, scule și post-procesare. Acestea sunt servicii de aprovizionare cu piese pentru OEM și furnizori de nivel 1, care au nevoie de cel mai rapid timp de răspuns, de geometrie și funcționalitate personalizate.

Unele dintre acestea sunt principalele avantaje:

• Cheltuieli reduse cu utilajele: În comparație cu turnarea sub presiune, turnarea în nisip necesită costuri reduse pentru scule, ceea ce o face cea mai bună opțiune pentru producții scurte.
• Service: Furnizorii de servicii sunt sfătuiți să creeze aliaje personalizate în funcție de caracteristicile mecanice sau termice necesare.
• Prototiparea rapidă: Este posibil să se pregătească un prototip în câteva zile, în loc de săptămâni, cu ajutorul modelării digitale actuale.

Pe măsură ce industriile solicită cicluri de producție mai rapide și o mai mare personalizare, aluminiu de înaltă calitate turnare nisip serviciile devin parteneri valoroși în lanțurile de aprovizionare.

Precizie și performanță în piesele din aluminiu turnate în nisip

Turnarea în nisip a pieselor din aluminiu rămâne o piatră de temelie în producția de blocuri motor, carcase de transmisie, capace de colector și componente de aeronave. De asemenea, procesul poate gestiona geometrii simple și complexe ale pieselor cu grosimi ale pereților cuprinse între 3 mm și 75 mm, în funcție de rezistența matriței și de fluiditatea aliajului implicat.

Parametrii cheie de performanță pentru piesele din aluminiu turnate în nisip includ:

• Toleranță dimensională: Capabile să tolereze între 0 și 0,5 procente din valorile lor nominale în funcție de calitatea matrițelor.
• Rugozitatea suprafeței: Aceasta se situează între 150 și 500 RMS, deși în cazul procesului secundar, acestea pot fi mai fine.
• Rezistență mecanică: Rezistența la tracțiune depinde de aliaj și de tratament și este, de obicei, între 170-300 milimetri Pascal (MPa).

Inginerii pot reduce cantitatea de defecte de contracție și pot realiza structuri uniforme în timpul structurii de granulație prin sisteme de gating și riser atent selectate.

Provocări și inovații în turnarea în nisip a aluminiului

Deși turnarea în nisip a aluminiului a trecut testul timpului ca o metodă de producție versatilă și rentabilă, aceasta se confruntă cu multiple provocări tehnice și operaționale care afectează calitatea turnării, eficiența producției și scalabilitatea. Din fericire, procesul este transformat în mare măsură cu ajutorul noilor inovații în materie de soluții, pe măsură ce industria face față acestor provocări cu noi instrumente și tehnologii. Iată o defalcare suplimentară atât a provocărilor care continuă să afecteze arta turnării în nisip a aluminiului, cât și a inovațiilor emergente care par să fi apărut în domeniu.

1. Calitatea topiturii și porozitatea gazului

Provocare:

Una dintre cele mai critice și persistente probleme în turnarea în nisip a aluminiului este porozitatea gazelor, datorată în principal absorbției de hidrogen. Atunci când este topit, aluminiul are tendința de a absorbi hidrogenul gazos, în special în condiții de umiditate sau de abuz prin utilizarea de materiale de încărcare contaminate. Pe măsură ce metalul se răcește, solubilitatea hidrogenului scade, prin urmare gazul precipită, formând găuri minuscule în turnare. Astfel de pori limitează serios rezistența la oboseală și capacitățile de etanșare, precum și rezistența mecanică.

Inovare:

Soluția la această problemă a fost rezolvată prin utilizarea tehnologiei moderne de degazare în turnătoriile moderne, cum ar fi tehnologia de degazare rotativă, utilizarea gazelor inerte precum argonul sau azotul. Aceste sisteme agită topitura astfel încât să aducă mai multă suprafață și să elibereze hidrogenul prins. În plus, sistemele de degazare în linie cu inele de spălare sunt utilizate pentru a îndepărta oxizii și incluziunile. Unele dintre fabrici instalează chiar și senzori de monitorizare a gazelor în timp real pentru a evalua starea hidrogenului în timpul topirii și turnării.

2. Tristețea dimensională și mucegaiul lipit de ea

Provocare:

Menținerea unor toleranțe dimensionale stricte prin metoda turnării în nisip a aluminiului nu este ușoară deoarece matrița de nisip este un lucru variabil. Aceste modificări geometrice pot fi provocate de compactarea nisipului, de conținutul de umiditate, precum și de expansiunea termică, printre altele, cauzând astfel unele piese care nu mai sunt în specificațiile lor. De asemenea, modelele reutilizabile denotă o probabilitate mai mare de vibrație la deriva dimensională, iar aceasta nu este luată în considerare în timp.

Inovare:

Pentru a contracara acest lucru, numeroase turnătorii utilizează mașini de turnare controlate digital care asigură o presiune uniformă în compactarea matrițelor și obțin un grad de uniformitate în calitatea matrițelor. Imprimarea cu nisip 3D (binder jetting) transformă crearea de matrițe, deoarece nu necesită un model fizic. Aceste matrițe turnate sunt extrem de precise la nivel de microni, fiind potrivite pentru prototipuri și serii mici de producție. Împreună cu software-ul de simulare a turnării, inginerii sunt capabili să simuleze modificările dimensionale la răcire și să compenseze modificările la proiectarea modelului.

3. Automatizare ușoară și dependență puternică de forță de muncă

Provocare:

Procesele tradiționale de turnare a aluminiului în nisip necesită multă forță de muncă, în special în ceea ce privește pregătirea matriței, turnarea și finisarea. Operațiunile manuale nu numai că reduc randamentul, dar și variabilitatea turnării. În plus, utilizarea forței de muncă calificate se poate dovedi a fi un blocaj, în special în zonele în care există o penurie de forță de muncă.

Inovare:

Automatizarea robotică schimbă operațiunile repetitive și riscante, cum ar fi realizarea matrițelor, turnarea și măcinarea. Roboții de colaborare (cobots) ar avea capacitatea de a colabora cu oamenii în asamblarea și extragerea fundamentală a pieselor turnate. Turnătoriile adoptă, de asemenea, instalații automate de turnare care au senzori laser și sisteme de vedere pentru a permite un echilibru în ratele de turnare și controlul cu precizie al temperaturii de turnare. Astfel de progrese contribuie nu numai la eficiența producției, ci și la siguranța și unificarea la locul de muncă.

4. Predicția cauzei principale a defectelor de turnare

Provocare:

Preocupările legate de defectele de turnare, cum ar fi închiderile la rece, rupturile la cald, găurile de contracție și incluziunile continuă să fie un factor major care contribuie la risipa de material și la defectele produselor. Cauza principală a acestor defecte trebuie să fie identificată și eliminată pentru a preveni reapariția lor; acest lucru ar necesita o cunoaștere aprofundată a dinamicii fluidelor, a gradienților termici și a dinamicii aliajelor - aspecte care nu sunt disponibile imediat în orice turnătorie fără măsuri speciale.

Inovare:

Recent au devenit disponibile pachete sofisticate de modelare a dinamicii fluidelor computaționale (CFD) și a solidificării care permit inginerului să simuleze întregul proces de turnare într-o lume virtuală. Programele informatice FLOW-3D Cast, ProCAST și MAGMASoft sunt unele dintre programele care permit prognozarea defectelor oțelului topit și a locului în care este probabil să se formeze defecte înainte de turnarea oricărui metal. Instrumentele sunt utilizate pentru a optimiza sistemele de trecere, amplasarea tuburilor montante și strategiile de răcire pentru a obține piese turnate lipsite de defecte. În plus, se lucrează la modele de învățare automată în care datele privind defectele din trecut sunt utilizate pentru a analiza și a oferi recomandări în timp real privind procesul care trebuie ajustat.

5. Sustenabilitatea mediului și gestionarea deșeurilor

Provocare:

Turnarea în nisip a aluminiului generează deșeuri sub formă de nisip uzat, zgură metalică, reziduuri de flux și piese nespecifice. Eliminarea nisipului, în special, reprezintă o problemă, deoarece nisipul chimic poate să nu fie ușor de reciclat. De asemenea, consumul ridicat de energie în procesul de topire adaugă mult la amprenta de carbon în procesele de turnătorie.

Inovare:

Majoritatea turnătoriilor progresive investesc în sisteme de regenerare a nisipului în circuit închis, care reciclează nisipul utilizat anterior prin procese termomecanice. Astfel de sisteme reduc numărul de gropi de gunoi, precum și costul materiilor prime. Din punct de vedere energetic, cuptoarele de topire prin inducție sunt mai eficiente și au emisii minime decât analogii lor tradiționali, cuptoarele reverberatoare alimentate cu gaz. Energia solară, reciclarea căldurii reziduale și monitorizarea în timp real a energiei ajută, de asemenea, turnătoriile să reducă impactul asupra mediului, respectând cerințele de reglementare din ce în ce mai stricte.

6. Restricțiile impuse de aliaje și dificultatea metalurgiei

Provocare:

Utilizarea aliajelor de aluminiu aplicabile în turnarea în nisip este asociată cu un compromis între capacitatea de turnare, proprietățile mecanice și capacitatea de tratare termică. Anumite aliaje de înaltă performanță au o fluiditate scăzută sau sunt predispuse la ruperea la cald în timpul solidificării și, ca atare, nu pot fi utilizate în forme complexe.

Inovare:

Metalurgiștii vin cu noi specificații ale aliajelor de aluminiu care sunt special concepute pentru a se potrivi turnării în nisip. Acestea sunt aliaje modificate cu pământuri rare, care îmbunătățesc fluiditatea și reduc la minimum fisurarea, și pulberi de aluminiu întărite cu nanoparticule, care au un raport rezistență/greutate mai bun. De asemenea, se standardizează procesele de rafinare a grăunților prin intermediul aliajelor principale (de exemplu, Al-Ti-B) în favoarea unei microstructuri uniforme a aliajelor și a asigurării unor proprietăți mecanice mai bune după turnare.

7. Digitalizarea și turnătoriile inteligente

Provocare:

În principiu, turnătoriile convenționale sunt ghidate de cunoștințe care sunt în mare parte legate de experiență și nu de date în timp real și, prin urmare, există inconsecvență și trasabilitate minimă în producție.

Inovare:

Turnătoriile inteligente apar datorită apariției practice a tehnologiilor Industriei 4.0. Astfel de instalații utilizează senzori IoT, analiză în cloud și gemeni digitali pentru a observa temperaturile, presiunea, umiditatea, precum și condițiile matriței în diferite etape ale procesului de turnare. Informațiile referitoare la diferite etape sunt încorporate în tablouri de bord centralizate, ceea ce permite previzionarea întreținerii, asigurarea calității și îmbunătățirea continuă. Gemenii digitali, care creează versiuni virtuale extinse ale întregului proces de turnare, pot fi utilizați pentru a optimiza procesul și a depista cauzele principale fără a opri producția.

Concluzie

Turnarea în nisip a aluminiului continuă să joace un rol esențial în producția industrială, permițând fabricarea de piese simple și complexe cu eficiență și economie. Procesul devine și mai precis, durabil și flexibil pentru a răspunde nevoilor producției moderne, pe măsură ce domeniul științei materialelor și tehnologia turnătoriilor avansează. Pe măsură ce o industrie legată de simulare, automatizare și cercetarea aliajelor crește, a atins capacitatea unei turnătorii de aluminiu prin turnare în nisip, o revenire a acestui tip de meșteșug este așteptată din cauza cererii de piese metalice ușoare și de înaltă performanță.

Fie prin servicii specializate de turnare în nisip a aluminiului sau prin ingineria meticuloasă din spatele turnării în nisip piese din aluminiu,această tehnică va rămâne parte integrantă a industriilor care apreciază integritatea structurală, flexibilitatea designului și producția rentabilă.

Întrebări frecvente: Întrebări frecvente 

1: Ce este turnarea cu nisip de aluminiu?

Turnarea în nisip a aluminiului este un proces în care aluminiul topit este turnat în matrițe de nisip pentru a crea piese metalice complexe. Acesta poate fi perfect utilizat atunci când este necesară o producție de volum mic sau mediu și sunt implicate piese mari.

2: Unde sunt utilizate piesele din aluminiu turnate în nisip?

Piesele din aluminiu turnate în nisip sunt utilizate în mod obișnuit în sectoarele auto, aerospațial, marin și industrial pentru componente precum carcase, suporturi și piese de motor.

3: Ce ar trebui să fac pentru a selecta o turnătorie de aluminiu adecvată?

Căutați o turnătorie cunoscută ca o turnătorie de aluminiu cu nisip, cu un management de calitate extins, suport tehnic, cunoștințe despre aliaje și alte capacități cu valoare adăugată, cum ar fi prelucrarea și tratamentul termic.