ریخته گری فلزات آلومینیوم: فرآیندها، آلیاژها و بهترین روش ها

آنچه که ریخته گری فلز آلومینیوم در واقع ارائه می دهد

ریخته گری آلومینیوم انتخاب غالب برای اجزای ساختاری سبک وزن در خودرو، هوافضا، لوازم الکترونیکی مصرفی و تجهیزات صنعتی است - و دلیل خوبی هم دارد. آلیاژهای آلومینیوم چگالی تقریباً دارند 2.7 گرم بر سانتی متر مکعب حدود یک سوم فولاد است، در حالی که آلیاژهای ریخته گری با کارایی بالا مانند A380 و A356 بسته به عملیات حرارتی، استحکام کششی بین 160 مگاپاسکال و 330 مگاپاسکال را به دست می آورند. هنگامی که این نسبت استحکام به وزن را با مقاومت در برابر خوردگی عالی، رسانایی حرارتی بالا (حدود 96-160 W/m·K) و توانایی پر کردن هندسه های پیچیده قالب ترکیب می کنید، ریخته گری فلز آلومینیوم به مقرون به صرفه ترین مسیر از فلز خام تا قطعه نهایی در اکثر سناریوهای تولید با حجم متوسط ​​به بالا تبدیل می شود.

نتیجه گیری مستقیم برای هر کسی که گزینه های تولید را ارزیابی می کند: اگر وزن قطعه شما بیشتر از نیاز است، در یک محیط خورنده یا گرما کار می کند و باید در حجم های بالاتر از حدود 500 واحد در سال تولید شود، ریخته گری آلومینیوم تقریباً به طور قطع عملکرد بهتری از ساخت فولاد، قالب گیری تزریقی پلاستیک و ریخته گری روی بر اساس دایکاست. بقیه این مقاله دقیقاً دلیل آن را با داده های خاص در مورد فرآیندها، آلیاژها، تحمل ها و کنترل نقص توضیح می دهد.

فرآیندهای ریخته گری آلومینیوم هسته و زمان استفاده از هر کدام

همه روش های ریخته گری آلومینیوم قابل تعویض نیستند. هر فرآیند دارای مشخصات هزینه متمایز، زمان تولید ابزار، قابلیت ابعادی و محدوده پایان سطح است. انتخاب فرآیند اشتباه می تواند 30 تا 60 درصد به هزینه هر قطعه اضافه کند یا تحمل ابعادی را خارج از محدوده قابل قبول قرار دهد.

ریخته گری فشار بالا (HPDC)

HPDC آلومینیوم مذاب را با فشارهای بین 10 مگاپاسکال و 175 مگاپاسکال به قالب فولادی سخت شده وارد می کند. زمان چرخه به سرعت 30 تا 90 ثانیه در هر شات اجرا می‌شود، که آن را برای حجم‌های بالاتر از 10000 قسمت به بهترین فرآیند تبدیل می‌کند. تحمل ابعاد ± 0.1 میلی متر در ویژگی های کوچک به طور معمول قابل دستیابی است. ضخامت دیواره به اندازه 1.0-1.5 میلی متر امکان پذیر است. محدودیت اصلی تخلخل است: گاز به دام افتاده در طی پر شدن سریع، حفره های میکروسکوپی ایجاد می کند که سفتی فشار را به خطر می اندازد و عمر خستگی را کاهش می دهد. HPDC با کمک خلاء به طور قابل توجهی به این موضوع می پردازد و سطوح تخلخل را در عملیات های به خوبی کنترل شده به زیر 0.5 درصد حجمی می رساند. هزینه ابزار از 15000 دلار برای یک قالب ساده تک حفره تا بیش از 100000 دلار برای ابزار پیچیده چند حفره ای متغیر است، به این معنی که HPDC فقط در حجم های بالاتر منطقی به نظر می رسد.

ریخته گری فشار کم (LPDC)

LPDC فلز مذاب را با استفاده از فشار هوا 0.02-0.1 مگاپاسکال به سمت بالا به داخل قالب هل می دهد و در نتیجه پر شدن کندتر و کنترل شده تری ایجاد می کند. انجماد کنترل شده در مقایسه با HPDC، مواد ریخته گری متراکم تر و با تخلخل کمتر تولید می کند. به همین دلیل، تولیدکنندگان چرخ‌های خودرو به شدت به LPDC متکی هستند - چرخ‌های آلومینیومی ساخته شده توسط LPDC می‌توانند نسبت به چرخ‌های HPDC معادل ۱۵ تا ۲۵ درصد عمر خستگی را افزایش دهند. زمان چرخه طولانی تر است، معمولاً 3 تا 8 دقیقه، و هزینه های ابزار با HPDC قابل مقایسه است، بنابراین LPDC به جای قطعات کالایی با حجم بالا، برای تولید قطعات حیاتی ساختاری با حجم متوسط ​​مناسب است.

ریخته گری گرانشی (قالب دائمی).

ریخته گری گرانشی از قالب های فولادی قابل استفاده مجدد بدون فشار اعمال می شود. فلز به تنهایی از طریق گرانش به داخل جریان می‌یابد و ریخته‌گری‌هایی با پوشش سطحی خوب (معمولاً Ra 3.2-6.3 میکرومتر)، تخلخل کم و خواص مکانیکی مناسب برای عملیات حرارتی ایجاد می‌کند. قطعات A356-T6 که توسط ریخته‌گری گرانشی تولید می‌شوند، به طور منظم به استحکام تسلیم 200-220 مگاپاسکال با ازدیاد طول 6 تا 10 درصد می‌رسند و برای کاربردهای حیاتی ایمنی مانند براکت‌های موتور، اجزای تعلیق و منیفولدهای هیدرولیک مناسب هستند. هزینه ابزارآلات متوسط ​​است، معمولاً 5000 تا 40000 دلار است و آستانه حجم اقتصادی حدود 1000 قطعه در سال شروع می شود.

ریخته گری شن و ماسه

ریخته گری شن و ماسه انعطاف پذیرترین فرآیند ریخته گری فلز آلومینیوم است. هزینه ابزارهای الگو بین 500 تا 5000 دلار است، زمان تحویل از سفارش تا اولین ریخته گری اغلب کمتر از دو هفته است و تقریباً هیچ محدودیتی در اندازه وجود ندارد - قطعات آلومینیومی ریخته گری شن و ماسه از براکت های 50 گرمی تا محفظه های پمپ چند تنی را شامل می شود. تلورانس‌های ابعادی گسترده‌تر هستند (معمولاً 0.5-1.5 میلی‌متر)، پرداخت سطح خشن‌تر (Ra 12.5-25 میکرومتر) و زمان‌های چرخه بسیار طولانی‌تر از ریخته‌گری با دایکاست، اما برای نمونه‌های اولیه، قطعات کم‌حجم و ریخته‌گری‌های ساختاری بزرگ، ریخته‌گری شن و ماسه اغلب تنها گزینه عملی است. ماسه سبز، ماسه چسبانده شده با رزین، و انواع فوم گمشده هر کدام از لحاظ دقت و هزینه معاوضه های متفاوتی را ارائه می دهند.

ریخته گری سرمایه گذاری

ریخته‌گری سرمایه‌گذاری (ریخته‌گری موم گمشده) آلومینیوم به بهترین سطح و سخت‌ترین تحمل‌ها در هر فرآیند ریخته‌گری دست می‌یابد - Ra 1.6-3.2 میکرومتر و تحمل‌های 0.1-0.25 ± میلی‌متر استاندارد هستند. هندسه داخلی پیچیده، زیر برش ها و دیوارهای نازک تا 1.5 میلی متر بدون هسته قابل دستیابی هستند. این فرآیند به ازای هر قطعه نسبت به HPDC در حجم‌های بالا گران است، اما برای اتصالات هوافضا، پروانه‌ها و محفظه‌های دستگاه‌های پزشکی که در غیر این صورت هزینه‌های ماشین‌کاری بسیار بالاست، ریخته‌گری سرمایه‌گذاری هزینه کل تولید را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

انتخاب آلیاژ آلومینیوم مناسب برای ریخته گری

انتخاب آلیاژ مسلماً مهم ترین تصمیم در طراحی ریخته گری آلومینیوم است. آلیاژ نامناسب می‌تواند شکنندگی، سیالیت ضعیف در حین ریزش، تخلخل انقباض بیش از حد، یا مقاومت در برابر خوردگی ناکافی ایجاد کند که هیچ‌کدام تنها با بهینه‌سازی فرآیند قابل رفع نیستند. خانواده آلیاژ ریخته گری آلومینیوم تحت سلطه سیلیکون (Si) به عنوان عنصر آلیاژی اولیه است زیرا سیلیکون به طور چشمگیری سیالیت را بهبود می بخشد و انقباض انجماد را کاهش می دهد.

A380: اسب کار HPDC

A380 (Al-Si8.5-Cu3.5) پرمصرف ترین آلیاژ ریخته گری در جهان است که حدود 50 تا 60 درصد از کل تولید آلومینیوم HPDC در آمریکای شمالی را به خود اختصاص می دهد. محتوای سیلیکون بالای آن (7.5-9.5٪) سیالیت استثنایی می دهد و دیوارهای نازک و هندسه پیچیده را امکان پذیر می کند. افزودن مس (3 تا 4 درصد) استحکام کششی را تا حدودی افزایش می دهد 324 مگاپاسکال و سختی حدود 80 HB. تعادل کاهش شکل پذیری (ازدیاد طول زیر 3٪) و جوش پذیری محدود است. A380 برای کاربردهایی که نیاز به عملیات حرارتی T5 یا T6 دارند مناسب نیست زیرا محتوای مس آن را مستعد ترک‌خوردگی استرس در حین کوئنچ می‌کند.

A356 و A357: آلیاژهای ساختاری قابل عملیات حرارتی

A356 (Al-Si7-Mg0.3) و A357 با منیزیم بالاتر (Al-Si7-Mg0.6) آلیاژهای اولیه برای کاربردهای گرانش و LPDC هستند که در آن عملکرد ساختاری اهمیت دارد. در دمای T6 (عملیات حرارتی محلول در دمای 540 درجه سانتیگراد به مدت 8 تا 12 ساعت، خاموش کردن، سن در دمای 155 درجه سانتیگراد به مدت 3 تا 5 ساعت)، A356-T6 قدرت تسلیم را ارائه می کند. 207 مگا پاسکال استحکام کششی نهایی 262 مگاپاسکال و کشیدگی 6 تا 10 درصد. A357-T6 استحکام تسلیم را به حدود 290 مگاپاسکال می رساند. هر دو آلیاژ به خوبی به جوشکاری و لحیم کاری پاسخ می دهند که آنها را برای مونتاژ مناسب می کند. ریخته گری باید محتوای منیزیم را دقیقاً کنترل کند - تلفات 0.05٪ Mg در طول ذوب به طور قابل توجهی خواص مکانیکی را کاهش می دهد.

آلیاژ 319: گزینه میانی همه کاره

319 (Al-Si6-Cu3.5) به طور گسترده برای بلوک های موتور، سرسیلندرها و منیفولدهای ورودی که در آن استحکام متوسط همراه با ماشین کاری خوب مورد نیاز است استفاده می شود. درمان T5 و T6 را می پذیرد. استحکام کششی به صورت ریخته گری حدود 185 مگاپاسکال است. درمان T6 آن را تا حدود 250 مگاپاسکال افزایش می دهد. محتوای مس آلیاژ نسبت به A356 پایداری در دمای بالا کمی بهتر است، که برای اجزای موتور که بین دمای محیط و دمای 200 تا 250 درجه سانتیگراد چرخه می‌کنند مرتبط است.

535 و 512: کاربردهای دریایی و خوردگی بحرانی

هنگامی که مقاومت در برابر خوردگی محرک اصلی طراحی است - سخت افزار دریایی، تجهیزات پردازش مواد غذایی، اجزای جابجایی مواد شیمیایی- آلیاژهای غالب منیزیم مانند 535 (Al-Mg6.2) و 512 (Al-Mg4-Si1.8) از آلیاژهای غالب سیلیکون عملکرد بهتری دارند. آنها در برابر آب دریا و اسپری نمک بدون عملیات سطحی مقاومت بسیار خوبی از خود نشان می دهند و شکل پذیری خوبی دارند (طولانی 8-13٪). جریمه آن سیالیت ضعیف نسبت به آلیاژهای سیلیکون است که نازکی دیوار و پیچیدگی هندسی را محدود می کند. ریخته گری های ریخته گری 535 باید از روش های دقیق کوره برای جلوگیری از اکسیداسیون منیزیم استفاده کنند.

درک و کنترل عیوب ریخته گری

عیوب در ریخته‌گری‌های آلومینیومی دلیل اصلی ضایع شدن قطعات، بازگشت گارانتی و خرابی در میدان است. درک علت اصلی هر نوع نقص بسیار مفیدتر از چک لیست های کیفیت عمومی است، زیرا هر نقص دارای یک راه حل متفاوت و اغلب دلایل قابل قبول متعددی است که باید به طور سیستماتیک جدا شوند.

تخلخل: گاز و انقباض

تخلخل رایج ترین عیب در ریخته گری فلز آلومینیوم است و در دو نوع مجزا وجود دارد که نیاز به مداخلات متفاوتی دارد. تخلخل گاز از هیدروژن محلول در آلومینیوم مذاب سرچشمه می گیرد. آلومینیوم مایع می تواند تا 0.69 میلی لیتر در 100 گرم هیدروژن را در نقطه ذوب خود حل کند. آلومینیوم جامد تنها حدود 0.036 میلی لیتر در 100 گرم را نگه می دارد. در طول انجماد، این هیدروژن محلول به صورت منافذ کروی رسوب می کند. راه حل، گاززدایی است – گاززدایی پروانه چرخشی با نیتروژن یا آرگون به مدت 8 تا 15 دقیقه، محتوای هیدروژن را به زیر 0.10 میلی لیتر در 100 گرم کاهش می دهد، که استاندارد صنعتی برای قطعات ساختاری است. تست فشار کاهش یافته (RPT) یا اندازه گیری چگالی با روش ارشمیدس کیفیت مذاب را قبل از ریختن تایید می کند.

تخلخل انقباضی در هنگام انقباض فلزات انجماد شکل می گیرد (آلومینیوم در طول انجماد تقریباً 5/3 تا 5/8 درصد حجمی منقبض می شود) و فلز مایع نمی تواند برای جبران آن جریان یابد. به صورت حفره های نامنظم و منشعب در بخش های ضخیم یا در نقاط داغ ظاهر می شود. راه حل بازطراحی دریچه و بالا آمدن است: حجم مناسب رایزر، قرارگیری صحیح رایزر بالای سنگین ترین بخش، و سرد کردن مناطق ضخیم جدا شده برای ارتقای انجماد جهت دار به سمت بالابر. نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مانند MAGMASOFT یا ProCAST می‌توانند تخلخل انقباض را قبل از برش ابزار پیش‌بینی کنند و در هزینه‌های مجدد ابزارسازی صرفه‌جویی کنند.

بستن سرد و Misruns

بسته شدن سرد زمانی اتفاق می‌افتد که دو جریان فلز مذاب به هم می‌رسند اما به طور کامل جوش نمی‌خورند و درز یا صفحه ضعیفی قابل مشاهده باقی می‌ماند. Misruns زمانی رخ می دهد که فلز قبل از پر شدن کامل قالب، جامد شود. هر دو عیب ناشی از دمای ناکافی فلز، دمای نامناسب قالب یا سرعت پر شدن بسیار آهسته است. برای HPDC، سرعت شلیک در فاز دوم (پر قالب) معمولاً باید به 30 تا 60 متر بر ثانیه برسد تا از بسته شدن سرد در بخش‌های نازک جلوگیری شود. دمای قالب برای ریخته گری آلومینیوم در 150-250 درجه سانتیگراد حفظ می شود. قرار دادن آن به زیر 150 درجه سانتیگراد به طور قابل اعتمادی باعث ایجاد نقص در بسته شدن سرد در دیوارهای نازکتر از 2 میلی متر می شود.

اجزای اکسید

آلومینیوم وقتی در معرض هوا قرار می گیرد تقریباً فوراً یک پوست اکسید جامد تشکیل می دهد. ریختن متلاطم این لایه اکسیدی را به‌عنوان اجزای دو لایه به درون ریخته‌گری تا می‌کند - ورقه‌های اکسیدی نازک و دولایه که عمر خستگی و ازدیاد طول را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهند. تئوری دو فیلم جان کمپبل رویه ریخته گری را متحول کرده است: کلید این است که قالب را بدون هیچ گونه تلاطمی که سطح را تا می کند پر کنیم. سیستم‌های دریچه‌ای با پر کردن پایین، کاهش ارتفاع اسپرو، فیلترهای فوم سرامیکی، و نرخ‌های ریزش کنترل‌شده آهسته، همگی محتوای دو لایه را کاهش می‌دهند. بهبود عمر خستگی 2 تا 5× در بخش هایی ثبت شده است که محتوای دو فیلم تنها از طریق طراحی مجدد دروازه کاهش یافته است.

پاره شدن داغ

پاره شدن داغ (ترک داغ) در حالت نیمه جامد زمانی رخ می دهد که ریخته گری از انقباض محدود می شود و تنش های کششی از استحکام فلز نیمه جامد فراتر می رود. معمولاً در تغییرات ناگهانی بخش، گوشه های داخلی تیز و مناطقی که قالب مانع از انقباض آزاد می شود ظاهر می شود. تعمیرات طراحی شامل افزایش شعاع فیله به حداقل 3 میلی متر، اجتناب از نسبت ضخامت بخش بیشتر از 3:1 در اتصالات، و طراحی قالب هایی با قابلیت جمع شدن مناسب یا مقاطع قالب فلزی است که با ریخته گری در حین پرتاب حرکت می کنند.

اصول طراحی قالب که کیفیت قطعه را تعیین می کند

قالب یا قالب جایی است که کیفیت ریخته‌گری آلومینیوم تا حد زیادی تعیین می‌شود - نه در کف مغازه در حین تولید، بلکه در مرحله طراحی و شبیه‌سازی قبل از برش فلز. مهندسان باتجربه ریخته گری از مجموعه ای از اصول تعیین شده پیروی می کنند که از اکثر دسته بندی های نقص قبل از اولین بارگیری آزمایشی جلوگیری می کند.

• محل قرارگیری خط جدایی: خط جداسازی باید در عریض ترین سطح مقطع قطعه باشد تا پیچیدگی قالب را به حداقل برساند و زوایای کشش یکنواخت را ایجاد کند. دور کردن آن از سطوح آرایشی از فلاش در مناطق قابل مشاهده جلوگیری می کند.
• زوایای پیش نویس: سطوح خارجی به حداقل پیش نویس 1-2 درجه نیاز دارند. internal surfaces (cores) require 2–3° or more. حذف کشش ناکافی یکی از شایع ترین علل آسیب قالب و اعوجاج ریخته گری در حین پرتاب است.
• طراحی سیستم گیتینگ: دروازه ها باید در ضخیم ترین سطح مقطع قرار گیرند و طوری قرار گیرند که قالب را به تدریج از پایین به بالا پر کند. چندین دروازه نازک معمولاً به یک دروازه بزرگ ترجیح داده می شوند زیرا غلظت حرارت موضعی را کاهش می دهند و یکنواختی پر را بهبود می بخشند.
• سرریز چاه و هواگیری: در HPDC، چاه‌های سرریز در انتهای مسیرهای پرکننده، فلز سرد، اکسیدها و هوای محبوس شده را جمع‌آوری می‌کنند که در غیر این صورت به آخال تبدیل می‌شوند. Vents of 0.05–0.15 mm depth at the parting line allow air to escape without flashing.
• طرح کانال خنک کننده: خنک کننده قالب یکنواخت از ایجاد نقاط داغ موضعی که باعث تخلخل انقباض و لحیم کاری قالب می شود جلوگیری می کند. کانال‌های خنک‌کننده منسجم - که اکنون با EDM و قالب‌های قالب ساخته شده از مواد افزودنی قابل ماشین‌کاری هستند - می‌توانند زمان چرخه را 15 تا 30 درصد در مقایسه با کانال‌های حفاری معمولی کاهش دهند.
• محل قرارگیری پین اجکتور: پین های اجکتور باید توزیع شوند تا نیرو به طور یکنواخت بر روی قطعه اعمال شود. پین‌هایی که در یک انتها متمرکز شده‌اند، اعوجاج ایجاد می‌کنند، به‌ویژه در ریخته‌گری‌های جدار نازک. علائم سنجاق باید در مناطق غیر آرایشی و غیر کاربردی قرار داشته باشند.

عملیات حرارتی ریخته گری آلومینیوم: چه زمانی و چگونه

عملیات حرارتی می تواند خواص مکانیکی ریخته گری آلومینیوم را به میزان قابل توجهی افزایش دهد - اما فقط زمانی که آلیاژ قابل عملیات حرارتی باشد و ریخته گری دارای تخلخل کافی کم باشد که خاموش شدن باعث تشکیل تاول نمی شود. ریخته‌گری‌های HPDC با سطوح استاندارد تخلخل گاز را نمی‌توان به طور معمول با T6 درمان کرد، زیرا گاز به دام افتاده در طول عملیات حرارتی محلول در دمای 500 تا 540 درجه سانتی‌گراد خیس می‌شود و تاول‌های سطحی را تشکیل می‌دهد. این یکی از دلایلی است که HPDC معمولاً در شرایط as-cast یا T5 (فقط پیری مصنوعی، بدون درمان محلول) استفاده می‌شود.

درمان T6 برای ریخته گری های گرانشی و شنی

برای ریخته‌گری‌های گرانشی A356 و A357، چرخه T6 با عملیات حرارتی محلول در دمای 535 تا 545 درجه سانتی‌گراد به مدت 8 تا 12 ساعت آغاز می‌شود، که طی آن ذرات سیلیکون کروی می‌شوند و Mg2Si در ماتریس حل می‌شود. سپس ریخته گری در آب داغ (60 تا 80 درجه سانتیگراد) به جای آب سرد خاموش می شود تا تنش باقیمانده را کاهش دهد و در عین حال به فوق اشباع برسد. پیری مصنوعی در دمای 150 تا 160 درجه سانتیگراد به مدت 3 تا 5 ساعت به دنبال دارد. هر مرحله حیاتی است: خیساندن کمتر در طول درمان محلول، Mg2Si را حل نشده باقی می گذارد و استحکام قابل دستیابی را 10-15٪ کاهش می دهد. پیری بیش از حد استحکام و سختی را کاهش می دهد زیرا رسوبات درشت می شوند.

درمان T5 برای ریخته گری قالب

تیمار T5 - پیری مصنوعی بدون عملیات محلول قبلی - برای ریخته گری های HPDC ساخته شده با آلیاژهایی که مقداری فوق اشباع را در اثر خنک شدن سریع قالب حفظ می کنند، قابل استفاده است. برای A380 و آلیاژهای مشابه، پیری T5 در دمای 155-165 درجه سانتیگراد به مدت 4-6 ساعت سختی را 10-20٪ افزایش می دهد و ثبات ابعادی را بهبود می بخشد. این بهبود خاصیت T6 را ایجاد نمی کند اما از مشکلات تاول مربوط به تخلخل جلوگیری می کند. برای کاربردهایی که به خواص کامل T6 در قالب دایکاست نیاز دارند، ریخته گری تحت خلاء یا ریخته گری تحت فشار (که ریخته گری با تخلخل کم سازگار با درمان محلول تولید می کنند) راه های جایگزین هستند.

ثبات ابعادی و کاهش استرس

ریخته‌گری‌هایی که برای ماشین‌کاری دقیق در نظر گرفته شده‌اند و در غیر این صورت عملیات حرارتی نمی‌شوند باید در دمای 230 تا 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 2 تا 4 ساعت آنیل تنش‌زدایی دریافت کنند. تنش های پسماند ناشی از انجماد و پرتاب می تواند باعث تغییر ابعاد 0.1-0.5 میلی متری در حین یا پس از ماشینکاری اجزای دیوار نازک شود. این امر به ویژه برای محفظه‌ها و ریخته‌گری‌های بدنه دریچه‌ها با مکان‌های حفره‌ای با تحمل نزدیک مرتبط است.

ماشینکاری ریخته گری آلومینیوم: سرعت ها، خوراک ها و انتخاب ابزار

آلومینیوم یکی از قابل ماشین‌کاری‌ترین مواد در بین تمام مواد ریخته‌گری است، اما وجود سیلیکون و سایر ذرات سخت در آلیاژهای ریخته‌گری به این معنی است که پارامترهای انتخاب ابزار و برش با موارد مورد استفاده برای آلومینیوم فرفورژه متفاوت است. دریافت این درست، عمر ابزار را در مقایسه با انتخاب های غیربهینه، ضریب 3 تا 10× کاهش می دهد.

آلیاژهای با سیلیکون بالا (A380، A390 با 16-18٪ Si) به طور قابل توجهی ساینده تر از آلیاژهای کم سیلیکون هستند. ابزار کاری الماس پلی کریستالی (PCD) انتخاب استاندارد برای ماشینکاری با حجم بالا این آلیاژها است، با عمر ابزار 50000-200000 قسمت در لبه در مقایسه با کاربید 2000-10000 قسمت در لبه در کاربردهای مشابه. برای آلیاژهای با حجم کمتر یا ساینده کمتر (A356، 319)، کاربید بدون پوشش یا پوشش داده شده با TiN مقرون به صرفه است.

• Cutting speed: 300-1500 متر در دقیقه برای کاربید. 1000-4000 متر در دقیقه برای PCD روی آلیاژهای هیپوئوتکتیک.
• نرخ خوراک: 0.1-0.4 میلی متر / دندان برای فرز. 0.1-0.5 میلی متر در دور برای چرخش.
• هندسه ابزار: زوایای چنگک بالا (12 تا 20 درجه) نیروهای برش را کاهش داده و از ایجاد لبه جلوگیری می کند. فلوت های صیقلی چسبندگی آلومینیوم را کاهش می دهند.
• خنک کننده: خنک کننده سیل یا روانکاری حداقل مقدار (MQL) از خطاهای انبساط حرارتی در سوراخ های دقیق جلوگیری می کند. ماشینکاری خشک برای خشن کردن اما نه اتمام تحمل های محکم امکان پذیر است.

حفاری و ضربه زدن به آلومینیوم ریخته‌گری نیازمند توجه به چرخه‌های نوک زدن است که تراشه‌ها را در سوراخ‌های عمیق پاک می‌کند - تمایل آلومینیوم به گلوله شدن در رزوه‌های ضربه‌خورده در شرایط خشک، یکی از دلایل رایج شکستن ابزار و قطعات ریزش شده است. شیرهای رزوه ساز (به جای شیرهای برش) رزوه های قوی تری را بدون تراشه تولید می کنند و استاندارد صنعتی برای سوراخ های کور کور در ریخته گری آلومینیوم هستند.

گزینه های تکمیل سطح برای قطعات ریخته گری آلومینیومی

سطوح آلومینیومی ریخته‌گری شده اغلب برای اجزای داخلی غیر آرایشی کافی هستند، اما بسیاری از کاربردها نیازمند بهبود حفاظت در برابر خوردگی، سختی یا ظاهر هستند. دامنه گزینه های تکمیل سطح برای ریخته گری آلومینیوم گسترده تر از سایر فلزات ریخته گری است.

آندایز کردن

آندایزینگ نوع II (استاندارد) یک لایه اکسید آلومینیوم 5 تا 25 میکرومتری تولید می کند که مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشد و می تواند در طیف رنگی گسترده ای رنگ شود. نوع III (آندایزینگ سخت) لایه‌های 25-75 میکرومتر با سختی سطح تا 400-600 HV تولید می‌کند که برای سطوح سایش مناسب است. محدودیت آلومینیوم ریخته گری این است که محتوای سیلیکون بالا در آلیاژهای HPDC (A380 در ~ 9٪ Si) باعث ایجاد سطوح تیره تر و یکنواخت تر آنودایز شده نسبت به آلیاژهای کم سیلیکون می شود. آلیاژهای فرفورژه A356 و 6061 آنودایز می شوند تا به رنگ های روشن تر و یکنواخت تر بپردازند. اگر کیفیت آندایز کردن لوازم آرایشی الزامی است، انتخاب آلیاژ باید از ابتدای فرآیند طراحی این موضوع را در نظر بگیرد.

پوشش تبدیل کرومات (آلودین / ایریدیت)

پوشش تبدیل کرومات (MIL-DTL-5541 کلاس 1A یا کلاس 3) به طور گسترده در هوا فضا و دفاع برای محافظت در برابر خوردگی و چسبندگی رنگ استفاده می شود. تقریباً هیچ ابعادی (0.25-1 میکرومتر) اضافه نمی‌کند و هدایت الکتریکی را حفظ می‌کند، که آن را برای برنامه‌های محافظ EMI/RFI مناسب می‌کند. فرمولاسیون کرومات سه ظرفیتی (Cr3+) در حال حاضر به دلیل قوانین زیست محیطی کرومات شش ظرفیتی (Cr6+) در اکثر تاسیسات استاندارد است.

پوشش پودری و رنگ مایع

ریخته‌گری‌های آلومینیومی با پوشش پودری، پوششی بادوام و مقاوم در برابر ضربه به ضخامت 60 تا 120 میکرومتر تولید می‌کنند. پیش تصفیه (فسفات آهن، زیرکونات یا فسفات روی) چسبندگی پوشش و مقاومت در برابر خوردگی را تعیین می کند—پیش تصفیه زیرکونات بدون کروم برای اجزای آلومینیومی بیرونی خودرو استاندارد شده است. سیستم‌های پوشش لایه‌ای پرایمر مایع در مواردی استفاده می‌شوند که کنترل ضخامت لایه محکم‌تری مورد نیاز است یا جایی که پوشاندن هندسه پیچیده باعث می‌شود پوشش پودری غیرعملی باشد.

شات بلاست و غلت

شات بلاست با شات فولادی یا سرامیکی با قطر 0.2 تا 0.8 میلی‌متر معمولاً برای تمیز کردن سطوح به صورت ریخته‌گری شده از پوست اکسید، بهبود ظاهر بصری و ایجاد تنش‌های پسماند فشاری مفید 50 تا 150 مگاپاسکال در سطح استفاده می‌شود. نشان داده شده است که شات کنترل شده ریخته گری هوافضای A357 باعث افزایش عمر خستگی 30 تا 60 درصد در کاربردهای چرخه بالا توسط این مکانیسم تنش فشاری می شود. غلت زدن (تمام ارتعاشی) در محیط های سرامیکی لبه ها را از بین می برد و سطح را به طور یکنواخت در هندسه پیچیده بدون جابجایی دستی بهبود می بخشد.

روش های بازرسی کیفیت برای ریخته گری آلومینیوم

بازرسی کیفیت موثر برای ریخته‌گری‌های آلومینیومی نیازمند چندین روش مکمل است زیرا هیچ تکنیک واحدی همه انواع عیب را تشخیص نمی‌دهد. بازرسی بصری، اندازه گیری ابعاد و تست غیر مخرب (NDT) همه در یک سیستم کیفیت کامل برای قطعات حیاتی ضروری هستند.

• اشعه ایکس و سی تی اسکن: اشعه ایکس صنعتی (رادیوگرافی 2 بعدی) روش استاندارد برای تشخیص تخلخل داخلی، آخال ها و انقباض در ریخته گری آلومینیوم است. اسکن توموگرافی کامپیوتری سه بعدی (CT) نقشه های نقص حجمی را با وضوح وکسل تا 50-5 میکرومتر فراهم می کند و تجزیه و تحلیل کمی تخلخل را در برابر معیارهای پذیرش مانند ASTM E2868 یا ASTM E505 امکان پذیر می کند. سی تی اسکن به طور فزاینده ای در توسعه و بازرسی مقاله اول استفاده می شود حتی زمانی که بازرسی تولید از اشعه ایکس 2 بعدی استفاده می کند.
• بازرسی رنگ نافذ (DPI): DPI عیوب شکستن سطح را نشان می دهد - ترک، بسته شدن سرد، تخلخل سطح. این ارزان است و برای همه آلیاژهای آلومینیوم قابل استفاده است. سیستم‌های نافذ نوع I (فلورسنت) با استفاده از نور ماوراء بنفش، عیوب ریزتر را نسبت به سیستم‌های رنگ مرئی تشخیص می‌دهند و برای ریخته‌گری‌های هوافضا بر اساس ASTM E1417 استاندارد هستند.
• دستگاه اندازه گیری مختصات (CMM): CMM با پروب لمسی یا اسکنر نوری انطباق ابعادی با پیام‌های GD&T را تأیید می‌کند. بازرسی مقاله اول از یک ریخته گری جدید معمولاً نیازمند 100٪ ابعاد بحرانی است که روی 3-5 نمونه اندازه گیری شود. بازرسی تولید از نمونه‌گیری آماری بر اساس ANSI/ASQ Z1.4 یا Z1.9 استفاده می‌کند.
• تست سختی: سختی برینل (HBW 5/250) برای ریخته گری آلومینیوم استاندارد است. این یک تأیید سریع و غیر مستقیم است که عملیات حرارتی به درستی انجام شده است - A356-T6 باید 75-90 HB را نشان دهد. As-cast A380 75-85 HB را نشان می دهد. تست سختی جایگزین تست کششی برای انطباق با مشخصات نمی شود، اما برای غربالگری 100% تولید مفید است.
• تست کشش و خستگی: آزمایش مکانیکی مخرب بر روی میله‌های آزمایش ریخته‌گری جداگانه یا بر روی قطعات ریخته‌گری تولید برش در فرکانس‌های مشخص شده توسط استانداردهای مشتری یا طرح‌های کیفیت داخلی انجام می‌شود. ASTM B108 رویه های ریخته گری میله آزمایشی را برای ریخته گری های گرانشی و قالب دائمی کنترل می کند.

محرک های هزینه در پروژه های ریخته گری فلز آلومینیوم

درک محل انباشته شدن هزینه در یک پروژه ریخته گری آلومینیوم به خریداران و مهندسان این امکان را می دهد تا تصمیماتی برای طراحی و منبع یابی اتخاذ کنند که به جای بهینه سازی اقلام منفرد خط، هزینه کل را کاهش دهد. پنج عامل مهم هزینه در اکثر برنامه های ریخته گری آلومینیوم عبارتند از استهلاک ابزار، مواد خام، انرژی، نرخ ضایعات و عملیات ثانویه.

استهلاک ابزار

در حجم کم، هزینه ابزارآلات بر هزینه هر قطعه غالب است. یک قالب 50000 دلاری HPDC که بیش از 10000 قطعه مستهلک شده است به تنهایی 5.00 دلار به ازای هر قطعه به هزینه ابزار اضافه می کند. در 100000 قطعه، 0.50 دلار به ازای هر قطعه کمک می کند. به همین دلیل است که انتخاب فرآیند در حجم‌های کم باید به نفع ریخته‌گری شن یا ابزار گرانشی کم‌هزینه باشد، حتی اگر هزینه هر چرخه بیشتر باشد - محاسبات استهلاک ابزار معمولاً در حجم‌های کمتر از 2000 تا 5000 قطعه در سال برنده است.

هزینه آلیاژ و بازده فلز

هزینه شمش آلومینیوم اولیه با قیمت LME که از 1500 تا 3800 دلار در هر تن متریک در دهه گذشته متغیر بوده است، در نوسان است. آلومینیوم ثانویه (بازیافت شده) 20 تا 40 درصد کمتر از اولیه است و در اکثر عملیات ریخته گری استفاده می شود. بازده فلز - نسبت وزن تمام شده ریخته گری به کل فلز ریخته شده - از 50 تا 60 درصد برای ریخته گری شن و ماسه (با بالابرهای بزرگ) تا 80 تا 92 درصد برای HPDC (با دروازه کارآمد) متغیر است. بهبود 10 درصدی عملکرد در عملیات 500 تن در سال با هزینه آلومینیوم 2000 دلار در هر تن، هزینه مواد را سالانه 100000 دلار کاهش می دهد.

نرخ قراضه و تاثیر پایین دستی آن

نرخ ضایعات در عملیات ریخته‌گری آلومینیوم از کمتر از 2% در تاسیسات HPDC با حجم بالا تا 10 تا 20% در طول راه‌اندازی برنامه‌های جدید یا در ریخته‌گری‌هایی با کنترل فرآیند ضعیف متغیر است. هر 1% افزایش در نرخ ضایعات، قبل از در نظر گرفتن هزینه هر عملیات ثانویه ای که قبلاً روی قطعات اسقاط شده انجام شده است، تقریباً 1% به هزینه هر قطعه اضافه می کند. برای قطعاتی که قبل از تشخیص عیب ماشینکاری قابل توجهی دریافت می کنند، هزینه هر واحد اسقاط شده می تواند 3 تا 5 برابر هزینه ریخته گری به تنهایی باشد. به همین دلیل است که سرمایه‌گذاری در نظارت بر فرآیند در زمان واقعی - حسگرهای فشار حفره، تصویربرداری حرارتی از دمای قالب، تجزیه و تحلیل پروفایل عکس - حتی در حجم‌های تولید متوسط، بازدهی مثبتی دارد.

عملیات ثانویه

ماشینکاری، عملیات حرارتی، تکمیل سطح، مونتاژ و آزمایش نشت عملیات ثانویه ای هستند که اغلب از هزینه ریخته گری در معادله کل هزینه قطعه فراتر می روند. ریخته‌گری که هزینه تولید آن 4 دلار است ممکن است 18 دلار پس از ماشین‌کاری، 3 دلار پس از عملیات حرارتی و 2 دلار پس از اتمام سطح هزینه داشته باشد که مجموعاً 27 دلار قبل از هر حاشیه‌ای است. بررسی طراحی برای ساخت (DFM) با تمرکز بر کاهش عملیات ثانویه - حذف ویژگی‌های ماشین‌کاری غیر ضروری، استفاده از سطوح ریخته‌گری شده در جایی که تلورانس‌ها اجازه می‌دهد، طراحی ویژگی‌های خود مکان‌یابی برای تثبیت - به طور معمول هزینه کل تولید را 15 تا 30 درصد کاهش می‌دهد بدون اینکه عملکرد قطعه به خطر بیفتد.

تحولات در حال ظهور در فناوری ریخته گری آلومینیوم

صنعت ریخته‌گری آلومینیوم در ده سال گذشته شاهد پیشرفت‌های فنی بیشتری نسبت به سه دهه گذشته بوده است که عمدتاً ناشی از نیازهای الکتریکی و سبک‌سازی خودرو بوده است. چندین پیشرفت خاص در حال تغییر شکل دادن به آنچه ریخته گری آلومینیوم می تواند تولید کند و به چه قیمتی است.

گیگاکستینگ و ریخته گری ساختاری

استفاده تسلا از ماشین‌های HPDC با فرمت بزرگ (نیروی بستن 6000 تا 9000 تن) برای تولید کل ساختارهای زیر بدنه عقب به‌عنوان قطعات ریخته‌گری منفرد - جایگزین 70 تا 100 قطعه فولادی مهر و موم شده و جوش داده شده - علاقه گسترده‌ای به ریخته‌گری با قالب ساختاری برانگیخته است. رویکرد تولید تعداد قطعات را کاهش می دهد، کار جوشکاری و مونتاژ را حذف می کند و وزن را کاهش می دهد. چالش فنی حفظ سطوح تخلخل به اندازه کافی پایین برای یکپارچگی سازه در این مقیاس ها است. آلیاژهایی که به طور خاص برای ریخته گری ساختاری ساخته شده اند، از جمله Silafont-36 و Aural-2، شکل پذیری بالاتری (ازدیاد طول 10-15٪) نسبت به استاندارد A380 در شرایط ریخته گری بدون عملیات حرارتی ارائه می دهند و امکان ارتقاء T6 را در صورت نیاز فراهم می کنند.

ریخته گری نیمه جامد فلزی (ریوکاستینگ و تیکسوکاست)

پردازش فلز نیمه جامد (SSM) آلومینیوم را در حالت نیمه جامد و دوغاب (40 تا 60٪ کسر جامد) به جای کاملا مایع تزریق می کند. دوغاب تیکسوتروپیک تحت فشار جریان می‌یابد، اما تلاطم بسیار کمتری نسبت به HPDC مایع دارد، که در نتیجه حداقل گاز و محتوای بی‌فیلم اکسید را به همراه دارد. ریخته‌گری‌های SSM به سطوح تخلخل زیر 0.1% می‌رسند و کاملاً با عملیات حرارتی T6 سازگار هستند و خواص مکانیکی نزدیک به آلومینیوم فرفورژه را ایجاد می‌کنند. حق بیمه هزینه فرآیند 20 تا 40 درصد نسبت به HPDC معمولی است، اما برای کاربردهایی که یکپارچگی ساختاری و قابلیت عملیات حرارتی در یک فاکتور دایکاست مورد نیاز است، SSM از نظر فنی بی بدیل است.

طراحی قالب مبتنی بر شبیه سازی

نرم‌افزار شبیه‌سازی ریخته‌گری (MAGMASOFT، ProCAST، Flow-3D Cast) تا جایی پیشرفت کرده است که می‌توان الگوی پر، توالی انجماد، گرادیان‌های حرارتی و توزیع تنش‌های پسماند را قبل از ساخت ابزار با دقت بالا پیش‌بینی کرد. ریخته‌گری‌هایی که روی قابلیت شبیه‌سازی سرمایه‌گذاری می‌کنند، 30 تا 50 درصد کاهش در آزمایش‌های ابزار و رد مقاله اول را گزارش می‌دهند. مورد اقتصادی ساده است: یک بسته شبیه سازی با هزینه 30000 تا 80000 دلار در سال باعث صرفه جویی قابل توجهی در بازسازی ابزار و ضایعات در هر ریخته گری که بیش از 2 تا 3 میلیون دلار در پروژه های ابزارسازی سالانه دارد، می شود.

ساخت افزودنی برای ابزار و هسته

قالب‌ها و هسته‌های ماسه‌ای چاپ‌شده با چاپ سه‌بعدی - تولید شده با چاپ جت بایندر ماسه سیلیسی - زمان انجام ریخته‌گری شن و ماسه را از هفته‌ها به روزها کاهش داده و هندسه‌های پیچیده داخلی را با ابزارهای معمولی جعبه هسته غیرممکن کرده‌اند. یک هسته شنی که قبلاً به ابزار جعبه اصلی 15000 دلاری و زمان تحویل 6 هفته ای نیاز داشت، اکنون می تواند در عرض 24 تا 48 ساعت با قیمت 200 تا 800 دلار چاپ شود. برای دایکاست، درج‌های خنک‌کننده منسجم ساخته‌شده با مواد افزودنی و آسترهای آستین گلوله‌ای که با همجوشی بستر پودری لیزری تولید می‌شوند، مدیریت حرارتی را بهبود می‌بخشند و عمر قالب را در برنامه‌های تولید بالا به طور قابل اندازه‌گیری بهبود می‌بخشند.