Geavanceerde aluminiumlegeringen in maatwerkgieten voor hoogwaardige onderdelen

Maatwerk metaalgieten is een goed gevestigde methode om lichte, complexe en zeer nauwkeurige metalen componenten te produceren in economisch haalbare productiehoeveelheden. De prestaties van gegoten componenten zijn echter afhankelijk van meer dan alleen de gietmethode. De prestaties van het gegoten systeem worden beïnvloed door de legeringssamenstelling, het ontwerp van de componenten, het ontwerp van de matrijs, thermische en stromingsomstandigheden en hun besturing, en na-gietwerkzaamheden.

Naarmate auto-, elektronica-, automatiserings- en energiegerelateerde producten compacter en functioneel geïntegreerder worden, onderzoeken fabrikanten aluminiumlegeringen die een geschiktere balans bieden tussen sterkte, castabiliteit, thermische prestaties, corrosiebestendigheid en kosten.

Wat zijn geavanceerde aluminium gietlegeringen?

"Geavanceerd aluminiumlegering" verwijst niet naar één specifieke kwaliteit. In Custom Metal Gietgieten beschrijft het doorgaans een legering die is geselecteerd of aangepast voor een specifieke prestatie-eis.

• Hogere mechanische sterkte: Beter geschikt voor het maken van beugels, behuizingen, steunen en andere onderdelen die aan mechanische belastingen worden blootgesteld.

• Verbeterde thermische geleiding: Beter geschikt voor gebruik als warmtewissels, behuizingen voor LED's en andere elektronica, thermische beheercomponenten en binnen thermisch geleidende behuizingen.

• Betere corrosiebestendigheid: Beter voor gebruik in buitenluchts, vochtige en/of chemisch agressieve omgevingen zijn legeringen met een gecontroleerde samenstelling en een lagere koperinhoud.

• Grotere taaiheid: Beter voor onderdelen die moeten kunnen vervormen zonder te breken.

• Verbeterde drukdichtheid: Beter geschikt voor pompbehuizingen, behuizingen voor kleppen en andere vloeistofregelingscomponenten die een stabiel afdichtingsoppervlak vereisen.

• Verbeterde slijtvastheid: Beter geschikt voor gebruik bij schuiven, draaien of toepassingen waar schurende slijtage wordt verwacht, zijn de zwaar geharde legeringen.

Aluminium is het meest gebruikte metaal in het gieten vanwege de combinatie van laag gewicht, corrosiebestendigheid, goede geleidbaarheid en goede dimensionale stabiliteit.

Hoe legeringselementen de prestaties beïnvloeden

Hoewel puur aluminium zo licht en geleidend is, is het over het algemeen niet geschikt voor standaard gieten onder hoge druk. Legering verbetert vloeibaarheid, sterkte, hardheid, castabiliteit en serviceprestaties.

Silicium

Silicium verbetert de vloeibaarheid, waardoor Custom Metal Die Casting dunne wanden en complexe kenmerken kan opvullen. Het kan ook krimp en hete scheurvorming verminderen, hoewel bewerking, ductiliteit en thermische prestaties belangrijke overwegingen blijven.

Koper

Koper kan de sterkte, hardheid en prestaties bij hoge temperaturen verbeteren, maar hogere niveaus kunnen de corrosiebestendigheid verminderen.

Magnesium

Magnesium verhoogt de sterkte en hardheid, terwijl overmatige hoeveelheden de taaiheid kunnen verminderen.

IJzer en Mangaan

Ijzer kan de aluminiumhechting aan matrijsstaal verminderen, terwijl mangaan helpt bij het beheersen van ijzerhoudende fasen. Beide vereisen gecontroleerde samenstelling om de gietkwaliteit te behouden.

Vergelijking van veelvoorkomende aluminiumlegeringsopties

De volgende tabel geeft een algemeen overzicht van de selectie. De werkelijke eigenschappen variëren met grenzen van samenstelling, gietparameters, geometrie, porositeit, warmtebehandelingen en testprotocollen.

Volgens NADCA wordt A380 beschouwd als een zeer gebruikte legering. A383 wordt over het algemeen gebruikt voor complexe vormen, A413 voor componenten die drukdichtheid vereisen, en A390 voor toepassingen die slijtvastheid vereisen.

Thermisch beheer is een overweging op systeemniveau

Een van de groeiende toepassingen van maatwerkmetaalgieten is thermisch beheer voor elektrische en hybride elektrische voertuigen, telecommunicatie, datasystemen, vermogenselektronica, LED-verlichting en andere gerelateerde gebieden.

Thermisch beheer is vaak de dominante ontwerpfactor voor het gieten van componenten. Een legering met een hogere thermisch geleiding betekent niet dat het gietonderdeel een beter koelend onderdeel zal zijn. Enkele andere ontwerpoverwegingen zijn:

Vinontwerp: De warmteoverdracht kan worden verbeterd met langere en dunnere vinnen.

• Constante wanddikte: Door de wanddikte uniform te houden, wordt de metaalstroom beter doorstroomd en wordt het ontstaan van warme plekken verminderd.

• Vlakke interfaces: Componenten die dicht bij elkaar moeten worden gebracht, moeten nauwkeurig bewerkte oppervlakken hebben om beter contact te bieden.

• Luchtstroom: Vinnen moeten zo worden gepositioneerd dat de voorkeurskoelmethode, natuurlijk of geforceerd, wordt geoptimaliseerd.

• Oppervlaktebehandelingen: Evalueer de coating op haar vermogen om corrosie te beschermen en op haar thermische overdrachtsvermogen.

Op basis van de technische documenten van NADCA kunnen lagere siliciumniveaus de vulgraad en het niveau van thermische geleidbaarheid verhogen, maar ook de vulling van dunne en ingewikkelde hogedruk-die-cast secties negatief beïnvloeden. Het is belangrijk om de eigenschappen van een materiaal en het ontwerp van een component te evalueren om de functionaliteit van de legering te bepalen.

Het belang van malontwerp

Het gebruik van superieure gietlegeringen garandeert geen productie van kwaliteitsgietstukken als het malontwerp slecht is in het beheersen van het vullen, ventileren, koelen en uitwerpen van de gietstukken.

Houd het volgende in overweging bij het ontwerpen van een mal:

• Ontwerp van poort en loop: Het metaal moet binnen de gewenste vultijd en met gecontroleerde stroom door de holte stromen.

• Overloop- en ventilatieontwerp: Er moet een ruime ontsnappingsroute zijn voor de lucht om de holte te verlaten.

• Gebalanceerde koeling: Het doel moet zijn om het verschil in stollingstijd tussen dunne en dikke secties te verkleinen.

• Plaatsing van de scheidingslijn: Het uiterlijk van het onderdeel en de mate van trim en flash worden beïnvloed door de scheidingslijn. Daarnaast beïnvloedt de scheidingslijn de afmetingen van het onderdeel.

• Uitwerpontwerp: Het ontwerp moet het uitwerpen van de gietstuk mogelijk maken zonder vervorming en zonder duidelijke uitwerpschade.

• Ontwerp van wanddikte: Waar mogelijk moet het ontwerp geleidelijke dikteveranderingen bevatten in plaats van abrupte veranderingen.

De North America Die Casting Association raadt geleidelijke dikteveranderingen aan waar mogelijk en het gebruik van geleidelijke diktewijzigingen om de wanddikte zo uniform mogelijk te houden.

SunOn's Ontwerp- en Productiebeleid

Voor aluminiumgietprojecten ondersteunt SunOn een workflow van tekeningbeoordeling tot Design for Manufacturability (DFM), malstroomanalyse, matrijsontwerp, gereedschapsproductie, assemblage, T1-proeven, malmodificatie en de start van de productie. Naast aluminium biedt SunOn ook zinkgietgieten aan voor toepassingen die fijnere details en dunnere wanden vereisen.

Voor deCustom Metal Gietproject, SunOn kan de volgende mallen bouwen:

• 8407 Staal: Waar de eigenschappen van thermische cyclus, polijstbaarheid en hittecontrolebestendigheid van voornaamste belang zijn, kan dit staal van warmbewerking worden gebruikt.

• H13 Staal: Dit staal biedt een uitstekende combinatie van heetsterkte en taaiheid met thermische vermoeidheidsbestendigheid.

• 4Cr5MoSiV1: Dit staal kan geschikt zijn voor de externe delen van de mal die onder hoge temperatuur en druk kunnen komen en onderhevig kunnen zijn aan erosie.

• Beryllium-koper inzetstukken: Het gebruik van lokale inzetstukken kan de warmteoverdracht versnellen in de delen van de mal waar het afkoelen relatief traag is.

SunOn integreert verder het spuitgieten, matrijzen, CNC-bewerking, ontbramen, oppervlakteafwerking, assemblage en verpakking. De processtromen omvatten DFM, CNC/EDM-gereedschapsproductie, malproeven en T1-inspecties en aanpassingen voorafgaand aan de productie.

Een legering kiezen voor een nieuw project

Een goed geïnformeerde keuze voor een op maat gemaakte metaalgietlegering moet rekening houden met de volledige operationele omgeving en niet slechts één waarde.

Voordat het projectteam een geschikte legering kan bepalen, moet het het volgende vaststellen:

• Mechanische belastingen: verschillende soorten eisen moeten worden overwogen, waaronder statische elektriciteit, impact, trillingen en vermoeidheid.

• Bedrijfstemperatuur: zowel typische als atypische (piek) bedrijfstemperaturen moeten worden meegenomen.

• Blootstelling: overweeg blootstelling aan vocht, zout, chemicaliën en/of blootstelling aan buitenlucht.

• Thermisch: Neem noodzakelijke overwegingen voor thermisch beheer, bijvoorbeeld warmteverwijdering.

• Dimensie: beschouw zowel functionele toleranties als andere, minder kritische, afmetingen.

• Afwerking: houd rekening met zowel de vereiste oppervlaktebehandeling als de compatibiliteit met de legering.

• Volume: neem rekening met de productiekosten (gereedschap, cyclus en onderhoud) en de verwachte levensduur van de mal.

Slotwoorden

Het kiezen van een geavanceerde aluminiumlegering voor gieten betekent dat je castabiliteit, sterkte, ductiliteit, corrosiebestendigheid en geleidbaarheid moet afwegen tegen kosten en het gemak van afwerking.

Succesvol onderdeelontwerp vereist het coördineren van legeringskeuze, onderdeelgeometrie, ontwerp van mal- en poortsystemen, procesparameters en inspectie, allemaal als onderdeel van één geïntegreerd plan. De afstemming van ontwerper, materiaalleverancier en gietijzerfabrikant vroeg in het ontwerpproces helpt bij de coördinatie en het voorkomen van veranderingen in het gereedschap.

Veelgestelde vragen

V1. Zijn aluminium gietstukken bestand tegen corrosie?

De meeste aluminiumlegeringen hebben een zekere mate van corrosiebestendigheid. Echter, verschillende legeringen ervaren verschillende prestatieniveaus.

V2. Waarom hebben aluminiumlegeringen de voorkeur voor het gieten van druk?

Aluminiumlegeringen hebben de voorkeur vanwege de combinatie van lage dichtheid, hoge sterkte, corrosiebestendigheid en goede thermische geleidbaarheid.

V3. Welke aluminiumlegering wordt het meest gebruikt voor gieten?

ADC12 is de meest gebruikte legering voor gietijzers, omdat het een van de meest gebalanceerde legeringen is qua castabiliteit, sterkte en machinabelheid.

V4. Wat is de rol van silicium in aluminiumlegeringen voor het gieten van druk?

Silicium verhoogt de vloeibaarheid van het gesmolten metaal en helpt bij het vullen van dunne delen en ingewikkelde vormen.

V5. Welke eigenschappen voegt koper toe aan aluminiumlegeringen?

Koper verbetert de sterkte en hardheid van de legering bij kamertemperatuur en bij verhoogde temperaturen.