การออกแบบและข้อกำหนดคุณภาพสำหรับชิ้นส่วนอะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่หล่อแบบแรงดัน

การหล่อแรงดัน (เรียกสั้น ๆ ว่า การหล่อแบบแรงดัน) เป็นหนึ่งในกระบวนการขึ้นรูปโลหะสมัยใหม่ที่พัฒนาอย่างรวดเร็ว โดยเป็นวิธีการหล่อเฉพาะสำหรับงานที่ไม่ต้องมีการตัดเฉือนหรือใช้การตัดเฉือนน้อยมาก หลักการของกระบวนการคือ การใช้แรงดันสูงเพื่อให้โลหะเหลวหรือกึ่งเหลวเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงเข้าสู่แม่พิมพ์ และทำการขึ้นรูปและแข็งตัวภายใต้แรงดัน เพื่อให้ได้ชิ้นงานหล่อ

ลักษณะเฉพาะของกระบวนการหล่อแรงดัน:

ความเร็วสูงและความดันสูงคือคุณลักษณะสำคัญของการหล่อแรงดัน แรงดันที่ใช้งานปกติอยู่ที่หลายสิบเมกะพาสคัล ความเร็วในการเติมแม่พิมพ์ประมาณ 16-80 เมตร/วินาที เวลาในการเติมโลหะเหลวเข้าสู่แม่พิมพ์สั้นมาก ประมาณ 0.01-0.2 วินาที เมื่อเทียบกับวิธีการหล่อแบบอื่น ๆ การหล่อแรงดันมีข้อดีสามประการดังนี้:

1. คุณภาพผลิตภัณฑ์ดี

• ความแม่นยำของขนาดชิ้นงานหล่อสูง โดยทั่วไปจะอยู่ในระดับ 6-7 และอาจสูงถึงระดับ 4; พื้นผิวมีความเงางามดี อยู่ในระดับ 5-8

• ความแข็งแรงและความแข็งสูง โดยความแข็งแรงโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น 25-30% เมื่อเทียบกับการหล่อแบบทราย แต่ความสามารถในการยืดตัวลดลงประมาณ 70%

• ขนาดเสถียร มีความทดแทนกันได้ดี สามารถหล่อชิ้นส่วนบางและซับซ้อนได้

2. ประสิทธิภาพการผลิตสูง

• อัตราการผลิตของเครื่องจักรสูง เช่น เครื่องหล่อแรงดันแบบนอนเย็นรุ่น J1113 ที่ผลิตในประเทศจีน สามารถหล่อได้ 600-700 ครั้งต่อ 8 ชั่วโมง เครื่องหล่อแรงดันแบบห้องร้อนขนาดเล็กสามารถหล่อได้ 3000-7000 ครั้งต่อ 8 ชั่วโมง

• อายุการใช้งานของแม่พิมพ์ยาวนาน แม่พิมพ์หนึ่งชุดสามารถใช้งานได้นับแสนครั้ง หรืออาจถึงล้านครั้ง

• สามารถทำให้เป็นระบบอัตโนมัติและกลไกได้ง่าย

3. ผลกระทบทางเศรษฐกิจที่ดี

เนื่องจากชิ้นงานหล่อแรงดันมีพื้นผิวที่เงางาม จึงมักไม่ต้องผ่านการตัดเฉือนเพิ่มเติม หรืออาจมีการตัดเฉือนเพียงเล็กน้อย ส่งผลให้ใช้วัสดุโลหะได้คุ้มค่า ลดจำนวนอุปกรณ์และเวลาในการตัดเฉือนลงอย่างมาก นอกจากนี้ยังสามารถใช้วิธีการหล่อแบบผสมกับโลหะหรือวัสดุอโลหะอื่น ๆ เพื่อประหยัดเวลาในการประกอบและวัสดุ

การหล่อแรงดันเป็นวิธีการขึ้นรูปโลหะหนึ่งประเภท เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสำหรับการลดการตัดเฉือนหรือไม่ต้องการตัดเฉือนเลย ใช้งานอย่างแพร่หลายและพัฒนาอย่างรวดเร็ว ในปัจจุบัน การหล่อแรงดันไม่จำกัดเฉพาะโลหะสีเช่น สังกะสี อะลูมิเนียม แมกนีเซียม และทองแดง อีกต่อไป แต่ยังขยายไปสู่การหล่อเหล็กหล่อและเหล็กกล้าด้วย ขนาดและน้ำหนักของชิ้นงานหล่อขึ้นอยู่กับกำลังของเครื่องหล่อแรงดัน เนื่องจากกำลังของเครื่องเพิ่มขึ้น ขนาดของชิ้นงานสามารถอยู่ระหว่างไม่กี่มิลลิเมตรถึง 1-2 เมตร น้ำหนักอยู่ระหว่างไม่กี่กรัมถึงหลายสิบกิโลกรัม ในต่างประเทศสามารถหล่ออะลูมิเนียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 เมตรและน้ำหนัก 50 กิโลกรัมได้

โลหะผสมสำหรับการหล่อแรงดัน

วัสดุโลหะที่ใช้ในการผลิตชิ้นงานหล่อแรงดันส่วนใหญ่เป็นอะลูมิเนียมอัลลอยด์ อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ สังกะสีอัลลอยด์ ทองแดงอัลลอยด์ แมกนีเซียมอัลลอยด์ เหล็กอัลลอยด์ และดีบุกอัลลอยด์ โลหะสีดำใช้น้อย

ความรู้เกี่ยวกับวัสดุอะลูมิเนียมอัลลอยด์สำหรับการหล่อแรงดัน

1. ซิลิกอน (Si)

ซิลิกอนเป็นธาตุหลักในอะลูมิเนียมอัลลอยด์สำหรับการหล่อแรงดันส่วนใหญ่ ซิลิกอนรวมตัวกับอะลูมิเนียมเป็นของผสมแข็ง เมื่ออุณหภูมิ 577°C ซิลิกอนละลายในอะลูมิเนียมได้ 1.65% ที่อุณหภูมิห้องลดลงเหลือ 0.2% หากปริมาณซิลิกอนอยู่ที่ 11.7% ซิลิกอนจะรวมตัวกับอะลูมิเนียมเป็นโครงสร้างยูเทคติก เพิ่มความสามารถในการขึ้นรูปที่อุณหภูมิสูง ลดอัตราการหดตัว และไม่มีแนวโน้มเกิดการแตกจากความร้อน หากปริมาณซิลิกอนในอัลลอยด์เกินกว่าองค์ประกอบยูเทคติก และมีสิ่งเจือปนเช่นทองแดงและเหล็กมาก จะเกิดจุดแข็งของซิลิกอนอิสระ ทำให้การตัดเฉือนยาก และอะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีปริมาณซิลิกอนสูงจะทำลายแม่พิมพ์หลอมได้มาก

2. ทองแดง (Cu)

ทองแดงรวมตัวกับอะลูมิเนียมเป็นของผสมแข็ง เมื่ออุณหภูมิ 548°C ทองแดงละลายในอะลูมิเนียมได้ 5.65% ที่อุณหภูมิห้องลดลงเหลือประมาณ 0.1% การเพิ่มปริมาณทองแดงจะเพิ่มสภาพการไหล ความแข็งแรงและความแข็งของอัลลอยด์ แต่ลดความสามารถในการทนทานการกัดกร่อนและความยืดหยุ่น และเพิ่มแนวโน้มการแตกจากความร้อน

3. แมกนีเซียม (Mg)

การเติมแมกนีเซียมในปริมาณเล็กน้อย (ประมาณ 0.2-0.3%) ลงในอะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีปริมาณซิลิกอนสูง จะเพิ่มความแข็งแรงและเพิ่มความสามารถในการตัดเฉือนของอัลลอยด์ อะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีแมกนีเซียม 8% มีความสามารถในการทนทานการกัดกร่อนที่ดี แต่สมบัติการหล่อไม่ดี ความแข็งแรงและความยืดหยุ่นต่ำที่อุณหภูมิสูง และหดตัวมากเมื่อเย็นตัว ทำให้มีแนวโน้มเกิดการแตกจากความร้อนและการเกิดโพรง

4. สังกะสี (Zn)

สังกะสีในอะลูมิเนียมอัลลอยด์จะเพิ่มสภาพการไหล เพิ่มความเปราะบางจากความร้อน และลดความสามารถในการทนทานการกัดกร่อน ดังนั้นควรควบคุมปริมาณสังกะสีในขอบเขตที่กำหนด

5. เหล็ก (Fe)

เหล็กเป็นสารเจือปนที่เป็นอันตรายในอะลูมิเนียมอัลลอยด์ทั้งหมด หากปริมาณเหล็กในอะลูมิเนียมอัลลอยด์สูงเกินไป เหล็กจะอยู่ในรูป FeAl3, Fe2Al7 และ Al-Si-Fe ในโครงสร้างแผ่นหรือเข็ม ทำให้สมบัติทางกลลดลง และลดสภาพการไหล เพิ่มแนวโน้มการแตกจากความร้อน แต่เนื่องจากการเกาะตัวของอะลูมิเนียมอัลลอยด์บนแม่พิมพ์มีความรุนแรงมาก หากปริมาณเหล็กต่ำกว่า 0.6% ปรากฏการณ์การเกาะแม่พิมพ์จะลดลงอย่างมาก ดังนั้นปริมาณเหล็กควรควบคุมไว้ที่ 0.6-1% เพื่อประโยชน์ต่อการหล่อ แต่ไม่ควรเกิน 1.5%

6. แมงกานีส (Mn)

แมงกานีสในอะลูมิเนียมอัลลอยด์สามารถลดผลกระทบที่เป็นอันตรายของเหล็ก ทำให้โครงสร้างแผ่นหรือเข็มที่เกิดจากเหล็กเปลี่ยนเป็นโครงสร้างผลึกละเอียด ดังนั้นอะลูมิเนียมอัลลอยด์ทั่วไปยอมให้มีแมงกานีสในปริมาณไม่เกิน 0.5% หากปริมาณแมงกานีสสูงเกินไป จะทำให้เกิดการแยกตัว

7. นิกเกิล (Ni)

นิกเกิลในอะลูมิเนียมอัลลอยด์สามารถเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของอัลลอยด์ แต่ลดความสามารถในการทนทานการกัดกร่อน นิกเกิลมีบทบาทเหมือนเหล็ก สามารถลดการกัดกร่อนของแม่พิมพ์ และลดผลกระทบที่เป็นอันตรายของเหล็ก ปรับปรุงสมบัติการเชื่อมต่อของอัลลอยด์ เมื่อปริมาณนิกเกิลอยู่ที่ 1-1.5% ชิ้นงานหล่อสามารถได้พื้นผิวที่เงางามหลังการขัดเงา เนื่องจากทรัพยากรนิกเกิลขาดแคลน ควรหลีกเลี่ยงการใช้อะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีนิกเกิล

8. ไทเทเนียม (Ti)

การเติมไทเทเนียมในปริมาณเล็กน้อยลงในอะลูมิเนียมอัลลอยด์ สามารถปรับปรุงโครงสร้างผลึกของอะลูมิเนียมอัลลอยด์ให้ละเอียดขึ้นอย่างมาก เพิ่มสมบัติทางกล และลดแนวโน้มการแตกจากความร้อน