Precisionsgjutningsprocessen
Introduktion till precisionsgjutning
Investmentgjutning (vaxgjutning) är en metallbearbetningsprocess. Ett värmebeständigt keramiskt material beläggs på en vaxmodell för att bilda en keramisk form. Denna keramiska form torkas sedan, smälts och vaxmodellen avlägsnas för att bilda ett skal. Smält metall hälls sedan in i det keramiska skalet, och efter att metallen har stelnat avlägsnas skalet för att få fram gjutgodset. Vissa precisionsgjutningar kräver ytterligare bearbetning efter gjutningen. Precisionsgjutning används vanligtvis för att tillverka detaljer med komplexa former och höga krav på måttnoggrannhet och ytkvalitet.
Precisionsgjutningsprocessen
Kärnan i precisionsgjutning är att “använda vax som gjutform, skalet som modell och gjuta guld med hjälp av vaxgjutningsmetoden”. Processen kräver både precision och ett systematiskt tillvägagångssätt, vilket innebär att processparametrarna (såsom temperatur, luftfuktighet och beläggningstjocklek) måste kontrolleras noggrant i varje steg för att säkerställa gjutkvaliteten.
Suijin Machinery tillhandahåller standardiserade processflöden för storskalig industriell produktion och erbjuder samtidigt optimerade lösningar för anpassning av små serier.
Steg 1: Förberedelsefas: Ritningar och processutformning
1. Analys och optimering av komponentritningar
Utifrån den 3D-modell (i STEP/IGES-format) eller de 2D-ritningar som kunden tillhandahåller ska man analysera detaljens struktur (väggtjocklek, inre hålrum, rundningar), måtttoleranser (t.ex. krav enligt klasserna CT4–CT7), ytkvalitetsstandarder (Ra 1,6–6,3 μm) samt materialkrav (t.ex. rostfritt stål 316L, titanlegering TC4);
Processoptimering:
- Lägg till en tjocklekstillägg vid bearbetningen av tunnväggiga detaljer (≤1 mm) för att undvika ofullständig gjutning;
- Utforma “ventilationskanaler” för komplexa inre hålrum för att förhindra att gas ansamlas i formhöljet, vilket kan leda till porositetsfel;
- Markera viktiga mått (passningsytor, tätningsytor) för att kunna fokusera kontrollen vid efterföljande inspektioner.
2. Gating-system och skalutformning
- Inloppssystem: Utforma inloppskanalen, matningsrören och ingötningskanalen så att smältmetallen smidigt fyller formhåligheten samtidigt som gaser och föroreningar avleds (matningsrören bör placeras vid gjutgodsets högsta punkt eller ”hot spot” för att säkerställa en optimal tillförsel);
- Skalsparametrar: Utifrån gjutvikt (≤50 kg för standarddelar) och materialets smältpunkt (högtemperaturlegeringar kräver ett tjockare skal) bestäms antalet skallager (3–7 lager), tjockleken på varje skikt (0,5–1,5 mm), samt typen av eldfast material (t.ex. zirkonsand för ytor med hög precision, korundsand för krav på hög hållfasthet).
Steg 2: Formning och montering av vaxmodellen
1. Förberedelse av vaxet
- Vanliga vaxer: Paraffin-stearinsyra-legering (förhållande 7:3), medeltemperaturvax (smältpunkt 60–80 ℃), högtemperaturvax (smältpunkt 100–130 ℃, används för gjutning av högtemperaturlegeringar);
- Processkrav: Vaxet måste värmas upp till smält tillstånd (temperatur 10–20 ℃ högre än smältpunkten), omröras jämnt och luftbubblor måste avlägsnas (vakuumavgasning kan användas).
2. Injektion i vaxmodell
- Spruta in det smälta vaxet i metallformen med ett insprutningstryck på 0,3–0,8 MPa och en hålltid på 10–30 sekunder (justera efter vaxmodellens storlek);
- Kylningsmetod: Naturlig kylning eller vattenkylning. Se till att vaxmodellen har stelnat helt innan formen öppnas (för att undvika deformation).
3. Efterbehandling och kontroll av vaxmodeller:
- Ta bort grader och överskott manuellt från vaxmodellens yta och åtgärda mindre defekter (t.ex. små hål eller materialbrister);
- Måttkontroll: Använd en koordinatmätmaskin för att kontrollera viktiga mått och säkerställa att toleranserna för vaxmodellen uppfyller kraven (vanligtvis med en krympningsmarginal på 0,5–1,0 mm jämfört med gjutningstoleransen);
- Ytkvalitet: Kontrollera med blotta ögat eller med hjälp av ett förstoringsglas att det inte finns några repor, sprickor eller bubblor (ytoruvhet).
4. Montering av vaxmodellen:
- Fäst enskilda vaxmodeller vid ingångar och uppgångar genom svetsning (vaxsvetsning) för att bilda en “vaxmodellkonstruktion” (t.ex. kan 5–20 vaxmodeller fästas vid en ingång, beroende på detaljens storlek);
- Syfte: Att förbättra produktionseffektiviteten, minska metallavfallet vid gjutning och säkerställa en jämn temperatur i flera gjutgods.
Steg 3: Förberedelse av skalet (viktigt steg)
Skalet fungerar som “gjutform” vid gjutningen och måste därför uppfylla krav på hög precision, hög hållfasthet och andningsförmåga. Processen består av fem delsteg:
1. Förbeläggning (första beläggningsskiktet)
- Beläggningsformulering: Eldfast material med fina partiklar (zirkonpulver, partikelstorlek 10–20 μm) + bindemedel (kiseldioxid-sol, SiO₂-halt 30%–35%) + vätmedel (för att förhindra att beläggningen flagnar);
- Tillvägagångssätt: Sänk ner vaxformen i beläggningen, rotera den långsamt för att säkerställa en jämn täckning av ytan, ta sedan upp den och låt överskottsbeläggningen rinna av;
- Huvudfunktion: Bildar gjutgodsets slutliga yta och avgör därmed direkt dess ytprecision och ytråhet. Beläggningens tjocklek (0,1–0,2 mm) måste kontrolleras noggrant.
2. Sandläggning (första lagret)
- Sandmaterial: Finkornig zirkonsand (40–70 mesh), som överensstämmer med det eldfasta materialet i den förbelagda färgen;
- Tillvägagångssätt: Placera den belagda vaxmallen i sandpåföringsutrustningen (av regntyp eller med fluidiserad bädd) för att säkerställa att sandpartiklarna fäster jämnt på färgytan;
- Syfte: Att öka hållfastheten hos det första beläggningsskiktet och förhindra sprickbildning i efterföljande beläggningar.
3. Torkning (första lagret)
- Torkningsförhållanden: Temperatur 20–25 ℃, luftfuktighet 40%–60%, torkningstid 4–8 timmar (naturlig torkning) eller 1–2 timmar (torkning med forcerad ventilation);
- Kvalitetskrav: Beläggningen ska vara helt torr, utan droppar eller bubblor, och sandpartiklarna ska sitta fast ordentligt i färgen.
4. Upprepad ytbehandling och slipning (efterföljande skikt)
- Det näst sista skiktet: Använd grovkornigt eldfast material (korundsand, 20–40 mesh) + kiseldioxidlösning. Efter påföringen strörs korundsand med motsvarande partikelstorlek över ytan. Varje skikt ska torka i 6–12 timmar.
- Slutlager (täcklager): Applicera endast beläggningsmaterialet, utan att strö över sand. Detta förbättrar formens tätningsegenskaper och förhindrar att smält metall tränger in under gjutningen.
- Totalt antal skikt: 3–7 skikt (3–4 skikt för små delar, 5–7 skikt för stora delar). Formens totala tjocklek: 3–10 mm (anpassas efter gjutgodsets vikt och material).
5. Sluttorkning och kontroll av formskalet före bränning
- Sluttorkning: Temperatur 25–30 ℃, luftfuktighet 30%–50%, torkningstid 12–24 timmar, så att fukthalten i formskalet blir ≤0,5% (för hög fukthalt kan leda till att formskalet spricker under gjutningen);
- Kontroll: Kontrollera formskalets yta visuellt med avseende på sprickor, sandförluster och avskalningar. Utför icke-förstörande provning (t.ex. penetrantprovning) vid behov.
Steg 4: Avvaxning (vaxförlustmetoden)
1. Val av avvaxningsmetod
- Avvaxning med ånga (vanlig metod): Placera formskalet i en högtrycksautoklav, tillför mättad ånga vid 0,6–1,0 MPa, håll en temperatur på 160–180 ℃ och vänta i 10–30 minuter. Vaxmodellen smälter och rinner ut genom ingången, där den kan samlas upp och återanvändas (återvinningsgrad ≥80%).
- Avvaxning vid hög temperatur (lämpligt för högtemperaturvax eller komplexa formskal): Placera formskalet i en brännugn, höj temperaturen långsamt till 400–600 ℃ och låt den hålla sig på den nivån i 2–4 timmar. Vaxmodellen brinner upp och sönderdelas helt, vilket förhindrar att vaxrester påverkar gjutkvaliteten.
2. Kontroll efter avvaxning
- Inga vaxrester i formskalets hålrum (kan kontrolleras med ett endoskop), och formskalet får inte uppvisa några sprickor eller deformationer.
- Om vaxrester upptäcks måste avvaxningstiden förlängas eller temperaturen höjas; annars kommer vaxet att förkolnas under gjutningen, vilket leder till porositet och inneslutningsfel i gjutgodset.
Steg 5: Skottlossning
1. Bränntemperatur:
- 900–1100 ℃ (Justera efter gjutmaterial: rostfritt stål, kolstål 900–950 ℃, högtemperaturlegeringar, titanlegeringar 1000–1100 ℃);
- Bränntid: 2–4 timmar, uppvärmningshastighet 5–10 ℃/minut (för att undvika sprickor i skalet på grund av termisk chock);
2. Kärnfunktioner:
- Att avlägsna vaxrester, fukt och organiskt material från skalet;
- Förbättring av skalets hållfasthet (skalets hållfasthet vid rumstemperatur ≥20 MPa efter bränning) och permeabilitet;
- Bildar en tät struktur på höljets yta, vilket minskar de kemiska reaktionerna mellan den smälta metallen och höljet.
Steg 6: Smältning och gjutning av metall
1. Förberedelse av metallmaterial
- Välj rena metaller eller legeringar (t.ex. rostfritt stål 304, högtemperaturlegeringen Inconel 718) i enlighet med gjutningskraven och se till att materialets sammansättning uppfyller gällande standarder (t.ex. ASTM- och EN-standarder);
- Förbehandling av material: Avlägsna ytolja och oxidslagg för att förhindra att föroreningar tränger in i den smälta metallen.
2. Smältning
- Smältutrustning: Medelfrekvent induktionsugn (vanligt förekommande, lämplig för kolstål, rostfritt stål och aluminiumlegeringar), vakuuminduktionsugn (används för material som lätt oxideras, såsom titanlegeringar och högtemperaturlegeringar);
- Smälttemperatur: 50–150 ℃ högre än metallens smältpunkt (t.ex. rostfritt stål 304 har en smältpunkt på 1450 ℃ och en smälttemperatur på 1500–1550 ℃);
- Raffineringsbehandling: Tillsätt avoxideringsmedel (t.ex. kisel-kalciumlegering, aluminiumtråd) för att avlägsna gaser och föroreningar från den smälta metallen och därmed säkerställa dess renhet.
Steg 8: Efterbearbetning och kvalitetskontroll
1. Demontering av gating-systemet
- Använd en slipskivskärare, en plasmaskärare eller trådgnistning (vid höga precisionskrav) för att ta bort ingångarna och stigarna;
- Slipa de skurna ytorna släta för att säkerställa en jämn övergång till gjutytan.
2. Rengöring av ytor
- Ta bort grader och överskott, och slipa bort kvarvarande sand och oxidslagg från gjutningens yta;
- Utför blästring (med stål- eller glaskulor) vid behov för att förbättra ytstrukturen (Ra kan minskas till under 1,6 μm).
3. Värmebehandling (vid behov)
- I enlighet med kraven på gjutgodsets egenskaper ska man utföra glödgning, normalisering, härdning + anlöpning, lösningsbehandling m.m.;
- Exempel: Lösningsbehandling av gjutgods i rostfritt stål 304 (hålltid vid 1050–1100 ℃ i 1–2 timmar, vattenkylning) för att förbättra korrosionsbeständigheten; härdning (850–900 ℃) + anlöpning (200–300 ℃) av gjutgods av verktygsstål för att förbättra hårdheten och slitstyrkan.
4. Kvalitetskontroll & Förpackning och leverans
Principen för Suijin-gjutning
Sammanfattning av processflödet för precisionsgjutning:
De centrala principerna för precisionsgjutning kretsar kring “precisionsformning, kontrollerbar kvalitet och en balans mellan effektivitet och kostnad”. Dessa principer utgör den underliggande logiken som styr processutformning, parameterinställningar och kvalitetskontroll, och avgör direkt gjutgodsets precision, prestanda, utbytesgrad och ekonomiska effektivitet.