En stor fördel med precisionsgjutning är den stora mångfalden av metaller som kan användas vid tillverkningen av detaljer. Alla smältbara metaller kan gjutas med denna metod. De metaller som används vid precisionsgjutning kan delas in i två huvudkategorier: järnmetaller och icke-järnmetaller. Valet av metall beror på den specifika tillämpningen. Den viktigaste faktorn som skiljer metallerna åt är deras järnhalt.

Järnmetaller avser mörkare metaller, främst järn, stål och gjutjärn. Dessa metaller är oftast silvervita eller mörkgrå, har god elektrisk och termisk ledningsförmåga samt god formbarhet, och används i stor utsträckning inom tillverkning och byggnadsindustrin. Icke-järnmetaller avser andra metaller än järnmetaller, såsom koppar, aluminium, zink, bly, nickel och tenn. Dessa metaller uppvisar vanligtvis en mängd olika färger, har hög korrosionsbeständighet samt god elektrisk och termisk ledningsförmåga, och används i stor utsträckning inom industri, elektronik och kemi.

1. Järn är avgörande för järnmetaller

Järnmetaller innehåller järn, medan icke-järnmetaller inte gör det. Järninnehållet ger metallen högre elektrisk ledningsförmåga. Metallen har dessutom god draghållfasthet, vilket gör att den tål stora påfrestningar utan att gå sönder. Tack vare sina överlägsna mekaniska egenskaper, sin styrka och hållbarhet kan järnmetaller användas för tillverkning av komponenter till elektriska tillämpningar och applikationer med höga belastningar.

Det är viktigt att notera att många järnhaltiga metaller är känsliga för korrosion på grund av sitt järninnehåll. I tillämpningar som involverar stora mängder vatten, fukt, lösningsmedel, oljor och andra korrosiva ämnen kan delar slitas ner och så småningom gå sönder. För att lösa detta problem kan tillsatser som krom tillsättas under smältprocessen av järnmetaller för att förbättra deras korrosionsbeständighet. Genom att förbättra egenskaperna hos dessa legeringar kan tillverkare utveckla precisionsgjutgods lämplig för sådana tuffa miljöer.

Järnmetaller omfattar bland annat stål, gjutjärn, rostfritt stål och kolstål. Generellt sett är järnmetaller billigare än icke-järnmetaller eftersom de används i stor utsträckning inom en rad olika områden, däribland komponenter för flyg- och rymdindustrin.

2. Allmän korrosionsbeständighet hos icke-järnmetaller

Många icke-järnmetaller korroderar eller rostar inte så lätt eftersom de inte innehåller järn. Dessa metaller är mycket formbara och lätta, men har lägre draghållfasthet. De kan dessutom vara magnetiska eller icke-magnetiska, vilket ger fler valmöjligheter beroende på användningsområdet.

Den största fördelen med icke-järnmetaller ligger i deras värme- och elektriska ledningsförmåga. När metaller har dessa egenskaper kan ström och värme lätt passera igenom med minimalt motstånd. För gjutgods som används i elektriska eller elektroniska system låter ledande metaller ström passera samtidigt som de absorberar och avleder den värme som genereras av strömmen. Denna egenskap förhindrar att systemet överhettas, vilket undviker prestandaförsämring och funktionsfel.

3. De viktigaste skillnaderna mellan olika precisionsgjutningsmetoder

Kärnprocessen i investeringsgjutning är “tillverkning av vaxmodell → beläggning av skal → avvaxning → härdning → gjutning → rengöring”. Valet av parametrar och driftskraven för varje steg skiljer sig avsevärt mellan järnmetaller och icke-järnmetaller, enligt följande:

3.1. Tillverkning av vaxmodeller och moduler: Olika hållfasthetskrav

Vaxmodellen är “prototypen” i investeringsgjutning, och dess hållfasthet måste motsvara kraven för den efterföljande skalbeläggningen och hanteringen. På grund av gjutgodsets olika vikt och mått efter gjutningen skiljer sig kraven på vaxmodeller åt mellan de två metalltyperna:

• Järnmetaller: Precisionsgjutgods är vanligtvis tjockare (≥3 mm) och tyngre (från flera kilo till tiotals kilo). Därför måste vaxmodellen ha högre rumstemperaturhållfasthet och hög temperaturstabilitet (för att undvika deformation under skalbeläggningen). Ett kompositvax av “paraffin-stearinsyra” (med en högre andel stearinsyra, vilket ger större hårdhet) används ofta, eller så tillsätts förstärkande komponenter såsom polyeten.
• Icke-järnmetaller: Finjusterade gjutgods består oftast av tunnväggiga delar (mindre än 1 mm, t.ex. komponenter av aluminiumlegering för flyg- och rymdindustrin) och är lätta. Vaxmodeller prioriterar flytbarhet och gjutprecision (återgivning av komplexa detaljer, såsom precisionskugghjul och dekorativa mönster). Ofta används rent paraffinvax eller kompositvax med låg halt av stearinsyra. För vissa precisionsdelar används till och med “lågtemperaturvax” (smältpunkt 40–60 °C, lätt att avvaxa och ger en fin yta).

3.2. Förberedelse av höljet: Skillnader i eldfasta material och beläggningsskikt

Skalet är “formen” för investeringsgjutning, och den måste tåla erosion vid höga temperaturer samt kemisk korrosion från smält metall. Därför måste valet av eldfasta material och antalet beläggningsskikt anpassas efter metallens smältpunkt:

Processsteg:	Järnmetaller (med rostfritt stål som exempel):	Icke-järnmetaller (med aluminiumlegering som exempel):
Eldfasta material	Inre skikt (i direkt kontakt med smält metall): Material med hög smältpunkt, såsom korund (Al₂O₃) och mullit (3Al₂O₃・2SiO₂) (tål temperaturer över 1600 °C och korrosion från smält stål); Yttre skikt: Lågkostnadssilicasand + kiseldioxidlösning (ger strukturell hållfasthet).	Inre skikt: Material med låg till medelhög smältpunkt, såsom kvartspulver och zirkonpulver (tål temperaturer under 1000 °C, låg kostnad); Yttre skikt: Kvartssand + vattenglas (god flytbarhet, lätt att belägga). Titanlegeringen är speciell: korund med hög renhet krävs (för att undvika reaktion mellan titan och kisel).
Antal beläggningsskikt	6–10 lager (På grund av den höga temperaturen och kraften från det smälta metallen krävs ett tjockt skal för att förhindra sprickbildning)	3–6 lager (Låg smältmetalltemperatur; tunnväggiga delar kräver ett tunt skal för att säkerställa värmeavledning och undvika krympningshålrum i investeringsgjutning)
Mögeltorkning	Lång torktid (8–12 timmar per skikt), vilket kräver noggrann kontroll av luftfuktigheten (skalen av kiseldioxidlösning är känsliga för fukt, vilket kan leda till minskad hållfasthet)	Kort torktid (4–8 timmar per skikt); skalen av vattenglas kan torka naturligt, vilket ger högre effektivitet.

3.3. Avvaxning och bränning: Skillnader i temperaturreglering

Vid avvaxning avlägsnas vaxmodellen för att bilda hålrummet, medan bränningen ytterligare avlägsnar kvarvarande vax och förbättrar skalets hållfasthet. Temperaturerna för båda processerna måste anpassas efter vaxmodellens smältpunkt och metallens egenskaper.

Metoder för avvaxning:

• Järnmetaller: Vanligtvis används “avvaxning med ånga” (100–120 °C mättad ånga, smälter snabbt vaxmodellen, lämpligt för vaxmodeller med hög hållfasthet); för vissa stora detaljer används “avvaxning med varmvatten” (80–90 °C, låg kostnad).
• Icke-järnmetaller: Lågtemperaturvax avvaxas med varmt vatten (60–80 °C för att undvika att vaxmodellen mjuknar och deformeras); högtemperaturvax (t.ex. vax för kopparlegeringar) avvaxas fortfarande med ånga.

 

Bränntemperatur:

• Järnmetaller: 800–1100 °C (för att fullständigt bränna bort vaxrester, vilket säkerställer ett tätt sintrat skal och motståndskraft mot erosion från smält stål), bränntid 2–4 timmar.
• Icke-järnmetaller: Aluminiumlegeringar/Magnesiumlegeringar: 400–600 °C (för att undvika översintring av skalet, vilket kan minska permeabiliteten och orsaka porositet i gjutgodset); Kopparlegeringar: 600–800 °C; Titanlegeringar: 1000–1200 °C (kräver högvakuumbränning för att förhindra oxidation).

3.4. Gjutningsprocessen: Reglering av temperatur, atmosfär och flytbarhet

Investeringsgjutning är det centrala steget i processen att gjuta smält metall i formen. På grund av skillnader i smältpunkt och oxideringsegenskaper skiljer sig parametrarna för precisionsgjutning avsevärt åt mellan de två metalltyperna:

Gjutningstemperatur:

• Järnmetaller: Betydligt högre än smältpunkten (t.ex. smältpunkt för kolstål 1450 °C, gjutningstemperatur 1550–1650 °C). Ökad flytbarhet krävs för att fylla tjockväggiga gjutgods och undvika kallstängningar.
• Icke-järnmetaller: Nära smältpunkten (t.ex. smältpunkt för aluminiumlegeringar 660 °C, gjutningstemperatur 700–750 °C). För höga temperaturer kan lätt leda till oxidation och krympningshål i gjutgodset. Titanlegeringar är speciella (smältpunkt 1668 ℃), vilket kräver högtemperaturgjutning vid 1800–1900 ℃ och kräver vakuum- eller inertgasskydd (titan reagerar lätt med O och N vid höga temperaturer).

Stämningen vid inspelningen:

• Järnmetaller: Kan gjutas i atmosfär (oxidation på stål och gjutjärn kan avlägsnas genom efterföljande rengöring, och oxidationen har minimal inverkan på tjockväggiga detaljer).
• Icke-järnmetaller: Aluminium- och magnesiumlegeringar kräver avgasningsbehandling (argon eller hexakloretan används för att avlägsna väte från den smälta metallen före gjutning för att förhindra porositet); kopparlegeringar kan gjutas i atmosfär, men måste täckas med flussmedel för att förhindra oxidation; titanlegeringar måste vakuumgjutning (absolut vakuum < 10⁻³ Pa).

Gjutmetoder:

• Järnmetaller: Vid tillverkning av stora detaljer används “bottengjutning” (det smälta metallen fyller formen jämnt, vilket förhindrar att formskalet slits); vid tillverkning av små detaljer används “toppgjutning” (för att öka fyllningshastigheten).
• Icke-järnmetaller: För tunnväggiga delar används “tryckgjutning” (till exempel lågtrycksgjutning, där den smälta metallen pressas in i formhåligheten, vilket minskar risken för defekter); för precisionsdelar används “vakuumgjutning” (för att öka densiteten).

3.5. Efterbehandling: Skillnader mellan rengöring och värmebehandling

Efterbehandlingen avgör den färdiga gjutningens slutliga prestanda och utseende. På grund av skillnader i ytegenskaper och prestandakrav skiljer sig processerna för de två metalltyperna avsevärt åt:

Rengöring av ytor:

• Järnmetaller: På grund av formskalets höga hårdhet måste resterna av skalet avlägsnas genom sandblästring (korundsand) eller kulblästring (stålkulor); oxidslagg avlägsnas genom betning (saltsyra + salpetersyra).
• Icke-järnmetaller: Formskalet lossnar lätt; det kan avlägsnas genom sandblästring (kvartssand, för att undvika skador på ytan på precisionsgjutningen) eller kemisk avskalning (t.ex. upplösning av kvarts i NaOH-lösning för aluminiumlegeringar); kopparlegeringar kan betas (svavelsyra + väteperoxid).

Värmebehandling:

• Järnmetaller: Kräver normalisering och anlöpning (för att justera hårdheten och eliminera inre spänningar); rostfritt stål kräver lösningsbehandling (för att förbättra korrosionsbeständigheten).
• Icke-järnmetaller: Aluminiumlegeringar kräver åldringsbehandling (för att öka hållfastheten); magnesiumlegeringar kräver glödgning (för att eliminera spänningar och förhindra deformation); kopparlegeringar kräver härdning och anlöpning (för att öka segheten).

4. Utvecklingstrender

Järnmetaller: Utveckling av legeringar med låg krympning (t.ex. högnickelstål) i kombination med 3D-utskriftsteknik för vaxgjutning.

Icke-järnmetaller: Den utbredda användningen av vakuumsmältningsprocesser för magnesium- och titanlegeringar driver på utvecklingen av lättviktskonstruktioner inom flyg- och rymdindustrin.

Genom lämpligt materialval och processoptimering kan precisionsgjutning tillgodose behoven inom olika branscher, från mikrosmycken till stora turbinblad.