ریخته گری آلیاژ روی: آلیاژها، فرآیند و کاربردها

ریخته گری آلیاژ روی اجزای فلزی مهندسی دقیقی هستند که با تزریق آلیاژهای مذاب مبتنی بر روی در قالب‌های فولادی سخت شده تحت فشار بالا - معمولاً بین 1000 و 5000 psi . نتیجه یک قطعه نزدیک به شبکه با تلورانس‌های ابعادی کم (تا 0.025 ± میلی‌متر)، سطح عالی و خواص مکانیکی است که با کسری از هزینه ابزارآلات با ریخته‌گری‌های آلومینیوم و منیزیم رقابت می‌کند.

ریخته گری روی که در صنایع خودرو، الکترونیک، سخت افزار و کالاهای مصرفی مورد استفاده قرار می گیرد، زمانی که تولید با حجم بالا، هندسه پیچیده، دیواره های نازک و عملکرد قابل اعتماد باید به طور همزمان به دست آید، انتخاب ارجح است. با زندگی بیش از حد 1 میلیون شات در برخی از کاربردها، ریخته گری روی یکی از پایین ترین هزینه های هر قطعه را در مقایسه با هر فرآیند شکل دهی فلز در مقیاس ارائه می دهد.

چه چیزی آلیاژ روی را برای ریخته گری ایده آل می کند

خواص فیزیکی و متالورژیکی روی آن را به طور منحصربفردی برای فرآیند ریخته گری قالب مناسب می کند. نقطه ذوب پایین آن تقریبا 419 درجه سانتی گراد (786 درجه فارنهایت) - در مقایسه با 660 درجه سانتی گراد برای آلومینیوم و 650 درجه سانتی گراد برای منیزیم - تنش حرارتی روی قالب ها را کاهش می دهد، به طور چشمگیری عمر ابزار را افزایش می دهد و مصرف انرژی در هر چرخه را کاهش می دهد.

مزایای اصلی مواد عبارتند از:

• سیالیت بالا در دماهای پایین - روی بخش‌های دیواره نازک و حفره‌های پیچیده‌ای را پر می‌کند که آلومینیوم نمی‌تواند به طور قابل اعتماد به آنها برسد و ضخامت دیواره‌ها را تا 0.4 میلی‌متر نازک می‌کند.
• کیفیت سطح به عنوان ریخته گری عالی - قطعات با مقادیر زبری سطح Ra 0.8-1.6 میکرومتر ظاهر می شوند، مناسب برای آبکاری مستقیم یا رنگ آمیزی بدون ماشینکاری ثانویه.
• مقاومت ضربه ای و شکل پذیری بالا - آلیاژهای روی در مقایسه با قالب‌های ریخته‌گری آلومینیومی مقاومت ضربه‌ای بالاتری از خود نشان می‌دهند و آن‌ها را برای قطعاتی که در معرض ضربه قرار می‌گیرند مناسب می‌سازد.
• ثبات ابعادی - ریخته گری روی در طول زمان با حداقل خزش تحت بار در دمای اتاق، تحمل های محکمی را حفظ می کند.
• قابلیت بازیافت کامل - روی 100٪ بدون از دست دادن خواص فیزیکی یا مکانیکی قابل بازیافت است، و ضایعات ریخته گری قالب (رانرها، دروازه ها، سرریز) به طور معمول دوباره ذوب شده و در همان چرخه تولید مورد استفاده مجدد قرار می گیرد.

آلیاژهای رایج روی مورد استفاده در ریخته گری: زاماک و فراتر از آن

اصطلاح "ریخته گری آلیاژ روی" بیشتر به این اشاره دارد خانواده زماک از آلیاژها، گروهی از آلیاژهای روی-آلومینیوم-منیزیم-مس که تحت استاندارد ASTM B86 استاندارد شده اند. این نام مخفف آلمانی است که از عناصر تشکیل دهنده: روی (روی)، آلومینیوم، منیزیم و کوپفر (مس) گرفته شده است. فراتر از زاماک، آلیاژهای ZA (روی-آلومینیوم با محتوای آلومینیوم بالاتر) دامنه عملکرد مکانیکی موجود را گسترش می دهند.

زاماک 3 تقریباً 70 درصد از کل تولید ریخته گری روی در سطح جهان را به خود اختصاص می دهد به دلیل ترکیب متعادلی از قابلیت ریخته گری، ثبات ابعادی و هزینه. Zamak 5 در اروپا و برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت خزش بالاتر تحت بار پایدار دارند ترجیح داده می شود.

فرآیند ریخته گری آلیاژ روی: محفظه گرم در مقابل محفظه سرد

برخلاف آلومینیوم و منیزیم - که به ماشین های اتاق سرد نیاز دارند - بیشتر آلیاژهای روی در ماشین‌های ریخته‌گری با محفظه داغ (گوزن) پردازش می‌شوند ، که زمان چرخه سریع تر، تلفات فلزات کمتر و عملکرد ساده تر را ارائه می دهد.

ریخته گری اتاق داغ

در ماشین های محفظه گرم، مکانیسم تزریق (گردن غاز و پیستون) مستقیماً در حمام روی مذاب غوطه ور می شود. دنباله فرآیند به این صورت است:

1. پیستون جمع می‌شود و آلیاژ روی مذاب را از طریق دریچه‌های ورودی به داخل سیلندر گردن غاز می‌کشد.
2. قالب تحت فشار هیدرولیک بسته می شود (نیروهای بستن 5 تا 400 تن بسته به اندازه قطعه).
3. پیستون پیشروی می کند و روی مذاب را از طریق نازل گردن غاز و سیستم رانر به داخل حفره قالب در فشارهای تزریق می فرستد. 1000 تا 5000 psi .
4. فلز به سرعت جامد می شود - زمان انجماد معمولی 0.5 تا 3 ثانیه برای روی به دلیل محتوای حرارت کم و قالب خنک کننده سریع آن است.
5. قالب باز می شود و پین های اجکتور، ریخته گری تمام شده را به بیرون فشار می دهند. زمان چرخه برای روی از 200 تا 1000 شلیک در ساعت بسته به پیچیدگی و وزن قطعه

ریخته گری محفظه سرد (برای آلیاژهای ZA-27 و آلیاژهای با آل روی)

ZA-27 و سایر آلیاژهای روی با آلومینیوم بالا به آهن در اجزای محفظه گرم حمله می‌کنند و باید در دستگاه‌های محفظه سرد پردازش شوند، جایی که فلز مذاب برای هر چرخه در یک آستین گلوله جداگانه ریخته می‌شود. عملیات محفظه سرد برخی از سرعت چرخه را قربانی می کند، اما دسترسی به درجه های آلیاژ روی با بالاترین مقاومت را باز می کند.

قابلیت های بعدی و تحمل های طراحی

ریخته گری روی سخت ترین کنترل ابعادی هر فرآیند ریخته گری فلز با حجم بالا را ارائه می دهد. دستیابی به این تلورانس ها به طراحی قالب مناسب، ترکیب آلیاژی ثابت و پارامترهای فرآیند کنترل شده نیاز دارد - اما نتایج در میلیون ها چرخه قابل تکرار هستند.

این تلرانس ها اجازه می دهد تا از ریخته گری روی در بسیاری از کاربردها استفاده شود بدون ماشینکاری ثانویه ، که یک مزیت اقتصادی کلیدی نسبت به ریخته گری شن و ماسه، ریخته گری سرمایه گذاری و حتی بسیاری از عملیات آهنگری است.

ریخته گری آلیاژ روی در مقابل ریخته گری آلومینیوم: چه زمانی باید هر کدام را انتخاب کرد

تصمیم روی در مقابل آلومینیوم رایج ترین سوال انتخاب آلیاژ در ریخته گری است. هر دو به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، اما دارای مشخصات هزینه، عملکرد و فرآیند متفاوتی هستند که هر کدام را برای برنامه های مختلف مناسب تر می کند.

• هزینه ابزار : عمر قالب های روی 5 تا 10× بیشتر از قالب های آلومینیومی است (1000000 در مقابل 100000-150000 شات). برای برنامه های با حجم بالا، این هزینه ابزار مستهلک شده برای هر قطعه را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
• وزن قسمت : روی چگالی تر از آلومینیوم است (6.6 گرم در سانتی متر مکعب در مقابل 2.7 گرم در سانتی متر مکعب). در جاهایی که وزن حیاتی است - هوافضا، وسایل نقلیه الکتریکی - آلومینیوم ترجیح داده می شود. در جایی که وزن یک محدودیت نیست، چگالی بالاتر روی بی ربط است.
• ضخامت و پیچیدگی دیوار : روی دیوارهای نازک‌تر را پر می‌کند (0.4 میلی‌متر در مقابل 0.8-1.0 میلی‌متر برای آلومینیوم) و جزئیات ریزتری را در خود نگه می‌دارد، و آن را به انتخاب ارجح برای اجزای مینیاتوری و قطعات تزئینی پیچیده تبدیل می‌کند.
• تکمیل سطح : روی آبکاری الکتریکی (کروم، نیکل، طلا) و پوشش پودری را مستقیماً از قالب، بدون عملیات تخلخل مورد نیاز برای بسیاری از ریخته‌گری‌های آلومینیومی می‌پذیرد.
• مقاومت در برابر دما : آلومینیوم در سرویس استحکام خود را تا 150 درجه سانتیگراد حفظ می کند. آلیاژهای روی در دمای بالای 100 تا 120 درجه سانتیگراد تحت بار شروع به نرم شدن می کنند. کاربردهای در دمای بالا به نفع آلومینیوم یا منیزیم است.
• هزینه مواد اولیه : روی از لحاظ تاریخی به ازای هر کیلوگرم ارزان‌تر از آلومینیوم اولیه بوده است، اگرچه چگالی بالاتر به معنای فلز بیشتر در هر سانتی‌متر مکعب است. مزیت هزینه خالص به هندسه قطعه و حجم تولید بستگی دارد.

به عنوان یک قاعده کلی: زمانی که پیچیدگی قطعات، کیفیت سطح، تحمل‌های کم یا حجم تولید فوق‌العاده محرک اصلی هستند، روی را انتخاب کنید. زمانی که وزن کم یا دمای عملیاتی بالا محرک اصلی هستند، آلومینیوم را انتخاب کنید.

کاربردهای عمده در صنعت ریخته گری آلیاژ روی

ریخته گری روی تقریباً در هر صنعت تولیدی ظاهر می شود. ترکیب آنها از دقت، کیفیت سطح و کارایی هزینه در مقیاس آنها را در بخش های زیر ضروری می کند:

خودرو

ریخته گری روی در دستگیره درها، سیلندرهای قفل، اجزای سیستم سوخت، سگک کمربند ایمنی، قطعات ستون فرمان، مکانیسم های بالابر پنجره و تزئینات تزئینی استفاده می شود. یک وسیله نقلیه سایز متوسط ممکن است شامل بیش از 25 جزء ریخته گری روی . مقاومت بالای زاماک 5 در برابر ضربه به ویژه در سخت افزارهای حیاتی ایمنی بسیار ارزشمند است.

تجهیزات الکترونیک و برق

اثر حفاظتی ذاتی EMI/RFI روی (به دلیل رسانایی الکتریکی آن) آن را برای محفظه‌های کانکتور، مجموعه‌های لولای لپ‌تاپ، فریم‌های پورت USB، هسته‌های ترانسفورماتور و اجزای قطع کننده مدار مناسب می‌سازد. ریخته گری دیواره نازک روی می تواند به ضخامت دیواره 0.5 میلی متر در محفظه های الکترونیکی کوچک دست یابد.

سخت افزار ساختمان و اتصالات معماری

دستگیره های درب، کشش کابینت، بدنه قفل، بدنه شیر آب و سخت افزار پنجره از رایج ترین کاربردهای ریخته گری روی در سطح جهان هستند. توانایی روکش روی به رنگ کروم روشن یا نیکل برس خورده با هزینه کم - و حفظ آن برای دهه‌ها - باعث پذیرش شدید در بازار سخت‌افزار معماری می‌شود.

کالاهای مصرفی و اسباب بازی

اسباب‌بازی‌های دایکاست (مدل‌های نمادین «چرخ‌های داغ» و «جعبه کبریت» از زامک 3 و 5 استفاده می‌کنند)، سگک‌های کمربند، قاب عینک، لغزنده‌های زیپ‌دار و سخت‌افزار آلات موسیقی همگی از آلیاژ روی تولید می‌شوند. را بازار جهانی اسباب بازی های ریخته گری به تنهایی بیش از 2 میلیارد دلار در سال است ، با ریخته گری روی که اکثر اجزای فلزی را تشکیل می دهد.

وسایل و ابزار پزشکی

محفظه‌های تجهیزات پزشکی غیرقابل کاشت، دستگیره‌های ابزار جراحی و محفظه‌های تجهیزات تشخیصی از ریخته‌گری روی استفاده می‌کنند که در آن ابعاد دقیق، سطوح قابل استریل شدن و توانایی پذیرش پوشش‌های ضد میکروبی مورد نیاز است.

گزینه های تکمیل سطح برای ریخته گری روی

یکی از مهمترین مزیت های تجاری ریخته گری روی، سازگاری آن با طیف وسیعی از سطوح تزئینی و کاربردی است که بسیاری از آنها را نمی توان مستقیماً روی قالب های آلومینیومی بدون پیش تصفیه پرهزینه اعمال کرد.

• آبکاری (کروم، نیکل، مس، طلا، نقره) : شیمی سطح روی پوشش های آبکاری شده را به راحتی پس از برخورد مس می پذیرد. روکش کروم تزئینی روی قالب‌های ریخته‌گری روی به روکش‌های آینه‌ای روشن دست می‌یابد که با کسری از هزینه از کروم جامد قابل تشخیص نیستند.
• پوشش پودری : پوشش های بادوام و مقاوم در برابر خوردگی را در هر رنگی با ضخامت پوشش 60 تا 120 میکرومتر ارائه می دهد. مناسب برای برنامه های سخت افزاری در فضای باز.
• پوشش الکترونیکی (روکش الکتریکی) : پوشش پرایمری که از طریق الکتروفورز اعمال می‌شود و پایه‌ای یکنواخت برای پوشش‌های رویه در کاربردهای خودرویی و صنعتی ایجاد می‌کند.
• پوشش تبدیل کرومات : یک لایه انفعالی نازک (کرومات سه ظرفیتی سازگار با RoHS) که برای محافظت در برابر خوردگی در محیط های ملایم روی روی ریخته گری یا ماشینکاری شده اعمال می شود.
• رنگ آمیزی و پوشش مرطوب : چسبندگی مستقیم رنگ اپوکسی یا پلی یورتان پس از اچینگ که باعث ایجاد سطوح تزئینی کلاس A برای محصولات مصرفی می شود.
• به عنوان بازیگر (ناتمام) : در بسیاری از کاربردهای ساختاری و پنهان، سطح ریخته‌گری شده (Ra 0.8-1.6 میکرومتر) مستقیماً بدون پرداخت اضافی استفاده می‌شود و هزینه را به حداقل می‌رساند.

عیوب رایج در ریخته گری آلیاژ روی و نحوه جلوگیری از آنها

مانند همه فرآیندهای ریخته‌گری، ریخته‌گری روی در معرض نقص‌هایی است که باید از طریق طراحی قالب، بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند و کیفیت آلیاژ کنترل شوند. درک علل ریشه ای عیوب رایج برای مهندسان و مدیران خرید که تامین کنندگان ریخته گری را ارزیابی می کنند ضروری است.

تخلخل

حفره‌های گاز یا انقباض در بدنه ریخته‌گری، اغلب از بیرون نامرئی هستند اما با ماشین‌کاری یا آزمایش فشار آشکار می‌شوند. تخلخل گاز ناشی از هوای به دام افتاده یا بخارات روان کننده است. تخلخل انقباض ناشی از تغذیه ناکافی فلز در طول انجماد. پیشگیری: تهویه بهینه، ریخته گری به کمک خلاء، و فشار تشدید کنترل شده در مراحل پایانی تزریق.

بستن سرد و Misruns

دریچه های سرد به صورت خطوط درز قابل مشاهده ظاهر می شوند که در آن دو جبهه جریان فلزی بدون همجوشی کامل به هم می رسند که معمولاً به دلیل سرعت تزریق ناکافی یا دمای قالب ایجاد می شود. Misruns (پر ناقص) ناشی از دلایل مشابه است. پیشگیری: افزایش سرعت تزریق (معمولاً سرعت گیت 30-50 متر بر ثانیه برای روی)، دمای قالب بالاتر (180-220 درجه سانتیگراد)، و مکان بهینه دروازه.

خوردگی بین دانه ای (IGC) از ناخالصی ها

این بحرانی ترین حالت شکست طولانی مدت منحصر به فرد برای آلیاژهای روی است. سطوح ردیابی سرب، کادمیوم، قلع، یا بیسموت - بالاتر از حد تعریف شده ASTM - باعث حمله پیشرونده مرز دانه در آلیاژهای زاماک می شود و در نهایت قطعات را در طول سال ها در حال کار ترک خوردگی یا اعوجاج می کند. راه حل استفاده دقیق از روی با عیار بالا (SHG) (99.99 درصد خلوص) به عنوان گواهینامه فلز پایه و آلیاژ ورودی دقیق. دایکسترهای معتبر از آنالیز طیف سنج (OES) روی هر گرمای آلیاژ استفاده می کنند.

فلش

باله های نازک فلزی که در شکاف های خط جداکننده قالب اکسترود می شوند و نیاز به عملیات برش یا غلت زدن دارند. ناشی از قالب های فرسوده یا نامناسب یا نیروی گیره ناکافی است. با نگهداری منظم قالب و محاسبات نیروی گیره مطابق با فشار حفره پیش بینی شده کنترل می شود.

ساختار هزینه و مزایای اقتصادی در مقیاس

درک مقرون به صرفه ریخته‌گری روی به توجیه سرمایه‌گذاری‌های ابزارآلات و مقایسه این فرآیند با جایگزین‌هایی مانند قالب‌گیری تزریق پلاستیک، ریخته‌گری شن و ماسه، یا قطعات ماشین‌کاری شده کمک می‌کند.

• هزینه ابزار : یک ابزار ریخته گری روی تک حفره معمولاً بسته به پیچیدگی و اندازه قطعه 8000 تا 50000 دلار قیمت دارد - به دلیل نیازهای حرارتی کمتر در فولاد ابزار کمتر از ابزار آلومینیومی معادل. ابزارهای چند حفره ای (4، 8 یا 16 حفره) هزینه ابزارسازی را در حجم های بالاتر پخش می کنند.
• حجم سربه سر : ریخته گری روی با ماشینکاری تقریباً مقرون به صرفه می شود 5000 تا 10000 قطعه در سال و به طور قطعی ارزان تر از جایگزین های ماشینکاری شده بالای 25000 قطعه در سال برای هندسه های پیچیده.
• استفاده از مواد : رانر و ضایعات گیت ریخته گری 100% قابل بازیافت و ذوب مجدد در داخل است، با استفاده مؤثر از مواد 85 تا 95 درصد از آلیاژ خریداری شده.
• عملیات ثانویه : توانایی حذف عملیات ماشینکاری، رنگ آمیزی پیش تصفیه و مونتاژ (با ریخته گری در درج ها، باس ها و رزوه ها) می تواند هزینه کل قطعه را کاهش دهد. 20-40٪ در مقایسه با جایگزین های ماشینکاری شده یا ساخته شده.
• انرژی نقطه ذوب پایین روی، هزینه انرژی هر کیلوگرم فلز ریخته‌گری شده را تقریباً 30 تا 40 درصد در مقایسه با ریخته‌گری با قالب آلومینیوم کاهش می‌دهد، عاملی که با افزایش هزینه‌های انرژی در تولید جهانی اهمیت پیدا کرده است.

تعیین ریخته گری آلیاژ روی: آنچه مهندسان و خریداران باید بررسی کنند

هنگام تامین منابع ریخته گری آلیاژ روی، تعیین پارامترهای مناسب از قبل از انجام مجدد پرهزینه، اختلافات تامین کنندگان و خرابی های میدانی جلوگیری می کند. چک لیست زیر عناصر مشخصات حیاتی را پوشش می دهد:

1. نامگذاری آلیاژ : آلیاژ را با شماره ASTM B86 (به عنوان مثال، آلیاژ شماره 3، شماره 5) یا نام معادل EN 12844 (مانند ZnAl4، ZnAl4Cu1) مشخص کنید. "آلیاژ روی" را بدون گواهی شیمی قبول نکنید.
2. خلوص پایه روی : برای جلوگیری از خوردگی بین دانه ای به SHG (گرید بالا ویژه) روی با سرب ≤ 0.003٪، کادمیوم ≤ 0.003٪ و قلع ≤ 0.001٪ نیاز دارید.
3. تحمل های ابعادی : مرجع استانداردهای محصول NADCA (نسخه فعلی) یا معادل آن. در صورت لزوم، ابعاد بحرانی را با GD&T به صراحت بر روی نقشه بنویسید.
4. مشخصات پایان سطح : مقادیر Ra یا Rz را برای سطوح کاربردی تعریف کنید. معیارهای پذیرش سطوح آرایشی را مشخص کنید (چهره های قابل مشاهده در مقابل چهره های پنهان).
5. تخلخل acceptance criteria : برای قطعات ضد فشار یا ساختاری، کلاس بازرسی رادیوگرافی ASTM E505 یا معیارهای پذیرش تست نشت معادل (مانند حداکثر 0.1 سی سی در دقیقه در 5 بار) را مشخص کنید.
6. مشخصات عملیات سطحی : در صورت روکش یا روکش، استانداردهای مربوطه (ASTM B456 برای نیکل کروم آبکاری شده، ISO 12686 برای نیکل الکترولس و غیره) از جمله حداقل ضخامت پوشش و روش تست چسبندگی را مشخص کنید.
7. بازرسی مقاله اول (FAI) : قبل از تایید برای تولید انبوه، به گزارش تمام ابعاد، گواهی مواد و گزارش تست عملکردی در اولین نمونه های تولیدی نیاز دارید.