Jakie metale są najlepsze do odlewania ciśnieniowego części silników i dlaczego

Stopy aluminium są dominującym metalem stosowanym w odlewach ciśnieniowych części silników, natomiast stopy cynku i magnezu pełnią określone role drugorzędne. Spośród gatunków aluminium, A380 i ADC12 stanowią zdecydowaną większość produkowanych obecnie obudów silników, osłon końcowych i ram stojanów, ponieważ łączą w sobie niską gęstość, wysoką przewodność cieplną i niezawodną odlewalność przy dużych nakładach produkcyjnych. Stopy cynku, takie jak Zamak 3 i Zamak 5, wybiera się, gdy część wymaga węższych tolerancji wymiarowych lub dekoracyjnego wykończenia powierzchni, natomiast magnez pojawia się w zastosowaniach, w których zmniejszenie masy jest najwyższym priorytetem. W poniższych sekcjach opisano, dlaczego wybrano każdy metal, porównanie ich właściwości i co to oznacza dla zaopatrzenia producenta odlewów ciśnieniowych części silników.

Dlaczego aluminium dominuje części silnika odlewanie ciśnieniowe

Obudowy silników elektrycznych, osłony końcowe i ramy stojanów spełniają trzy wymagania: muszą skutecznie odprowadzać ciepło, być odporne na długoterminową korozję i pozostać na tyle lekkie, aby nie zmniejszać ogólnej wydajności systemu. Aluminium spełnia wszystkie trzy wymagania jednocześnie. Jego przewodność cieplna umożliwia przenoszenie ciepła generowanego przez uzwojenia silnika na zewnątrz przez ściankę obudowy, zamiast gromadzić się wewnątrz urządzenia, co bezpośrednio wpływa na żywotność silnika i stałą wydajność. Jego naturalna warstwa tlenku chroni również części przed korozją w środowiskach zewnętrznych, motoryzacyjnych i przemysłowych, w wielu przypadkach nie wymagając kosztownego powlekania.

Gęstość jest drugim decydującym czynnikiem. Aluminium waży mniej więcej jedną trzecią tego, co stal przy tej samej objętości, co ma ogromne znaczenie w przypadku części do silników samochodowych i części samochodowych wykorzystujących nowe źródła energii, gdzie każdy zaoszczędzony kilogram poprawia zasięg lub ładowność. Z tego też powodu odlewanie ciśnieniowe aluminium stało się domyślnym procesem formowania obudów silników, ram stojanów, obudów skrzyń biegów i korpusów pomp w branży motoryzacyjnej i sprzętu przemysłowego.

A380 kontra ADC12: dwa stopy robocze

W ramach odlewania ciśnieniowego aluminium dwie rodziny stopów obejmują większość produkcji części silnikowych: A380 (norma północnoamerykańska i europejska) oraz ADC12 (japońska i chińska norma branżowa, pod względem chemicznym bardzo zbliżona do A383). Obydwa należą do rodziny aluminium krzemowo-miedzianego, a różnice między nimi są niewielkie, ale znaczące dla wyników produkcyjnych.

A380 zazwyczaj zawiera około 7,5 do 9,5 procent krzemu i 3 do 4 procent miedzi, co zapewnia solidną równowagę pomiędzy wytrzymałością, obrabialnością i kosztami. ADC12 ma nieco wyższą zawartość krzemu, co poprawia płynność na etapie wtrysku pod wysokim ciśnieniem. Ta dodatkowa płynność pozwala stopionym metalom wypełnić cieńsze ścianki i ostrzejsze narożniki, zanim zastygnie, co jest dokładnie taką geometrią, jaką można znaleźć w kompaktowych osłonach końcowych silników i obudowach stojanów z żeberkami chłodzącymi.

W praktyce wybór między nimi często sprowadza się do miejsca produkcji części i grubości ścianki wymaganej w projekcie. Zakład obsługujący maszyny Hong Kong Lijin lub podobne automatyczne maszyny do odlewania ciśnieniowego o różnych tonach, od 200 ton do 1600 ton, zazwyczaj może pomieścić dowolny stop w zależności od regionalnego standardu klienta i złożoności geometrii części silnika.

Kiedy materiały do ​​odlewania ciśnieniowego cynku mają większy sens

Stopy cynku, najczęściej Zamak 3 i Zamak 5, nie są standardem w przypadku dużych obudów silników, ale odgrywają ważną rolę w mniejszych elementach silników, takich jak zaślepki końcowe, wsporniki wewnętrzne, elementy przekładni i osłony dekoracyjne. Zamak 3 składa się z około 96 procent cynku, około 4 procent aluminium i śladowych ilości magnezu i miedzi. Topi się w stosunkowo niskiej temperaturze 385 stopni Celsjusza, co zmniejsza zużycie formy i zużycie energii podczas produkcji.

Powód, dla którego projektanci sięgają po cynkowe formy do odlewania ciśnieniowego zamiast aluminium w konkretnych częściach silnika, wynika z dwóch czynników: precyzji wymiarowej i wykończenia powierzchni. Stopy cynku kurczą się mniej podczas krzepnięcia niż aluminium, co ułatwia zachowanie wąskich tolerancji w przypadku małych, skomplikowanych komponentów. Łatwiej akceptują także chromowanie, malowanie i malowanie proszkowe, co ma znaczenie w przypadku widocznych zaślepek końcowych lub obudów silników, które wymagają wykończenia dekoracyjnego, a nie czysto funkcjonalnego.

Zamak 5 dodaje około 1 procent miedzi w porównaniu do Zamaka 3, co zwiększa twardość i odporność na zużycie. To sprawia, że ​​jest on lepszym kandydatem do małych części silnika sąsiadujących z przekładnią, które podlegają powtarzającemu się kontaktowi mechanicznemu, podczas gdy Zamak 3 pozostaje bardziej ekonomicznym wyborem w przypadku wsporników i pokryw bez dużych obciążeń mechanicznych.

Gdzie pasuje magnez i inne metale

Odlewanie ciśnieniowe magnezu pojawia się rzadziej w częściach silników niż aluminium czy cynk, ale jest to najlżejszy praktyczny metal konstrukcyjny stosowany w odlewaniu ciśnieniowym, ważący około jedną trzecią mniej niż aluminium przy równoważnej objętości. Wybierany jest głównie do nowych, energetycznych części samochodowych i motocykli, gdzie oszczędność masy przekłada się bezpośrednio na lepszą wydajność lub zasięg. Kompromis polega na tym, że magnez wymaga bardziej ostrożnego obchodzenia się podczas topienia i odlewania ze względu na swoją reaktywność i generalnie kosztuje więcej za kilogram niż aluminium, więc zwykle pojawia się tylko wtedy, gdy zmniejszenie masy przewyższa obawy związane z kosztami.

Niektóre części silnika, szczególnie te, które pełnią również funkcję zaworów, tłoków lub korpusów pomp w zespole silnika, mogą wykorzystywać stalowe wkładki lub stalowe elementy formy do odlewania ciśnieniowego w połączeniu z korpusami aluminiowymi. To hybrydowe podejście pozwala producentowi połączyć wytrzymałość stali w punktach styku o dużym zużyciu z niewielką wagą aluminium w pozostałej części.

Jak jakość surowca wpływa na wydajność części silnika

Wybór odpowiedniej rodziny stopów to dopiero pierwszy krok. Czystość samego wlewka aluminiowego ma bezpośredni wpływ na końcową część. Wysoka zawartość metali ciężkich lub zanieczyszczenia w surowym aluminium mogą powodować porowatość, wtrącenia żużla, zakleszczenia na zimno i wady powierzchni podczas procesu odlewania ciśnieniowego. Producent odlewów ciśnieniowych, który sprawdza przychodzące wlewki pod kątem składu przed stopieniem, jest znacznie mniej prawdopodobne, że wyprodukuje części silnika z wewnętrznymi pustkami, które pogarszają zarówno wytrzymałość mechaniczną, jak i zdolność części do uszczelniania przed wnikaniem kurzu lub wilgoci, co ma znaczenie w przypadku obudów silników narażonych na działanie warunków zewnętrznych lub pod maską.

Kontrola procesu jest tak samo ważna jak wybór materiału. W szczególności trzy zmienne określają, czy odlewana ciśnieniowo część silnika spełnia specyfikacje wymiarowe i strukturalne:

Producenci, którzy łączą oprogramowanie symulacyjne CAD, CAM i CAE na etapie projektowania, mogą przewidzieć, jak dany stop będzie się zachowywał w określonej gnieździe formy przed wylaniem jakiegokolwiek metalu, co ogranicza kosztowne przeprojektowanie po wycięciu narzędzi.

Wybór pomiędzy odlewem ciśnieniowym aluminium a odlewem cynkowym części silnika

Przy podejmowaniu decyzji o zaopatrzeniu praktyczną kwestią zwykle nie jest to, który metal jest lepszy technicznie, ale który metal pasuje do wymagań dotyczących obciążenia, rozmiaru i wykończenia konkretnej części. Ogólnie rzecz biorąc, większe elementy konstrukcyjne, takie jak obudowy silników, ramy stojanów i osłony końcowe, prawie zawsze wymagają odlewania ciśnieniowego aluminium ze względu na przewagę wagową i właściwości termiczne. Mniejsze komponenty, takie jak zaślepki końcowe, przekładnie wewnętrzne lub pokrywy dekoracyjne, częściej nadają się do produkcji form do odlewania ciśnieniowego cynku ze względu na węższe osiągalne tolerancje i elastyczność wykańczania.

Producent odlewów ciśnieniowych, mający doświadczenie zarówno w produkcji części samochodowych, jak i w produkcji seryjnej silników, dysponujący gamą sprzętu umożliwiającego obróbkę różnych tonaży i typów stopów, jest na ogół lepiej przygotowany, aby zalecić odpowiedni materiał do konkretnej części, zamiast domyślnie wybierać którykolwiek stop, który jest najłatwiejszy w obróbce. Przeglądanie istniejącego asortymentu części silnikowych dostawcy, takich jak osłony końcowe silników synchronicznych lub obudowy stojanów już w produkcji, to praktyczny sposób na potwierdzenie, że mają oni praktyczne doświadczenie w zakresie kombinacji stopów i tolerancji wymaganych dla danego projektu.