Metallstøping: Forskjell mellom sideversjoner

Slettet innhold Innhold lagt til

På linje

Sideversjonen fra 17. apr. 2016 kl. 14:35

Metallstøping går ut på å lage en metalldel ved å helle flytende metall i en hul form med ønsket form. Prosessen er ferdig når metallet har størknet og kjølt seg, og delen er tatt ut enten ved at formen deles i flere deler eller knuses. Støping brukes ofte for å produsere kompliserte former som ellers ville vært vanskelig eller uøkonomisk å lage ved hjelp av andre metoder.^[1]

Støpeprosessen har vært kjent i flere tusen år, og er mye brukt for å lage [[skulptur]]er i [[bronse]], [[smykker]] i [[edelmetaller]], [[våpen]] og [[verktøy]]. Tradisjonelle teknikker inkluderer forsvunnet voks-støping og støping med gips- eller sandform.

Moderne støpeprosesser er delt inn i de to hovedkategoriene gjenbrukbar og ikke-gjenbrukbar støping, videre etter støpematerale som f.eks. sand eller metall, og fyllemetode som ved hjelp av [[tyngdekraft, vakumm eller lavtrykk.^[2]

Ikke-gjenbrukbar formstøping

Ikke-gjenbrukbar formstøping er en gruppe støpeprosesser hvor man benytter midlertidige, ikke-gjenbrukbare former. Man kan bruke enten sand, plastikk, betong, gips eller en "investering" (forsvunnet- eller fortapt-voks teknikk).

Sandstøping

Sandstøping er en av de mest populære og enkleste typene støping, og har blitt bruks i århundrer. I motsetning til støping med permanente former, egner denne metoden seg bra for å lage mindre partier av deler til en veldig lav pris

Det kan støpes i størrelse fra deler som passer i hånden til togskinner. Sandstøping kan gjøres med de fleste metaller avhengig av hvilken type sand som brukes i formen.^[3]

Sandstøping krever en ledetid på dager, eller kanskje uker noen ganger, for høyproduksjon (1-20 deler i timen pr. støpeform) og er uovertruffen for produksjon av større deler. Grønnsand (fuktig) har nesten ingen vektgrenser, mens tørrsand har en praktisk øvre grense på 2300-2700 kg per del og minimum 75-100 gram per del. Sanden bindes sammen ved hjelp av leire, kjemiske forbindelser eller [[polymerisering|polymerisert]]e oljer (som motorolje). Som regel kan sanden gjenbrukes mange ganger, og krever lite vedlikehold.

Gipsform-støping

Gipsform-støping ligner på sandform-støping bortsett fra at man istedenfor sand bruker gips som så herdes (engelsk: plaster of Paris). Generelt tar det under en uke å lage formen, og produksjonsraten er deretter 1-10 enheter/ pr. time med deler fra 30 gram og opptil 45 kg i størrelse med svært god overflatefinish og trange toleranser.^[4] For komplekse deler er gipsform-støping er et rimelig alternativ til andre støpeprosesser grunnet den lave kostnaden for gips og mulighetene for å produsere støpinger som er svært nær ferdig resultat og dermed krever lite etterarbeid. Den største ulempen er at det bare kan brukes til metaller med lavt smeltepunkt som er ikke-[[jern|ferrøse]], som for eksempel aluminium, kobber, magnesium og sink.^[5]

Skallstøping

Skallstøping ligner på sandstøping, men hullformen lages ved hjelp av et hardt skall av sand istedenfor en kolbe fylt av sand. Sanden som brukes er finere enn ved sandstøping, og blandes med harpiks som varmebehandles for å få et hardt skall rundt sandformen. Dette gir en mye finere overflatefinish på grunn av den finere sanden og harpiksen. Prosessen kan lett automatiseres og er mer presis enn sandstøping. Vanlige metaller som støpes er jern, aluminium, magnesium og kobberlegeringer. Prosessen er ideell for komplekse former med liten eller medium størrelse.

Investerings-støping

Investeringsstøping (engelsk: Investment casting, også kjent som fortapt- eller forsvunnet voks-støping innen kunst) er en prosess som har blitt utøvd for tusener av år, og er en av de eldste kjente metodene for å forme metall. For 5000 år siden brukte man bievoks for å lage formene, mens man i dag bruker høyteknologiske vokser, materialer og spesiallegeringer, og kan dermed lage høykvalitetsdeler med god nøyaktighet.

Investeringsstøping har fått navnet sitt fra det faktumet at støpemodellen blir "investert", eller omringet, av at et refraktert materail. Voksmønsteret krever ekstrem nøyaktighet ettersom de ikke er sterke nok til å motstå kreftene mens man lager formen. En av fordelene med investeringsstøping er at voksen kan brukes på nytt.^[4]

Prosessen er passende for produksjon av nesten-ferdige deler som skal repeteres, og for mange forskjellige metaller og høytelse legeringer. Selv om metoden generelt brukes for små deler, har metoden blitt brukt for å produsere komplette dørrammer til fly, stålstøpinger opp til 300 kg og støpinger av aluminium opp til 30 kg. Sammenlignet med andre støpemetoder som die-støping og sandstøping kan investeringsstøping være en dyr prosess. Imidlertid kan man produsere intrikate konturer, og i de fleste tilfeller deler som er nesten-ferdige, og dermed ingenting eller lite arbeid for å ferdigstille etter støping.

Avfallsstøping av gips

En midlertidig gipsmodell blir ofte brukt som et steg mot produksjon av en bronseskulptur eller som en pekepinn på hvordan en modell vil se ut i hugget sten. En ferdig gipsmodell er med hardfør (hvis den blir lagret innendørs) enn en modell av leire som må holdes fuktig for å unngå sprekkdannelser. Ettersom gips er relativt rimelig kan bronsestøping eller stenhugging dermed utsettes til man har fått finansiert skulpturen. Overgangen fra gipsmodell til ferdig skulptur kan derfor sees mer på som en teknisk enn kunstnerisk prosess. og kan faktisk i noen tilfeller utsettes til etter kunstnerens død.

Med avfallsstøping brukes en enkel og tynn gipsform, forsterket med [[sisal]] eller sekkvev, som legges utenpå den originale leirmodellen. Når den størknede gipsmodellen fjernes fra leiren vil fine detaljer i leiren ødelegges og gå over til gipsformen. Formen kan på et senere tidspunkt (men bare en gang) brukes til å lage en ny positiv gipsmodell, identisk til den originale leirmodellen. Gipsoverflaten kan ytterligere raffineres, og kan males eller vokses for å etterligne et ferdig bronsestøp.

Fordampingsmønster støping

Dette er en klasse av støpeprosesser som bruker mønstermaterialer som fordamper mens man støper, som betyr at man ikke trenger å fjerne modellmaterialet fra formen før man støper. Det er hovedsaklig to metoder, forsvunnet skum-støping og fullformstøping

Forsvunnet skum-støping

Forsvunnet skum-støping er en type fordampningsmønster støping som ligner investeringsstøping, bortsett fra at skum brukes istedenfor voks. Man utnytter det skummens lave kokepunkt for å forenkle investeringsstøpingen ved at man ikke trenger å vokse formen.

Fullformstøping

Fullformstøping er en fordampningsstøping som kombinerer sandstøping og forsvunnet skum-støping. Den bruker skum av ekspandert polystyren som omgis sand, lik som sandstøping. Selve formen fordamper når flytende metall helles i formen.

Gjenbrukbar formstøping

Gjenbrukbar formstøping skiller seg fra ikke-gjenbrukbar støping ved at formen ikke må lages på ny for hver gang. Det kan deles inn i minst fire forskjellige metoder: Permanent, die, sentrifugal og kontinuerlig støping. Disse formene for støping resulterer i forbedret repeterbarhet for delene, og kan levere industrielt nesten-ferdige deler.

Permanent formstøping

Permanent formstøping er metallstøping hvor man bruker gjenbrukbare former ("permanent former"), vanligvis laget av metall. Den er mest vanlig å bruke tyngdekraft for å fylle formen, men andre metoder som gasstrykk eller vakuum brukes også. En variasjon av tyngdekraftmetoden kalt slush støping gir hule støpinger. Vanlige støpemetaller er aluminum, magnesium, og kobberlegeringer. Andre materialer inkluderer tinn, sink, og blylegeringer, og jern og stål kan også støpes i grafittformer. Selv om såkalte "permanente former" varer mer enn bare en støping har de fortsatt begrenset levetid før de slites ut.

Diestøping

Diestøping er en prosess hvor man lager støpeformer ved å presse flytende metall under høyt trykk, som deretter maskineres til en die. Det meste av diestøping foregår med ikke-ferrøse metaller, spesielt sink, kobber og aluminium-baserte legeringer, men ferrøse metaller er også mulige å støpe med dier. Diestøping er spesielt egnet for applikasjoner hvor det er mange små til medium størrelse deler som skal produseres med fine detaljer, fin overflatekvalitet og nøyaktige dimensjoner.

Semisolid metallstøping

Semisolid metallstøping (SSM) er en modifisert diestøpingsprosess som reduserer eller elliminerer rest porøsiteten som man finner i de fleste diestøpinger. Istedenfor å bruke flytende metall som materiale, brukes man i SSM-støping et materale med høyere viskositet som er deliv solid og delvis flytende. En modifisert diestøpemaskin brukes for å injisere det semisolide smeltede metallet til gjenbrukbare herdede ståldier. Den høye viskositeten til det semisolide metallet, sammen med bruken av kontrollert diefylling, sikrer at det semisolide metallet fyller dien på en ikke-turbulent måte slik at skadelig porøsitet stort sett ellimineres.

Kommersielt brukes metoden hovedsaklig for aluminium og magnesiumlegeringer, og SSM-støpinger kan varmebehandles til T4, T5 eller T6 grad. Kombinasjonen av varmebehandling, rask kjøling (gjennom bruk av ikke-belagte ståldier) og minimal porøsitet gir utmerket styrke og duktilitet. Andre fordeler med SSM-støping er evnen til å produserer kompleks formede deler, trykkfasthet, trange dimensjonelle toleranser og muligheten for å støpe tynne vegger.^[6]

Sentrifugalstøping

I denne prosessen helles flytende metall i en form og får størkne mens formen roterer. Metallet helles inn i formen i senter av formens rotasjonsakse, og grunnet sentrifugalkreftene blir det flytende metallet tvunget ut mot endene.

Sentrifugalstøping er avhengig av både tyngdekraft og trykkraft siden det skapes en egen form for matekraft i et spinnende sandkammer med opp til 900 Newton. Ledetid varierer veldig med applikasjon. Semi- eller full-sentrifugal prosessering tillater 30-50 deler/ per time per form, med en praktisk grense for partiproduksjon på omtrent 9000 kr total masse med typisk vekt per del på 2,3-4,5 kg.

Industrielt ble sentrifugalstøping brukt tidlig til produksjon av toghjul hos det tyske industriselskapet Krupp, og var dermed viktig for at selskapet vokste raskt.

Små kunstgjenstander slik som smykker er ofte støpt ved hjelp av denne metoden ved at man bruker forsvunnet-voks støping, ettersom rotasjonskreftene gjør at viskøse fltyende metaller kan flyte gjennom små passasjer og fylle fine detaljer som løv og kronblad. Man får lignende fordeler med vakumstøping, og begge metodene brukes derfor for å fremstille smykker.

Kontinuerlig støping

Kontinuerlig støping er en raffinert metode av støping laget for kontinuerlig høyvolums produksjon av metalldeler med konstant tverrsnitt. Flytende metall helles i vannkjølte former som gjør at delen først dannes av at et "skinn" av metallet størkner ytterst mens metallet fortsatt er flytende i sentrum. Gradvis blir metallet solid fra utsiden og inn (noen ganger kalt "stranding"), og etter at det er størknet tas det ut av formen. Forhåndsbestemte lengder av strand kan kuttes av enten av mekaniske sakser eller oxyacetylene kutter, og føres så til videre til en formingsprosess eller lagres. Størrelser av støpte deler kan variere fra en stripe (noen få millimeter tykt til og omtrent 5 meter beder) til "billets" (90 til 160 mm firkanter) til slabs (1,25 m bred og 230 mm tykk). Av og til kan stranden varmrulles før den kuttes.

Kontinuerlig støping brukes grunnet lavere kostnader i kontinuerlig produksjon av standardiserte produkter, og øker også ofte kvaliteten på det ferdige produktet. Metaller som stål, kobber aluminium og bly kan støpes kontinuerlig, men stål er det metallet som støpes mest med denne metoden.

Terminology

Theory

Cooling curves

Intermediate cooling rates from melt result in a dendritic microstructure. Primary and secondary dendrites can be seen in this image.

Chvorinov's rule

The gating system

Shrinkage

Solidification shrinkage

Solidification shrinkage of various metals^[7]^[8]
Metal	Percentage
Aluminium	6.6
Copper	4.9
Magnesium	4.0 or 4.2
Zinc	3.7 or 6.5
Low carbon steel	2.5–3.0
High carbon steel	4.0
White cast iron	4.0–5.5
Gray cast iron	−2.5–1.6
Ductile cast iron	−4.5–2.7

Risers and riser aids

Patternmaker's shrink

Typical patternmaker's shrinkage of various metals^[9]
Metal	Percentage	in/ft
Aluminium	1.0–1.3	1⁄8–5⁄32
Brass	1.5	3⁄16
Magnesium	1.0–1.3	1⁄8–5⁄32
Cast iron	0.8–1.0	1⁄10–1⁄8
Steel	1.5–2.0	3⁄16–1⁄4

Mold cavity

Filling

Tilt filling

Macrostructure

Inspection

Defects

Casting Process Simulation

Casting process simulation uses numerical methods to calculate cast component quality considering mold filling, solidification and cooling, and provides a quantitative prediction of casting mechanical properties, thermal stresses and distortion. Simulation accurately describes a cast component’s quality up-front before production starts. The casting rigging can be designed with respect to the required component properties. This has benefits beyond a reduction in pre-production sampling, as the precise layout of the complete casting system also leads to energy, material, and tooling savings.

References

Notes

^ Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 277
^ Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 278
^ Schleg et al. 2003, chapters 2–4.
^ ^a ^b Kalpakjian & Schmid 2006.
^ Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 315
^ 10th International Conference Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Eds.
^ Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 286
^ Stefanescu 2008, s. 66.
^ Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 289

Bibliography

Blair, Malcolm; Stevens, Thomas L. (1995), Steel castings handbook (6th utgave), ASM International, ISBN 978-0-87170-556-3, https://books.google.com/books?id=QG3_QqmPZ_AC. ), ASM International, ISBN 978-0-87170-556-3.
Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th utgave), Wiley, ISBN 0-471-65653-4 ), Wiley, ISBN 0-471-65653-4 .
Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven (2006), Manufacturing Engineering and Technology (5th utgave), Pearson, ISBN 0-13-148965-8 ), Pearson, ISBN 0-13-148965-8 .
Kissell, J. Randolph; Ferry, Robert L. (2002), Aluminum structures: a guide to their specifications and design (2nd utgave), John Wiley and Sons, ISBN 978-0-471-01965-7, https://books.google.com/books?id=NJh8Y9bV-hEC. ), John Wiley and Sons, ISBN 978-0-471-01965-7.
Schleg, Frederick P.; Kohloff, Frederick H.; Sylvia, J. Gerin; American Foundry Society (2003), Technology of Metalcasting, American Foundry Society, ISBN 978-0-87433-257-5 .
Stefanescu, Doru Michael (2008), Science and Engineering of Casting Solidification (2nd utgave), Springer, ISBN 978-0-387-74609-8, https://books.google.com/books?id=JVTJi30phCwC ), Springer, ISBN 978-0-387-74609-8 .
Ravi, B (2010), Metal Casting: Computer-aided Design and Analysis (1st utgave), PHI, ISBN 81-203-2726-8, https://books.google.com/books?id=d_A2o4YXfUAC ), PHI, ISBN 81-203-2726-8 .

External links

[1] Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 277

[2] Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 278

[3] Schleg et al. 2003, chapters 2–4.

[met-4] Kalpakjian & Schmid 2006.

[5] Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 315

[6] 10th International Conference Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Eds.

[degarmo286-7] Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 286

[8] Stefanescu 2008, s. 66.

[degarmo289-9] Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 289

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]