Att göra förlorade vaxgjutningar: steg-för-steg-instruktioner 

Vad är investeringsgjutning och varför är det det bästa valet för komplexa delar

Förlorat vaxgjutning är en teknologisk process som gör det möjligt att producera högprecisionsmetalldelar med komplexa geometrier som inte kan realiseras med andra gjutmetoder. Till skillnad från sand eller kylgjutning behövs ingen mekanisk behandling av ytor efter borttagning från formen, vilket minskar kostnaden för slutprodukten med 30–45 %. Kärnan i metoden är att skapa en vaxkopia av den framtida delen, täcka den med ett keramiskt skal, smälta vaxet och fylla det resulterande hålrummet med smält metall. Processen är idealisk för produktion av turbinblad, medicinska implantat, smycken och flygkomponenter, där toleranser mäts i hundradelar av en millimeter.

I vår praktik har vi stött på situationer där kunder försökt spara pengar genom att välja billigare gjutningsmetoder för detaljer med komplexa interna kanaler. Resultatet var förutsägbart: defekterna nådde 60 % och kostnaderna för efterföljande bearbetning översteg kostnaden för själva gjutningen. En av våra kunder, en tillverkare av pumputrustning, förlorade tre månader och 15 000 € på att försöka anpassa jordgjutningstekniken till ett pumphus med skruvkanal. Övergången till förlorad vaxteknologi (förlorat vax) löste problemet omedelbart: defekterna sjönk till 2%, och produktens livslängd ökade på grund av den homogena metallstrukturen utan gashål.

Processen kräver strikt efterlevnad av temperaturförhållanden och bindemedlens kemiska sammansättning. Till exempel, när vaxsmältningstemperaturen är över 95°C, kan deformation av det keramiska skalet inträffa, vilket kommer att leda till en förändring i gjutgodsets geometri. Vi rekommenderar användningen av automatiska temperaturkontrolllinjer, eftersom den mänskliga faktorn spelar en avgörande roll här. Om du planerar att beställa ett parti delar, se till att leverantören är ISO 9001-certifierad och har erfarenhet av att arbeta med din specifika legering, vare sig det är högtemperatur-nickellegeringar eller biokompatibelt titanium.

Förberedande skede: skapande av en mastermodell och form

Framgång för hela cykelnproduktion av förlorad vaxgjutningberor på kvaliteten på det första steget - utvecklingen av en mastermodell. Detta är inte bara en ritning, utan en fysisk standard, vanligtvis gjord av aluminium eller stål med en ytråhet som inte är sämre än Ra 0,4. I detta skede måste ingenjörer ta hänsyn till materialets krympning vid kylning, som varierar från 1,2 % till 2,5 % för olika legeringar. Ett fel vid beräkning av krympningskoefficienten i detta skede är dödligt: ​​det är ofta omöjligt att mekaniskt korrigera dimensionerna på den färdiga metallgjutningen på grund av profilens komplexitet.

Efter godkännande av mastermodellen tillverkas en form för gjutning av vaxmodeller. Det är viktigt att välja rätt formmaterial här. För små serier (upp till 500 stycken) är aluminiumformar lämpliga, som är billigare och snabbare att tillverka. Men för massproduktion rekommenderar vi starkt att du använder härdat stål. I ett projekt använde vi en aluminiumform för en sats på 2000 enheter, och vid den 800:e gjutningen började geometrin "flyta" på grund av termisk expansion av aluminiumet. Kunden fick ett parti defekta delar som måste smältas ner. Detta kostade oss rykte och pengar, så nu gör vi alltid en volymrevision innan vi väljer ett verktygsmaterial.

• Bearbetningsnoggrannhet:Mastermodellen måste bearbetas på CNC-maskiner med en noggrannhet på minst IT6. Eventuella verktygsmärken kommer att upprepas på varje vaxmodell.
• Portsystem:Utformningen av grindarna är upplagd redan på mastermodellstadiet. Felaktig vinkel på metallinförandet kommer att resultera i turbulens och luftinstängning.
• Formmaterial:Grade 45 stål eller motsvarande för långvariga produktionsserier, aluminium för prototyping.

Var noga med att begära en rapport om första artikelinspektion (FAI - First Article Inspection) från leverantören innan du startar huvudserien. Detta är ett dokument som bekräftar att den första gjutningen motsvarar alla ritningsmått. Starta inte massproduktion utan ett signerat prototypgodkännandecertifikat.Lär dig mer om att utveckla prototyper och mastermodeller.

Steg-för-steg instruktioner: från vaxmodell till keramiskt skal

Det centrala elementet i tekniken är skapandet av en vaxmodell. Processen börjar med att injicera smält vax under tryck i en förberedd form. Vaxtemperaturen måste hållas inom ett smalt intervall, vanligtvis 65–75°C, beroende på blandningens sammansättning (paraffin, stearin, polymertillsatser). Vax som är för varmt kommer att krympa när det svalnar; vax som är för kallt kommer inte att fylla de tunna delarna av formen. Efter borttagning inspekteras modellen visuellt för defekter, såsom underfyllning eller blixt.

Nästa kritiska steg är att sätta ihop vaxmodellerna till ett kluster (träd). Individuella modeller svetsas till mittröret med hjälp av ett uppvärmt verktyg. Kvaliteten på svetsning av sömmar bestämmer integriteten hos den framtida keramiska formen. Om fogen är svag kan vaxet lossna när man applicerar slurryn, eller så uppstår ett utbrott senare när man häller metallen. I vår praxis var det ett fall då metallen, på grund av dålig svetsning av sömmen, bröt igenom in i formhåligheten och förstörde hela klustret med 40 delar. Operatören värmde helt enkelt inte upp verktyget tillräckligt och vaxet diffunderade inte ut ordentligt.

1. Applicering av det första lagret (Face Coat):Klustret doppas i en suspension med ett finkornigt fyllmedel (zirkon eller elektrokorund med fraktion 0,05–0,1 mm). Detta lager bildar den framtida ytan av gjutgodset. Det är viktigt att undvika luftbubblor som kan skapa gropbildning på metallen. Torkning av det första lagret utförs i en kontrollerad miljö med en luftfuktighet på 40–50 % och en temperatur på 20–22°C i 4–6 timmar.
2. Applicering av efterföljande lager (stuckatur):Efter att det första lagret har torkat appliceras det andra, tredje och ytterligare lagret med grövre sand (fraktion 0,2–0,8 mm). Antalet lager beror på gjutgodsets massa och typen av legering. Ståldelar kräver vanligtvis 6–9 lager, aluminiumdelar 4–6. Varje lager måste vara helt torrt innan nästa appliceras.
3. Skaltjocklekskontroll:Den totala tjockleken på det keramiska skalet bör vara mellan 6 och 10 mm. Ett skal som är för tunt kan spricka vid hällning; ett för tjockt skal kan göra det svårt att värma upp formen och leda till ofullständig fyllning.
4. Devoxing (vaxborttagning):Det färdiga klustret placeras i en autoklav eller ugn. Vaxet smälter och rinner ut och lämnar en ihålig keramisk form. Processtemperaturen är vanligtvis 150–180°C. Resterande vax bränns ut vid temperaturer upp till 900–1000°C i 2–4 timmar. Detta steg är kritiskt: om vaxet inte avlägsnas helt, kommer det att reagera med metallen, vilket orsakar uppkolning av gjutytan.

Var uppmärksam på kvaliteten på bindemedlet i suspensionen. Att använda billigt natriumsilikat istället för etylsilikat kan resultera i dålig hållfasthet för het mögel. Vi har sett fall där formen kollapsade under gjutning eftersom bindemedlet inte klarade värmechocken. Kontrollera alltid den kemiska sammansättningen av de material som används av gjuteriet.Tekniska krav för keramiska skal.

Hällning av metall och efterbehandling av gjutgods

Efter att vaxet har avlägsnats, bränns den keramiska formen vid höga temperaturer (brändes) för att uppnå slutlig styrka. Kalcineringstemperaturen beror på vilken typ av metall som hälls. För rostfria stål värms formen till 850–950°C, för titanlegeringar - till 1100°C och högre i vakuumugnar. Hällning bör göras omedelbart efter att formen tagits ur ugnen för att undvika kylning. Temperaturskillnaden mellan formen och metallen bör hållas till ett minimum för att förhindra termiska sprickor.

Gjutprocessen kan utföras med olika metoder: gravitationsgjutning, formsprutning eller centrifugalgjutning. För smycken och smådelar används ofta centrifugalmaskiner för att säkerställa bättre fyllning av tunna sektioner. För stora industriella enheter används vakuumbågsmältning, vilket gör det möjligt att erhålla metall med hög renhet utan oxidinneslutningar. Det är denna metod för att arbeta med aktiva och korrosionsbeständiga metaller som titan, N06625 nickellegeringar och C46400 marin mässing som är nyckeln i produktionen av kritisk utrustning. Till exempel ett företagWuxi Kaisheng Electric Power and Petrochemical Equipment Co., Ltd., som är specialiserat på värmeväxlare och komponenter för olje- och gasindustrin, har framgångsrikt tillämpat liknande gjutnings- och bearbetningsprinciper för att producera rörbuntar och galler från komplexa legeringar. Deras ASME- och PED-certifierade produkter visar hur strikt kontroll av metallstruktur och frånvaro av defekter möjliggör skapandet av utrustning som tål extrema tryck och korrosiva miljöer inom varvs- och kemisk industri.

Efter att metallen härdar och formen svalnar uppstår knockout - mekanisk förstörelse av det keramiska skalet. Detta är en arbetsintensiv process som ofta görs för hand med pneumatiska hammare eller sandblästringskammare. Därefter kommer separationen av gjutgods från grindsystemet. För detta ändamål används bandsågar, hydrauliska saxar eller elektrisk urladdningsskärning om materialet är särskilt hårt. Det skurna området rengörs sedan och slipas.

Efterbehandling inkluderar värmebehandling (härdning, härdning, åldring) för att uppnå de nödvändiga mekaniska egenskaperna. Detta följs av kvalitetskontroll: röntgen för att identifiera interna defekter, ultraljudstestning och mätning av geometriska parametrar på CMM (koordinatmätmaskiner). Först efter att ha passerat alla stadier av kontroll anses delen vara klar för leverans. Att ignorera steget för icke-förstörande testning (NDT) är ett vanligt misstag av budgettillverkare, vilket leder till fel på delar under belastningsförhållanden.

Typiska misstag och hur man undviker dem vid beställning av gjutgods

Även med all teknikproduktion av förlorad vaxgjutning, risker för äktenskap finns. Att förstå dessa risker hjälper dig att kompetent utarbeta tekniska specifikationer och välja en pålitlig entreprenör. Det vanligaste misstaget är fel val av modellmaterial. Ofta skickar kunder ritningar utan att ange märket på legeringen, eller anger en analog, som när det gäller gjutningsegenskaper är radikalt annorlunda än originalet. Att till exempel ersätta 304-stål med 316 kanske inte verkar så mycket, men 316 har ett annat flödesbeteende och en tendens att hetspricka i vissa geometrier.

Det andra kritiska misstaget är orealistiska toleranser. Lost wax-teknologi gör det möjligt att uppnå hög precision, men att kräva IT7-toleranser för stora gjutgods som väger mer än 5 kg är ekonomiskt opraktiskt och tekniskt svårt. Detta kommer att kräva specialutrustning och flera testsmältningar, vilket kommer att öka kostnaden för delen med 3–4 gånger. Vi rekommenderar att följa CT4-CT5-standarden för gjutnoggrannhetsklasser, om inte annat motiveras av delens funktionalitet. I ett fall krävde kunden en 0,02 mm hålinriktning för växelhuset. Gjuteriet försökte fem iterationer för att uppnå detta, men till slut fick delen fräsas, vilket förnekade fördelen med gjutning.

• Underskattning av behandlingstillägg:Även vid precisionsgjutning kräver vissa ytor bearbetning. Lämna en tillräcklig mängd (vanligtvis 1–2 mm), annars kan du få "svarta märken" eller en defekt i storleken efter att du tagit bort skalan.
• Ignorera krympriktning:Metallen krymper ojämnt åt olika håll. Designern måste förutse detta i förväg i 3D-modellen, annars kommer delen ut skevt.
• Besparingar på kontroll:Avslag på röntgeninspektion för att spara 10 % av batchkostnaden kan leda till att du får delar med inre porer som kollapsar under belastning efter en månads arbete.

En annan viktig aspekt är miljöbestämmelser. Tillverkningen av förlorade vaxmodeller innebär användning av kemikalier och utsläpp. Se till att din leverantör har tillstånd och toppmoderna utsläppskontrollsystem. I Europa och Ryssland skärps kraven på gjuterier och att arbeta med en ”grå” verkstad kan leda till leveransstopp på grund av inspektioner av tillsynsmyndigheter. Källa:Källa: Rosstandart (Krav på gjuteriproduktion).

Jämförelse med andra tekniker: när man ska välja borttappade vaxmodeller

Valet av gjutteknik är alltid en kompromiss mellan kostnad, noggrannhet och batchstorlek. För att ta reda på om det är rätt för digproduktion av förlorad vaxgjutning, låt oss jämföra det med dess främsta konkurrenter: sandgjutning och metallformsprutning (chill).

Sandgjutning är mycket billigare att förbereda för produktion. Att göra en enda sandform kostar slantar jämfört med kostnaden för att skapa ett kluster av vaxmodeller och ett keramiskt skal. Noggrannheten vid sandgjutning är dock låg (IT15-IT16), ytan är grov och mer bearbetning krävs. Denna metod är bra för stora delar av enkel form (ram, motorhus) i småskalig produktion. Om din del väger 50 kg och har enkla plan, välj sand. Om delen väger 200 gram och har inre kanaler av komplex form, kommer sand inte att fungera.

Högtrycksgjutning ger överlägsen prestanda och utmärkt ytfinish. Men kostnaden för en metallform är tiotusentals dollar. Denna teknik lönar sig endast för upplagor på 10 000 stycken eller mer. Dessutom är formsprutning begränsad i valet av legeringar (främst aluminium, zink, magnesium) och tillåter inte tillverkning av delar med hög gasdensitet på grund av fyllningsturbulens.

Förlorade vaxmodeller upptar en nisch mellan dessa metoder. De låter dig arbeta med alla legeringar, inklusive eldfasta och svårbearbetade (titan, Inconel, värmebeständigt stål). Precisionen ligger nära bearbetning, vilket ofta gör det möjligt att undvika det helt. Kostnaden för verktyg är lägre än för formsprutning, vilket gör metoden kostnadseffektiv för mellanserier (från 50 till 5000 stycken). Den största nackdelen är cykeltiden. Att göra en sats kan ta från 3 till 6 veckor på grund av tork- och bränningsprocessen i flera steg.

Vi rekommenderar att du använder den här tekniken om:

1. Delen har en komplex geometri, som inte kan erhållas genom fräsning från ett fast arbetsstycke utan stort materialspill (köp-till-flyg-förhållande > 5).
2. Kräver hög precision och ytrenhet utan ytterligare bearbetning.
3. Materialet i delen är svårt att bearbeta.
4. Satsstorleken är inte tillräcklig för att motivera kostnaden för en dyr metallsprutform.

Vanliga frågor

Vad är den minsta beställningskvantiteten för investeringsgjutning?

Det är tekniskt möjligt att gjuta ens en del, men detta är inte ekonomiskt lönsamt på grund av den höga arbetsintensiteten för att förbereda klustret och den keramiska formen. Den minsta lönsamma satsen börjar vanligtvis från 10–20 stycken. Vid beställning av enstaka prover kan kostnaden för en del vara 10–15 gånger högre än vid massproduktion. För prototyper rekommenderar vi att du använder vax eller direkt 3D-utskrift av metall om du bara behöver 1-2 stycken för testning.

Vilka är de maximala detaljdimensionerna som kan erhållas med denna metod?

Det finns inga teoretiska begränsningar, men i praktiken begränsas dimensionerna av verkstadsutrustningens möjligheter och risken för deformation av en stor keramisk form. Standardintervallet är från några gram till 20–30 kg. Delar som väger över 50 kg är sällsynta, eftersom risken för defekter på grund av ojämn krympning och termisk stress ökar kraftigt. För mycket stora delar används oftare sandgjutning, med hjälp av förlorade vaxkärnor för att bilda komplexa hålrum.

Hur lång tid tar det att göra en batch?

Hela cykeln, inklusive utveckling av utrustning, tar från 4 till 8 veckor. Tillverkningen av mastermodellen och vaxformen kräver 2-3 veckor. Själva gjutningen och uppbyggnaden av det keramiska skalet för en sats om 100 stycken tar ytterligare 2-3 veckor på grund av behovet av lager-för-lager torkning. Brådskande beställningar är möjliga mot tilläggsbetalning för arbete i flera skift och användning av snabbtorkande pärmar, men det ökar kostnaden med 30–50 %.

Kan jag använda återvunnet vax?

Ja, vax kan regenereras. Efter smältning från formen samlas den upp, rengörs från keramik och vattenföroreningar och används igen. Andelen primärvax i blandningen bör dock vara minst 30–40 % för att bibehålla egenskapernas stabilitet. Fullständig användning av återvunnet vax leder till en försämring av kvaliteten på ytan på modellerna och en ökning av defekter. Bra gjuterier har egna vaxåtervinningsanläggningar, vilket minskar miljöpåverkan och kostnader.

Vilka kvalitetskrav gäller för sådana gjutgods?

I Ryssland och OSS-länderna är huvudstandarden GOST R 53453-2009 (gjutgods från korrosionsbeständiga, värmebeständiga och värmebeständiga legeringar med investeringsmodeller). Internationella standarder ASTM A641 (för kolstål) och AMS (Aerospace Material Specifications) för flygindustrin används också i stor utsträckning. Se till att vid beställning ange vilken standard de mekaniska egenskaperna och kemiska sammansättningen måste uppfylla. Avsaknaden av en hänvisning till en standard i ett kontrakt är en direkt väg till kvalitetstvister.

Slutsats och nästa steg

Investeringsgjutning är fortfarande en oumbärlig teknik för att skapa högkvalitativa metallkomponenter med komplexa former. Trots den uppenbara komplexiteten och längden på processen drar den slutliga ekonomin av projektet ofta fördel av minskat materialspill och eliminering av dyr bearbetning. Nyckeln till framgång ligger i detaljerad planering på designstadiet, korrekt val av verktygsmaterial och strikt kontroll av varje steg - från vax till slutlig värmebehandling.

Om du funderar på att införa den här tekniken i din produktionscykel eller letar efter en pålitlig casting-outsourcingpartner är det viktigt att göra en preliminär granskning av din designdokumentation. Våra specialister är redo att utföra en gratis analys av ritningar för att bestämma tillverkningsbarheten för gjutning och beräkna den ungefärliga kostnaden för partiet. Vi arbetar med legeringar oavsett komplexitet och garanterar överensstämmelse med GOST, ISO och AMS krav.

Skjut inte upp produktionsoptimering till senare. Kontakta oss idag för att diskutera ditt projekt och få en offert med detaljerade specifikationer.Kontakta oss idagför samråd med en ledande processingenjör.