การหล่ออะลูมิเนียม: กระบวนการ โลหะผสม ข้อพิจารณาด้านการออกแบบ และการประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรม

แนะนำ

การหล่ออะลูมิเนียมเป็นหนึ่งในกระบวนการขึ้นรูปโลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรมการผลิตสมัยใหม่ โดยการเปลี่ยนโลหะผสมอะลูมิเนียมที่อยู่ในสถานะหลอมเหลวให้กลายเป็นชิ้นส่วนที่มีรูปร่างแม่นยำ ผู้ผลิตสามารถสร้างชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบา ทนทาน และมีต้นทุนการผลิตต่ำ สำหรับใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ อุตสาหกรรมโทรคมนาคม อุตสาหกรรมหุ่นยนต์ และอุปกรณ์อุตสาหกรรมต่างๆ

คู่มือนี้นำเสนอภาพรวมอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับกระบวนการหล่ออะลูมิเนียม การเลือกโลหะผสม คุณสมบัติเชิงกล ข้อดี ข้อจำกัด และข้อพิจารณาในการออกแบบสำหรับการประยุกต์ใช้งานทางวิศวกรรม

การหล่ออะลูมิเนียมคืออะไร?

การหล่ออะลูมิเนียมคือกระบวนการที่นำโลหะผสมอะลูมิเนียมในสถานะหลอมเหลวเข้าไปยังโพรงแม่พิมพ์ ซึ่งจะแข็งตัวเป็นรูปทรงที่กำหนดไว้ล่วงหน้า แม่พิมพ์อาจใช้ซ้ำได้ (แม่พิมพ์โลหะ) หรือใช้แล้วทิ้ง (เช่น แม่พิมพ์ทรายหรือแม่พิมพ์เซรามิก)

การเลือกวิธีการหล่อขึ้นอยู่กับ:

• ความคลาดเคลื่อนเชิงมิติที่ต้องการ

• เป้าหมายด้านสมรรถนะเชิงกล

• ปริมาณการผลิต

• ข้อกำหนดการตกแต่งผิว

• งบประมาณสำหรับการลงทุนในแม่พิมพ์

กระบวนการต่าง ๆ ให้สมดุลที่แตกต่างกันระหว่างต้นทุน ความแม่นยำ และความแข็งแรงของโครงสร้าง

กระบวนการหล่ออะลูมิเนียมหลัก

การหล่อแบบแรงดันสูง (ห้องเย็น)

การหล่อแบบแรงดันสูง (HPDC) เป็นวิธีการหลักที่ใช้สำหรับชิ้นส่วนอะลูมิเนียมที่ผลิตในปริมาณมาก ซึ่งต้องการความคลาดเคลื่อนเชิงมิติที่แคบและมีความสม่ำเสมอสูง

ในกระบวนการห้องเย็น:

1. อลูมิเนียมหลอมเหลวถูกตักใส่เข้าไปในปลอกฉีด (shot sleeve)

2. ลูกสูบไฮดรอลิกฉีดโลหะเข้าไปยังแม่พิมพ์เหล็กกล้าที่ผ่านการชุบแข็งแล้วด้วยความเร็วสูง

3. โลหะแข็งตัวอย่างรวดเร็วภายใต้แรงดัน

4. ชิ้นงานหล่อถูกดันออกและตัดแต่งขอบ

ลักษณะสําคัญ:

• ความเร็วในการผลิตสูง

• ควบคุมขนาดได้อย่างแม่นยำเยี่ยมยอด

• ผิวเรียบดี

• เหมาะสำหรับผนังบาง (โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 1–4 มม. ขึ้นอยู่กับการออกแบบ)

ใช้วิธีห้องฉีดเย็น (cold chamber method) ในการขึ้นรูปโลหะผสมอลูมิเนียม เนื่องจากอุณหภูมิหลอมละลายและพฤติกรรมทางโลหะวิทยาของมัน

การหล่อแบบแม่พิมพ์ถาวร

การหล่อแบบแม่พิมพ์ถาวรใช้แม่พิมพ์โลหะที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ และอาศัยแรงโน้มถ่วงหรือการเติมด้วยแรงดันต่ำ

เมื่อเปรียบเทียบกับการหล่อแบบทราย วิธีนี้ให้ข้อดีดังนี้:

• คุณสมบัติทางกลที่ดีขึ้น

• ลดปริมาณรูพรุน

• ความสม่ำเสมอของพื้นผิวดีขึ้น

กระบวนการนี้เหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณปานกลาง และชิ้นส่วนโครงสร้างที่ต้องการความแข็งแรงและความน่าเชื่อถือ

การหล่อทราย

การหล่อแบบทรายใช้แม่พิมพ์แบบใช้แล้วทิ้งซึ่งขึ้นรูปโดยรอบแม่พิมพ์ต้นแบบ มีความยืดหยุ่นสูงมากและเหมาะสำหรับ:

• ขนาดใหญ่

• การผลิตปริมาณน้อย

• เรขาคณิตภายในที่ซับซ้อน

อย่างไรก็ตาม ความคลาดเคลื่อนด้านมิติโดยทั่วไปจะกว้างกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการหล่อแบบตาย (die casting)

การหล่อแบบลงทุน (Lost Wax)

การหล่อแบบลงทุนผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนได้โดย:

1. การสร้างแม่พิมพ์ขี้ผึ้ง

2. การเคลือบด้วยสารเซรามิกแบบน้ำ

3. การหลอมละลายขี้ผึ้งออก

4. การเทอลูมิเนียมหลอมเหลวลงในเปลือกเซรามิก

กระบวนการนี้ช่วยให้สามารถผลิตผนังที่บางและรูปทรงที่ซับซ้อนได้ แต่มักมีต้นทุนเครื่องมือ/แม่พิมพ์สูงกว่า

การหล่อแบบโฟมหาย

การหล่อแบบโฟมหาย (Lost foam casting) ใช้แม่พิมพ์โฟมซึ่งจะระเหยไปเมื่อเทอลูมิเนียมหลอมเหลวลงไป ทำให้ลดจำนวนรอยต่อระหว่างแม่พิมพ์ (parting lines) และการใช้แกน (cores) จึงเหมาะสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์ที่มีความซับซ้อน

เทคโนโลยีการหล่ออลูมิเนียมขั้นสูง

การหล่อแม่พิมพ์ด้วยความช่วยเหลือของสุญญากาศ

ระบบสุญญากาศช่วยลดปริมาณอากาศในโพรงแม่พิมพ์ก่อนและระหว่างการฉีด จึงลดการเกิดฟองอากาศติดค้างและรูพรุนภายใน

ประโยชน์ประกอบด้วย:

• คุณสมบัติทางกลที่ดีขึ้น

• การเชื่อมได้ดีขึ้น

• การเสริมสร้างความสมบูรณ์แบบ

• ลดข้อบกพร่องภายใน

สุญญากาศช่วยปรับปรุงคุณภาพของการเติมโลหะ แต่การไหลของโลหะหลักยังคงขับเคลื่อนโดยการฉีดภายใต้แรงดันสูง

การหล่อแบบบีบอัด (Squeeze Casting) และกระบวนการกึ่งของแข็ง (Semi-Solid Processes)

ในการหล่อแบบบีบอัด โลหะหลอมเหลวจะแข็งตัวภายใต้แรงดันที่คงที่ ส่งผลให้เกิด:

• ความหนาแน่นสูงขึ้น

• ลดปริมาณรูพรุนจากปรากฏการณ์หดตัว

• ยืดตัวได้ดีขึ้น

กระบวนการเหล่านี้ใช้กับชิ้นส่วนโครงสร้างยานยนต์ที่ต้องการความสมบูรณ์สูง

โลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับการหล่อ

โลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับการหล่อถูกออกแบบมาเพื่อให้สมดุลระหว่างความสามารถในการหล่อ การทนแรงดึง ความต้านทานการกัดกร่อน และการนำความร้อน

คุณสมบัติเชิงกลโดยทั่วไป (ในสภาพหลังการหล่อ)