Gjuterihandboken 10.7 Vakuumpressgjutning

10.7 Vakuumpressgjutning

Pressgjutning med stöd av vakuum kan, om alla förutsättningar uppfylls, i väsentlig grad bidra till att halten porer i gjutgodset minskas. Detta innebär att detaljerna kan värmebehandlas så att de får högre mekaniska prestanda, men också svetsas och pulverlackas utan problem. Det finns flera olika metoder för att använda vakuum vid pressgjutning, allt från mobila enheter som kopplas till en enskild maskin, till pressgjutmaskiner vars konstruktion är anpassad till att kunna gjuta under vakuum.

Skriv ut
Innehållsförteckning

    10.7.1 Vakuumpressgjutning

    Under formfyllningsfasen, då formrummet på några tiondels sekunder fylls med smält metall, kan det vara svårt att i samma takt leda bort den luft som finns i formrummet. När den smälta metallen möter ett mottryck från luften i formen bildas en metall/luft-blandning som kan ge upphov till porer i den pressgjutna komponenter. Detta är ett problem, inte bara för att detaljen blir försvagad, utan också för att den därmed inte kan värmebehandlas eller pulverlackeras med färg som kräver en härdningstemperatur kring 200 grader C. Då detaljen värms upp expanderar de instängda luft- och gasblåsorna, vilket kan resultera i blåsor på detaljens yta. Följaktligen kan många pressgjutna komponenter inte dra nytta av de förbättrade mekaniska egenskaper som erhålls genom värmebehandling.

    Den främsta källan till porbildningen är luft och andra gaser som stängs in i den smälta metallen under första- och andrafasen. Luft- och gasporerna kommer från omgivningsluften samt från restprodukter från kolv- och formsläppmedel. Noggrann styrning av skottkolvens rörelse samt avluftning av formrummet kan minimera problemet men inte helt eliminera inneslutningen av gaser. Vid korrekt användning kan vakuumpressgjutning minska porbildningen till så låga nivåer att det går att värme- och ytbehandla godset utan kvalitetsstörningar. En extra fördel med vakuumassisterad pressgjutning är den förbättrade möjligheten att gjuta detaljer med tunna sektioner. Tack vare att den smälta metallen inte möts av ett mottryck från den inneslutna luften i formen kan extremt korta fylltider utnyttas, vilket gör att tunna sektioner hinner fyllas innan kallflytningar uppstår.

    Vakuumpressgjutning har alltså uppenbara fördelar gentemot konventionell pressgjutning när den utförs korrekt. Det innebär dock ökade kostnader, en mer komplex process och ökat underhållsbehov. Nedan följer några riktlinjer för när ett pressgjuteri kan överväga att införa vakuumpressgjutning.

    • Formen är inte helt fyllt trots korrekta skottparametrar och god avluftning av formen
    • Inneslutning av luft- och gasporer kommer fram i efterföljande behandlingar
    • Otillräcklig draghållfasthet  och duktilitet på grund av porbildning
    • Komponenter blir inte trycktäta
    • Detaljerna är inte svetsbara
    • Blåsor uppkommer på ytan i samband med härdning av ex vis pulverlackering
    • Gjutgodset har kallflytningar på tunna eller sist fyllda partier

    När vakuum används korrekt kan erhållna kvalitetsförbättringar väl motivera en investering i en vakuumutrustning. Det skall dock inte ses som en universallösning. Många erfarna pressgjutare hävdar att vakuum ofta tas till som en kompensation för att man inte justerat in alla andra processparametrar och övriga förutsättningar korrekt. Görs detta kan konventionell pressgjutning ofta åstadkomma ett tillfredställande resultat.

    Metoder för vakuumpressgjutning

    I kommande underkapitel presenteras några olika metoder för vakuumpressgjutning mera ingånde. Dessa är Vacuralgjutning, Alcan High-Q-Cast-processen och Fondarex.

    Förutom dessa metoder finns ytterligare några system för vakuumpressgjutning på marknaden. Exempelvis Castool som är ett system för pressgjutningsindustrin som är designat av Allper Schweiz. Några andra alternativ är Idra Prince-systemet och CASTvac.

    10.7.2 Generellt kring vakuumpressgjutning

    Vakuumpressgjutning har potential att på olika sätt höja kvaliteten och förbättra egenskaperna hos pressgjutna komponenter. För ett lyckat resultat krävs dock att flera processparametrar och andra förutsättningar anpassas för pressgjutning med vakuum. En avgörande faktor är att verktyget är så tätt i mellan formhalvorna och kring kärnor och slider att det går att skapa ett tillräckligt lågt undertryck i formrummet. 

    Pressgjutning är en utmärkt gjutmetod för att framställa komponenter med tunna sektioner eftersom den smälta metallen, i de flesta fall, sprutas in i formrummet med så hög hastighet att hela formrummet fylls innan metallen börjar stelna. En besvärande faktor är dock att den smälta metallen möter ett mottryck från den luft som är instängd i formen. När metallen och luften möts blandas metall och luft, vilket leder till gasporer i det stelnade godset. Genom att använda vakuum sugs luften ut ur formen innan den smälta metallen strömmar in, vilket leder till färre och mindre porer i godset. Att evakuera merparten av luften och andra gaser från formhåligheten innan smältan sprutas in är därmed ett logiskt sätt att minimera porbildningen i gjutgodset.

    Trots ett mycket högt tryck i metallen under eftermatningsfasen kan inte porerna tas bort utan endast komprimeras till en mindre storlek. I motsats till pressgjutning använder andra gjutmetoder med permanenta formar, som kokillgjutning och squeeze casting, en kontrollerad, långsam och lugn fyllning som förhindrar luftinblandning i smältan. Dessa gjutmetoder producerar därför komponenter med hög hållfasthet men begränsas till sektioner med tjockare väggar eftersom den långsamma fyllningen skulle leda till kallflytningar på tunna sektioner.

    Innan ett skott genomförs finns det luft i fyllkammaren, metallmatningssystemet och formens hålighet. Ytterligare gaser skapas under insprutningen av smältan på grund av avdunstning av kylvatten och formsmörjmedel. När smältan hälls i fyllkammaren byts en del av luften i fyllkammaren ut med metall. Ungefär 70 % av utrymmet i kammaren består fortfarande av luft. När smältan sprutas in i håligheten blandas luften med smältan och komprimeras in i gjutgodset när metallen stelnar. För att porbildning ska elimineras eller minimeras måste luften och andra gaser effektivt evakueras under den korta tidsrymden från att smältan sprutats in från fyllkammaren till håligheten och att den stelnat. Detta betyder att en specifik luftvolym måste passera genom ett definierat avluftningsområde under en viss tid. Om tiden eller avluftningsområdet inte är tillräckligt för att låta den inneslutna luften att komma ut uppstår porbildning i gjutgodset.

    I konventionell pressgjutning trycks luften ut ur håligheten in luftkuddar, (over-flows), och avluftning. Dessa låter en viss mängd luft komma ut i atmosfären eller tryckas undan till ett område utanför gjutgodset. De flesta avluftningskanalerna är utformade för en tjocklek på 0,13 mm till 0,15 mm. Den kraft som behövs för att ”trycka ut” luften ur verktyget till atmosfären är därför ganska stor. Avluftning och luftkuddar måste hållas rena och i gott skick för att de ska kunna utföra sin uppgift. Under normala driftförhållanden tenderar avluftningen att täppas igen på grund av metallskägg och ansamling av formsmörjmedel. Om ventilerna inte hålls fria från gjutskägg kan formstålet runt ventilens kanter deformeras och täppas till eller minska det effektiva området.

    Ventilationsarean beräknas ofta som en procentandel av den totala inloppsöppningen. Till exempel, en gjutning med inloppsöppning 0,7 cm² skulle ventileras med 30 procent av den arean, det vill säga en ventilationsarea på 0,2 cm². Den underliggande principen för denna beräkning tar hänsyn till storleken för utloppet som krävs för att en känd luftvolym ska komma ut inom en given tidsrymd. Det finns datorprogramvara tillgänglig för att utföra dessa beräkningar.

    Att upprätthålla de höga vakuumnivåer som krävs i komplexa formar, särskilt de som har flera kärndrag och slider, är inte en lätt uppgift. Många ytor och förbindningar måste förseglas mot läckage och inträngning från den omgivande atmosfären. Relativt dyra verktyg och utrustning, större kostnader under processen gör tillsammans att vakuumpressgjutning blir betydligt dyrare än konventionell pressgjutning även om delar som tillverkas med processen kan göras väldigt kostnadseffektiva.

    10.7.3 Vacuralgjutning

    Vacuralgjutning kan enkelt beskrivas  som en blandning mellan kallkammargjutning och varmkammargjutning med användning av vacuum.

    Metoden är utvecklad av Müller Weingarten, numera Oscar Frech GmbH.

    Vid vacuralgjutning används ingen extern påfyllare för metallen. Påfyllningen sker i stället via ett rör som går ner i smältan och som är anslutet till fyllkammarens undersida. Smältugnen är därför placerad under skottenheten på maskinen. Via röret nere i smältan sugs metallen med vakuum upp i fyllkammaren. Vakuumsystemet är anslutet på verktyget på konventionellt sätt vilket innebär att såväl fyllkammanren, ingjutsystemet och formkaviteten sätts under vakuum innan metallen sugs upp i fyllkammaren. Därmed skapas mycket gynsamma gjutförhållanden under själva formfyllningsfasen. En annan stor fördel är att påfyllningsröret går ner under ytan i smältan vilket eliminerar risken för att få med oxider från badytan in i den gjutna komponenten.

    Figur 62. Vacural-metoden.

    Figuren visar att vacuralmetoden ger ett kraftigare vakuum som dessutom verkar under en längre del av gjutprocessen.

    En fördel med vacuralgjutning jämfört med traditionell kallkammargjutning är alltså att vakuumsystemet stödjer gjutprocessen under en längre tid, ända från början av påfyllningen av fyllkammaren till dess formen är fylld. I traditionella kallkammarmaskiner kan inte vakuumsystemet kopplas in förrän kolven har passerat påfyllningshålet på fyllkammaren. Först då skapas ett slutet system som gör att formrummet kan sättas under vakuum.

    Film om vacuralgjutning från Oscar Frech:

    Frech DAK 720 Vacural.

    10.7.4 Alcan High-Q-Cast-processen

    Denna process utvecklades och patenterades ursprungligen av Alcan 1996. Det är en pressgjutningsprocess i kallkammare som framställer högt påkända struturdetaljer i aluminium och magnesium som går att svetsa med laser och MIG-svetsning. Processen är särskilt anpassad för tillverkning av stora och tunna detaljer med höga och stabila mekaniska egenskaper.

    Denna process användes från början av Alcan i Europa för olika tillämpningar inom bilindustrin och licensierades senare till pressgjutare i Nordamerika såsom SPX Contech. Alcan Bayerische Druckguss Werke (BDW) i Markt Schwaben har använt metoden sedan år 2000 på åtta kallkammarmaskiner med låskrafter mellan 280 till 2 500 ton. High-Q-Cast-processen är en förbättring av den ursprungliga vakuumtekniken Minimum Fill Time (MFT) som utvecklades där. Den använder en piezoelektriskt styrd vakuumventil som kan stängas tolv gånger snabbare än en konventionell hydraulisk ventil. Ventilen öppnas när kolven börjar sin rörelse. Den är öppen under hela den långsamma första fasen och större delen av den snabba andra fasen. Detta innebär att vakuumet är inkopplat under nästan hela formfyllningsfasen.

    I den tidigare generationens Minimum Fill-teknik var det tvunget att ventilen stängdes redan vid slutet av den första fasen för att förhindra att smält metall kom in i vakuumventilen. I sin utvecklade form, med den snabba reaktionstiden hos piezoventilen som används i High-Q-Cast-processen, kan den numera vara öppen längre med ändå stängas i tid innan smält metall når ventilen.

    Kraftigare vakuumledningar och täta förseglingar i alla delningsplan tillsammans med större vakuumpumpar gör också att man kan åstadkomma ett kraftigare vakuum. En vakuumnivå ner mot 20–50 millibar, eller 1/50 atmosfärstrycket är möjligt. Med MFT var den praktiska vakuumnivån cirka 10 gånger högre, cirka 200-300 millibar eller cirka 1/5-del av atmosfärstrycket, alltså betydligt sämre.

    Vattenbaserade smörjmedel med låg reaktivitet måste användas i High-Q-Cast-processen. De avger mindre gas än konventionella formsmörjmedel vilket minskar porbildningen i godset. Dessa åtgärder i kombination, kraftigt vakuum och formsläppmedel med låg gasavgivning, ger ett gods med mycket låg porhalt vilket innebär att detaljerna får höga och stabila mekaniska egenskaper och god svetsbarhet.

    Figur 63. Figur som visar den lilla mängden gas i smältan med High-Q-metoden.

    Film som beskriver metoden:

    High-Q-Cast® - english.

    Detaljer med väggtjocklek under 2 mm kan tillverkas med denna metod. Vid gjutning av High-Q-Cast-detaljer används vanligtvis 20–30 ingöt på detaljen, att jämföra med kanske 3–4 ingöt vid konventionell pressgjutning. Ett exempel är Audis B-stolpe, alltså den vertikala stolpe som sitter mellan A2´s fram- och bakdörrar. Den ger en styvhet till bilens övergripande struktur samt ökad hållfasthet vid sidokollisioner. Den gjutna detaljen ersätter upp till åtta enskilda pressgjuna delar och plåtdetaljer som tidigare monterades samman. Detaljen är 1,2 m lång och väger 2,18 kg. Den har 46 ingöt men förhållandet mellan skottvikten och den färdiga detaljen är ändå bara 2,5:1. Detaljen vann första pris på en internationell konstruktionstävling för pressgjutna detaljer år 2001.

    Figur 64. Bild på en Audi A2 och den komponent som tillverkats i aluminium med hjälp av High-Q-Cast-metoden.

    10.7.5 Fondarex vakuumpressgjutning

    Det finns flera skäl till att använda vakuum vid pressgjutning. Dels kan man i allmänhet gjuta tunnare detaljer, dels minskar risken för luft- och gasporer i det färdiga godset. Med optimal utformning av vakuumsystemet och perfekta gjutförhållanden bör ett undertryck ner mot 20–70 mbar kunna åstadkommas i formhåligheten.

    Även om alla förutsättningar inte är perfekta (glipor mellan slidkärnorna, otillräcklig formtäthet) är det möjligt att nå cirka 700 mbar undertryck (300 mbar absoluttryck) vid slutet av fyllningsfasen förutsatt att en självstängande Fondarex-vakuumventil används. Luft- och gasmängden i formrummet minskas därmed till mindre än en tiondel jämfört med konventionell pressgjutning. Detta medger pressgjutning av delar med lägre insprutningstryck, vilket minskar slitaget på såväl verktyget som på pressgjutmaskinen. På grund av det lägre mottrycket i formhåligheten är det lättare att uppnå extremt korta fylltider vilket är nödvändigt vid gjutning av detaljer med mycket tunna väggsektioner.

    Den slutgiltiga vakuumnivån i formhåligheten beror främst på:

    • Verktygets planhet och renhet i delningsplanet
    • Verktygets renhet i formhåligheten (fukt med mera)

    Andra faktorer som påverkar vakuumnivån i formhåligheten:

    • Den kolvhastighet som används under gjutcykeln
    • Måttolerans och slitage mellan kolv och fyllkammare
    • Förhållandet mellan vakuumtankens och verktygets volymer
    • Vakuumledningen längd och tvärsnitt (motstånd)
    • Vakuumventilens storlek (kapacitet)
    • Insatsens konstruktion
    • Verktygsutrustningens ytbehandling (maskinbearbetad, polerad)

    Om alla dessa faktorer ligger på en optimal nivå kan ett slutligt tryck så lågt som 30 mbar skapas i formhåligheten. Praktiska erfarenheter visar att redan vid ett tryck motsvarande hälften av en atmosfär (500 mbar) kan en minskning av porbildningen i komponenten observeras.

    Fondarex i praktiken

    Fondarex-systemet består av vakuumpump, slangar samt ventiler.

    Figur 65. En schematisk ritning av ett Fondarex-vakuumpressgjutningssystem.

    I Fondarex vakuumsystem är en vakuumventil inbyggd i pressgjutningsverktyget (formen). Denna ventil är ansluten till formens hålighet genom en vakuumkanal. Vakuumventilen (1) är ansluten till vakuumtanken med en vakuumslang via en andra ventil (2) på vakuumtanken. Vakuumpumpen evakuerar luft från tanken vilket skapar en ”vakuumbehållare”.

    Genom att öppna vakuumventilen (1) förlängs i praktiken formens hålighet hela vägen till vakuumutrustningens ventil (2). När vakuumventil 2 öppnas (vakuumstart) evakueras luften från formens hålighet ut till vakuumtanken.