Odlewanie cynku – technologia, zastosowanie i proces produkcji

Odlewanie cynku to ciśnieniowe wytwarzanie detali ze stopów cynku i aluminium, określanych jako ZnAl. Wysoka płynność tych stopów pozwala uzyskiwać cienkie ścianki, skomplikowane kształty i dobrą dokładność wymiarową, dlatego technologia znajduje zastosowanie przede wszystkim w produkcji seryjnej.

Czym jest odlewanie cynku?

W praktyce przemysłowej odlewanie cynku rzadko oznacza wykorzystanie czystego metalu. Standardem są stopy ZnAl, w których aluminium poprawia właściwości mechaniczne i użytkowe materiału. Czysty cynk jest zbyt miękki, aby odpowiadać wymaganiom wielu detali konstrukcyjnych, natomiast odpowiednio dobrany stop zapewnia korzystniejszy stosunek wytrzymałości do masy oraz większą trwałość części.

Najważniejszą właściwością technologiczną ZnAl jest wysoka płynność w stanie ciekłym. Stop może dokładnie wypełniać gniazdo formujące, odwzorowując drobne żebra, gwinty, zaokrąglenia i cienkie fragmenty detalu. Z tego powodu dominującą metodą jest odlewanie ciśnieniowe, które łączy szybkie cykle z wysoką powtarzalnością produkcji.

Jak przebiega proces w maszynie gorącokomorowej?

Stopy cynku topią się w temperaturze około 420°C. Jest to znacznie mniej niż w przypadku wielu innych metali, dlatego do ich przetwarzania dobrze nadają się wtryskarki gorącokomorowe. W takim urządzeniu układ wtryskowy znajduje się bezpośrednio w tyglu z ciekłym metalem. Skraca to drogę materiału do formy i umożliwia wykonywanie szybkich cykli.

W maszynie zimnokomorowej porcja ciekłego metalu jest najpierw dozowana do osobnej komory, a dopiero później wtryskiwana do formy. Rozwiązanie gorącokomorowe eliminuje ten etap. Ma szczególne znaczenie przy cynku, ponieważ jego temperatura topnienia i warunki przetwarzania pozwalają utrzymywać układ wtryskowy w kontakcie z ciekłym stopem.

Wielkość maszyny dobiera się między innymi do powierzchni rzutu detalu, wymiarów formy i wymaganej siły zwarcia. Znaczenie ma także masa wtrysku, czyli ilość metalu podawana podczas jednego cyklu. Typowy cykl technologiczny obejmuje następujące etapy:

• Dozowanie – przygotowanie odpowiedniej ilości ciekłego stopu do wtrysku.
• Wtrysk pod ciśnieniem – szybkie wypełnienie gniazda formującego i odwzorowanie jego geometrii.
• Krzepnięcie – chłodzenie metalu w zamkniętej formie do uzyskania stabilnego kształtu.
• Wypchnięcie detalu – otwarcie formy i usunięcie odlewu przez układ wypychaczy.

Po oddzieleniu układu wlewowego odlew może zostać poddany obróbce mechanicznej lub powierzchniowej. W zależności od przeznaczenia stosuje się między innymi polerowanie, malowanie albo powłoki galwaniczne.

Właściwości stopów ZnAl i korzyści dla produktu

Dobór stopu wpływa na wytrzymałość, odporność powierzchni, podatność na obróbkę oraz możliwość zastosowania konkretnego wykończenia. W produkcji wykorzystuje się różne gatunki ZnAl, których skład dobiera się do wymagań detalu i warunków pracy.

Wysoka powtarzalność procesu oraz krótki czas cyklu obniżają koszt jednostkowy przy większych seriach. Technologia wymaga jednak wcześniejszego przygotowania kosztownej formy ciśnieniowej, dlatego opłacalność zależy od liczby planowanych detali, tolerancji wymiarowych i stopnia skomplikowania geometrii.

Gdzie stosuje się odlewy cynkowe?

Odlewy ze stopów ZnAl łączą funkcję konstrukcyjną z możliwością uzyskania estetycznej powierzchni. Wykorzystuje się je w wielu sektorach, szczególnie tam, gdzie liczy się precyzja, mała masa i możliwość dalszego wykończenia:

• Motoryzacja – obudowy, elementy pomp olejowych i hamulców hydraulicznych, wsporniki, części lusterek, klamki, zamki pasów bezpieczeństwa oraz elementy wnętrza.
• Armatura i wyposażenie wnętrz – uchwyty, zawiasy, elementy armatury łazienkowej, okucia meblowe i detale dekoracyjne.
• Elektronika – obudowy, uchwyty oraz części pełniące funkcję ekranującą.
• Budowa maszyn – umiarkowanie obciążone elementy konstrukcyjne, pokrywy i części mechanizmów.

Na co zwrócić uwagę przy projektowaniu odlewu?

Jakość odlewu zależy nie tylko od gatunku stopu i parametrów wtrysku. Równie ważna jest konstrukcja formy, rozmieszczenie kanałów doprowadzających metal, układ odpowietrzenia oraz sposób chłodzenia. Detale o bardzo skomplikowanej geometrii wewnętrznej mogą wymagać dodatkowych suwaków, rdzeni lub zmiany założeń konstrukcyjnych.

Przed wykonaniem narzędzia warto przeprowadzić symulację wypełniania i krzepnięcia. Program FLOW 3D Cast pomaga ocenić przepływ ciekłego stopu oraz wskazać miejsca narażone na niedolewy, porowatość czy lokalne przegrzanie. Taka analiza ogranicza ryzyko kosztownych zmian już po wykonaniu formy.

W odlewaniu ciśnieniowym precyzja formy decyduje o powtarzalności detali. Symulacja procesu pozwala wykryć część problemów jeszcze przed rozpoczęciem budowy narzędzia.

Przy planowaniu produkcji trzeba też dopasować siłę zwarcia i masę wtrysku do gabarytów detalu. Przykładowo maszyna Frech 160 ma siłę zwarcia 160 ton, prześwit między kolumnami 460 × 460 mm i obsługuje detale o masie do 1,6 kg. Mniejsza Frech 20 jest przeznaczona do niewielkich odlewów ZnAl, z siłą zwarcia 20 ton, prześwitem 250 × 250 mm i maksymalną masą detalu 400 g.

Odlewanie cynku sprawdza się najlepiej wtedy, gdy potrzebna jest duża liczba dokładnych, lekkich i złożonych części. Stopy ZnAl zapewniają korzystne właściwości mechaniczne, wysoką płynność oraz szerokie możliwości obróbki i wykańczania powierzchni, a maszyny gorącokomorowe pozwalają wykorzystać te cechy w szybkiej produkcji seryjnej.