Tri kritična razmatranja za livene konstrukcije od nerđajućeg čelika

Nehrđajući čelik odljevci od metala (trajno) kalupi ili precizni kalupi za ulaganje predstavljaju jedinstven skup mogućnosti i rizika.

U poređenju sa odlivcima od pješčanog kalupa, odljevci od metalnih kalupa brže se hlade i stvrdnjavaju, a kalup ne daje "popuštanje" tokom skupljanja.

To brže hlađenje plus nulta usklađenost kalupa povećava unutrašnja naprezanja, povećava mogućnost pucanja i uvećava nedostatke kao što su pogrešni radovi, hladnjaci i nepotpuno punjenje.

Za proizvodnju robusnih, pouzdane livene konstrukcije od nerđajućeg čelika, tri kategorije dizajna i kontrole procesa zaslužuju primarnu pažnju:

(1) osiguravanje potpunog punjenja i izbjegavanje hladnih nedostataka, (2) sprečavanje pukotina učvršćivanja i mehaničkog pucanja, i (3) projektovanje za vađenje plijesni, alat i stabilnost dimenzija.

U nastavku se detaljno objašnjava svako područje i daje konkretan prikaz, akcije i kontrolne liste inženjerskog nivoa.

Pregled — zašto su odlivci od nerđajućeg čelika u metalnim kalupima posebni

• Brže hlađenje → veći toplotni gradijenti. Brza ekstrakcija toplote povećava unutrašnja vlačna naprezanja tokom skrućivanja i na sobnoj temperaturi.
• Nema usklađenosti s kalupom. Za razliku od peska, metalne matrice se ne sabijaju da bi se prilagodile skupljanju; ograničeno skupljanje uzrokuje pucanje ili vruće kidanje osim ako dizajn dopušta slobodno skupljanje ili hranjenje.
• Promjene u ponašanju površine/protoka. Tanki profili brzo gube fluidnost metala; velike horizontalne površine i oštri uglovi pogoršavaju stvaranje oksida, hladnog toka i pogrešnih pokreta.
• Osetljivost legure. Legure od nerđajućeg čelika (austenitan, dupleks, martenzitni liveni slojevi) razlikuju se u rasponu smrzavanja, fluidnost i podložnost vrućem pucanju – tako da je dizajn specifičan za leguru od suštinskog značaja.

1. Sprečavanje nepotpunog punjenja, hladni zatvarači i drugi nedostaci punjenja

Osnovni problem: u metalnim kalupima nerđajuće taline brzo gube toplinu i mogu se stvrdnuti prije nego što se šupljina potpuno popuni, stvaranje pogrešnih pokreta, hladni krugovi i zarobljavanje oksida.

Principi dizajna

• Gladak, aerodinamična vanjska geometrija. Izbjegavajte nagle promjene sekcija, oštri uglovi, i stepenaste promjene koje remete tok.
  Dajte prednost zaobljenim prijelazima i spojevima s filetom kako biste održali laminarni protok metala i smanjili zarobljavanje oksidnog filma.
• Izbjegavajte velike horizontalne stanove. Horizontalne površine uzrokuju sporo punjenje, ekstenzivni kontakt vazduh/metal (oksidacija) i gubitak fluidnosti; razbiti velike stanove sa blagim nagibom, rebra ili nagnute karakteristike.
• Koristite odgovarajuću debljinu preseka. Nemojte praviti velike tanke zidove velike površine.
  Tanke sekcije u velikim komponentama se hlade i brzo gube tečnost - ili zgušnjavaju kritične dijelove ili dizajniraju lokalna zadebljanja za hranjenje.
• Optimiziran dizajn vrata i klizača. Prvo locirajte kapije kako biste nahranili područja s najtežim ili najsporijim punjenjem; koristite uloške dobre veličine, zaobljeni ulazi i proširenja protoka kako bi se minimizirala turbulencija i uvlačenje oksida.
  Upotrijebite geometrije ubacivanja koje održavaju temperaturu tečnog metala visokom kada dosegne najudaljenije tačke šupljine.

Kontrole procesa

• Upravljanje pregrijavanjem. Održavajte temperaturu taline na visokoj strani preporučenog raspona za odabranu leguru (u sigurnim granicama), produžiti fluidnost bez promicanja oksidacije.
• Zaštitne atmosfere / fluksing. Minimizirajte oksidaciju (posebno u tankim prolazima) korištenjem pokrivnih tokova, vakuum ili zaštitne atmosfere gdje je to izvodljivo.
• Izolirane ili grijane kapije i hranilice. Lokalni grijaći ili izolacijski rukavi na vodilicama mogu zadržati toplinu i smanjiti greške u radu.
• Koristite hladnoću gdje je potrebno. Strateške vanjske hladnoće pomažu u direktnom očvršćavanju i mogu smanjiti rizik od hladnog zatvaranja u kombinaciji s pravilnim zatvaranjem; izbjegavajte zimicu koja prerano učvršćuje zadnji put protoka.
• Simulacija (očvršćavanje/protok CFD) treba koristiti za potvrdu vremena punjenja i identifikaciju rizika od hladnog zatvaranja prije izrade kalupa.

2. Sprečavanje pukotina od livenja, vruće suze i stres frakture

Osnovni problem: ograničeno skupljanje, termalni gradijenti i lokalni koncentratori naprezanja uzrokuju vruće kidanje tokom skrućivanja ili pucanje pri hlađenju.

Pravila za projektovanje konstrukcija

• Ujednačena debljina zida. Dizajnirajte zidove tako da budu ujednačeni koliko je to izvodljivo.
  Izbjegavajte nagle prijelaze između tankih i debelih dijelova; gde su potrebni prelazi, koristite postepene suženja i izdašne filete.
• Dodajte rebra i udubljenja na slabe zone. Tanke mreže, tanke izbočine ili dugi zidovi bez oslonca skloni su pucanju - ojačani rebrima ili izbočinama, ali ih dizajnirati tako da ne stvaraju restriktivna ograničenja skupljanja.
• Minimizirajte karakteristike koje blokiraju slobodno skupljanje. Lugs, prirubnice i ugrađene izbočine koje mehanički ograničavaju kontrakciju česti su pokretači pukotina; smanjiti broj, preseliti, ili ih dizajnirati s usklađenim reljefom.
• Dajte prednost kosim spojevima nego vertikalnim spojevima. Zamijenite vertikalne postupne veze sa kosim ili konusnim vezama gdje je to moguće - nagibi pomažu u izbjegavanju zarobljenog vlačnog naprezanja tokom skrućivanja.
• Velikodušni fileti na svim unutrašnjim/spoljnim uglovima. Oštri uglovi djeluju kao koncentratori naprezanja i mjesta nukleacije za pukotine.
  Za livene nerđajuće delove, koristite veće radijuse nego za lijevanje u pijesak – radijus fileta s debljinom stijenke (pogledajte recept u nastavku).

Proces & metalurške kontrole

• Kontrolirajte smjer skrućivanja. Koristite principe usmjerenog učvršćivanja (postavljanje uspona i zimice) tako da skrućivanje teče od tankog ka debelom i hranjenje je adekvatno; izbjegavajte izolirana žarišta.
• Dizajn i postavljanje dovoda/risera. Pobrinite se da dobro dizajnirani usponi napajaju posljednja područja učvršćivanja.
  Za trajno livenje u kalupe, Efikasnost uspona mora uzeti u obzir brže hlađenje i kraće vrijeme hranjenja; koristite izolacijske uspone ili egzotermne rukave gdje je to korisno.
• Oslobodite unutrašnje naprezanja termičkom obradom. Za kritične komponente, razmotriti žarenje ili homogenizaciju nakon livenja za ublažavanje naprezanja kako bi se smanjila napona gašenja koja mogu izazvati pucanje.
  Napomena: neke vrste nehrđajućeg čelika mogu zahtijevati specifične termičke cikluse kako bi se izbjegla senzibilizacija ili neželjene faze—koordinirajte HT s metalurgom.
• Koristite legure otporne na vruće kidanje ili rafinere zrna. Gdje je moguće, birajte vrste ili aditive koji smanjuju osjetljivost na vruće kidanje, i primijeniti rafinere zrna za kontrolu dendritske strukture.
• Izbjegavajte nagle razlike u hlađenju. Upravljajte temperaturama kalupa i brzinama hlađenja kako biste smanjili oštre termalne gradijente (prethodno zagrijte kalupe gdje je to korisno).

3. Ekstrakcija plijesni, nacrt, fileti i mogućnost proizvodnje za metalne kalupe

Osnovni problem: trajni kalupi ne daju; jezgra i odljevci moraju biti dizajnirani za pouzdano izbacivanje i minimalno oštećenje alata, a istovremeno se pridržavaju termičke kontrakcije.

Ključna razmatranja i radnje

• Povećaj gazu (taper) u odnosu na lijevanje u pijesak. Zato što metalnim kalupima nedostaje složivost pijeska, obezbediti veći uglovi propuha—tipično 30–50% veće od onih koje se koriste za lijevanje u pijesak.
  Praktično: ako je vaš propuh od 1°–2°, dizajnirati trajne uglove promaja kalupa od ~1,3°–3° (skala sa završnom obradom površine, legure i visine zida).
  Veći promaji olakšavaju izbacivanje i smanjuju habanje alata.
• Povećajte radijuse ugaonika i radijuse uglova. Koristiti velikodušni radijusi na raskrsnicama za: (a) smanjiti koncentraciju naprezanja i pucanje, (b) olakšati punjenje kalupa, i (c) omogućiti bolje oslobađanje dijela.
  Kao pravilo, napraviti skalu radijusa fileta s lokalnom debljinom zida (E.g., radijusi po nalogu 5–15% lokalne debljine zida, sa minimalnim praktičnim radijusima od nekoliko milimetara za male odljevke). (Podesite prema geometriji i ograničenjima alata.)
• Minimalna debljina zida — povećanje u odnosu na lijevanje u pijesak. Obično su potrebni liveni nehrđajući dijelovi od metala veća minimalna debljina zida od ekvivalentne komponente od lijevanog pijeska jer metalni kalup brže izvlači toplinu.
  Po pravilu, povećati minimum za livenje peska za 20-50% za istu leguru i geometriju osim ako dizajn i proces dijela nisu validirani. Uvijek provjerite s mogućnošću procesa ljevaonice i podacima o leguri.
• Unutrašnje šupljine i rebra: unutrašnje mreže i rebra trebaju biti 0.6–0,7× debljine susednog spoljnog zida(s) kako bi se izbjegle zone sporog hlađenja i diferencijalno skupljanje koje uzrokuju pucanje.
  Ako su unutrašnja rebra predebela u odnosu na okolne zidove, ona će se posljednja stvrdnuti i biti inicijatori pukotina na vrućim mjestima.
• Nacrt za jezgra i otiske jezgra: jer se jezgre ne mogu komprimirati, otisci jezgra i karakteristike ekstrakcije moraju biti robusni i sadržavati konus za otpuštanje. Razmislite o sklopivim ili podijeljenim jezgrama kada je geometrija složena.
• Pojednostavite složene vanjske oblike gdje je to moguće. Ako složen oblik uzrokuje poteškoće u proizvodnji, pojednostavite vanjsku geometriju ili podijelite komponentu na podsklopove kako biste izbjegli gubitak prinosa—učinite to uz održavanje funkcionalnih zahtjeva.

4. Dodatne praktične teme — metalurgija, inspekcije i kontrole proizvodnje

Izbor i tretman legure

• Odaberite pravu porodicu od nehrđajućeg čelika za ovu funkciju. Austenitne klase su duktilne i otporne, ali imaju različite opsege očvršćavanja od dupleksnih ili martenzitnih legura—svako zahtijeva specifično zatvaranje, sekvence uspona i termičke obrade.
• Termička obrada nakon livenja mora biti specificirana. Rešenje žarenje, može biti potrebno ublažavanje stresa ili kaljenje; za dupleks nivoe kontrolišu unos toplote kako bi se izbeglo neželjeno formiranje sigma faze.

Praksa kalupa i alata

• Završna obrada i podmazivanje. Koristite odgovarajuća maziva za kalupe kako biste smanjili defekte na površini odljevka i olakšali izbacivanje, ali izbjegavajte pretjerano podmazivanje koje uzrokuje poroznost ili kontaminaciju.
• Kontrola temperature kalupa. Prethodno zagrijavanje i održavanje kontrolirane temperature kalupa smanjuje toplinske udare i nedosljedno skrućivanje.
• Odzračivanje i degas. Omogućite ventilacijske otvore i koristite otplinjavanje kako biste izbjegli pore plina. Trajni kalupi moraju biti dizajnirani s ventilacijskim otvorima ili pomoćnim vakuumom pri lijevanju nehrđajućeg čelika kako bi se kontrolirala poroznost i zarobljavanje plina.

Osiguranje kvaliteta & validacija

• Koristite simulaciju očvršćavanja i protoka. CFD i modeli očvršćavanja su izuzetno efikasni u predviđanju hladnog zatvaranja, pogrešna vođenja i opasnost od vrućeg kidanja za metalne kalupe od nehrđajućeg čelika - koristite ih prije konstrukcije kalupa.
• Ispitivanje bez razaranja po kritičnosti. Radiografija, ultrazvučno testiranje ili CT skeniranje identifikuju unutrašnju poroznost, inkluzije i pukotine.
  Nivo NDT bi trebao biti srazmjeran sigurnosti i funkciji.
• Pilot trči & kvalifikacija procesa. Validacija alata, zatvaranje i termička obrada s pilot odljevcima i zatim dokumentiranje procesnih prozora (temp, temp, ispuniti vrijeme, režim gašenja, post-cast HT).

5. Tabela sa kratkim sažetkom — tri područja pažnje i glavne akcije

6. Završne napomene

Projektovanje livenih konstrukcija od nerđajućeg čelika za proizvodnju metalnih kalupa je sistemski problem koji obuhvata geometriju, metalurgija i procesno inženjerstvo.

Tri gornje fokusne oblasti—punjenje & protok, prevencija pukotina, i ekstrakcija kalupa/proizvodljivost— uhvatiti glavne načine kvara i ukazati direktno na inženjerske lijekove: glatki oblici, kontrolirane debljine i prijelazi, odgovarajući ulaz i hranjenje, adekvatan toč i filetiranje, i validiranu termičku obradu.

Koristite simulaciju, pilot ispitivanja i bliska suradnja između dizajnera i inženjera ljevaonice kako bi se izazovan dizajn pretvorio u robustan, ponovljivi proizvodni dio.

Ključne reference

ASTM A351-23: Standardna specifikacija za odljevke, Austenitni nerđajući čelik, za dijelove koji sadrže pritisak.

American Foundry Society (AFS). (2022). Priručnik za trajno livenje kalupa. AFS Press.

ISO 3740:2019: Metalni materijali—Odlivci—Opći zahtjevi za inspekciju i ispitivanje.

Davis, J. R. (2019). Priručnik za livenje nerđajućeg čelika. ASM International.