Řešení pórovitosti při smršťování v odlévání z nerezové oceli

Smršťovací pórovitost (vnitřní «smršťovací» dutiny, středová pórovitost a mikrosmršťování) je jednou z nejčastějších a následných vad přesnosti (Ztracený vosk) Investiční odlitky z nerezové oceli.

Vada je nepřípustná zejména u tlakových součástí (ventily, Těla čerpadla, díly kompresoru) kde mohou následovat netěsnosti nebo únavové poruchy.

Tento článek syntetizuje praktické, technické zkušenosti a taktika řešení problémů pro eliminaci nebo minimalizaci smršťovací pórovitosti u přesných odlitků z nerezové oceli.

1. Hlavní příčiny — to, co dělá vytavitelné odlitky z nerezové oceli porézní?

Srážení pórovitost nerezové oceli investiční odlitky nejde o režim jediné poruchy, ale o výsledek několika vzájemně se ovlivňujících metalurgických a procesních faktorů.

Vnitřní ovladače (chování slitiny a tuhnutí)

Velká celková kontrakce tuhnutí

• Mnoho druhů nerezu se při tuhnutí výrazně snižuje. Typické objemové smrštění pro běžnou austenitiku je asi 4-6%, větší než mnoho železných nebo neželezných slitin.
  To vytváří vysokou poptávku po přívodu tekutého kovu pro kompenzaci ztráty objemu.

Kašovitá zóna & tuhnutí tvořící kůži

• Nerezové austenitické materiály často vykazují úzký interval mezi likvidem a solidem nebo vytvářejí rychle tuhnoucí povrchovou „slupku“.
  Na rozhraní formy se může brzy vytvořit pevná skořápka a zachytit mezidendritickou kapalinu ve středu, prevence krmení a vytváření interdendritického smršťování.

Dendritické tuhnutí a mikrosegregace

• Prvky rozpuštěných látek se během tuhnutí segregují do interdendritické kapaliny.
  Tato zbytková kapalina zamrzne jako poslední a vytvoří propojené mezidendritické sítě; když je krmení nedostatečné, tyto oblasti tvoří rozvětvené smršťovací dutiny.

Relativně nízká tekutost roztavené hmoty

• Roztavená nerezová ocel obvykle teče méně volně než slitiny hliníku nebo mědi (typické délky spirálové tekutosti pro nerez při ~1500 °C jsou řádově 300– 350 mm).
  Špatná tekutost omezuje schopnost vyplňovat tenké průchody a zásobovat vzdálená horká místa.

Legující kompromisy

• Vysoký obsah slitin (Mo, V) které zlepšují korozi nebo pevnost, mohou také snížit tekutost a rozšířit účinné chování při mrazu u některých kompozic.
  Některé precipitační nebo duplexní chemikálie mají širší rozsahy mrazu a větší náchylnost k problémům s podáváním.

Vnější ovladače (design, forma a proces)

Hot spoty vyvolané designem

• Tlusté sekce, náhlé změny sekcí, uzavřené dutiny a izolované hmoty zamrzají jako poslední a stávají se horkými místy.
  Pokud tyto oblasti nejsou správně krmeny, vzniká velká středová linie nebo interdendritické smrštění.
• Praktické pravidlo: náhlé poměry tloušťky (NAPŘ., 10 → 25 mm na krátkou vzdálenost) koncentrovat hot-spot riziko.

Nedostatečné krmení a vstřikování

• Poddimenzované stoupačky/vložky, nesprávně umístěna, nebo tepelně vyhladovělé nemohou dodávat tekutý kov pro kompenzaci lokalizovaného smrštění.
  Absence směrových cest tuhnutí (TJ., kov by měl ztuhnout od nejvzdálenějšího bodu směrem ke stoupačce) je častou hlavní příčinou.

Problémy pláště a jádra formy

• Studená skořápka / špatné předehřátí: nedostatečné předehřátí skořápky způsobuje rychlý odvod tepla a zkracuje podávací okno.
• Přehřátá skořepina nebo nekonzistentní vlastnosti skořepiny: může způsobit nerovnoměrné tuhnutí.
• Poškození jádra nebo špatné odvětrání jádra: jádra, která selhávají, praskliny nebo nejsou správně odvětrávány, mohou blokovat přívod nebo vytvářet zachycené cesty plynu.

Špatný tepelný design podavače / stoupačky

• Žádná stoupačka, příliš malá stoupačka (modul příliš nízký), nebo nedostatek exotermických/izolačních opatření znamená, že podavač ztuhne před horkým místem nebo s ním (TJ., krmení selže).

Nácvik nalévání

• Nedostatečné přehřátí nebo nízká teplota nalévání → předčasné zmrznutí a neúplné krmení.
• Nadměrná turbulence nebo rozstřikování → strhávání oxidů (bifilmy), které přerušují metalurgickou kontinuitu a blokují jemné interdendritické napájecí kanály.

Kvalita taveniny: plyn a inkluze

• Rozpuštěné plyny (H2, O₂) vytvářejí kulovité plynové póry; v kombinaci se smrštěním tuhnutím zhoršují selhání podávání.
• Nekovové inkluze a bifilmy vytvářejí místní blokády a působí jako nukleační místa pro smršťovací sítě. Kov s inkluzí se nemůže tak účinně přivádět do interdendritických sítí.

Znečištění nářadí a manipulace

• Zabudované částice (zbytky vosku, skořápkový prach, ocelové třísky) nebo nesprávné použití nástrojů z uhlíkové oceli může zasévat lokalizovaná místa koroze nebo pórovitost během tuhnutí a může narušovat přívodní kanály.

Způsoby selhání složeného systému – jak příčiny interagují

Pórovitost často vyplývá z násobek slabiny působící společně: NAPŘ., tlusté horké místo + poddimenzovaná stoupačka + nízká teplota nalévání + zachycený vodík. Každá jednotlivá příčina může být kompenzována, pokud jsou ostatní ovládací prvky silné; mnohočetné okrajové podmínky přetěžují kapacitu krmení a vytvářejí pórovitost.

2. Správná diagnostika závady

Před změnou procesu nebo designu, potvrďte, co vidíte.

Jednoduchá diagnostika:

• Vizuální & dělení: Řezání odlitku přes podezřelou zónu často ukazuje jednu velkou dutinu (zmenšit) nebo síť mikrodutin (mikroporéznost).
• Radiografie / Ct: Rentgenové snímky odhalují velikost a umístění dutiny; CT je vynikající pro složité vnitřní geometrie.
• Metalografie: Mikroskopie dokáže odlišit interdendritické smrštění od plynové porozity (sférické plynové póry vs. rozvětvené interdendritické dutiny).
• Chemikálie & proces revize: Zkontrolujte obsah vodíku, Roztavení čistoty, lití přehřátí, vlastnosti skořepiny a konstrukce vtoku.

Výkladové pravidlo: pokud se dutiny vyrovnávají s posledními ztuhlými cestami a vykazují dendritické stěny → nedostatek krmení. Jsou-li póry kulovité a rovnoměrně rozmístěné → porozita plynu.

3. Konstrukční opatření (první a cenově nejvýhodnější řada)

Většina problémů se smršťováním je vyřešena lépe v návrhu než v procesu hašení požáru.

Podporujte směrové tuhnutí

• Umístěte krmivo (přivaděče/stoupačky) aby tuhnutí postupovalo od nejvzdálenějšího bodu směrem k podavači.
  Ve ztraceném vosku, zvažte umístění externích topných těles, izolované podavače nebo exotermické manžety v kritických oblastech.
• Zjednodušte dutinu: snížit izolovaná horká místa (kapsy, které tuhnou jako poslední) změnou geometrie, přidání tepelných náprstek nebo vnitřních průchodů, které fungují jako podavače.

Vyhněte se náhlým změnám sekcí a místním horkým místům

• Udělejte jednotnou tloušťku stěn kde je to možné; náhlé silné úseky jsou horká místa a vyžadují krmení.
• Přidejte filety, kuželové přechody a poloměry spíše než ostré rohy ke snížení rušeného tepelného toku a zlepšení toku kovu během plnění.

Zajistěte obětní krmení pro vnitřní dutiny

• Navrhněte externí napáječe s nulovým rušením nebo tenké, odnímatelné nástavce tam, kde není možné vnitřní podávání.
  Pro vnitřní jádra, používejte keramické jádrové podavače (izolované) nebo navrhnout metodu pro vložení malých zástrček podavače.
• Jádrové věnce & odvětrávání: zajistěte, aby keramická jádra byla podepřena, ale nebyla příliš omezována; věnce musí být navrženy tak, aby nevytvářely pevné zábrany při smršťování.

4. Návrh krmného systému — krmte to, co odlitek potřebuje

Krmení je srdcem prevence smršťování.

• Modul (Chvorinov) pravidlo: velikost stoupaček tak jejich modul M_riser ≈ 1,2–1,5 × M_casting (největší horké místo). To zajišťuje, že nálitek ztuhne po odlévacím prvku, který přivádí.
• Typy stoupaček & umístění: pro vertikální horká místa použijte horní stoupačky; boční stoupačky pro distribuovaná horká místa. Umístěte stoupačky k přímému napájení kritických objemů.
• Exotermické a izolované stoupačky: exotermické stoupačky prodlužují životnost kapaliny 30–50%; izolované návleky snižují tepelné ztráty — obě zvyšují krmné okno bez předimenzovaných stoupaček.
• Více vyvážených vložek: pro válcové nebo symetrické díly, použijte 3–4 vložky rozmístěné po obvodu pro distribuci toku a snížení dlouhých cest ke ztuhnutí.
• Design běžce: aerodynamické kruhové žlaby minimalizují odpor proudění; vyvarujte se prudkých ohybů a náhlého zmenšení průřezu. U malých odlitků dodržujte průměr oběžného kola ≥ 8 mm jako praktické minimum.

5. Řízení slévárenského procesu — řízení načasování tuhnutí

Malé změny procesních parametrů mají velké účinky.

• Předehřejte skořápku: pro austenitické nerezové (NAPŘ., 316/316L) předehřát skořápky na 800–1000 °C; pro martenzitické/PH třídy použití 600–800 ° C..
  Správné předehřátí zpomaluje chlazení skořápky a prodlužuje dobu podávání. Vyvarujte se přehřátí (>1100 ° C.).
• Teplota nalévání & přehřátí: cíl ~100–150 °C nad liquidus v závislosti na slitině a průřezu. Příklad: 316L nalil na ~1520–1560 °C (Kontrola ±5 °C pro kritické části).
  Vyšší teplota zvyšuje tekutost (pomáhá plnit a krmit) ale zvyšuje smrštění – rovnováha je nezbytná.
• Řízené chlazení: pro těžké úseky, izolace pláště (boxové chlazení) 2–4 hodiny po nalití snižuje teplotní gradient a napomáhá krmení. Je třeba se vyhnout rychlému zhášení.
• Ovládání vtoku a plnění: stabilní, laminární výplň redukuje chladné lapy a omezuje předčasné zamrzání v kritických cestách proudění.

6. Kvalita taveniny a metalurgie – odstraňte nukleační místa

Plyny a nekovové inkluze v roztavené nerezové oceli působí jako zárodky pro smršťovací pórovitost, proto je nezbytná přísná kontrola kvality roztavené oceli:

• Optimalizace procesu: Použijte argon-kyslíkovou dekarbonizaci (AOD) nebo vakuová kyslíková dekarbonizace (VOD) k rafinaci roztavené oceli, snížení uhlíku, síra, a obsah plynu (H2 ≤ 0.0015%, O₂ ≤ 0.002%).
  Pro malosériovou výrobu, použijte pánvovou rafinační pec (LRF) se syntetickými struskami (CaO-Al203-Si02) k odstranění nekovových inkluzí.
• Odplyňování a odstruskování: Proveďte foukání argonu (průtok 0,5–1,0 l/min na tunu oceli) po dobu 5–10 minut před nalitím, aby se odstranil rozpuštěný vodík.
  Důkladně seberte strusku z povrchu pánve, aby se zabránilo strhávání strusky, což způsobuje jak smršťovací pórovitost, tak vměstky.
• Kontrola přídavků slitin: Vyhněte se nadměrnému přidávání legujících prvků (NAPŘ., Mo, V) které snižují tekutost. Používejte vysoce čisté legovací materiály (čistota ≥ 99.9%) aby se minimalizovalo vnášení nečistot.

7. Pokročilá sanace & možnosti po obsazení

Když preventivní opatření nemohou plně eliminovat smrštění nebo když je vyžadována nulová pórovitost:

• Izostatické lisování za tepla (HIP): typický HIP cyklus pro nerezové odlitky je 1100–1200 °C na 100-150 MPa pro 2–4 hodin.
  HIP kolabuje vnitřní dutiny, dosahuje hustoty ≥ 99.9%, a spolehlivě obnovuje únavu a tlakový výkon. HIP je řešením pro letectví a kosmonautiku a díly kritické pro tlak.
• Tlakové/odstředivé lití: tlakové tuhnutí (použití tlaku během chlazení) nebo odstředivé varianty mohou u určitých tvarů snížit poréznost, i když jsou nutné změny nástrojů a procesů.
• Lokalizovaná oprava: GTAW s plnivem ER316L může opravit smrštění v blízkosti povrchu po pečlivém výkopu a tepelném zpracování po svařování; není vhodný pro vnitřní defekty v tlakových zónách.
• Kombinační přístup: přetavení plus HIP je někdy jedinou přijatelnou cestou pro díly s opakujícím se vnitřním smrštěním.

8. Kontrola kvality, testování & přijetí

Stanovte objektivní kritéria a ověřte jejich dodržování.

• Ndt: radiografie vnitřních dutin, CT pro složité geometrie, UT pro větší vady. Definujte přijetí (NAPŘ., žádná prázdnota > X mm, objemová pórovitost < Y %).
• Metalografická analýza: potvrdit morfologii pórů (interdendritické vs plyn) při odstraňování problémů.
• Mechanické testování: tahové, výtěžek, prodloužení, a testování tlaku/těsnosti tlakových částí; HIP často vyžaduje ověření temperovaného nebo znovurozpustného ošetření.
• Logování procesů & Spc: rekordní předehřátí skořápky, tát & pro teploty, časy odplynění, velikosti a umístění stoupaček; statisticky korelovat proměnné s výskytem defektů.

9. Případová studie (ilustrativní): eliminující smršťování sedla ventilu u těles ventilů 316L

Problém: 316L tělesa ventilů (jmenovitý tlak 10 MPA) vykazovaly smršťovací dutiny v sedle ventilu (22 mm stěny), způsobující 15% únik.
Akce

• Rozdělit 22 mm horké hmoty na dvě ~10 mm sekce s a 3 mm žebro a pozvolný přechod.
• Přidána exotermická horní stoupačka s modulem 2.0 cm a přemístil dvě vložky, aby napájely horké místo.
• Zvýšené předehřátí skořápky z 750 → 900 ° C. a nastavte nalévání na 1540 ±5 °C.
• Přijata rafinace VOD + odplyňování argonu (8 min) ke snížení H2 ≤ 0.001%.
  Výsledek: výskyt smrštění klesl na 2%, únik eliminován, mechanické pevnosti vzrostly o ~8–10 % – výnos z výroby a přijetí zákazníky dosáhly cílů.

10. Klíčové principy a osvědčené postupy pro prevenci smršťování poréznosti

Tato část shrnuje technická pravidla, osvědčená taktika a provozní standardy, které společně zabraňují smršťování poréznosti u vytavitelných odlitků z nerezové oceli.

Základní principy („proč“ za každou akcí)

1. Design pro krmení, nevypadat hezky. Primárním cílem geometrie je umožnit směrové tuhnutí a nepřerušovaný tok tekutého kovu do zón tuhnoucích jako poslední..
   Pokud návrh vytváří nepřístupná horká místa, Samotné řízení procesu smrštění spolehlivě nezabrání.
2. Přizpůsobte kapacitu podávání požadavkům na smrštění. Použijte modul (Chvorinov) způsob dimenzování stoupaček tak, aby krmítka přežila horké místo, které krmí (typické pravidlo: M_riser ≈ 1,2–1,5 × M_casting).
3. Ovládejte teplotní časovou osu. Načasování tuhnutí (skořápka předehřát, pro teplotu, izolace/chlazení) definuje okno podávání.
   Spravujte tyto parametry záměrně, abyste v případě potřeby prodloužili krmení.
4. Odstraňte místa nukleace pórů v tavenině. Nízký počet vodíku a nízký počet inkluzí podstatně snižují pravděpodobnost, že zachycená interdendritická kapalina vytvoří dutiny.
5. Opatření, simulovat a opakovat. Použijte simulaci tuhnutí předem a objektivní NDT & metalurgie po zkouškách rychle konvergovat na robustní receptuře.
6. V případě potřeby eskalujte. Když geometrie nebo bezpečnostní požadavky vyžadují téměř nulovou poréznost (tlakové části, Aerospace), přijmout ekonomiku pokročilé sanace (HIP nebo tlakové tuhnutí) spíše než přijímat opakující se šrot.

11. Závěr

Smršťovací pórovitost v nerez vytavitelný odlitek je složitá vada způsobená charakteristikami tuhnutí slitiny, struktura odlévání, a parametry procesu.

Jeho řešení vyžaduje systematičnost, mnohostranný přístup – integrace strukturální optimalizace, návrh krmného systému, řízení procesu, a zlepšení kvality roztavené oceli.

Dodržením zásad směrového tuhnutí, minimalizace horkých míst, a přizpůsobení kapacity plnění požadavkům na smrštění, výrobci mohou výrazně snížit pórovitost při smršťování a zlepšit kvalitu odlitku.

Nakonec, úspěšné řešení pórovitosti při smršťování není jen technickou výzvou, ale závazkem k přísné kontrole kvality a neustálému zlepšování v průběhu celého životního cyklu odlitku.