Tři kritické aspekty odlévaných konstrukcí z nerezové oceli

Nerez odlitky vyrobené z kovu (trvalý) formy nebo přesné investiční formy představují jedinečný soubor příležitostí a rizik.

Ve srovnání s odlitky do pískových forem, Odlitky do kovových forem rychleji chladnou a tuhnou a forma nenabízí žádné „dávání“ během smršťování.

Toto rychlejší chlazení a nulová poddajnost formy zvyšuje vnitřní pnutí, zvyšuje možnost prasknutí a zvětšuje defekty, jako jsou chybné běhy, studené uzávěry a neúplné plnění.

Produkovat robustní, spolehlivé konstrukce z nerezové oceli, tři kategorie designu a řízení procesů si zaslouží primární pozornost:

(1) zajištění úplného naplnění a zamezení defektů za studena, (2) zabraňující tuhnutí praskání a mechanickému praskání, a (3) navrhování pro extrakci plísní, nástrojová a rozměrová stabilita.

Následující text vysvětluje každou oblast do hloubky a uvádí konkrétní, akce a kontrolní seznamy na technické úrovni.

Přehled — proč jsou odlitky z nerezové oceli v kovových formách speciální

• Rychlejší chlazení → vyšší teplotní gradienty. Rychlá extrakce tepla zvyšuje vnitřní tahová napětí během tuhnutí a při pokojové teplotě.
• Žádná shoda s plísněmi. Na rozdíl od písku, kovové raznice se nestlačují, aby se přizpůsobily smrštění; omezené smršťování způsobuje praskání nebo roztržení za tepla, pokud konstrukce neumožňuje volné smršťování nebo podávání.
• Chování povrchu/toku se mění. Tenké řezy rychle ztrácejí tekutost kovu; velké vodorovné plochy a ostré rohy zhoršují tvorbu oxidů, studený tok a chybné běhy.
• Citlivost na slitinu. Slitiny nerezové oceli (Austenic, Duplex, martenzitické odlitky) se liší rozsahem mrazu, tekutost a náchylnost k praskání za horka – proto je nezbytný design specifický pro slitinu.

1. Prevence neúplného plnění, studené uzávěry a jiné vady náplně

Základní problém: v kovových formách nerezové taveniny rychle ztrácejí teplo a mohou ztuhnout dříve, než se dutina zcela zaplní, produkující chybné běhy, studené klíny a zachycení oxidů.

Principy designu

• Hladký, efektivní vnější geometrie. Vyhněte se náhlým změnám sekcí, ostré rohy, a skokové změny, které narušují tok.
  Preferujte zaoblené přechody a zaoblené spoje pro udržení laminárního toku kovu a snížení zachycování oxidového filmu.
• Vyhněte se velkým horizontálním plochám. Vodorovné plochy způsobují pomalé plnění, rozsáhlý kontakt vzduch/kov (oxidace) a ztráta plynulosti; rozbít velké byty jemným prohnutím, žebra nebo šikmé rysy.
• Použijte vhodnou tloušťku řezu. Nedělejte rozsáhlé velkoplošné tenké stěny.
  Tenké sekce ve velkých součástech se rychle ochlazují a ztrácejí tekutost – buď zahušťujte kritické sekce, nebo navrhněte místní zesílení pro podávání.
• Optimalizovaný design vtoku a žlabu. Vyhledejte brány, aby se nejdříve naplnily nejtěžší nebo nejpomalejší oblasti; používejte dobře velké vložky, zaoblené vstupy a expanze toku minimalizují turbulence a strhávání oxidů.
  Použijte geometrie vložek, které udržují teplotu tekutého kovu vysokou, když dosáhne nejvzdálenějších bodů dutiny.

Procesní kontroly

• Řízení přehřátí. Udržujte teplotu taveniny na horní straně doporučeného rozsahu pro vybranou slitinu (v bezpečných mezích), k prodloužení tekutosti bez podpory oxidace.
• Ochranné atmosféry / tok. Minimalizujte oxidaci (zejména v tenkých průchodech) pomocí krycích tavidel, vakuum nebo ochranné atmosféry tam, kde je to možné.
• Izolované nebo vyhřívané brány a přivaděče. Lokální vyhřívání nebo izolační návleky na běhounech mohou zadržovat teplo a omezovat chybné běhy.
• V případě potřeby použijte zimnici. Strategické externí chlazení napomáhá přímému ztuhnutí a může snížit riziko studeného uzavření v kombinaci se správným vstřikováním; vyvarujte se nachlazení, které předčasně ztuhne poslední průtokovou cestu.
• Simulace (tuhnutí/tečení CFD) by měly být použity k potvrzení doby plnění a identifikaci rizika studeného uzavření před výrobou formy.

2. Prevence prasklin odlitků, horké slzy a stresové zlomeniny

Základní problém: omezené smrštění, teplotní gradienty a lokální koncentrátory napětí způsobují trhání za tepla při tuhnutí nebo praskání při ochlazování.

Pravidla navrhování konstrukcí

• Jednotná tloušťka stěny. Navrhněte stěny tak, aby byly co nejjednotnější.
  Vyhněte se náhlým přechodům mezi tenkými a tlustými částmi; kde jsou vyžadovány přechody, použijte postupné zužování a velkorysé filety.
• Do slabých míst přidejte žebra a klíny. Tenké weby, tenké nálitky nebo dlouhé nepodepřené stěny jsou náchylné k praskání – vyztužené žebry nebo nálitky, ale navrhněte je tak, aby nevytvářely omezující omezení při smršťování.
• Minimalizujte prvky, které blokují volné smrštění. Výstupky, Příruby a zapuštěné nálitky, které mechanicky omezují kontrakci, jsou častými iniciátory trhlin; snížit počet, přemístit, nebo je navrhněte s vyhovujícím reliéfem.
• Upřednostňujte šikmé spoje před svislými spoji natupo. Kde je to možné, nahraďte svislé stupňovité spoje šikmými nebo zkosenými spoji – sklony pomáhají vyhnout se zachycenému tahovému napětí během tuhnutí.
• Velkorysé zaoblení ve všech vnitřních/vnějších rozích. Ostré rohy fungují jako koncentrátory napětí a místa nukleace trhlin.
  Pro lité nerezové díly, použijte větší poloměry než u lití do písku – poloměr zaoblení v měřítku s tloušťkou stěny (viz předpis níže).

Proces & hutnické kontroly

• Kontrolujte směr tuhnutí. Použijte principy směrového tuhnutí (umístění stoupaček a zimnice) aby tuhnutí probíhalo od tenkého k tlustému a podávání bylo přiměřené; vyhněte se izolovaným horkým místům.
• Design a umístění podavačů / stoupaček. Zajistěte, aby dobře navržené stoupačky zásobovaly poslední tuhnoucí oblasti.
  Pro odlévání trvalých forem, účinnost stoupačky musí počítat s rychlejším chlazením a kratší dobou podávání; tam, kde je to užitečné, použijte izolační stoupačky nebo exotermické manžety.
• Uvolněte vnitřní pnutí tepelným zpracováním. Pro kritické komponenty, zvážit žíhání nebo homogenizaci po odlití, aby se snížilo kalicí napětí, které může urychlit praskání.
  Poznámka: některé nerezové třídy mohou vyžadovat specifické tepelné cykly, aby se zabránilo senzibilizaci nebo nežádoucím fázím – koordinujte HT s metalurgem.
• Používejte slitiny odolné proti roztržení za tepla nebo zjemňovače zrna. Kde je to možné, zvolte jakosti nebo přísady, které snižují náchylnost k roztržení za tepla, a použít zjemňovače zrn pro řízení dendritické struktury.
• Vyhněte se náhlým rozdílům v chlazení. Spravujte teploty formy a rychlost chlazení, abyste snížili ostré teplotní gradienty (tam, kde je to výhodné, předehřívejte formy).

3. Extrakce plísní, návrh, filé a vyrobitelnost pro kovové formy

Základní problém: trvalé formy nemají žádný dar; jádra a odlitky musí být navrženy pro spolehlivé vyhazování a minimální poškození nástrojů a zároveň se přizpůsobují tepelné kontrakci.

Klíčové úvahy a akce

• Zvyšte tah (kužel) vzhledem k lití do písku. Protože kovové formy postrádají skládací schopnost písku, poskytnout větší úhly ponoru-typicky 30–50 % větší než ty, které se používají pro lití do písku.
  Prakticky: pokud je váš ponor při lití do písku 1°–2°, navrhnout úhly ponoru trvalé formy ~1,3°–3° (stupnice s povrchovou úpravou, slitina a výška stěny).
  Větší průvan usnadňuje vyhazování a snižuje opotřebení nástroje.
• Zvětšit poloměry zaoblení a poloměry rohů. Použití velkorysé poloměry na křižovatkách do: (A) snížit koncentraci napětí a praskání, (b) snadné plnění formy, a (C) umožňují lepší uvolnění části.
  Jako orientační pravidlo, vytvořit měřítko poloměrů zaoblení s místní tloušťkou stěny (NAPŘ., poloměry na řád 5–15 % místní tloušťky stěny, s minimálními praktickými poloměry několika milimetrů pro malé odlitky). (Upravte podle geometrie a omezení nástrojů.)
• Minimální tloušťka stěny – zvýšení oproti lití do písku. Obvykle vyžadují kovové odlévané nerezové díly větší minimální tloušťka stěny než ekvivalentní pískový odlitek protože kovová forma rychleji odebírá teplo.
  Zpravidla, zvýšit minimální lití do písku o 20–50% pro stejnou slitinu a geometrii, pokud není ověřen návrh součásti a proces. Vždy si ověřte schopnost slévárenského procesu a údaje o slitině.
• Vnitřní dutiny a žebra: vnitřní stojiny a žebra by měly být 0.6– 0,7× tloušťka přilehlé vnější stěny(s) aby se zabránilo pomalým chladným zónám a rozdílnému smršťování, které způsobují praskání.
  Pokud jsou vnitřní žebra příliš silná vzhledem k okolním stěnám, ztuhnou jako poslední a budou iniciátorem trhlin v horkém místě.
• Návrh pro jádra a jádrové tisky: protože jádra se nemohou komprimovat, výtisky jádra a extrakční prvky musí být robustní a musí obsahovat uvolňovací kužely. Pokud je geometrie složitá, zvažte skládací jádra nebo dělená jádra.
• Kde je to možné, zjednodušte složité vnější tvary. Pokud složitý tvar způsobuje výrobní potíže, zjednodušit vnější geometrii nebo rozdělit součást na podsestavy, aby nedošlo ke ztrátě výnosu – udělejte to při zachování funkčních požadavků.

4. Další praktická témata — metalurgie, kontroly a výrobní kontroly

Výběr a úprava slitiny

• Vyberte si tu správnou rodinu z nerezové oceli pro danou funkci. Austenitické třídy jsou tvárné a tolerantní, ale mají jiné rozsahy tuhnutí než duplexní nebo martenzitické slitiny – každá vyžaduje specifické vstřikování, stoupačky a sekvence tepelného zpracování.
• Musí být specifikováno dodatečné tepelné zpracování. Roztokové žíhání, může být zapotřebí zmírnění stresu nebo temperování; pro duplexní třídy regulují přívod tepla, aby se zabránilo nežádoucí tvorbě sigma fáze.

Praxe forem a nástrojů

• Povrchová úprava a mazání. Použijte vhodná maziva pro lisovací nástroje, abyste snížili vady povrchu odlitku a usnadnili vyhazování, ale vyhněte se nadměrnému mazání, které způsobuje poréznost nebo kontaminaci.
• Kontrola teploty formy. Předehřívání a udržování kontrolované teploty formy snižuje tepelné šoky a nekonzistentní tuhnutí.
• Odvzdušnit a odplynit. Zajistěte větrací otvory a použijte odplynění, abyste zabránili vzniku plynových pórů. Stálé formy musí být navrženy s ventilačními otvory nebo vakuovou podporou při odlévání nerezu, aby se kontrolovala pórovitost a zachycování plynu.

Zajištění kvality & validace

• Použijte tuhnutí a simulaci proudění. CFD a modely tuhnutí jsou extrémně účinné při předpovídání studených uzávěrů, riziko chybného běhu a roztržení za tepla u nerezových odlitků do kovových forem – použijte je před konstrukcí formy.
• Nedestruktivní testování podle kritičnosti. Radiografie, ultrazvukové testování nebo CT skenování identifikuje vnitřní pórovitost, inkluze a trhliny.
  Úroveň NDT by měla být úměrná bezpečnosti a funkci.
• Pilot běží & kvalifikace procesu. Ověřit nástroje, vtoku a tepelného zpracování s pilotními odlitky a poté dokumentačními procesními okny (teplota tání, teplota plísně, vyplnit čas, zhášecí režim, post-cast HT).

5. Rychlá souhrnná tabulka – tři oblasti pozornosti a hlavní akce

6. Závěrečné poznámky

Navrhování konstrukcí z nerezavějící oceli pro výrobu kovových forem je systémový problém, který přesahuje geometrii, metalurgie a procesní inženýrství.

Tři oblasti zaměření výše –plnicí & tok, prevence trhlin, a extrakce/vyrobitelnost formy—zachyťte hlavní způsoby selhání a ukažte přímo na technická řešení: hladké tvary, kontrolované tloušťky a přechody, vhodné vstřikování a krmení, dostatečný průvan a filetování, a ověřené tepelné zpracování.

Použijte simulaci, pilotní zkoušky a úzká spolupráce mezi designéry a slévárenskými inženýry, aby se z náročného návrhu stal robustní, opakovatelná výrobní část.

Klíčové odkazy

ASTM A351-23: Standardní specifikace pro odlitky, Austenitická nerezová ocel, pro díly obsahující tlak.

American Foundry Society (AFS). (2022). Příručka pro trvalé lití do forem. AFS Press.

ISO 3740:2019: Kovové materiály – odlitky – obecné požadavky na kontrolu a testování.

Davis, J. R. (2019). Příručka pro lití nerezové oceli. Mezinárodní ASM.