بازوی راکر فولاد آلیاژی ریخته گری سرمایه گذاری

1. خلاصه اجرایی

بازوی راکر کوچک است, جزء موتور با فشار زیاد که حرکت میل بادامک را به حرکت سوپاپ تبدیل می کند (یا به بالابرهای هیدرولیک, میله های فشار, و غیره).

ریخته گری سرمایه گذاری (موم گمشده) فولادهای آلیاژی، ساخت هندسه‌های پیچیده به شکل توری را امکان‌پذیر می‌سازد - یکپارچه‌سازی معابر نفت, دیوارهای نازک, فیله ها و ویژگی های سبک وزن - در حالی که به عملکرد مکانیکی و خستگی مورد نیاز در سرویس دست می یابند.

موفقیت به انتخاب خانواده آلیاژ مناسب بستگی دارد, کنترل مراحل ذوب و پوسته انداختن برای تمیزی, طراحی برای انجماد قابل پیش بینی, اعمال عملیات حرارتی مناسب و تکمیل, و اجرای یک رژیم بازرسی و آزمایش دقیق.

این مقاله آن عناصر را به طور عمیق تجزیه و تحلیل می کند و راهنمایی های عملی را برای مهندسان مواد ارائه می دهد, طراحان ریخته گری و تیم های خرید.

2. بازوی راکر چیست و چرا ریخته گری سرمایه گذاری را انتخاب می کنیم?

تابع & استرس ها. بازوی راکر بارهای چرخه ای و تنش های تماسی را منتقل می کند; در معرض خم شدن است, تماس بگیرید (نورد / کشویی) سایش در بادامک و نوک سوپاپ, قله های کششی/فشاری محلی, و خستگی سیکل بالا.

هندسه و جرم برای پاسخ و کارایی دینامیکی حیاتی هستند.

چرا ریخته گری سرمایه گذاری?

• اشکال پیچیده نزدیک به شبکه: معابر داخلی روغن, تارهای نازک, و منحنی های مرکب به راحتی قابل درک هستند.
• تحمل ابعادی محکم & تکرارپذیری: ریخته گری سرمایه گذاری سطح خوبی را ارائه می دهد و ماشین کاری را کاهش می دهد.
• سبک وزن & بهره وری مواد: مقاطع توخالی پیچیده و اشکال بهینه شده با توپولوژی اینرسی را کاهش می دهند.
• کوچک- به اقتصاد با حجم متوسط: هزینه های ابزار برای قالب های مومی متوسط ​​است و برای بسیاری از کارگاه های خودرویی و صنعتی به خوبی مستهلک می شود.

ریخته‌گری سرمایه‌گذاری در جایی انتخاب می‌شود که هندسه و دقت بیشتر از بالاترین استحکام ممکن موجود از قطعات آهنگری باشد - و جایی که پردازش فولاد آلیاژی مدرن می‌تواند خستگی و عملکرد سایش لازم را ارائه دهد..

3. نامزدهای فولاد آلیاژی معمولی

برای فولاد آلیاژی بازوهای, انتخاب مواد تحت سلطه الزامات برای چقرمگی است, مقاومت در برابر خستگی, مقاومت در برابر سایش در سطوح تماس, و پاسخ عملیات حرارتی.

راهنمای انتخاب کوتاه

• اگر سایش در تماس بادامک/سوپاپ حالت خرابی اولیه است ← مسیر کربورسازی/سخت شدن محفظه را انتخاب کنید (8620 / 20خانواده MnCr) یا برای سخت شدن القایی محلی قابل اعتماد برنامه ریزی کنید.
• اگر قدرت خستگی فله / سختی حرف اول را می زند (موتورهای با وظیفه یا عملکرد بالا) ← آلیاژهای Ni-Cr-Mo را انتخاب کنید (به عنوان مثال, 4340) یا فولادهای ریخته گری شده با تمیزی بالا با VIM/VAR + باسن.
• اگر مقاومت در برابر خوردگی مورد نیاز است (محیط های خاص) ← راه حل های 17-4PH یا ضد زنگ را در نظر بگیرید اما رفتار سایش و هزینه را تأیید کنید.
• همیشه انتخاب آلیاژ را با قابلیت ریخته گری مطابقت دهید - برای قطعات حیاتی مسیر ذوب را مشخص کنید (VIM/VAR/ESR), HIP بعد از ریخته گری (در صورت لزوم), و معیارهای صریح پذیرش (تخلخل, مکانیکی, NDT).

4. مراحل فرآیند ریخته گری سرمایه گذاری مختص فولادهای آلیاژی

ریخته‌گری سرمایه‌گذاری برای بازوهای چرخشی فولاد آلیاژی از جریان موم گمشده استاندارد پیروی می‌کند، اما با تغییراتی در فرآیند برای کنترل دمای ذوب بالاتر فولاد و حساسیت به آلودگی.:

1. الگو & دبستان: الگوهای مومی تولید شده از قالب های فلزی; دروازه و بالا آمدن مهندسی شده برای ویژگی های انجماد فولاد.
2. مونتاژ & ساختمان پوسته: چند لایه پوسته سرامیکی نازک اعمال می شود و خشک می شود; ضخامت پوسته برای فولاد برای مقاومت در برابر دماهای ریزش بالاتر و شوک حرارتی بیشتر است.
3. موهای زائد: اتوکلاو کنترل شده یا دی واکس بخار, سپس پوسته را خشک و از قبل گرم کنید.
4. از پیش گرم کردن & ریختن: پوسته ها برای کاهش گرادیان حرارتی از قبل تا دمای بالا گرم می شوند; فولادها را با استفاده از رژیم های دمای ریختن کنترل شده بریزید. برای قطعات حیاتی, جریان خلاء یا اتمسفر کنترل شده استفاده می شود.
5. خنک کننده & ناک اوت: خنک کننده کنترل شده برای به حداقل رساندن تنش های حرارتی; حذف پوسته و قطع دروازه.
6. عملیات حرارتی & ماشینکاری: عادی سازی, خاموش کردن & خوی, یا چرخه های کربورسازی همانطور که مشخص شده است. ماشینکاری نهایی تا کم نور بحرانی, تکمیل و مونتاژ سطح.

تفاوت های کلیدی در مقابل ریخته گری غیر آهنی: ترکیب و ضخامت پوسته سرامیکی, پیش گرم کردن و دمای ریختن بالاتر, و روش‌های تهاجمی‌تر برای تمیز کردن فلز و اکسید زدایی.

5. ذوب شدن, روش های گاز زدایی و تمیزی مذاب برای فولادها

بازوهای راکر فولادی به تمیزی داخلی بالایی نیاز دارند تا از تخلخل انقباض جلوگیری شود, ادخال ها و ناهمگونی هایی که به محل شروع خستگی تبدیل می شوند. روش های ذوب توصیه شده:

• مسیرهای ذوب: ذوب القایی خلاء (VIM) برای کنترل آلیاژ; به دنبال آن ذوب مجدد قوس خلاء (ما) یا ذوب مجدد الکترو سرباره (ESR) برای پاکیزگی و کاهش تفکیک کلان در اجراهای بحرانی.
  برای اجزای کمتر بحرانی, ذوب القایی با کیفیت بالا با شار و کنترل مناسب ممکن است کافی باشد.
• قصور & اکسیداسیون: استراتژی اکسید زدایی مناسب برای جلوگیری از آخال های به دام افتاده سرباره / نوع جوشکاری; استفاده از گاز زدایی خلاء یا هم زدن آرگون بی اثر به حذف گازهای محلول کمک می کند.
• کنترل شمول: گوگرد کم, منگنز کنترل شده و شار مناسب تشکیل سولفید را کاهش می دهد.
• افزودنی های آلیاژی & کنترل شیمی: برای جلوگیری از واکنش هایی که ادخال های مضر را تشکیل می دهند، افزودنی ها باید در توالی های کنترل شده انجام شوند. کنترل دقیق بار و تأیید طیف سنجی ضروری است.
• محیط ریختن: ریختن خلاء یا اتمسفر بی اثر، اکسیداسیون مجدد و برداشت گاز را به حداقل می رساند; مخصوص کربورسازی فولادها, محدود کردن قرار گرفتن در معرض اکسیژن قبل از کربورسازی.

مذاب های تمیز عیوب ریخته گری را کاهش می دهند و به طور قابل توجهی عمر خستگی را بهبود می بخشند.

6. الگو, ملاحظات ابزار و پوسته سرامیکی (طراحی برای ریخته گری)

طراحی برای ریخته گری سرمایه گذاری (DFIC) برای بازوهای راکر باید هندسه را با تمرین ریخته گری قوی متعادل کند:

• ضخامت دیوار: در صورت امکان ضخامت دیواره یکنواخت را هدف قرار دهید; از تغییرات ناگهانی بخش که انقباض را متمرکز می کند یا نقاط داغ ایجاد می کند اجتناب کنید. جایی که انتقال ضخامت مورد نیاز است, از شعاع ها و فیله های سخاوتمندانه استفاده کنید.
• فیله & شعاع ها: فیله های بزرگ در اتصالات باربر غلظت تنش را کاهش می دهند. قالب های با گوشه های تیز مستعد ریز انقباض و ترک خوردن هستند; انتقال شعاعی نیز جریان موم را تسهیل می کند.
• دروازه & در حال افزایش: دروازه‌ها را برای ارتقای انجماد جهت‌دار از وجه‌های بحرانی به سمت بالابرها قرار دهید; اندازه دروازه را به حداقل برسانید تا دوباره کاری را کاهش دهید اما از فلز تغذیه کافی اطمینان حاصل کنید. در صورت نیاز از رایزرهای گرمازا یا آستین های عایق استفاده کنید.
• چاپ های اصلی & معابر داخلی: مکان های هسته پایدار و چاپ های هسته کافی را ارائه دهید. هسته ها باید برای جابجایی قوی باشند و از پیش گرمایش دوام بیاورند.
• پیش نویس & فراق: الگوهای موم ریخته گری سرمایه گذاری اغلب به حداقل پیش نویس نیاز دارند, اما ابزارسازی باید حذف آسان موم و اعوجاج کم را تسهیل کند.
• پرداخت سطح & تحمل ها: ریخته گری سرمایه گذاری سطح خوبی را ارائه می دهد; تلورانس ها را برای سطوح واسط بحرانی مشخص کنید تا حداقل ماشین کاری را ممکن کنید.
  برای چهره های مخاطب (سطوح بادامک/تماس), اهداف پایان سطح و موارد مجاز برای سخت شدن / تکمیل بعدی را مشخص کنید.

7. انجماد, استراتژی های تغذیه و کنترل تخلخل

تخلخل دشمن اصلی اجزای خستگی است. استراتژی های کلیدی:

• جامد سازی جهت دار: سیستم‌های دریچه‌ای و بالابر را طوری طراحی کنید که فلز مذاب، آخرین نواحی جامد را تغذیه کند. از لرز استفاده کنید, آستین بالابر گرمازا, یا رایزرهای عایق بندی شده استراتژیک.
• کنترل میزان انجماد: از خنک شدن بیش از حد سریع که می تواند گازها را به دام بیندازد خودداری کنید; همچنین از نقاط داغی که باعث ایجاد حفره های کوچک می شوند اجتناب کنید. پیش گرم کردن پوسته و برنامه های خنک کننده کنترل شده کمک می کند.
• کنترل هیدروژن/گاز: کنترل ذوب و ریختن برای کاهش محتوای هیدروژن و اکسیژن محلول. در صورت امکان از گاز زدایی با خلاء و ریختن گاز بی اثر استفاده کنید.
• پرس ایزواستاتیک داغ (باسن): برای دویدن با یکپارچگی بالا, HIP پس از ریخته‌گری می‌تواند تخلخل انقباض داخلی را ببندد و با همگن کردن ریزساختار، عمر خستگی را بهبود بخشد.. HIP به ویژه برای اجزای موتور حیاتی از نظر ایمنی ارزشمند است.
• قرارگیری رایزر & اندازه: رایزرهای بزرگ قابلیت تغذیه را افزایش می دهند اما دوباره ماشینکاری را اضافه می کنند; بهینه سازی با شبیه سازی.
  از ابزارهای شبیه سازی ریخته گری استفاده کنید (مدل سازی CFD/انجماد) برای پیش بینی کوچک شدن و پالایش دروازه.

اجرای این استراتژی ها میزان نقص را کاهش می دهد و قابلیت اطمینان مکانیکی را بهبود می بخشد.

8. عملیات حرارتی, سخت شدن سطح و خیاطی خواص مکانیکی

عملیات حرارتی و سخت شدن سطح هستند اهرم های اولیه برای تنظیم عملکرد بازوهای راکر فولادی آلیاژی ریخته گری سرمایه گذاری.

در حالی که ریخته گری هندسه را تعریف می کند, این پردازش حرارتی است که قدرت را تعیین می کند, سختی, مقاومت در برابر خستگی, رفتار پوشیدن, و ثبات ابعادی.

زیرا بازوهای راکر تحت بارگذاری چرخه ای و استرس تماس بالا عمل می کنند, عملیات حرارتی باید با دقت مشخص و کنترل شود.

• عادی سازی: تنش های ریخته گری را کاهش می دهد و ساختار دانه را در صورت نیاز اصلاح می کند.
• خاموش کردن & خوی (برای فولادهای سخت شونده): به استحکام و چقرمگی بالایی دست می یابد; دمای معتدل برای متعادل کردن چقرمگی و سختی انتخاب می شود.
• کربورسازی / سخت شدن (برای سطوح سایش): برای گریدهای کربن پذیر, کربوریزاسیون کنترل شده و به دنبال آن خاموش کردن و تمپر باعث ایجاد یک کیس سخت و هسته سخت می شود.
  برای چهره های تماسی لوب بادامک حیاتی است. کنترل فرآیند: عمق کیس, پروفیل کربن, و مدیریت استرس پسماند ضروری است.
• سخت شدن القایی یا عملیات سطحی موضعی: به سرعت سطوح لوب یا نوک را با حداقل اعوجاج سخت می کند; اغلب زمانی استفاده می شود که فقط سطح تماس نیاز به مقاومت در برابر سایش دارد.
• نیتریدینگ / نیتروکربورسازی: سخت شدن سطح جایگزین که مقاومت در برابر سایش با اعوجاج کمتر را ارائه می دهد; بستگی به سازگاری آلیاژ دارد.
• تسکین استرس & خلق و خوی نهایی: پس از ماشینکاری و مونتاژ, تنش زدایی تنش های پسماند ایجاد شده توسط ماشین کاری یا سخت شدن موضعی را کاهش می دهد.

تعیین سیکل های حرارتی پس از ریخته گری و پنجره های فرآیند (دما, نرخ خنک کننده, خاموش کردن رسانه) برای تضمین عملکرد آلیاژ ضروری است.

9. ماشینکاری, به پایان رساندن, مونتاژ و عملیات سطحی

حتی ریخته‌گری‌های سرمایه‌گذاری نزدیک به خالص معمولاً نیاز به ماشینکاری در سطوح یاتاقان دارند, سوراخ های پیچ و مهره ها.

• ماشین کاری: ریخته‌گری‌های فولادی آلیاژی قابل ماشین‌کاری هستند، اما ممکن است برای ریزساختارهای خاص به ابزار سخت‌تر و سرعت‌های پایین‌تر نیاز داشته باشند.. ابزار کاربید و استراتژی های خنک کننده اغلب استفاده می شود.
• پرداخت سطح بحرانی: سطوح تماس بادامک و وجه های محوری نیاز به پرداخت ظریف و هندسه دقیق دارند; سنگ زنی, لپه, یا شات پینینگ ممکن است اعمال شود.
• شلی: تنش پسماند فشاری مفیدی را برای بهبود عمر خستگی در سطوح بحرانی ایجاد می کند. باید کنترل شود تا از انحراف بیش از حد جلوگیری شود.
• مونتاژ مناسب است & توالی عملیات حرارتی: به طور معمول, عملیات حرارتی حجیم قبل از سنگ زنی و ماشینکاری نهایی سطوح بحرانی است; ممکن است بعد از ماشینکاری خشن مقداری سختی موضعی انجام شود.
  تلورانس های مونتاژ را با کمک هزینه اعوجاج عملیات حرارتی هماهنگ کنید.
• پوشش ها و روانکاری: جایی که خوردگی یا اصطکاک نگران کننده است, پوشش های مناسب را اعمال کنید (فسفات, پی وی پی, پوشش های سخت نازک) و رژیم های روغن کاری را برای سرویس مشخص کنید.

یک جریان تولید به خوبی برنامه ریزی شده، دوباره کاری را به حداقل می رساند و دوام حین کار را تضمین می کند.

10. هزینه, ملاحظات زمان هدایت و زنجیره تامین در مقابل آهنگری و ماشینکاری

• ساختار هزینه: ابزار ریخته گری سرمایه گذاری (موم می میرد) در مقایسه با آهنگری، هزینه های اولیه متوسطی دارد اما ماشینکاری هر قطعه پایین تر است + ماشینکاری برای اشکال پیچیده.
  برای حجم های بسیار بالا, آهنگری ممکن است به دلیل هزینه کمتر واحد مواد و خواص مکانیکی بالاتر اقتصادی تر شود.
• زمان سرب: ابزار برای ریخته گری سرمایه گذاری می تواند سریعتر از قالب های آهنگری باشد; با این حال, گلوله باران, چرخه های ریختن و عملیات حرارتی زمان فرآیند را اضافه می کند.
  برای حجم های کم تا متوسط ​​و تغییرات مکرر طراحی, ریخته گری سرمایه گذاری اغلب ترجیح داده می شود.
• زنجیره تامین: ریخته گری با قابلیت ریخته گری فولاد را انتخاب کنید (VIM/VAR/HIP) و تجربه قطعات موتور. در صورت نیاز به حجم/خطر، قابلیت ردیابی و منبع دوگانه را مشخص کنید.
• پایداری & قراضه: ریخته گری سرمایه گذاری ضایعات تراشه کمتری به همراه دارد، اما ضایعات پوسته و دفع سرامیک باید مدیریت شود; ضایعات فولادی بسیار قابل بازیافت است.
  تجزیه و تحلیل هزینه چرخه عمر از جمله افزایش بهره وری سوخت از بازوهای سبک تر اغلب به نفع مسیر ریخته گری برای طرح های خاص است..

11. نتیجه گیری

بازوهای راکر ریخته گری سرمایه گذاری آلیاژی-فولاد نشان دهنده الف راه حل تولید بالغ و در عین حال بهینه سازی شده مستمر برای موتورهای مدرن و سیستم های مکانیکی.

با ترکیب آزادی هندسی فرآیند از دست رفته موم با فولادهای آلیاژی با دقت انتخاب شده و روش های متالورژی به شدت کنترل شده, سازندگان می توانند بازوهای راکر را تولید کنند که الزامات مورد نیاز برای استحکام را برآورده کند, زندگی خستگی, مقاومت در برابر سایش, و دقت بعدی.

از نقطه نظر فنی, عملکرد به تنهایی توسط بازیگران کنترل نمی شود, اما توسط کل زنجیره فرآیند: انتخاب آلیاژ, پاکیزگی ذوب, طراحی پوسته و دروازه, کنترل انجماد, عملیات حرارتی, سخت شدن سطح, ماشینکاری, و بازرسی.

زمانی که این عناصر به درستی ادغام شوند, بازوهای راکر فولادی آلیاژی ریخته گری سرمایه گذاری می توانند به قابلیت اطمینان قابل مقایسه با قطعات آهنگری دست یابند و در عین حال مزایایی در انعطاف پذیری طراحی ارائه دهند., بهینه سازی وزن, و کارایی هزینه برای هندسه های پیچیده.

 

سوالات متداول

چرا از ریخته گری سرمایه گذاری به جای جعل برای بازوهای راک استفاده کنید؟?

زمانی که ریخته گری سرمایه گذاری ترجیح داده می شود هندسه پیچیده, ویژگی های یکپارچه, و شکل نزدیک به تور مورد نیاز هستند.

ماشین کاری را کاهش می دهد, طراحی های سبک وزن را امکان پذیر می کند, و برای حجم های کوچک تا متوسط ​​تولید مقرون به صرفه است. آهنگری هنوز برای حجم های بسیار بالا یا زمانی که حداکثر جریان دانه جهت دار مورد نیاز است مورد علاقه است.

آیا بازوهای راکر سرمایه گذاری به اندازه کافی برای موتورهای با بار بالا قوی هستند?

بله، زمانی که آلیاژ درست باشد, تمرین ذوب, عملیات حرارتی, و رژیم بازرسی استفاده می شود.

با Ni-Cr-Mo یا فولادهای آلیاژی کربن دار, و HIP اختیاری, بازوهای راکر ریخته گری می توانند نیازهای خستگی و استحکام بالا را برآورده کنند.

رایج ترین حالت شکست در بازوهای راکر فولادی ریختگی آلیاژ چیست؟?

شایع ترین شکست این است ترک خوردگی خستگی در تخلخل داخلی یا متمرکز کننده تنش سطحی آغاز می شود.

این با تمیزی مذاب کاهش می یابد, کنترل انجماد, باسن, فیله های سخاوتمندانه, و درمان های سطحی مانند شات پینینگ.

کدام فولاد آلیاژی برای مقاومت در برابر سایش در تماس بادامک یا سوپاپ بهتر است?

کربورسازی فولادها (به عنوان مثال, 8620-نوع آلیاژها) یا فولادهای سخت القایی محلی ترجیح داده می شوند. سختی را فراهم می کنند, سطح مقاوم در برابر سایش در حالی که یک هسته سخت را حفظ می کند.

آیا HIP همیشه برای بازوهای راکر سرمایه گذاری مورد نیاز است?

خیر. HIP برای کاربردهای با کارایی بالا یا ایمنی حیاتی جایی که حداکثر عمر خستگی مورد نیاز است. برای بسیاری از برنامه های استاندارد, دروازه مناسب, کیفیت ذوب کردن, و NDT بدون HIP کافی است.

چگونه عملیات حرارتی بر عملکرد بازوی راکر تأثیر می گذارد?

کنترل های عملیات حرارتی قدرت, سختی, مقاومت در برابر خستگی, و رفتار پوشیدن.

خاموش کردن نادرست, خوی, یا چرخه های کربورسازی می تواند منجر به اعوجاج شود, شجاعت, یا شکست زودرس, ضروری ساختن کنترل فرآیند.