مواد ریخته گری سرمایه گذاری - آلیاژ مناسب را زودتر انتخاب کنید

1. خلاصه اجرایی

ریخته گری سرمایه گذاری (ریخته گری موم گمشده) برای دقت شکل ارزشمند است, مقاطع نازک و هندسه پیچیده.

انتخاب آلیاژ مهمترین تصمیم طراحی است زیرا تعیین کننده است: ریخته گری باید از کدام مواد و روش های ذوب/گاززدایی استفاده کند; شیمی پوسته و چرخه شلیک;

استراتژی تغذیه و انقباض; خواص مکانیکی قابل دستیابی و عملیات حرارتی پس از ریخته گری مورد نیاز; تست های بازرسی و پذیرش; و در نهایت هزینه بخش و زمان سرب.

این مقاله به بررسی خانواده‌های اصلی آلیاژهایی می‌پردازد که معمولاً توسط فرآیند سرمایه‌گذاری ریخته می‌شوند, رفتارهای متالورژیکی و پیامدهای پردازش آنها را مقایسه می کند, و راهنمای انتخاب عملگرایانه مرتبط با برنامه های کاربردی معمولی را ارائه می دهد.

2. چرا انتخاب مواد در ریخته گری سرمایه گذاری اهمیت دارد؟

انتخاب مواد تنها مهم ترین تصمیم مهندسی در این زمینه است ریخته گری سرمایه گذاری. این نه تنها عملکرد حین سرویس قطعه تمام شده را تعیین می کند (قدرت, مقاومت در برابر خوردگی, پایداری در دمای بالا, زیست سازگاری, وزن),

بلکه کل زنجیره تولید بالادست و پایین دست: روش ذوب و ریختن, شیمی پوسته و شلیک, راهبرد دروازه/بالا, حالت های نقص برای تماشا, عملیات حرارتی مورد نیاز, روش های بازرسی, زمان چرخه, ریسک قراضه و هزینه کل.

3. خانواده مواد مورد استفاده در ریخته گری سرمایه گذاری

4. مواد آلیاژی ریخته گری - تعیین عملکرد نهایی ریخته گری

هنگام انتخاب یک آلیاژ برای ریخته گری باید مجموعه ای از عوامل وابسته به هم را در نظر بگیرید: خواص مکانیکی مورد نیاز (قدرت, سختی, خستگی), محیط عملیاتی (دما, رسانه خورنده),

هندسه (دیوارهای نازک در مقابل بخش های عظیم), تولید (سیالیت, محدوده انجماد, واکنش پذیری), پردازش پس از ریختگی (عملیات حرارتی, باسن), نیازهای بازرسی و هزینه.

ریخته گری آلیاژهای آهنی

1) کربن-فولاد بازیگران

آنها چه هستند: فولادهای کم آلیاژ که کربن عنصر اصلی تقویت کننده است (به عنوان مثال, AISI 1020-1045, ASTM A216 WCB, معادل ها).
خواص & عملکرد: قدرت متوسط, چقرمگی خوب در حالت عادی, ماشینکاری عالی و هزینه کم. چگالی ~7.85 گرم بر سانتی متر³.
ملاحظات ریخته گری: نقطه ذوب متوسط (~1420-1540 درجه سانتیگراد), سیالیت خوب برای بسیاری از هندسه ها اما مستعد تخلخل انقباض در مقاطع سنگین است.
طراحی پوسته و دروازه باید تغذیه کافی را فراهم کند. تشکیل هیدروژن و گرافیت می تواند برای برخی از گریدها نگران کننده باشد.
پس پردازش: عادی سازی, خاموش کردن & خوی (بستگی به درجه دارد) برای دستیابی به سختی / استحکام مطلوب.
برنامه های کاربردی: اجزای ساختاری, مسکن ها, ریخته گری های مهندسی عمومی که در آن مقاومت در برابر خوردگی حیاتی نیست.

2) فولاد آلیاژی بازیگران

آنها چه هستند: فولادهای آلیاژ شده با کروم, مو, در, V, و غیره, برای بهبود قدرت, سختی پذیری و خواص دمای بالا (به عنوان مثال, 4140, 4340 آنالوگ های خانواده).
خواص & عملکرد: مقاومت کششی بالاتر, مقاومت در برابر خستگی و چقرمگی نسبت به فولادهای کربنی ساده; را می توان تا مقاومت های بالا تحت عملیات حرارتی قرار داد.
ملاحظات ریخته گری: با افزایش محتوای آلیاژ، حساسیت بیشتری نسبت به جداسازی و ترک خوردگی داغ دارد; دروازه و بالا آمدن دقیق مورد نیاز است; برخی از آلیاژها برای استحکام نیاز به ذوب خلاء یا اکسید زدایی دارند.
پس پردازش: چرخه‌های بحرانی خاموش کردن/خلق, کنترل اعوجاج در طول عملیات حرارتی. ممکن است برای متعادل کردن خواص به کاهش استرس و تلطیف نیاز داشته باشد.
برنامه های کاربردی: چرخ دنده ها, شفت ها, قطعات ساختاری با تنش بالا, اجزای میدان نفتی.

3) فولاد ضد زنگ بازیگران

آنها چه هستند: آلیاژهای مبتنی بر آهن با ≥10.5٪ کروم; خانواده ها شامل آستنیت هستند (304/316/cf8/cf8m), مارتنزیتی (410/420), دوبلکس (2205) و رسوب سخت شدن (17-4 PH).

خواص & عملکرد: مقاومت در برابر خوردگی از عمومی متغیر است (آستنیتیکس) مقاومت در برابر کلرید بالا (دوبلکس/فوق العاده);
خواص مکانیکی بسیار متفاوت است - دوبلکس استحکام بالایی دارد + مقاومت در برابر خوردگی خوب; 17-4 PH بعد از پیری استحکام بالایی دارد.

ملاحظات ریخته گری: مذاب های ضد زنگ اکسید/سرباره تشکیل می دهند; کنترل شیمی مذاب, اکسیداسیون و حذف مواد برای پوشش سطح و خواص مکانیکی اهمیت دارد.
انقباض انجماد و حساسیت به پارگی داغ در گریدها متفاوت است.
پس پردازش: آنیل راه حل, خاموش کردن و پیری (برای نمرات PH); دوبلکس ممکن است به عملیات حرارتی دقیق برای حفظ تعادل فاز نیاز داشته باشد. غیرفعال سازی و ترشی کردن اغلب به دنبال ماشین کاری انجام می شود.
برنامه های کاربردی: اجزای کارخانه شیمیایی, دریچه ها, سخت افزار دریایی, قطعات بهداشتی, فرآوری مواد غذایی, دستگاه های پزشکی.

ریخته گری آلیاژهای غیر آهنی

4) آلیاژ آلومینیوم بازیگران

آنها چه هستند: ال سی, خانواده آل کو و المگ (به عنوان مثال, A356, A357, ADC12, 6061-نوع) برای قطعات ریخته گری.
خواص & عملکرد: چگالی کم (~ 2.7 گرم در سانتی متر مربع), قدرت خاص خوب (پس از عملیات حرارتی برای برخی از آلیاژها), مقاومت در برابر خوردگی عالی زمانی که به درستی آلیاژ شود; هدایت حرارتی / الکتریکی عالی.
ملاحظات ریخته گری: سیالیت بسیار خوب دیوارهای نازک و جزئیات ریز را امکان پذیر می کند, اما تخلخل هیدروژنی, لایه‌های اکسیدی و پارگی داغ در ترکیب‌های خاص خطرات کلیدی هستند.
دمای شلیک پوسته و برنامه های موم زدایی با کار آهنی متفاوت است. کنترل هیدروژن, تمیزی مذاب و دروازه مناسب ضروری است.
پس پردازش: عملیات حرارتی محلول و پیری مصنوعی (T6) برای قدرت; گاهی اوقات HIP برای قطعات حیاتی هوافضا.
برنامه های کاربردی: محوطه هوافضا, اجزای سبک وزن خودرو, قطعات دفع کننده حرارت.

5) مس-آلیاژهای پایه (برنز, برنجی, برنز آلومینیومی)

آنها چه هستند: با اسن (برنز), مس-روی (برنجی), با (برنز آلومینیومی), با ما, و انواع.
خواص & عملکرد: مقاومت در برابر خوردگی عالی (به خصوص مس-نیکل/آل-برنز), خواص باربری خوب و هدایت حرارتی/الکتریکی. چگالی ~8.4-8.9 گرم در سانتی متر³.

ملاحظات ریخته گری: نقطه ذوب پایین تر از فولادها; هدایت حرارتی بالا بر رفتار انجماد تأثیر می گذارد (خنک کننده سریع).
سیالیت خوب جزئیات دقیق را امکان پذیر می کند. خطر انقباض و ترک داغ به ترکیب آلیاژ بستگی دارد.
پس پردازش: بازپخت برای شکل پذیری, ماشینکاری اغلب دشوار است (سخت سازی کار); نگرانی های تکمیل سطح و زینک زدایی برای برنج هایی که در معرض محیط های خاص قرار دارند.
برنامه های کاربردی: سخت افزار دریایی, اجزای پمپ, بلبرینگ ها, قطعات تزئینی و برقی.

6) تیتانیوم-ریخته گری آلیاژی

آنها چه هستند: اصولاً Ti-6Al-4V و سایر آلیاژهای Ti با استحکام ویژه و زیست سازگاری بالا.
خواص & عملکرد: قدرت به وزن عالی, مقاومت در برابر خوردگی و زیست سازگاری; چگالی کم (~4.4 گرم در سانتی متر مکعب).

ملاحظات ریخته گری: مذاب بسیار واکنش پذیر (اکسیژن, پیکاپ نیتروژن) - ذوب و ریختن وکیوم/آرگون برای جلوگیری از شکنندگی و آخالها لازم است.
انقباض انجماد و تشکیل اکسید به مواد پوسته تخصصی و روش های ذوب نیاز دارد. هزینه های تولید و تجهیزات مورد نیاز بالاست.
پس پردازش: عملیات حرارتی خلاء, تسکین استرس, HIP مشترک برای بسته شدن تخلخل برای اجزای حیاتی است. تکمیل سطح برای قطعات حساس به خستگی مهم است.
برنامه های کاربردی: اجزای ساختاری هوافضا, ایمپلنت های پزشکی, کالاهای ورزشی با عملکرد بالا.

ریخته گری آلیاژی با دمای بالا

7) سوپرآلیاژهای پایه نیکل

آنها چه هستند: آلیاژهای مبتنی بر Ni-Cr-Co-Al-Ti (اینکونل, دوباره, خانواده های نیمونی) برای مقاومت و مقاومت در برابر خزش در دماهای بالا طراحی شده است (تا 1000 درجه سانتیگراد و بالاتر برای برخی از آلیاژها).
خواص & عملکرد: قدرت خزش عالی, مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی در دمای بالا; چگالی حدود 8.2-8.5 g/cm³.

ملاحظات ریخته گری: محدوده انجماد طولانی باعث ایجاد نقص در جداسازی و انقباض می شود; ذوب القایی خلاء, گاز زدایی دقیق و کنترل گنجاندن بسیار مهم است.
انجماد جهت دار و ریخته گری تک کریستال گونه های تخصصی برای پره های توربین هستند (زنجیره فرآیندهای مختلف).
پس پردازش: محلول پیچیده و عملیات حرارتی پیری برای ایجاد رسوبات γ'; HIP و ماشینکاری رایج هستند. صدور گواهینامه برای بخش های هوافضا نیاز به NDT محکم دارد.
برنامه های کاربردی: قطعات بخش گرم توربین گازی, هوافضا, تولید برق, پردازش شیمیایی در دمای بالا.

8) آلیاژهای پایه کبالت

آنها چه هستند: Co-Cr-Mo و ترکیبات مرتبط در مواردی که سایش و استحکام در دمای بالا مورد نیاز است استفاده می شود (به عنوان مثال, خانواده ستاره ای).
خواص & عملکرد: سختی گرم خوب, مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی. اغلب در جاهایی که سایش لغزشی در دمای بالا وجود دارد استفاده می شود.
ملاحظات ریخته گری: نقطه ذوب بالا و حساسیت به جداسازی; ماشینکاری به دلیل سختی بالا چالش برانگیز است.
پس پردازش: محلول/پیری (جایی که قابل اجراست), سنگ زنی و پرداخت برای سطوح تریبولوژیکی.
برنامه های کاربردی: آب بندی توربین, صندلی های سوپاپ, آلیاژهای دندانپزشکی زیست پزشکی (با هم همکاری), اجزای آن را بپوشید.

9) آلیاژهای مبتنی بر آهن با دمای بالا

آنها چه هستند: اتوهای مقاوم در برابر حرارت (به عنوان مثال, Fe-Cr-Al, فولادهای ضد زنگ فرموله شده برای دمای بالا).
خواص & عملکرد: مقرون به صرفه در دماهای متوسط ​​​​بالا, مقاومت اکسیداسیون خوب با آلیاژ مناسب.
ملاحظات ریخته گری & برنامه های کاربردی: در جاهایی که دما بالا است اما مقاومت خزش شدید آلیاژهای نیکل مورد نیاز نیست استفاده می شود (به عنوان مثال, قطعات کوره, برخی از مشعل های صنعتی).

ریخته گری آلیاژی با کاربرد خاص

آلیاژهای فلزات گرانبها (طلا, نقره ای, پلاتین)

آنها چه هستند: اوج, آلیاژهای Ag و Pt برای جواهرات, تماس های دقیق و کاربردهای کاتالیزوری.
خواص & عملکرد: مقاومت در برابر خوردگی و خواص زیبایی شناختی عالی; مقاومت مکانیکی متغیر بسته به قیراط و آلیاژ.
ملاحظات ریخته گری: نقاط ذوب کم (طلا ~1064 درجه سانتیگراد), سیالیت عالی; ریخته گری با خلاء یا اتمسفر کنترل شده، سطح را بهبود می بخشد.
ریخته گری سرمایه گذاری (موم گمشده) مسیر اصلی تولید جواهرات است.
برنامه های کاربردی: جواهرات, مخاطبین الکترونیک, کاربردهای تزئینی و شیمیایی تخصصی.

آلیاژهای مغناطیسی (شرکت النی, انواع Nd-Fe-B)

آنها چه هستند: مواد مغناطیسی دائمی و آلیاژهای مغناطیسی نرم; توجه داشته باشید: بسیاری از آهنرباهای پرانرژی (Nd-Fe-B) معمولاً توسط ریخته گری سرمایه گذاری نمی شوند زیرا فرآیندهای پودر و یکپارچه سازی معمولی هستند. النی کو می تواند بازیگر شود.
خواص & عملکرد: اجبار مغناطیسی, چگالی شار و ثبات دما تعیین کننده مناسب بودن است.
ملاحظات ریخته گری: آلیاژهای مغناطیسی برای جلوگیری از فازهای ناخواسته نیاز به انجماد کنترل شده دارند; پردازش پس از مغناطیسی مورد نیاز است.
برنامه های کاربردی: حسگرها, موتورها, ابداع.

آلیاژهای حافظه دار (Ni-Ti / نیتینول)

آنها چه هستند: آلیاژهای نیکل-تیتانیوم نزدیک به هم اتمی با حافظه شکل و رفتار فوق الاستیک.
خواص & عملکرد: دگرگونی‌های مارتنزیتی برگشت‌پذیر، سویه‌های قابل بازیافت بزرگی تولید می‌کنند; در محرک ها و دستگاه های پزشکی استفاده می شود.
ملاحظات ریخته گری: Ni-Ti واکنش پذیر و حساس به ترکیب است; ذوب خلاء و کنترل دقیق نسبت Ni/Ti بسیار مهم است;
اغلب از طریق ریخته‌گری سرمایه‌گذاری برای هندسه‌های پیچیده تولید می‌شود، اما اجزای متالورژی پودر و C شکل رایج هستند.. عملیات حرارتی پس از ریخته گری دمای تبدیل را تنظیم می کند.
برنامه های کاربردی: دستگاه های پزشکی (استنت, منگنه ها), محرک ها و سازه های تطبیقی.

5. نتیجه گیری

انتخاب مواد تنها تاثیرگذارترین تصمیم در ریخته گری سرمایه گذاری است.

این نه تنها عملکرد حین سرویس یک قطعه را کنترل می کند (قدرت, خستگی, خوردگی, قابلیت دما, زیست سازگاری, جرم)

بلکه تمام جنبه های عملی ساخت: روش ذوب, شیمی پوسته و شلیک, استراتژی دروازه و تغذیه, حالت های نقص احتمالی, عملیات حرارتی و NDT مورد نیاز است, هزینه و زمان انجام.

کلید, نتیجه گیری های عملی:

• با تابع شروع کنید, نه عادت. محرک های خدمات غالب را تعریف کنید (دما, خوردگی, پوشیدن, زندگی خستگی, وزن, محدودیت های نظارتی)
  و اجازه دهید آنها شما را به یک خانواده مادی ترسیم کنند (به عنوان مثال, آلیاژهای نیکل برای خزش در دمای بالا, تیتانیوم برای استحکام به وزن و زیست سازگاری, ضد زنگ دوبلکس برای سرویس کلرید, برنز برای پوشاک دریایی, فلزات گرانبها برای جواهرات / تماس های الکتریکی).
• قابلیت ریخته گری را با تقاضای آلیاژ مطابقت دهید. بسیاری از آلیاژها (تیتانیوم, سوپالیاژهای, آلیاژهای کبالت) نیاز به ذوب خلاء یا بی اثر دارد, باسن, و NDT پیشرفته.
  آلیاژ خاصی را مشخص نکنید مگر اینکه یک تامین کننده واجد شرایط بتواند آن را تحویل و تایید کند.
• طراحی و فرآیند به هم وابسته هستند. ویژگی های آلیاژی (دامنه ذوب, سیالیت, انقباض, واکنش پذیری, تمایل به تفکیک, هدایت حرارتی) باید برای تنظیم جبران ابزار استفاده شود, طراحی دروازه/بالا, سیستم پوسته و برنامه های موم زدایی / شلیک.
  شبیه‌سازی اولیه و ریخته‌گری‌های آزمایشی خطر را کاهش می‌دهد.
• مراحل بعد از ریخته گری را از قبل برنامه ریزی کنید. عملیات حرارتی, باسن, تکمیل و ماشینکاری سطح بر کنترل ابعاد و هزینه تأثیر می گذارد.
  برای اجزای حیاتی, این مراحل را در RFQ مشخص کنید (و شامل تست های پذیرش و قابلیت ردیابی است).
• کنترل کیفیت بر اساس مشخصات. نیاز به MTRs, سوابق عملیات حرارتی, رژیم های NDT تعریف شده (رادیوگرافی/CT برای تخلخل داخلی, اولتراسونیک برای مقاطع آهنی ضخیم, رنگ نافذ برای سطوح), و یک استاندارد پذیرش به وضوح بیان شده است.
  تعیین محدودیت برای تخلخل, اجزاء و خواص مکانیکی.
• هزینه تعادل, برنامه و ریسک. آلیاژهای ویژه و پروتکل های پذیرش سختگیرانه زمان و هزینه را افزایش می دهند.
  از ساده‌ترین آلیاژی استفاده کنید که الزامات عملکردی را برآورده می‌کند و در صورت امکان، جایگزین‌هایی را که امکان‌پذیر است، واجد شرایط است.

سوالات متداول

آیا می توان هر فلزی را سرمایه گذاری کرد؟?

بسیاری از فلزات و آلیاژها مناسب هستند (فولاد, ضد زنگ, سوپرآلیاژهای نیکل و کبالت, آلیاژهای مس, آلومینیوم, تیتانیوم, فلزات گرانبها).

با این حال, مناسب بودن به توانایی ریخته گری بستگی دارد: فلزات واکنش پذیر (تیتانیوم, منیزیم) و سوپرآلیاژهای با ذوب بالا نیاز به ذوب خلاء/بی اثر و سیستم های پوسته خاصی دارند.

برخی از آلیاژهای آهنربا و پودر متالورژی با ریخته گری سرمایه گذاری معمولی عملی نیستند.

چگونه بین آلیاژها انتخاب کنم وقتی چندین آلیاژ نیازهای عملکرد را برآورده می کنند?

الزامات رتبه (باید در مقابل مطلوب), سپس قابلیت ساخت را ارزیابی کنید (قابلیت ریخته گری, نیاز به HIP یا ذوب خلاء), هزینه, زمان هدایت و بار بازرسی.

ریخته گری آزمایشی و تجزیه و تحلیل هزینه چرخه عمر به انتخاب مبادله بهینه کمک می کند.

آیا همه آلیاژها به مواد پوسته یا پوشش های خاصی نیاز دارند؟?

برخی انجام می دهند. راکتیو یا در دمای بالا ذوب می شود (به عنوان مثال, تیتانیوم, سوپرآلیاژهای خاص) ممکن است به کت های صورت بی اثر نیاز داشته باشد (زیرکون, آلومینا) و شلیک کنترل شده برای جلوگیری از واکنش های فلزی پوسته.
در حین طراحی درباره فرمول پوسته با ریخته گری خود صحبت کنید.

چگونه انتخاب آلیاژ بر روی سطح و ماشین کاری تاثیر می گذارد?

فلزاتی مانند آلیاژهای مس و آلومینیوم معمولاً سطح عالی و قابلیت ماشین کاری را ارائه می دهند; ماشینکاری آلیاژهای نیکل و کبالت سخت تر است و ممکن است به ابزارهای تخصصی نیاز داشته باشد.

فولادهای زنگ نزن متفاوت هستند - دستگاه با درجه دوبلکس و PH متفاوت از آستنیتی است. هزینه ماشینکاری و ملاحظات ابزارآلات را در طراحی لحاظ کنید.

در مورد خوردگی و سازگاری با محیط زیست چطور؟?

عملکرد خوردگی در درجه اول تابعی از شیمی آلیاژ و عملیات پس از ریخته گری است (درمان حرارتی, منفعل شدن, پوشش).

برای رسانه های تهاجمی (کلرید, اسیدها), آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی را انتخاب کنید (دوبلکس ضد زنگ, آلیاژهای نیکل) و نیاز به آزمون های صلاحیت مربوطه دارد (سوراخ کردن, SCC).
مقررات زیست محیطی (به عنوان مثال, روه, عناصر محدود شده) همچنین می تواند بر انتخاب آلیاژ تأثیر بگذارد.

هزینه ریخته گری سوپرآلیاژ در مقایسه با ریخته گری فولاد چقدر بیشتر است?

هزینه ها بر اساس آلیاژ بسیار متفاوت است, پیچیدگی و پس پردازش.

سوپرآلیاژها و فلزات راکتیو به دلیل مواد اولیه گران قیمت معمولا چندین برابر فولادهای معمولی قیمت دارند, کوره های خلاء, باسن, و NDT گسترش یافته است.

از کل هزینه مالکیت استفاده کنید (مواد + پردازش + بازرسی + بازده) به جای قیمت مذاب خام به تنهایی.