سه ملاحظات حیاتی برای سازه های ریخته گری فولاد ضد زنگ

فولاد ضد زنگ ریخته گری ساخته شده از فلز (دائمی) قالب ها یا قالب های سرمایه گذاری دقیق مجموعه ای منحصر به فرد از فرصت ها و ریسک ها را ارائه می دهند.

در مقایسه با ریخته گری قالب شن و ماسه, ریخته‌گری‌های قالب‌های فلزی سریع‌تر سرد و جامد می‌شوند و قالب در طول انقباض، هیچ گونه «هدیه» ارائه نمی‌کند..

خنک شدن سریعتر به علاوه عدم انطباق قالب، تنش های داخلی را افزایش می دهد, احتمال ترک خوردگی را افزایش می دهد و عیوب مانند اشتباه را بزرگ می کند, بسته شدن سرد و پر شدن ناقص.

برای تولید قوی, سازه های ریخته گری فولاد ضد زنگ قابل اعتماد, سه دسته طراحی و کنترل فرآیند مستحق توجه اولیه هستند:

(1) اطمینان از پر شدن کامل و جلوگیری از عیب های سرما, (2) جلوگیری از ترک خوردگی انجماد و ترک مکانیکی, و (3) طراحی برای استخراج قالب, ابزار و ثبات ابعادی.

در زیر هر منطقه را به طور عمیق توضیح داده و بتن می دهد, اقدامات و چک لیست های درجه مهندسی.

بررسی اجمالی - چرا ریخته گری فولاد ضد زنگ در قالب های فلزی خاص هستند

• خنک کننده سریعتر → گرادیان حرارتی بالاتر. استخراج سریع گرما باعث افزایش تنش های کششی داخلی در طول انجماد و در دمای اتاق می شود.
• عدم انطباق با قالب. بر خلاف شن و ماسه, قالب های فلزی برای سازگاری با انقباض فشرده نمی شوند; انقباض مهار شده باعث ترک خوردن یا پارگی داغ می شود مگر اینکه طرح ها اجازه انقباض یا تغذیه آزاد را بدهند.
• رفتار سطح/جریان تغییر می کند. بخش های نازک به سرعت سیالیت فلز را از دست می دهند; سطوح افقی بزرگ و گوشه های تیز تشکیل اکسید را بدتر می کند, جریان سرد و غلط اجرا می شود.
• حساسیت آلیاژی. آلیاژهای فولاد ضد زنگ (آستنیتی, دوبلکس, گریدهای ریخته گری مارتنزیتی) در محدوده انجماد متفاوت است, سیالیت و حساسیت به ترک خوردگی داغ - بنابراین طراحی خاص آلیاژ ضروری است.

1. جلوگیری از پر شدن ناقص, بسته های سرد و سایر عیوب پر کردن

مشکل اصلی: در قالب های فلزی مذاب های ضد زنگ به سرعت گرما را از دست می دهند و ممکن است قبل از پر شدن کامل حفره جامد شوند., تولید misruns, دور سرد و به دام افتادن اکسید.

اصول طراحی

• صاف, هندسه خارجی ساده. از تغییرات ناگهانی بخش خودداری کنید, گوشه های تیز, و تغییرات پله ای که جریان را مختل می کند.
  ترانزیشن های گرد و اتصالات فیله شده را برای حفظ جریان آرام فلز و کاهش گیر افتادن فیلم اکسید ترجیح دهید..
• از تخت های افقی بزرگ خودداری کنید. سطوح افقی باعث کندی پر شدن می شوند, تماس گسترده هوا / فلز (اکسیداسیون) و از دست دادن سیالیت; آپارتمان های بزرگ را با خمیدگی ملایم بشکنید, دنده ها یا ویژگی های شیب دار.
• از ضخامت مقطع مناسب استفاده کنید. دیوارهای نازک با مساحت وسیع ایجاد نکنید.
  بخش های نازک در اجزای بزرگ به سرعت سرد می شوند و جریان پذیری را از دست می دهند - یا بخش های مهم را ضخیم می کنند یا ضخامت های موضعی را برای تغذیه طراحی می کنند..
• طراحی دروازه و دونده بهینه شده. ابتدا دروازه‌هایی را پیدا کنید تا سنگین‌ترین یا کندترین مناطق را تغذیه کنید; از دریچه های با اندازه مناسب استفاده کنید, ورودی های گرد و انبساط جریان برای به حداقل رساندن تلاطم و جذب اکسید.
  از هندسه های ورودی استفاده کنید که دمای فلز مایع را هنگامی که به دورترین نقاط حفره می رسد بالا نگه می دارد..

کنترل های فرآیند

• مدیریت سوپر گرما. دمای مذاب را در بالای محدوده توصیه شده برای آلیاژ انتخابی حفظ کنید (در محدوده ایمن), برای افزایش سیالیت بدون افزایش اکسیداسیون.
• جو محافظ / شارژ. اکسیداسیون را به حداقل برسانید (به خصوص در معابر نازک) با استفاده از شارهای پوششی, خلاء یا اتمسفرهای محافظ در صورت امکان.
• دروازه ها و فیدرهای عایق یا گرم شده. گرمایش موضعی یا آستین های عایق روی رانرها می توانند گرما را حفظ کرده و ایراد اشتباه را کاهش دهند.
• در صورت نیاز از سرما استفاده کنید. لرزهای خارجی استراتژیک به انجماد مستقیم کمک می کنند و در صورت ترکیب با دروازه مناسب می توانند خطر بسته شدن سرما را کاهش دهند; از لرزهایی که پیش از موعد آخرین مسیر جریان را محکم می کند، اجتناب کنید.
• شبیه سازی (انجماد/جریان CFD) باید برای تایید زمان پر شدن و شناسایی خطر بسته شدن سرد قبل از ساخت قالب استفاده شود.

2. جلوگیری از ترک های ریخته گری, اشک داغ و شکستگی استرس

مشکل اصلی: انقباض مهار شده, گرادیان های حرارتی و متمرکز کننده های تنش موضعی باعث پارگی داغ در حین انجماد یا ترک خوردن در هنگام خنک شدن می شوند.

قوانین طراحی سازه

• ضخامت دیواره یکنواخت. دیوارها را طوری طراحی کنید که تا حد امکان یکنواخت باشند.
  از انتقال ناگهانی بین بخش های نازک و ضخیم خودداری کنید; جایی که انتقال مورد نیاز است, از تیپرهای تدریجی و فیله های سخاوتمندانه استفاده کنید.
• به نواحی ضعیف، دنده ها و رگه ها را اضافه کنید. شبکه های نازک, باس های نازک یا دیوارهای بلند بدون تکیه گاه مستعد ترک هستند - با دنده ها یا باس ها محکم شوند, اما آنها را طوری طراحی کنید که محدودیت های محدود کننده ای در انقباض ایجاد نکنند.
• ویژگی هایی را که انقباض آزاد را مسدود می کنند به حداقل برسانید. لبه, فلنج ها و باس های تعبیه شده که به طور مکانیکی انقباض را مهار می کنند، آغازگرهای مکرر ترک هستند.; کاهش تعداد, نقل مکان کند, یا آنها را با تسکین منطبق طراحی کنید.
• اتصالات مایل را به اتصالات لب به لب عمودی ترجیح دهید. در صورت امکان اتصالات پلکانی عمودی را با اتصالات شیبدار یا مخروطی جایگزین کنید - شیب ها به جلوگیری از تنش کششی محبوس در حین انجماد کمک می کنند..
• فیله های سخاوتمندانه در تمام گوشه های داخلی/خارجی. گوشه های تیز به عنوان متمرکز کننده تنش و محل هسته سازی برای ترک ها عمل می کنند.
  برای قطعات ضد زنگ ریخته گری, از شعاع های بزرگتر نسبت به ریخته گری شن و ماسه استفاده کنید - شعاع فیله در مقیاس با ضخامت دیواره (نسخه زیر را ببینید).

فرآیند & کنترل های متالورژیکی

• جهت انجماد را کنترل کنید. از اصول انجماد جهت دار استفاده کنید (قرار دادن رایزر و لرز) به طوری که انجماد از نازک به غلیظ پیش می رود و تغذیه کافی است; از نقاط داغ جدا شده خودداری کنید.
• طراحی و قرارگیری فیدر/رایزر. اطمینان حاصل کنید که رایزرهایی که به خوبی طراحی شده اند آخرین مناطق انجماد را تغذیه می کنند.
  برای ریخته گری دائمی در قالب, راندمان رایزر باید خنک‌کننده سریع‌تر و زمان تغذیه کوتاه‌تر باشد; در مواردی که مفید است از رایزرهای عایق یا آستین گرمازا استفاده کنید.
• تنش های داخلی را با عملیات حرارتی کاهش دهید. برای اجزای حیاتی, برای کاهش تنش‌های خاموشی که می‌تواند باعث ایجاد ترک‌خوردگی شود، بازپخت تنش‌زدایی یا همگن‌سازی پس از ریخته‌گری را در نظر بگیرید..
  توجه داشته باشید: برخی از گریدهای ضد زنگ ممکن است به چرخه حرارتی خاصی نیاز داشته باشند تا از ایجاد حساسیت یا فازهای نامطلوب جلوگیری شود - HT را با متالورژیست هماهنگ کنید..
• از آلیاژهای مقاوم در برابر پارگی یا پالایشگرهای غلات استفاده کنید. در صورت امکان، گریدها یا افزودنی هایی را انتخاب کنید که حساسیت به پارگی گرم را کاهش می دهند, و از پالایشگرهای دانه برای کنترل ساختار دندریتیک استفاده کنید.
• از تفاوت های ناگهانی خنک کننده خودداری کنید. دمای قالب و سرعت خنک‌سازی را برای کاهش گرادیان‌های حرارتی شدید مدیریت کنید (قالب ها را از قبل گرم کنید که مفید باشد).

3. استخراج قالب, پیش نویس, فیله و قابلیت ساخت برای قالب های فلزی

مشکل اصلی: قالب های دائمی هیچ بخششی ندارند; هسته ها و قطعات ریخته گری باید به گونه ای طراحی شوند که جهش قابل اعتماد و کمترین آسیب به ابزارآلات داشته باشند و در عین حال انقباض حرارتی را نیز در خود جای دهند..

ملاحظات و اقدامات کلیدی

• افزایش پیش نویس (مخروطی) نسبت به ریخته گری شن و ماسه. زیرا قالب های فلزی فاقد قابلیت جمع شدن ماسه هستند, تصویب کردن زوایای پیش نویس بزرگتر- از نظر معمول 30-50% بزرگتر از مواردی که برای ریخته گری شن و ماسه استفاده می شود.
  عملاً: اگر بادکش ماسه ای شما 1-2 درجه باشد, زوایای کشش قالب دائمی ~1.3-3° را طراحی کنید (مقیاس با پرداخت سطح, آلیاژ و ارتفاع دیوار).
  پیش نویس های بزرگتر تخلیه را تسهیل می کند و سایش ابزار را کاهش می دهد.
• شعاع فیله و شعاع گوشه را بزرگ کنید. استفاده کنید شعاع های سخاوتمندانه در تقاطع به: (الف) کاهش تمرکز استرس و ترک خوردگی, (ب) سهولت پر کردن قالب, و (ج) اجازه انتشار بهتر قطعه را بدهد.
  به عنوان یک قانون شست, مقیاس شعاع فیله را با ضخامت دیواره محلی بسازید (به عنوان مثال, شعاع به ترتیب 5-15% ضخامت دیواره موضعی, با حداقل شعاع عملی چند میلی متر برای ریخته گری های کوچک). (بر اساس هندسه و محدودیت های ابزار تنظیم کنید.)
• حداقل ضخامت دیوار - افزایش در مقایسه با ریخته گری شن و ماسه. قطعات ضد زنگ ریخته گری قالب فلزی معمولاً نیاز دارند حداقل ضخامت دیوار بزرگتر از جزء معادل ماسه ریخته گری زیرا قالب فلزی سریعتر گرم می شود.
  به عنوان یک قاعده, حداقل ماسه ریخته گری را افزایش دهید 20-50 ٪ برای همان آلیاژ و هندسه مگر اینکه طراحی و فرآیند قطعه تایید شده باشد. همیشه با قابلیت فرآیند ریخته گری و داده های آلیاژ تأیید کنید.
• حفره ها و دنده های داخلی: تارها و دنده های داخلی باید باشد 0.6-0.7× ضخامت دیواره خارجی مجاور(س) برای جلوگیری از مناطق خنک کند و انقباض دیفرانسیل که باعث ایجاد ترک می شود.
  اگر دنده های داخلی نسبت به دیوارهای اطراف بیش از حد ضخیم باشند، آخرین بار جامد می شوند و شروع کننده ترک در نقطه داغ هستند..
• پیش نویس برای هسته و چاپ هسته: زیرا هسته ها نمی توانند فشرده شوند, چاپ های اصلی و ویژگی های استخراج باید قوی بوده و دارای مخروط های رها شونده باشند. هنگامی که هندسه پیچیده است، هسته های جمع شونده یا هسته های تقسیم شده را در نظر بگیرید.
• در صورت امکان اشکال بیرونی پیچیده را ساده کنید. اگر یک شکل پیچیده باعث مشکلات تولید شود, هندسه خارجی را ساده کنید یا جزء را به مجموعه های فرعی تقسیم کنید تا از افت بازده جلوگیری کنید - این کار را با حفظ الزامات عملکردی انجام دهید.

4. موضوعات عملی اضافی - متالورژی, بازرسی و کنترل تولید

انتخاب و درمان آلیاژ

• خانواده ریخته گری ضد زنگ مناسب را برای عملکرد انتخاب کنید. گریدهای آستنیتی انعطاف‌پذیر و بخشنده هستند، اما دامنه‌های انجماد متفاوتی نسبت به آلیاژهای دوبلکس یا مارتنزیتی دارند - هر کدام به دریچه خاصی نیاز دارند., توالی رایزر و عملیات حرارتی.
• عملیات حرارتی پس از ریختگی باید مشخص شود. محلول آنیل, ممکن است به کاهش استرس یا تعدیل نیاز باشد; برای گریدهای دوبلکس، گرمای ورودی را کنترل کنید تا از تشکیل فاز سیگما نامطلوب جلوگیری شود.

تمرین قالب و ابزار

• پرداخت سطح و روانکاری. از روان کننده های قالب مناسب برای کاهش عیوب سطح ریخته گری و تسهیل تخلیه استفاده کنید, اما از روغن کاری بیش از حد که باعث تخلخل یا آلودگی می شود خودداری کنید.
• کنترل دمای قالب. پیش گرمایش و حفظ دمای قالب کنترل شده، شوک های حرارتی و انجماد ناسازگار را کاهش می دهد.
• هواگیری و گاز زدایی. برای جلوگیری از منافذ گاز، منافذ ایجاد کنید و از گاز زدایی استفاده کنید. برای کنترل تخلخل و گیر افتادن گاز، قالب های دائمی باید با دریچه یا کمک خلاء هنگام ریخته گری ضد زنگ طراحی شوند..

تضمین کیفیت & اعتبار سنجی

• از شبیه سازی انجماد و جریان استفاده کنید. مدل‌های CFD و انجماد در پیش‌بینی بسته‌های سرد بسیار مؤثر هستند, خطاها و خطر پارگی داغ برای ریخته‌گری‌های ضد زنگ قالب فلزی - از آنها قبل از ساخت قالب استفاده کنید.
• آزمایش غیر مخرب در هر بحران. رادیوگرافی, تست اولتراسونیک یا سی تی اسکن تخلخل داخلی را شناسایی می کند, آخال ها و ترک ها.
  سطح NDT باید متناسب با ایمنی و عملکرد باشد.
• خلبان می دود & صلاحیت فرآیند. اعتبار سنجی ابزار, گیتینگ و عملیات حرارتی با ریخته گری پایلوت و سپس پنجره های فرآیند سند (دمای ذوب, دمای قالب, زمان پر کردن, رژیم خاموش کردن, HT پس از بازیگری).

5. جدول خلاصه سریع - سه ناحیه توجه و اقدامات برتر

6. اظهارات پایانی

طراحی سازه های ریخته گری فولاد ضد زنگ برای تولید قالب فلزی یک مشکل سیستمی است که هندسه را در بر می گیرد., متالورژی و مهندسی فرآیند.

سه حوزه تمرکز بالا -پر کردن & جریان, پیشگیری از ترک, و استخراج/قابلیت ساخت قالب- حالت های اصلی خرابی را بگیرید و مستقیماً به راه حل های مهندسی اشاره کنید: اشکال صاف, ضخامت ها و انتقال های کنترل شده, دروازه و تغذیه مناسب, پیش نویس و فیله بندی کافی, و عملیات حرارتی معتبر.

از شبیه سازی استفاده کنید, آزمایشات آزمایشی و همکاری نزدیک بین طراحان و مهندسان ریخته گری برای تبدیل یک طرح چالش برانگیز به یک طرح قوی, بخش تولید قابل تکرار.

مراجع کلیدی

ASTM A351-23: مشخصات استاندارد برای ریخته گری, فولاد ضد زنگ آستنیتی, برای قطعات حاوی فشار.

انجمن ریخته گری آمریکایی (AFS). (2022). کتابچه راهنمای ریخته گری قالب دائمی. مطبوعات AFS.

ISO 3740:2019: مواد فلزی - ریخته گری - الزامات عمومی برای بازرسی و آزمایش.

دیویس, جی. آر. (2019). کتابچه راهنمای ریخته گری فولاد ضد زنگ. ASM International.