Kutistumistyypit metallivaluprosessissa

1. Esittely

Nykyaikaisessa tuotannossa, mitat tarkkuus ei ole neuvoteltavissa.

Toimialat, kuten ilmailu, autoteollisuus, ja energiaa vaativat tarkkuusvaletut komponentit tiiviillä toleranssit ja virheettömiä mikrorakenteita.

Yksi sitkeimmistä haasteista näiden tavoitteiden saavuttamisessa on metallin kutistuminen-metallien tilavuuskutistuminen niiden siirtyessä sulasta kiinteään tilaan ja jäähtyä sitten huoneenlämpötilaan.

Metallin kutistuminen tapahtuu useissa vaiheissa, ja siihen vaikuttavat tekijät, jotka vaihtelevat metalliseoskemiasta muotin suunnitteluun.

Sen vaikutukset vaihtelevat huomattavasti rauta- ja ei-rautametalliseokset, ja sen monimutkaisuus kasvaa epäyhtenäiset tai monimutkaiset geometriat.

Kutistumiseen puuttuminen on välttämätöntä mittapoikkeamien välttämiseksi, huokoisuus, ja mekaanisia vikoja.

2. Perusmekanismit

Metallin kutistuminen johtuu pääasiassa lämpösupistus ja vaihemuunnosvaikutukset. Kun metallit jäähtyvät, atomit liikkuvat lähemmäs toisiaan, mikä johtaa lineaarinen ja volyymi supistuminen.

Esimerkiksi, alumiiniseosten lineaarinen kutistumisnopeus voi vaihdella 5.5% -lla 6.5%, kun taas teräkset tyypillisesti kutistuvat ympäriinsä 2%.

Lisäksi, kutistuminen voimistuu aikana jähmettyminen, varsinkin tahmealla alueella – puolikiinteässä tilassa, jossa ruokinta vaikeutuu.

Se vuorovaikutus jäähtymisnopeuden välillä, seosten kemia, ja mikrorakenteen evoluutio määrittää, kompensoiko ruokinta tätä supistumista vai kehittyykö vikoja, kuten huokoisuus.

3. Kutistumisen luokitus metallivalussa

Kutistuminen metallivalussa voidaan luokitella sen jähmettymisprosessin vaiheen perusteella, jonka aikana se tapahtuu, sen tuottamien vikojen fyysiset ominaisuudet, ja sen perimmäiset syyt.

Näiden luokittelujen ymmärtäminen antaa valimoinsinöörille mahdollisuuden toteuttaa kohdennettuja suunnittelu- ja prosessiohjauksia valuvirheiden vähentämiseksi.

Nesteen kutistuminen

Nestekutistuminen tarkoittaa tilavuuden pienenemistä, joka tapahtuu sulan metallin jäähtyessä nestefaasissa ennen kiinteytymisen alkamista.

Tämäntyyppinen kutistuminen vaatii tyypillisesti jatkuvaa syöttöä nousuputkista tilavuushäviön kompensoimiseksi ja ilman imemisen tai epätäydellisten täyttöjen välttämiseksi.

• Tyypilliset magnitudit: Suunnilleen 1% -lla 2% tilavuushäviö nestefaasissa, vaihtelevat seoksen mukaan.
• Vaikutukset: Riittämätön nousuputken suunnittelu tai alhainen metallostaattinen paine voi johtaa väärinkäytökset, kylmä sulkeutuu, tai pinnan kutistumisvirheitä.

Jähmettyminen (Mushy-Zone) Kutistuminen

Siirtymisen aikana nesteestä kiinteään, metalli kulkee "soseisen" faasin läpi, jolle on ominaista dendriittisten kiintoaineiden ja interdendriittisten nesteiden rinnakkaiselo.

Tilavuuden vähentäminen tämän vaiheen aikana on haastavin käsitellä heikentyneen läpäisevyyden ja syöttökyvyn vuoksi.

• Vikatyypit: Sisäiset ontelot ja makrokutistuminen muodostuvat tyypillisesti viimeisille jähmettymisalueille, erityisesti lämpökeskuksissa tai huonosti syötetyissä osissa.
• Herkät metalliseokset: Seokset, joilla on laaja jäätymisalue (ESIM., jotkut kupari- ja alumiiniseokset) ovat erityisen haavoittuvia.

Kuviontekijä (Kiinteä) Kutistuminen

Täydellisen jähmettymisen jälkeen, valukappale jatkaa supistumista, kun se jäähtyy ympäristön lämpötilaan.

Tämä supistuminen, tunnetaan mallintekijän kutistumisena, on lineaarinen mittapienennys ja se otetaan tyypillisesti huomioon kuvioiden ja muottien suunnittelussa.

• Kutistumisnopeudet:

• • Harmaa rauta: ~1 %
  • Hiiliteräs: ~2 %
  • Alumiiniseokset: 4–6,5 %

• Tekninen vastaus: CAD-mallit skaalataan käyttämällä empiirisiä kutistuskertoimia mittapoikkeamien ehkäisemiseksi.

Makrokutistuminen vs. Mikrokutistuminen

• Makrokutistuminen: Nämä ovat suuria, näkyviä kutistuvia onteloita, usein paikallistettu lähellä nousuputkia, lämpökeskukset, tai paksuissa osissa.
  Ne heikentävät merkittävästi rakenteellista eheyttä ja tyypillisesti hylätään kriittisissä sovelluksissa.
• Mikrokutistuminen: Nämä ovat hajallaan olevia huokoisuuksia mikroskooppisella tasolla, johtuvat usein riittämättömästä dendriitin välisestä syötöstä tai paikallisista lämpögradienteista.
  Vaikka ne eivät välttämättä näy ulkoisesti, ne heikentävät väsymiskestävyyttä, paineenrajoitus, ja mekaaniset ominaisuudet.

Putket ja avoin kutistuminen

Putkella tarkoitetaan ominaista suppilon muotoista kutistumisonteloa, joka muodostuu valun tai nousuputken yläosaan progressiivisesta jähmettymisestä kehältä sisäänpäin.
Avoin kutistuminen on pintaan liittyvä ontelo, joka osoittaa syöttöhäiriön.

• Toimialat, joita se koskee: Putket ovat yleisiä teräsvalut rakenne- ja painekomponentteihin, joissa syöttövaatimukset ovat korkeat.
• Valvontatoimenpiteet: Oikea nousuputken suunnittelu, mukaan lukien eristysholkkien ja eksotermisten materiaalien käyttö, voi merkittävästi vähentää tai poistaa näitä vikoja.

4. Metallurginen näkökulma

Kiinteytyskäyttäytyminen on seoksesta riippuvaista ja vaikuttaa kutistumisominaisuuksiin:

Eutektinen kiinteytyminen

Seokset, kuten harmaa rauta ja Al-Si, osoittavat kapeat jäätymisalueet. Kiinteytyminen tapahtuu lähes samanaikaisesti koko valun ajan, vähentää ruokintatarpeita mutta lisää kaasuhuokoisuuden riskiä.

Suuntautunut jähmettyminen

Suositellaan rakennevaluihin (ESIM., teräksissä tai Ni-pohjaisissa superseoksissa), tämä mahdollistaa ennustettavat ruokintareitit.

Säätämällä lämpögradienttia, jähmettyminen etenee ohuemmista osista paksumpiin.

Tasapainoinen kiinteytys

Yleinen pronssissa ja joissakin Al-seoksissa, tähän liittyy jyvien satunnainen ytimen muodostuminen, mikä voi häiritä syöttökanavia ja lisätä huokoisuutta.

Metallurgian näkökulmasta, vilja, rokotus, ja metalliseos suunnittelu niillä on ratkaiseva rooli kutistumisen minimoinnissa edistämällä tasaista jähmettymistä ja parantamalla syötettävyyttä.

5. Design & Tekninen näkökulma

Suunnittelun ja suunnittelun näkökulmasta, kutistumisen hallinta alkaa älykkäällä geometrialla ja kohdistetuilla ruokintastrategioilla.

Tehokkaat osat eivät ainoastaan ​​heijasta metallurgista ymmärrystä, vaan myös ilmentävät leikkausta koskevia parhaita käytäntöjä, kuvion skaalaus, ja lämmönhallinta.

Osan paksuus & Lämpögradientit

Paksummat osat säilyttävät lämmön pidempään, luo "kuumia kohtia", jotka jähmettyvät viimeiseksi ja vetävät sulan metallin pois ohuemmilta alueilta.

Esimerkiksi, eräs 50 mm paksu terässeinä voi jäähtyä klo 5 °C/min, kun taas a 10 mm:n osa jäähtyy klo 20 °C/min samoissa olosuhteissa. Tämän lieventämiseksi:

• Tasainen seinämän paksuus minimoi äärimmäiset kaltevuudet.
• Pyöristetyt siirtymät (pienin fileen säde = 0,5× seinämän paksuus) estää paikallista lämpörasitusta.
• Kun paksuus vaihtelee enemmän kuin 3:1, sisältää sisäisiä vilunväristyksiä tai paikallisia nousuputkia.

Kuvion skaalaus & Alueelliset korvaukset

Globaalit kutistumisoikeudet vaihtelevat tyypillisesti 2.4% hiiliteräksille 6.0% alumiiniseoksille. Kuitenkin, monimutkaisten valukappaleiden kysyntä aluekohtainen skaalaus:

• Ohuet verkot (≤ 5 mm): soveltaa 0,8-kertaista yleiskorvausta (esim. 1.9% terästä varten).
• Paksut pomot (≥ 30 mm): kasvaa 1,2x (esim. 2.9% terästä varten).
  Nykyaikaiset CAD-työkalut tukevat monitekijäistä skaalausta, mahdollistaa paikallisten päästöoikeuksien suoran kartoituksen kuvion geometriaan.

Nousulaite, Portti & Jäähdytysstrategiat

Edistäminen Suunta jähmettyminen edellyttää syöttölaitteiden ja lämpötilan säätimien strategista sijoittamista:

• Nousulaitteen äänenvoimakkuus pitäisi olla yhtä suuri 30–40% sen ruokkiman vyöhykkeen massasta.
• Sijoita nousuputket suoraan lämpöpisteiden yläpuolelle, tunnistetaan jähmettymissimulaatiolla tai lämpöanalyysillä.
• Eristävät hihat nousuputkien ympärillä hidastaa niiden jäähtymistä 15–20 %, ruokinta-ajan pidentäminen.
• Vilunväristykset kuparista tai raudasta valmistetut nopeuttavat paikallista jähmettymistä, kääntäen jähmettymisrintaman kohti nousuputkea.

Valmistettavuuden suunnittelu

Varhainen yhteistyö suunnittelu- ja valimotiimien välillä vähentää kutistumisriskiä.

Integroimalla DFM-ohjeet-kuten yhtenäinen leikkaus, riittävät syväyskulmat (> 2° hiekkavalua varten), ja yksinkertaistetut ytimet – insinöörit voivat:

• Alentaa romun määrää 20–30%
• Lyhennä läpimenoaikoja välttämällä useita kuvioiden iteraatioita
• Varmista ensikierron menestys erittäin tarkoissa komponenteissa, kuten moottorin kotelot ± 0,2 mm toleranssivaatimukset

6. Simulointi & Ennakoiva mallinnus

Nykyaikainen valutoimintojen vipuvaikutus CFD-pohjaiset lämpö- ja nestesimulaatiot tunnistaa ennaltaehkäisevästi kutistuville alttiit alueet.

Käyttämällä työkaluja, kuten MAGMASOFT®, Flow-3D®, tai ProCAST®, valimot voivat:

• Ennustaa kuumia pisteitä ja syöttöreitit
• Arvioi seosten valinnan vaikutus, muotin suunnittelu, ja kaatoparametrit
• Simuloi useita valuskenaarioita ennen fyysistä tuotantoa

Simuloinnin integrointi kanssa CAD/CAM-järjestelmät mahdollistaa tarkemman työkalusuunnittelun, vähentää merkittävästi yritys ja erehdys -iteraatioita, jätettä, ja läpimenoaika.

7. Laadunvalvonta & Tarkastus

Vikojen havaitseminen on ratkaisevan tärkeää valukappaleen eheyden varmistamisessa. Yleisesti käytetty Testi (Ndt) menetelmät sisältävät:

• Radiografinen tarkastus (Röntgenkuva): Tunnistaa sisäiset kutistumisontelot ja makrovirheet
• Ultraäänitestaus (Ut): Ihanteellinen huokoisuuden ja sisäisten epäjatkuvuuksien havaitsemiseen tiheissä metalliseoksissa
• Dimensionaalinen analyysi (CMM, 3D laserskannaus): Vahvistaa kutistumisrajat ja vaatimustenmukaisuuden

Valimot myös toteuttavat Tilastollinen prosessien hallinta (SPC) seurata kutistumisen vaihteluita erien välillä ja parantaa jatkuvasti prosessin kapasiteettia.

8. Likimääräiset lineaariset kutistumisvarat tavallisille valuseoksille.

Alla on konsolidoitu taulukko likimääräisistä lineaarisista kutistumisarvoista useille yleisesti valetuille metalliseoksille.

Käytä näitä lähtöpisteinä kuviossa tai CAD-skaalauksessa – vahvista sitten simulaatiolla ja prototyyppikokeilla valitaksesi lopulliset mitat.

9. Johtopäätös

Erilaisten kutistumien ymmärtäminen metallivalussa – neste, jähmettyminen, ja solid-state - on välttämätöntä rakenteellisesti kestävien ja mitoiltaan tarkkojen komponenttien tuottamiseksi.

Seokset ja osien geometriat monimutkaistuvat, niin myös strategioitamme on kehitettävä.

Kutistumisen lieventäminen vaatii a monitieteinen lähestymistapa johon liittyy metallurgia, design, simulointi, ja laadunvalvonta.

Valimot, jotka ottavat vastaan ennustava mallinnus, reaaliaikainen ohjaus, ja yhteistyön suunnitteluprosesseja ovat paremmin varustautuneet vähentämään jätettä, optimoida kustannukset, ja toimittaa komponentteja, jotka täyttävät korkeimmat suorituskyky- ja luotettavuusstandardit.

At Tämä, keskustelemme mielellämme projektistasi suunnitteluprosessin varhaisessa vaiheessa varmistaaksemme, että mikä tahansa seos valitaan tai valun jälkikäsittelyä käytetään, tulos täyttää mekaaniset ja suorituskykyvaatimukset.

Keskustelemaan tarpeistasi, sähköposti [email protected].