Három kritikus szempont a rozsdamentes acél öntvényszerkezeteknél

Rozsdamentes acél fémből készült öntvények (állandó) a formák vagy a precíziós befektetési formák egyedülálló lehetőségeket és kockázatokat kínálnak.

Összehasonlítva a homok-forma öntvényekkel, A fémöntvény-öntvények gyorsabban lehűlnek és megszilárdulnak, és a zsugorodás során a forma nem ad „adót”..

Ez a gyorsabb hűtés és a nulla penész megfelelőség növeli a belső feszültségeket, növeli a repedés esélyét, és felnagyítja az olyan hibákat, mint például a hibás futás, hidegzárak és hiányos kitöltés.

Robusztus előállításához, megbízható rozsdamentes acél öntvényszerkezetek, a tervezés és a folyamatirányítás három kategóriája érdemel kiemelt figyelmet:

(1) biztosítja a teljes feltöltést és elkerüli a hideg hibákat, (2) a megszilárdulási repedés és a mechanikai repedés megakadályozása, és (3) formakivonásra való tervezés, szerszámozás és méretstabilitás.

Az alábbiakban részletesen elmagyarázzuk az egyes területeket, és konkrétumot adunk, mérnöki szintű tevékenységek és ellenőrző listák.

Áttekintés – miért különlegesek a rozsdamentes acélöntvények fémformákban

• Gyorsabb hűtés → nagyobb termikus gradiens. A gyors hőelvonás megnöveli a belső húzófeszültségeket a megszilárdulás során és szobahőmérsékleten.
• Nincs penész megfelelőség. A homokkal ellentétben, a fém matricák nem nyomódnak össze a zsugorodáshoz; a visszafogott zsugorodás repedést vagy forró szakadást okoz, kivéve, ha a kialakítás lehetővé teszi a szabad összehúzódást vagy adagolást.
• A felületi/áramlási viselkedés megváltozik. A vékony szakaszok gyorsan elveszítik a fém folyékonyságát; nagy vízszintes felületek és éles sarkok rontják az oxidképződést, hideg áramlás és félrefutás.
• Ötvözetérzékenység. Rozsdamentes acél ötvözetek (austenit, duplex, martenzites öntvényminőségek) fagyástartományban különböznek, folyékonyság és melegrepedésre való hajlam – ezért az ötvözet-specifikus kialakítás elengedhetetlen.

1. A hiányos töltés megakadályozása, hidegzárások és egyéb töltési hibák

Alapvető probléma: fémformákban a rozsdamentes olvadékok gyorsan hőt veszítenek, és megszilárdulhatnak, mielőtt az üreg teljesen megtelne, félrefutásokat produkál, hideg körök és oxid bezáródás.

Tervezési alapelvek

• Sima, áramvonalas külső geometria. Kerülje a hirtelen szakaszváltásokat, éles sarkok, és az áramlást zavaró lépésváltoztatások.
  Előnyben részesítse a lekerekített átmeneteket és a szegélyezett csomópontokat a lamináris fémáramlás fenntartása és az oxidfilm beszorulásának csökkentése érdekében.
• Kerülje a nagy vízszintes lapokat. A vízszintes felületek lassú töltést okoznak, kiterjedt levegő/fém érintkezés (oxidáció) és a folyékonyság elvesztése; szelíd dőléssel törje meg a nagy lakásokat, bordák vagy lejtős vonások.
• Használjon megfelelő metszetvastagságot. Ne készítsen kiterjedt, nagy felületű vékony falakat.
  A nagy alkatrészek vékony részei lehűlnek, és gyorsan elveszítik a folyóképességüket – vagy vastagítják a kritikus szakaszokat, vagy tervezzenek helyi vastagításokat az adagoláshoz.
• Optimalizált kapu és futópálya kialakítás. Keresse meg a kapukat, hogy először a legnehezebb vagy leglassabban töltő területeket táplálja; jó méretű ingát használjon, lekerekített bemenetek és áramlási tágulások a turbulencia és az oxidok bevonásának minimalizálása érdekében.
  Alkalmazzon olyan tömítési geometriákat, amelyek a folyékony fém hőmérsékletét magasan tartják, amikor eléri a legtávolabbi üregpontokat.

Folyamatvezérlés

• Túlhőkezelés. Tartsa az olvadékhőmérsékletet a választott ötvözethez ajánlott tartomány felső részén (biztonságos határokon belül), a folyékonyság meghosszabbítása az oxidáció elősegítése nélkül.
• Védő légkör / fluxing. Minimalizálja az oxidációt (különösen vékony járatokban) fedőfolyasztószerek segítségével, vákuum vagy védő atmoszféra, ahol lehetséges.
• Szigetelt vagy fűthető kapuk és adagolók. A helyi fűtés vagy a futószalagok szigetelő hüvelyei megtartják a hőt és csökkentik a hibás futást.
• Használjon hidegrázást, ahol szükséges. A stratégiai külső lehűlés elősegíti a közvetlen megszilárdulást, és megfelelő kapuzással kombinálva csökkentheti a hidegzárás kockázatát; kerülje a hidegrázást, amely idő előtt megszilárdítja az utolsó áramlási utat.
• Szimuláció (megszilárdulás/áramlás CFD) A töltési idő ellenőrzésére és a hidegzárás kockázatának azonosítására kell használni a szerszám gyártása előtt.

2. Öntési repedések megelőzése, forró könnyek és stresszes törések

Alapvető probléma: visszafogott zsugorodás, a termikus gradiensek és a helyi feszültségkoncentrátorok forró szakadást okoznak a megszilárdulás során, vagy repedést okoznak a hűtés során.

Szerkezeti tervezési szabályok

• Egységes falvastagság. Tervezze meg a falakat a lehető legegységesebbre.
  Kerülje a hirtelen átmeneteket a vékony és vastag részek között; ahol átmenetekre van szükség, használjon fokozatos kúpos vágást és bőséges filét.
• Adjon hozzá bordákat és szegélyeket a gyenge zónákhoz. Vékony háló, a vékony kiemelkedések vagy a hosszú, alátámasztatlan falak repedésre hajlamosak – erősítse meg bordákkal vagy kiemelkedésekkel, de úgy kell megtervezni őket, hogy ne okozzanak korlátozó korlátokat a zsugorodásra vonatkozóan.
• Minimalizálja azokat a funkciókat, amelyek megakadályozzák a szabad zsugorodást. Fülek, az összehúzódást mechanikusan visszafogó karimák és beágyazott kiemelkedések gyakori repedéseket okoznak; számának csökkentése, áthelyezni, vagy megfelelő megkönnyebbüléssel tervezze meg őket.
• Előnyben részesítse a ferde illesztéseket a függőleges tompakötésekkel szemben. Cserélje ki a függőleges lépcsőzetes csatlakozásokat ferde vagy kúpos csatlakozásokra, ahol lehetséges – a lejtők segítenek elkerülni a megszilárdult húzófeszültséget.
• Bőséges filé minden belső/külső sarokban. Az éles sarkok feszültségkoncentrátorként és gócképző helyként szolgálnak a repedések számára.
  Öntött rozsdamentes alkatrészekhez, nagyobb sugarakat használjon, mint a homoköntéshez – a falvastagsághoz tartozó méretarányt (lásd az alábbi receptet).

Folyamat & kohászati ​​ellenőrzések

• A megszilárdulás irányának szabályozása. Használja az irányított szilárdulás elveit (felszálló elhelyezése és hidegrázás) hogy a megszilárdulás vékonyról sűrűre haladjon, és a táplálás megfelelő legyen; kerülje az elszigetelt forró pontokat.
• Az adagolók/felszállók kialakítása és elhelyezése. Gondoskodjon arról, hogy a jól megtervezett felszállók táplálják az utolsó szilárduló régiókat.
  Állandó öntéshez, A felszállócső hatékonyságának figyelembe kell vennie a gyorsabb hűtést és a rövidebb betáplálási időt; használjon szigetelő felszállókat vagy exoterm hüvelyeket, ahol ez hasznos.
• A belső feszültségek enyhítése hőkezeléssel. Kritikus alkatrészekhez, fontolja meg az öntés utáni feszültségcsökkentő izzítást vagy homogenizálást a repedést kiváltó feszültségek csökkentése érdekében.
  Jegyzet: egyes rozsdamentes minőségek speciális hőciklusokat igényelhetnek az érzékenység vagy a nem kívánt fázisok elkerülése érdekében – a HT-t kohászsal kell koordinálni.
• Használjon forró szakadásnak ellenálló ötvözeteket vagy szemcsefinomítót. Ahol lehetséges, válasszon olyan minőségeket vagy adalékokat, amelyek csökkentik a forró szakadásra való hajlamot, és szemcsefinomítókat alkalmaznak a dendrites szerkezet szabályozására.
• Kerülje el a hirtelen hűtési különbségeket. Kezelje a formák hőmérsékletét és a hűtési sebességet az éles termikus gradiensek csökkentése érdekében (melegítse elő a formákat, ahol előnyös).

3. Penész kivonás, vázlat, filék és gyárthatóság fémformákhoz

Alapvető probléma: az állandó formák nem adnak semmit; a magokat és az öntvényeket úgy kell megtervezni, hogy megbízható kilökődést és minimális szerszámsérülést biztosítsanak, ugyanakkor figyelembe kell venni a hőösszehúzódást.

Főbb megfontolások és intézkedések

• Növelje a piszkozatot (kúpos) homoköntéshez képest. Mivel a fémformákból hiányzik a homok összecsukhatósága, nyújtani nagyobb huzatszögek– jellemzően 30–50%-kal nagyobb, mint a homoköntéshez használtak.
  Gyakorlatilag: ha a homoköntött huzatod 1°–2°, ~1,3°–3°-os tartós szerszámbehúzási szöget kell tervezni (méretarányú felületkezeléssel, ötvözet és falmagasság).
  A nagyobb huzat megkönnyíti a kilökődést és csökkenti a szerszámkopást.
• A kivágás sugarai és a sarok sugarai nagyítása. Használat nagyvonalú sugarak elágazásoknál: (A) csökkenti a feszültségkoncentrációt és a repedéseket, (b) megkönnyíti a formák kitöltését, és (c) jobb alkatrészleadást tesz lehetővé.
  Ökölszabályként, készítse el a filé sugarait a helyi falvastagsággal (PÉLDÁUL., sugarak a sorrendben 5– a helyi falvastagság 15%-a, kis öntvényeknél néhány milliméteres minimális gyakorlati sugárral). (Állítsa be a geometria és a szerszámok megszorításai szerint.)
• Minimális falvastagság – növekedés vs homoköntés. A fémöntvény rozsdamentes alkatrészekhez általában szükség van nagyobb minimális falvastagság, mint az egyenértékű homoköntvény alkatrészé mert a fémforma gyorsabban vonja ki a hőt.
  Rendszerint, növelje a homoköntési minimumot a 20–50% ugyanarra az ötvözetre és geometriára, kivéve, ha az alkatrész tervezése és folyamata validálva van. Mindig ellenőrizze az öntödei folyamat képességét és az ötvözet adatait.
• Belső üregek és bordák: belső hálóknak és bordáknak kell lenniük 0.6–0,7× a szomszédos külső fal vastagsága(S) a lassú lehűlési zónák és a repedést okozó differenciális zsugorodás elkerülése érdekében.
  Ha a belső bordák túl vastagok a környező falakhoz képest, akkor utoljára megszilárdulnak, és forró pontokon repedést okoznak..
• Vázlat a magokhoz és a magnyomatokhoz: mert a magok nem tudnak tömöríteni, Az alapnyomatoknak és az extrakciós jellemzőknek robusztusnak kell lenniük, és kioldó kúpokat kell tartalmazniuk. Vegye figyelembe az összecsukható magokat vagy az osztott magokat, ha a geometria összetett.
• Lehetőség szerint egyszerűsítse le az összetett külső formákat. Ha egy összetett forma gyártási nehézségeket okoz, egyszerűsítse a külső geometriát vagy ossza fel az alkatrészt részegységekre a hozamcsökkenés elkerülése érdekében – tegye ezt a funkcionális követelmények betartása mellett.

4. További gyakorlati témák — kohászat, ellenőrzés és gyártásellenőrzés

Ötvözet kiválasztása és kezelés

• Válassza ki a funkcióhoz a megfelelő rozsdamentes öntvénycsaládot. Az ausztenites minőségek képlékenyek és elnézőek, de más megszilárdulási tartományuk van, mint a duplex vagy martenzites ötvözetek – mindegyik speciális kapuzást igényel, felszálló és hőkezelési szekvenciák.
• Az öntés utáni hőkezelést meg kell határozni. Oldat lágyítás, stresszoldásra vagy temperálásra lehet szükség; A duplex minőségek esetén szabályozza a hőbevitelt a nemkívánatos szigmafázis kialakulásának elkerülése érdekében.

Forma- és szerszámozási gyakorlat

• Felületkezelés és kenés. Használjon megfelelő kenőanyagot az öntvény felületi hibáinak csökkentése és a kilökődés megkönnyítése érdekében, de kerülje a porozitást vagy szennyeződést okozó túlkenést.
• Forma hőmérséklet szabályozás. Az előmelegítés és az ellenőrzött formahőmérséklet fenntartása csökkenti a hősokkokat és az inkonzisztens megszilárdulást.
• Szellőztető és gázelvezető. Biztosítson szellőzőnyílásokat és használjon gáztalanítást a gázpórusok elkerülése érdekében. A tartós formákat szellőzőnyílásokkal vagy vákuum-rásegítővel kell megtervezni a rozsdamentes acél öntéséhez a porozitás és a gázbezáródás szabályozása érdekében.

Minőségbiztosítás & érvényesítés

• Használjon megszilárdulást és áramlási szimulációt. A CFD és a megszilárdulási modellek rendkívül hatékonyak a hidegzárások előrejelzésében, hibás futás és forró szakadás veszélye a fémöntvény rozsdamentes öntvényeknél – használja őket a szerszámgyártás előtt.
• Roncsolásmentes vizsgálat kritikusságonként. Röntgenográfia, ultrahangos vizsgálat vagy CT vizsgálat azonosítja a belső porozitást, zárványok és repedések.
  Az NDT szintjének arányosnak kell lennie a biztonsággal és a funkcióval.
• Pilóta fut & folyamat minősítése. Érvényesítse a szerszámokat, kapuzás és hőkezelés próbaöntvényekkel, majd dokumentálási folyamat ablakai (olvadási hőm, forma hőm, kitöltési idő, oltási rend, öntött HT).

5. Gyors összefoglaló táblázat – három figyelemterület és a legfontosabb műveletek

6. Záró megjegyzések

A rozsdamentes acél öntvényszerkezetek tervezése fém-öntvénygyártáshoz olyan rendszerprobléma, amely átível a geometrián, kohászat és folyamattechnika.

A fenti három fókuszterület –töltő & folyik, repedésmegelőzés, és penészkivonás/gyárthatóság— rögzítse a fő hibamódokat, és közvetlenül a műszaki megoldásokra mutasson: sima formák, szabályozott vastagságok és átmenetek, megfelelő kapuzás és etetés, megfelelő huzat és filézés, és validált hőkezelés.

Használjon szimulációt, kísérleti kísérletek és szoros együttműködés a tervezők és az öntödei mérnökök között, hogy egy kihívást jelentő tervezést robusztussá alakítsanak, ismételhető gyártási rész.

Főbb hivatkozások

ASTM A351-23: Szabványos specifikáció öntvényekhez, Austenit rozsdamentes acél, Nyomástartalmú alkatrészekhez.

Amerikai Öntödei Társaság (AFS). (2022). Állandó öntőforma öntési kézikönyv. AFS Press.

Izo 3740:2019: Fémes anyagok – Öntvények – Általános ellenőrzési és tesztelési követelmények.

Davis, J. R -tól. (2019). Rozsdamentes acél öntési kézikönyv. ASM International.