Tiga Pertimbangan Kritis untuk Struktur Cor Baja Tahan Karat

Baja tahan karat coran dibuat dari logam (permanen) cetakan atau cetakan investasi presisi menghadirkan serangkaian peluang dan risiko yang unik.

Dibandingkan dengan pengecoran cetakan pasir, cetakan logam mendingin dan mengeras lebih cepat dan cetakan tidak memberikan “pengurangan” selama penyusutan.

Pendinginan yang lebih cepat ditambah kepatuhan terhadap cetakan nol meningkatkan tekanan internal, meningkatkan kemungkinan retak dan memperbesar cacat seperti salah berjalan, penutupan dingin dan pengisian tidak lengkap.

Untuk menghasilkan yang kuat, struktur cor baja tahan karat yang andal, tiga kategori desain dan pengendalian proses patut mendapat perhatian utama:

(1) memastikan pengisian lengkap dan menghindari cacat dingin, (2) mencegah retak solidifikasi dan retak mekanis, Dan (3) merancang untuk ekstraksi cetakan, perkakas dan stabilitas dimensi.

Berikut ini penjelasan masing-masing area secara mendalam dan diberikan konkritnya, tindakan dan daftar periksa tingkat teknik.

Ikhtisar — ​​mengapa pengecoran baja tahan karat dalam cetakan logam itu istimewa

• Pendinginan lebih cepat → gradien termal lebih tinggi. Ekstraksi panas yang cepat meningkatkan tegangan tarik internal selama pemadatan dan pada suhu kamar.
• Tidak ada kepatuhan cetakan. Berbeda dengan pasir, cetakan logam tidak dikompres untuk mengakomodasi penyusutan; penyusutan yang terkendali menyebabkan keretakan atau sobekan panas kecuali jika desain memungkinkan kontraksi atau pengumpanan bebas.
• Perubahan perilaku permukaan/aliran. Bagian tipis kehilangan fluiditas logam dengan cepat; permukaan horizontal yang besar dan sudut tajam memperburuk pembentukan oksida, aliran dingin dan salah lari.
• Sensitivitas paduan. Paduan baja tahan karat (Austenitic, rangkap, nilai cor martensit) berbeda dalam rentang titik beku, fluiditas dan kerentanan terhadap retak panas—sehingga desain khusus paduan sangat penting.

1. Mencegah pengisian yang tidak lengkap, penutup dingin dan cacat pengisian lainnya

Masalah inti: dalam cetakan logam, lelehan baja tahan karat kehilangan panas dengan cepat dan dapat mengeras sebelum rongga terisi penuh, menghasilkan kesalahan berjalan, putaran dingin dan jebakan oksida.

Prinsip desain

• Mulus, geometri eksternal yang efisien. Hindari perubahan bagian yang tiba-tiba, sudut tajam, dan perubahan langkah yang mengganggu aliran.
  Lebih memilih transisi bulat dan sambungan fillet untuk mempertahankan aliran logam laminar dan mengurangi jebakan film oksida.
• Hindari flat horizontal yang besar. Permukaan horizontal menyebabkan pengisian lambat, kontak udara/logam yang luas (oksidasi) dan hilangnya fluiditas; pecahkan flat besar dengan camber yang lembut, rusuk atau fitur miring.
• Gunakan ketebalan bagian yang sesuai. Jangan membuat dinding tipis yang luas dan luas.
  Bagian tipis pada komponen besar menjadi dingin dan kehilangan kemampuan mengalir dengan cepat—baik mengentalkan bagian penting atau merancang pengental lokal untuk feeding.
• Desain gerbang dan runner yang dioptimalkan. Temukan gerbang untuk memberi makan daerah terberat atau paling lambat pengisiannya terlebih dahulu; gunakan saluran masuk berukuran besar, pintu masuk yang membulat dan perluasan aliran untuk meminimalkan turbulensi dan masuknya oksida.
  Gunakan geometri pintu masuk yang menjaga suhu logam cair tetap tinggi ketika mencapai titik rongga terjauh.

Kontrol proses

• Manajemen panas berlebih. Pertahankan suhu leleh pada kisaran tertinggi yang direkomendasikan untuk paduan yang dipilih (dalam batas aman), untuk memperpanjang fluiditas tanpa meningkatkan oksidasi.
• Atmosfer pelindung / fluks. Minimalkan oksidasi (terutama di jalur yang tipis) menggunakan fluks penutup, vakum atau atmosfer pelindung jika memungkinkan.
• Gerbang dan pengumpan berinsulasi atau dipanaskan. Pemanasan lokal atau selongsong isolasi pada pelari dapat menahan panas dan mengurangi kesalahan lari.
• Gunakan obat dingin jika diperlukan. Pendinginan eksternal yang strategis membantu mengarahkan pemadatan dan dapat mengurangi risiko penutupan dingin bila dikombinasikan dengan gerbang yang tepat; hindari rasa dingin yang memantapkan jalur aliran terakhir sebelum waktunya.
• Simulasi (CFD solidifikasi/aliran) harus digunakan untuk memastikan waktu pengisian dan mengidentifikasi risiko cold-shut sebelum fabrikasi cetakan.

2. Mencegah pengecoran retak, air mata panas dan patah tulang karena stres

Masalah inti: penyusutan yang terkendali, gradien termal dan konsentrator tegangan lokal menyebabkan robekan panas selama pemadatan atau retak saat pendinginan.

Aturan desain struktural

• Ketebalan dinding yang seragam. Rancang dinding agar seragam sebisa mungkin.
  Hindari transisi mendadak antara bagian tipis dan tebal; dimana transisi diperlukan, gunakan potongan bertahap dan fillet yang banyak.
• Tambahkan tulang rusuk dan gusset ke zona lemah. Jaring tipis, bagian atas yang tipis atau dinding panjang yang tidak ditopang rawan retak—perkuat dengan rusuk atau bagian atas, namun rancanglah sedemikian rupa sehingga tidak menciptakan batasan yang membatasi penyusutan.
• Minimalkan fitur yang menghalangi penyusutan gratis. Lugs, flensa dan bos tertanam yang secara mekanis menahan kontraksi sering menjadi pemicu keretakan; mengurangi jumlah, pindah, atau rancang dengan relief yang sesuai.
• Lebih memilih sambungan miring daripada sambungan pantat vertikal. Ganti sambungan vertikal bertahap dengan sambungan miring atau runcing jika memungkinkan—kemiringan membantu menghindari tegangan tarik yang terperangkap selama pemadatan.
• Fillet yang banyak di seluruh sudut internal/eksternal. Sudut tajam bertindak sebagai pusat tegangan dan tempat nukleasi retakan.
  Untuk komponen cor tahan karat, gunakan jari-jari yang lebih besar dibandingkan pengecoran pasir—radius fillet skala dengan ketebalan dinding (lihat resep di bawah ini).

Proses & kontrol metalurgi

• Kontrol arah pemadatan. Gunakan prinsip solidifikasi terarah (penempatan riser dan kedinginan) sehingga pemadatan berlangsung dari tipis ke kental dan pemberian pakan mencukupi; menghindari hot spot yang terisolasi.
• Desain dan penempatan pengumpan/riser. Pastikan anak tangga yang dirancang dengan baik memenuhi daerah yang terakhir mengeras.
  Untuk pengecoran cetakan permanen, efisiensi riser harus memperhitungkan pendinginan yang lebih cepat dan waktu pengumpanan yang lebih singkat; gunakan anak tangga isolasi atau selongsong eksotermik jika berguna.
• Hilangkan tekanan internal dengan perlakuan panas. Untuk komponen penting, pertimbangkan anil atau homogenisasi pelepas tegangan pasca pengecoran untuk mengurangi tegangan pendinginan yang dapat memicu keretakan.
  Catatan: beberapa jenis baja tahan karat mungkin memerlukan siklus termal tertentu untuk menghindari sensitisasi atau fase yang tidak diinginkan—koordinasikan HT dengan ahli metalurgi.
• Gunakan paduan tahan sobek panas atau pemurni biji-bijian. Jika memungkinkan pilihlah grade atau bahan tambahan yang mengurangi kerentanan terhadap robekan panas, dan menerapkan pemurnian biji-bijian untuk mengontrol struktur dendritik.
• Hindari perbedaan pendinginan yang tiba-tiba. Kelola suhu cetakan dan laju pendinginan untuk mengurangi gradien termal yang tajam (cetakan yang sudah dipanaskan sebelumnya jika bermanfaat).

3. Ekstraksi cetakan, draf, fillet dan kemampuan manufaktur untuk cetakan logam

Masalah inti: cetakan permanen tidak ada gunanya; inti dan coran harus dirancang untuk ejeksi yang andal dan kerusakan perkakas yang minimal sekaligus mengakomodasi kontraksi termal.

Pertimbangan dan tindakan utama

• Tingkatkan draf (lancip) dibandingkan dengan pengecoran pasir. Karena cetakan logam tidak memiliki kemampuan melipat pasir, menyediakan sudut rancangan yang lebih besar-khas 30–50% lebih besar dari yang digunakan untuk pengecoran pasir.
  Praktis: jika draft pasir Anda adalah 1°–2°, desain sudut rancangan cetakan permanen ~1,3°–3° (skala dengan permukaan akhir, paduan dan tinggi dinding).
  Aliran udara yang lebih besar memudahkan ejeksi dan mengurangi keausan alat.
• Perbesar jari-jari fillet dan jari-jari sudut. Menggunakan radius yang murah hati di persimpangan ke: (A) mengurangi konsentrasi tegangan dan retak, (B) memudahkan pengisian cetakan, Dan (C) memungkinkan pelepasan bagian yang lebih baik.
  Sebagai aturan praktis, membuat skala jari-jari fillet dengan ketebalan dinding setempat (MISALNYA., jari-jari pada urutan 5–15% dari ketebalan dinding lokal, dengan radius praktis minimum beberapa milimeter untuk coran kecil). (Sesuaikan per geometri dan batasan perkakas.)
• Ketebalan dinding minimum — meningkat vs pengecoran pasir. Biasanya diperlukan komponen tahan karat cetakan logam ketebalan dinding minimum yang lebih besar daripada komponen cetakan pasir yang setara karena cetakan logam lebih cepat mengeluarkan panas.
  Sebagai aturan, tingkatkan minimum pengecoran pasir sebesar 20–50% untuk paduan dan geometri yang sama kecuali desain dan proses bagian divalidasi. Selalu verifikasi dengan kemampuan proses pengecoran dan data paduan.
• Rongga bagian dalam dan tulang rusuk: jaringan internal dan tulang rusuk seharusnya 0.6–0,7× ketebalan dinding luar yang berdekatan(S) untuk menghindari zona dingin lambat dan penyusutan diferensial yang menyebabkan retak.
  Jika tulang rusuk bagian dalam terlalu tebal dibandingkan dengan dinding di sekelilingnya, maka tulang rusuk bagian dalam akan mengeras paling akhir dan menjadi pemicu terjadinya retakan di titik panas.
• Draf untuk inti dan cetakan inti: karena inti tidak dapat dikompres, cetakan inti dan fitur ekstraksi harus kuat dan mencakup lancip pelepasan. Pertimbangkan inti yang dapat dilipat atau inti yang terbelah ketika geometrinya rumit.
• Sederhanakan bentuk luar yang rumit jika memungkinkan. Jika bentuknya rumit menyebabkan kesulitan produksi, menyederhanakan geometri eksternal atau membagi komponen menjadi sub-rakitan untuk menghindari kehilangan hasil—lakukan dengan tetap mempertahankan persyaratan fungsional.

4. Topik praktis tambahan — metalurgi, inspeksi dan pengendalian produksi

Pemilihan dan perawatan paduan

• Pilih keluarga baja tahan karat yang tepat untuk fungsi tersebut. Nilai austenitik bersifat ulet dan mudah dibentuk tetapi memiliki rentang pemadatan yang berbeda dibandingkan paduan dupleks atau martensit—masing-masing memerlukan gating khusus, urutan riser dan heat-treat.
• Perlakuan panas pasca cor harus ditentukan. Solusi anil, menghilangkan stres atau meredakan ketegangan mungkin diperlukan; untuk nilai dupleks mengontrol masukan panas untuk menghindari pembentukan fase sigma yang tidak diinginkan.

Praktek cetakan dan perkakas

• Penyelesaian permukaan dan pelumasan. Gunakan pelumas cetakan yang sesuai untuk mengurangi cacat permukaan pengecoran dan memfasilitasi ejeksi, namun hindari pelumasan berlebihan yang menyebabkan porositas atau kontaminasi.
• Kontrol suhu cetakan. Pemanasan awal dan menjaga suhu cetakan yang terkendali mengurangi guncangan termal dan pemadatan yang tidak konsisten.
• Ventilasi dan degas. Sediakan ventilasi dan gunakan degassing untuk menghindari pori-pori gas. Cetakan permanen harus didesain dengan ventilasi atau bantuan vakum saat pengecoran stainless untuk mengontrol porositas dan jebakan gas.

Jaminan kualitas & validasi

• Gunakan pemadatan dan simulasi aliran. Model CFD dan solidifikasi sangat efektif dalam memprediksi penutupan dingin, risiko kesalahan pengoperasian dan robekan panas pada coran tahan karat cetakan logam—gunakan sebelum konstruksi cetakan.
• Pengujian non-destruktif per kekritisan. Radiografi, pengujian ultrasonik atau CT scan mengidentifikasi porositas internal, inklusi dan retakan.
  Tingkat NDT harus sepadan dengan keamanan dan fungsinya.
• Percontohan berjalan & kualifikasi proses. Validasi perkakas, gating dan perlakuan panas dengan pilot casting dan kemudian mendokumentasikan jendela proses (suhu leleh, suhu cetakan, mengisi waktu, rejimen pemadaman, HT pasca-pemain).

5. Tabel ringkasan singkat — tiga area perhatian dan tindakan teratas

6. Komentar terakhir

Merancang struktur cor baja tahan karat untuk produksi cetakan logam adalah masalah sistem yang mencakup geometri, metalurgi dan rekayasa proses.

Tiga area fokus di atas—isian & mengalir, pencegahan retak, Dan ekstraksi cetakan/kemampuan manufaktur—menangkap mode kegagalan utama dan mengarahkan langsung ke solusi teknis: bentuk halus, ketebalan dan transisi yang terkontrol, gerbang dan pemberian makan yang tepat, draft dan filleting yang memadai, dan perlakuan panas yang divalidasi.

Gunakan simulasi, uji coba percontohan dan kolaborasi erat antara desainer dan insinyur pengecoran untuk mengubah desain yang menantang menjadi desain yang tangguh, bagian produksi yang dapat diulang.

Referensi Utama

ASTM A351-23: Spesifikasi Standar untuk Pengecoran, Baja tahan karat austenitic, untuk Bagian yang Mengandung Tekanan.

Masyarakat Pengecoran Amerika (AFS). (2022). Buku Pegangan Pengecoran Cetakan Permanen. Pers AFS.

Iso 3740:2019: Bahan Logam—Coran—Persyaratan Umum untuk Inspeksi dan Pengujian.

Davis, J. R. (2019). Buku Pegangan Pengecoran Baja Tahan Karat. ASM Internasional.