金属鋳造プロセスの縮小の種類

1. 導入

現代の製造業では, 寸法精度 交渉できません.

航空宇宙などの産業, 自動車, エネルギー需要の精密キャストコンポーネントが密着しています 公差 欠陥のない微細構造.

これらの目標を達成する上で最も持続的な課題の1つは、 金属収縮 - 金属が溶融から固体状態に移行し、その後室温まで涼しい金属の体積収縮.

金属収縮は複数の段階で発生し、合金化学からカビの設計に至るまでの因子の影響を受けます.

その効果はの間で大きく異なります 鉄および非鉄合金, そして、その複雑さは増加します 不均一または複雑な幾何学.

寸法の逸脱を避けるためには、収縮に対処することが不可欠です, 気孔率, および機械的障害.

2. 基本的なメカニズム

金属の収縮は主にから生じます 熱収縮 そして 位相変換効果. 金属が涼しいので, 原子は近づきます, その結果 線形および体積収縮.

例えば, アルミニウム合金の線形収縮率はからです 5.5% に 6.5%, 鋼は通常縮小しますが 2%.

さらに, 収縮は激化します 凝固, 特にどろどろしたゾーンで - 摂食が困難になる半固体状態.

の 冷却速度間の相互作用, 合金化学, および微細構造の進化 給餌がこの収縮を補償するか、多孔性のような欠陥を補うかどうかを判断します.

3. 金属鋳造における収縮の分類

金属鋳造の縮小は、それが発生する凝固プロセスの段階に基づいて分類できます, それが生成する欠陥の物理的特徴, そしてその根本原因.

これらの分類を理解することで、ファウンドリエンジニアはターゲットを絞った設計とプロセスコントロールを実装して鋳造欠陥を緩和することができます.

液体収縮

液体収縮とは、固化の開始前に液相内で溶融金属が冷却されると発生する体積削減を指します.

このタイプの収縮は通常、ボリュームの損失を補うためにライザーからの継続的な給餌が必要です。.

• 典型的な大きさ: 約 1% に 2% 液相での体積損失の, 合金によって変化します.
• 意味: ライザーの設計が不十分または低冶金圧力がつながる可能性があります ミス, 冷気遮断, または 表面収縮欠陥.

凝固 (どろどろゾーン) 収縮

液体から固体への移行中, 金属は、樹状固形物と穴あき液の共存によって特徴付けられる「どろどろ」相を通過します.

この段階でのボリュームの減少は、透過性の低下と給餌能力のために最も困難な対処です.

• 欠陥タイプ: 内部空洞とマクロシュリンケージは通常、最後の領域で形成され、固化します, 特に、熱センターまたは不十分な給餌セクションで.
• 敏感な合金: 広い凍結範囲の合金 (例えば, いくつかの銅およびアルミニウム合金) 特に脆弱です.

パターンメーカー (固体) 収縮

完全な固化後, 周囲温度に冷却するにつれて、キャスティングは収縮し続けます.

この収縮, パターンメーカーの収縮として知られています, 線形寸法削減であり、通常、パターンとカビの設計で説明されます.

• 収縮率:

• • 灰色の鉄: 〜1％
  • 炭素鋼: 〜2％
  • アルミニウム合金: 4–6.5％

• エンジニアリング対応: CADモデルは、経験的シュリンク係数を使用して拡張され、次元偏差を先取りする.

マクロシュリンケージと. マイクロシュリンケージ

• マクロシュリンケージ: これらは大きいです, 目に見える収縮空洞, 多くの場合、ライザーの近くにローカライズされています, サーマルセンター, または厚いセクションで.
  それらは構造の完全性を大幅に弱め、通常、重要なアプリケーションで拒否されます.
• マイクロシュリンケージ: これらは、微視的レベルで分散した潜在孔です, 多くの場合、不十分な樹状突起給餌または局所的な熱勾配から生じる.
  それらは外部から見えないかもしれませんが, 彼らは疲労抵抗を分解します, 圧力封じ込め, および機械的特性.

配管と開いた収縮

配管とは、内側からの末梢からの漸進的な固化により、キャスティングまたはライザーの上部に形成される特徴的な漏斗状の収縮空洞を指します.
オープン収縮は、摂食障害を示す関連する表面に接続されたキャビティです.

• 影響を受ける産業: パイピングは一般的です スチール鋳物 給餌要件が高い構造および圧力成分の場合.
• 制御対策: 適切なライザーデザイン, 断熱袖と発熱材料の使用を含む, これらの欠陥を大幅に削減または排除できます.

4. 冶金の視点

凝固挙動は合金に依存し、収縮特性に影響します:

共晶凝固

灰色の鉄やアルシのような合金は狭い凍結範囲を示します. 凝固は、鋳造全体でほぼ同時に起こります, 摂食のニーズを減らすが、ガスの多孔性のリスクを高める.

方向凝固

構造鋳物よりも好ましい (例えば, 鋼またはNIベースの超合金で), これにより、予測可能な給餌パスが可能になります.

熱勾配を制御することにより, 凝固は、より薄いセクションから厚いセクションに進行します.

同等の固化

ブロンズといくつかのAL合金で一般的です, これには、穀物のランダムな核生成が含まれます, 摂食チャネルを混乱させ、気孔率を高めることができます.

冶金の観点から, 穀物洗練, 接種, そして 合金設計 均一な固化を促進し、摂食性を向上させることにより、収縮を最小限に抑える上で重要な役割を果たす.

5. デザイン & エンジニアリングの観点

設計とエンジニアリングの観点から, 収縮を制御することは、スマートジオメトリとターゲットを絞った給餌戦略から始まります.

効果的な部分は冶金学的理解を反映するだけでなく、セクショニングのベストプラクティスを具体化しています, パターンスケーリング, および熱管理.

セクションの厚さ & 熱勾配

厚いセクションは熱をより長く保ちます, 最後に固化し、溶融金属をより薄い領域から遠ざける「ホットスポット」を作成する.

例えば, ある 50 mm厚の鋼鉄の壁は、で冷めるかもしれません 5 °C/min, 一方、a 10 MMセクションが冷却されます 20 同じ条件下で°C/分. これを軽減するには:

• 壁の厚さの均一 極端な勾配を最小限に抑えます.
• 丸い遷移 (最小フィレット半径= 0.5×壁の厚さ) 局所的な熱応力を防ぎます.
• 厚さがより多く変化する場合 3:1, 内部の悪寒またはローカライズされたライザーを組み込みます.

パターンスケーリング & 地域手当

通常、世界の収縮手当は範囲です 2.4% 炭素鋼用 6.0% アルミニウム合金用. しかし, 複雑な鋳物の要求 領域固有のスケーリング:

• 薄いウェブ (≤ 5 mm): 0.8×グローバル手当を適用します (例えば. 1.9% スチール用).
• 厚いボス (≥ 30 mm): 1.2×増加します (例えば. 2.9% スチール用).
  最新のCADツールは、多要因スケーリングをサポートしています, ジオメトリをパターン化するためにローカル手当の直接マッピングを可能にします.

ライザー, ゲーティング & 寒気戦略

促進 方向凝固 フィーダーと温度制御の戦略的な配置が必要です:

• ライザーボリューム 等しいはずです 30–40％ それが供給するゾーンの質量の.
• サーマルホットスポットの真上にライザーを配置します, 固化シミュレーションまたは熱分析を介して特定されます.
• 絶縁袖 ライザーの周りに冷却が15〜20％遅くなります, 給餌時間を延長します.
• 寒気 銅または鉄で作られている局所凝固を加速します, 固化前線をライザーに向かって迂回させます.

製造可能性のための設計

設計チームと鋳造チームの早期コラボレーションは、収縮リスクを減らします.

統合して DFMガイドライン - 均一なセクションなど, 適切なドラフト角度 (> 2°砂鋳造用), 単純化されたコア - エンジニアはできます:

• より低いスクラップレート 20–30％
• 複数のパターンの反復を回避することにより、リードタイムを短縮します
• 高精度コンポーネントでのファーストパスの成功を確実にします, エンジンハウジングなど ±0.2 mm 許容要件

6. シミュレーション & 予測モデリング

最新のキャスティングオペレーションレバレッジ CFDベースの熱および流体シミュレーション 収縮しやすい領域を先制的に特定する.

MagMasoft®などのツールを使用しています, Flow-3D®, またはprocast®, Foundries Can:

• 予測する ホットスポット そして フィードパス
• 合金選択の影響を評価します, 金型デザイン, および注入パラメーター
• 物理的な生産の前に、複数の鋳造シナリオをシミュレートします

シミュレーションの統合 CAD/CAMシステム より正確なツール設計を有効にします, 大幅に減少します 試行錯誤の反復, 無駄, リードタイム.

7. 品質管理 & 検査

鋳造の完全性を検証するには、欠陥検出が重要です. 一般的に使用されます 非破壊検査 (NDT) 方法は含まれます:

• X線検査 (X線): 内部収縮キャビティとマクロ欠陥を検出します
• 超音波検査 (ユタ州): 密な合金の多孔性と内部の不連続性を検出するのに最適
• 次元分析 (三次元測定機, 3Dレーザースキャン): 収縮手当と仕様への適合性を検証します

Foundriesも実装しています 統計的プロセス制御 (SPC) バッチ全体の収縮の変動を監視し、プロセス機能を継続的に改善する.

8. 一般的な鋳造合金の近似線形収縮手当.

以下は、一般的に鋳造合金の範囲の近似線形収縮手当の統合テーブルです.

これらをパターンまたはCADスケーリングの出発点として使用します。その後、シミュレーションおよびプロトタイプの試行で検証して、最終寸法をダイヤルします.

9. 結論

金属鋳造におけるさまざまな種類の収縮を理解する - 液体, 凝固, およびソリッドステート - 構造的に健全で寸法正確なコンポーネントを生産するために不可欠です.

合金と部品の形状がより複雑になるにつれて, 私たちの戦略も進化する必要があります.

収縮を緩和するにはaが必要です 学際的なアプローチ 冶金を含む, デザイン, シミュレーション, と品質管理.

受け入れるファウンドリー 予測モデリング, リアルタイムコントロール, そして 共同設計プロセス 廃棄物を減らすのに適しています, コストを最適化します, パフォーマンスと信頼性の最高水準を満たすコンポーネントを提供する.

で これ, 設計プロセスの早い段階であなたのプロジェクトについて話し合うために、合金が選択されていないか、キャスティング後の治療が適用されることを確認してください, 結果は、機械的およびパフォーマンスの仕様を満たします.

あなたの要件を議論するため, メール [email protected].