ステンレス鋼鋳造構造に関する 3 つの重要な考慮事項

ステンレス鋼 金属で作られた鋳物 (永続) 金型や精密インベストメント金型には、独特の機会とリスクが存在します。.

砂型鋳物との比較, 金型鋳物はより速く冷却して固化するため、金型は収縮中に「力」を与えません。.

冷却が速くなり、金型のコンプライアンスがゼロになるため、内部応力が増加します, クラックの可能性が高まり、ミスランなどの欠陥が拡大します, 冷間遮断と不完全な充填.

堅牢なものを生み出すために, 信頼性の高いステンレス鋳造構造, 設計とプロセス制御の 3 つのカテゴリが主な注目に値します:

(1) 完全な充填を確保し、低温欠陥を回避します, (2) 凝固割れや機械割れを防止, そして (3) 型抜きの設計, ツーリングと寸法安定性.

以下に各領域を詳しく説明し、具体的な内容を示します。, エンジニアリンググレードのアクションとチェックリスト.

概要 – 金型のステンレス鋼鋳物が特別な理由

• より速い冷却 → より高い温度勾配. 熱の急速な抽出により、凝固中および室温での内部引張応力が増加します。.
• 金型コンプライアンスなし. 砂と違って, 金型が収縮に対応するために圧縮されない; 自由な収縮や送りを許容する設計でない限り、収縮が抑制されると亀裂や熱裂けが発生します。.
• 表面/流れの挙動の変化. 薄い部分は金属の流動性をすぐに失います; 大きな水平面と鋭い角は酸化物の形成を悪化させます, コールドフローとミスラン.
• 合金の感度. ステンレス鋼合金 (オーステナイト系, デュプレックス, マルテンサイト鋳造グレード) 凍結範囲が違う, 流動性と高温割れの影響を受けやすいため、合金固有の設計が不可欠です.

1. 不完全充填の防止, 冷間遮断およびその他の充填欠陥

核心的な問題: 金型内でステンレス溶融物は急速に熱を失い、キャビティが完全に満たされる前に固化する可能性があります。, ミスランを生む, コールドラップと酸化物の閉じ込め.

設計原則

• スムーズ, 流線型の外部形状. セクションの突然の変更を避ける, 鋭い角, 流れを乱すステップ変化.
  金属の層流を維持し、酸化膜の閉じ込めを軽減するために、丸みを帯びた移行部とフィレット接合部を優先します。.
• 大きな水平平坦地は避ける. 水平面があると充填が遅くなる, 広範囲にわたる空気/金属接触 (酸化) そして流動性の喪失; 緩やかなキャンバーで大きなフラットをブレイク, リブまたは傾斜したフィーチャー.
• 適切な切片厚さを使用する. 広範囲にわたる大面積の薄い壁を作らないでください.
  大型コンポーネントの薄いセクションは冷却され、急速に流動性を失います。重要なセクションを厚くするか、供給用に局所的な厚みを設計してください。.
• 最適化されたゲートとランナーの設計. 最も重い領域または最も充填が遅い領域に最初にデータを供給するゲートを見つけます; 適切なサイズのインゲートを使用する, 丸い入口と流れの拡張により、乱流と酸化物の巻き込みを最小限に抑えます。.
  液体金属が最も遠いキャビティ点に到達したときに液体金属の温度を高く保つゲート形状を採用.

プロセス制御

• 過熱管理. 選択した合金の推奨範囲より高い側の溶融温度を維持します。 (安全な範囲内で), 酸化を促進せずに流動性を持続させる.
• 保護雰囲気 / フラックス. 酸化を最小限に抑える (特に細い通路では) カバーフラックスを使用する, 可能な場合は真空または保護雰囲気.
• 断熱または加熱されたゲートおよびフィーダー. ランナー上の局所加熱または断熱スリーブは熱を保持し、ミスランを軽減します。.
• 必要に応じて冷却を使用する. 戦略的な外部冷却により直接凝固が促進され、適切なゲートと組み合わせることで低温遮断のリスクを軽減できます。; 最後の流路を早期に固化させる冷却を避ける.
• シミュレーション (凝固・流動CFD) ダイの製造前に充填時間を確認し、コールドシャットのリスクを特定するために使用する必要があります。.

2. 鋳物割れの防止, 熱い涙と疲労骨折

核心的な問題: 抑制された収縮, 熱勾配と局所的な応力集中により、凝固中の高温裂傷や冷却時の亀裂が発生します。.

構造設計ルール

• 壁の厚さの均一. 可能な限り均一になるように壁を設計する.
  薄い部分と厚い部分の間の突然の移行を避ける; 移行が必要な場所, 緩やかなテーパーとたっぷりとしたフィレットを使用する.
• 弱い部分にリブとガゼットを追加. 薄いウェブ, 薄いボスや支持されていない長い壁は亀裂が発生しやすいため、リブやボスで強化します, ただし、収縮に対する制限的な制約が生じないように設計してください。.
• 自由収縮を妨げる機能を最小限に抑える. ラグ, 収縮を機械的に抑制するフランジと埋め込まれたボスは、亀裂の発生原因となることがよくあります。; 数を減らす, 移転する, または準拠したレリーフを使用して設計することもできます.
• 垂直突合せ結合よりも傾斜結合を優先します. 可能であれば、垂直の階段状接続を傾斜接続またはテーパ接続に置き換えます。傾斜は凝固中に閉じ込められた引張応力を回避するのに役立ちます。.
• すべての内側/外側コーナーにたっぷりとしたフィレット. 鋭い角は応力集中部として機能し、亀裂の核生成サイトとして機能します。.
  ステンレス鋳物部品用, 砂型鋳造よりも大きな半径を使用します。壁の厚さに合わせてフィレット半径を調整します。 (以下の処方箋を参照してください).

プロセス & 冶金制御

• 凝固方向の制御. 方向性凝固の原理を使用する (ライザーの配置と悪寒) 固化が薄いものから厚いものへと進行し、供給が適切になるようにします。; 孤立したホットスポットを避ける.
• フィーダー/ライザーの設計と配置. 適切に設計されたライザーが最後の凝固領域に供給されるようにする.
  永久鋳造用, ライザーの効率は、冷却の高速化と供給時間の短縮を考慮する必要があります; 必要に応じて断熱ライザーまたは発熱スリーブを使用します。.
• 熱処理により内部応力を緩和. 重要なコンポーネントの場合, 亀裂を引き起こす可能性のある焼入れ応力を軽減するために、鋳造後の応力除去焼鈍または均質化を検討してください。.
  注記: 一部のステンレスグレードでは、鋭敏化や望ましくない相を避けるために特定の熱サイクルが必要な場合があります。冶金学者とHTを調整してください。.
• 高温引裂耐性合金または結晶粒微細化剤を使用する. 可能な場合は、熱間引き裂きに対する感受性を軽減するグレードまたは添加剤を選択してください。, 結晶粒微細化剤を適用して樹枝状構造を制御します.
• 急激な冷却差を避ける. 金型の温度と冷却速度を管理して、急激な熱勾配を軽減します。 (有益な場合は金型を予熱する).

3. カビの抽出, 下書き, フィレットと金型の製作性

核心的な問題: パーマネントモールドには与えられません; 中子と鋳物は、熱収縮にも対応しながら、信頼性の高い排出と工具の損傷を最小限に抑えるように設計する必要があります。.

主な考慮事項とアクション

• ドラフトを増やす (テーパー) 砂型鋳物と比較して. 金型は砂のような崩壊性がないため, 提供する より大きな抜き勾配角度-通常 30–砂型鋳造に使用されるものよりも 50% 大きい.
  実質的に: 砂型鋳造のドラフトが 1° ～ 2° の場合, パーマネントモールドの抜き勾​​配を ~1.3°～3° に設計します。 (表面仕上げされたスケール, 合金と壁の高さ).
  抜き勾配が大きいと排出が容易になり、工具の摩耗が軽減されます。.
• フィレット半径とコーナー半径を拡大する. 使用 十分な半径 への交差点で: (ある) 応力集中と亀裂を軽減する, (b) 金型充填を容易にする, そして (c) より良い部品リリースを可能にする.
  経験則として, 局所的な肉厚でフィレット半径のスケールを作成する (例えば, のオーダーの半径 5局所的な壁の厚さの -15%, 小型鋳造品の実用的な最小半径は数ミリメートル). (ジオメトリおよびツールの制約ごとに調整します。)
• 最小肉厚 - 増加対砂型鋳造. 金型鋳造ステンレス部品には通常、 同等の砂型鋳造コンポーネントよりも大きな最小肉厚 金型の方が熱を逃がしやすいので.
  原則として, 砂型鋳造の最小値を増やす 20–50％ 部品の設計とプロセスが検証されていない限り、同じ合金と形状の場合. 鋳造プロセスの能力と合金データを常に検証してください.
• 内部キャビティとリブ: 内部ウェブとリブは次のようにする必要があります。 0.6–0.7× 隣接する外壁の厚さ(s) 亀裂の原因となる緩徐冷却ゾーンと収縮差を回避するため.
  内側のリブが周囲の壁に比べて厚すぎると、最後に固化し、ホットスポット亀裂の開始点となります。.
• コアおよびコアプリントのドラフト: コアは圧縮できないため, コアプリントと抽出機能は堅牢であり、リリーステーパーが組み込まれている必要があります. 形状が複雑な場合は、折りたたみ可能なコアまたは分割されたコアを検討してください.
• 複雑な外形を可能な限り簡素化する. 複雑な形状で製造が困難な場合, 外部形状を簡素化するか、コンポーネントをサブアセンブリに分割して歩留まりの低下を回避します。機能要件を維持しながら実行します。.

4. 追加の実践的なトピック — 冶金学, 検査と生産管理

合金の選択と処理

• 機能に適したステンレス鋳造ファミリーを選択してください. オーステナイト系グレードは延性があり寛容ですが、二相合金やマルテンサイト系合金とは凝固範囲が異なり、それぞれに特定のゲートが必要です, ライザーと熱処理シーケンス.
• 鋳造後の熱処理を指定する必要があります. 溶体化焼鈍, ストレスの軽減や調整が必要な場合があります; 二相グレードの場合、入熱を制御して望ましくないシグマ相の形成を回避します.

金型と工具の練習

• 表面仕上げと潤滑. 鋳造表面の欠陥を減らし、取り出しを容易にするために、適切な金型潤滑剤を使用してください。, ただし、気孔や汚染の原因となる過剰な潤滑は避けてください。.
• 金型温度制御. 予熱し、制御された金型温度を維持することで、熱衝撃や不均一な凝固が軽減されます。.
• 通気とガス抜き. ガス孔を避けるために通気口を設け、脱ガスを使用します。. 恒久的な金型は、ステンレスを鋳造するときに気孔率とガス閉じ込めを制御するために通気口または真空補助を備えた設計にする必要があります。.

品質保証 & 検証

• 凝固と流動シミュレーションを使用する. CFD と凝固モデルは冷温停止の予測に非常に効果的です, 金型ステンレス鋳造のミスランと熱間引き裂きのリスク - 金型製作前に使用してください。.
• 臨界度ごとの非破壊検査. X線撮影, 超音波検査またはCTスキャンにより内部の気孔を特定します, インクルージョンとクラック.
  NDT のレベルは安全性と機能に見合ったものでなければなりません.
• パイロットラン & プロセス認定. ツールの検証, パイロット鋳造によるゲートと熱処理を行った後、プロセスウィンドウを文書化します。 (溶解温度, 金型温度, 充填時間, クエンチレジメン, ポストキャストHT).

5. 簡単な概要表 - 3 つの注目分野と主なアクション

6. 最後の挨拶

金型製造用のステンレス鋼鋳造構造の設計は、形状にまたがるシステムの問題です, 冶金およびプロセス工学.

上記の 3 つの重点分野—充填 & 流れ, クラック防止, そして 型抽出/製造可能性—主な故障モードを把握し、エンジニアリング上の救済策を直接示します。: 滑らかな形状, 制御された厚さと遷移, 適切なゲートと給餌, 適切な抜き勾配とフィレット, 検証済みの熱処理.

シミュレーションを利用する, パイロットトライアルと、設計者と鋳造エンジニア間の緊密なコラボレーションにより、困難な設計を堅牢な設計に変えることができます。, 再現可能な生産部品.

主な参考文献

ASTM A351-23: 鋳物製品の標準仕様, オーステナイト系ステンレス鋼, 圧力がかかる部品用.

アメリカ鋳造協会 (afs). (2022). パーマネントモールド鋳造ハンドブック. AFSプレス.

ISO 3740:2019: 金属材料 - 鋳物 - 検査および試験の一般要件.

デイビス, J. R. (2019). ステンレス鋼鋳造ハンドブック. ASMインターナショナル.