금속 주조 공정의 수축 유형

1. 소개

현대 제조업에서는, 치수 정확도 협상 불가능합니다.

항공우주 등의 산업, 자동차, 에너지 수요 정밀 캐스트 구성 요소는 단단합니다 공차 결함이없는 미세 구조.

이러한 목표를 달성하는 데있어 가장 지속적인 도전 중 하나는 금속 수축- 금속이 용융 상태에서 고형 상태로 전환되고 이후 실온으로 냉각 될 때 금속의 부피 수축.

금속 수축은 여러 단계에서 발생하며 합금 화학에서 곰팡이 설계에 이르는 요인에 의해 영향을받습니다..

그 효과는 크게 다릅니다 철 및 비철 합금, 복잡성이 증가합니다 불균일하거나 복잡한 형상.

치수 편차를 피하려면 수축 해결이 필수적입니다, 다공성, 그리고 기계적 실패.

2. 기본 메커니즘

금속 수축은 주로 발생합니다 열 수축 그리고 위상 변환 효과. 금속이 시원합니다, 원자가 서로 더 가깝게 움직입니다, 결과 선형 및 부피 수축.

예를 들어, 알루미늄 합금의 선형 수축률은 5.5% 에게 6.5%, 스틸은 일반적으로 줄어들고 있습니다 2%.

게다가, 수축이 강화됩니다 응고, 특히 칙칙한 구역에서-수유가 어려워지는 반고시 상태.

그만큼 냉각 속도 간의 상호 작용, 합금 화학, 및 미세 구조 진화 공급 이이 수축을 보상하는지 또는 다공성과 같은 결함이 발생하는지 여부를 결정합니다..

3. 금속 주조의 수축 분류

금속 주조의 수축은 발생하는 응고 과정의 단계에 따라 분류 될 수 있습니다., 그것이 생성하는 결함의 물리적 특성, 그리고 그 근본 원인.

이러한 분류를 이해하면 파운드리 엔지니어는 타겟팅 된 설계 및 프로세스 제어를 구현하여 캐스팅 결함을 완화 할 수 있습니다..

액체 수축

액체 수축은 응고 발병 전에 액체상 내에서 용융 금속 냉각으로 발생하는 부피 감소를 나타냅니다..

이러한 유형의 수축은 일반적으로 부피 손실을 보상하고 공기 흡인 또는 불완전한 충전물을 피하기 위해 라이저로부터의 지속적인 공급이 필요합니다..

• 일반적인 크기: 약 1% 에게 2% 액체상에서의 부피 손실, 합금으로 다양합니다.
• 의미: 부적절한 라이저 설계 또는 낮은 금속성 압력이 오도, 콜드 셧, 또는 표면 수축 결함.

응고 (무성한 구역) 수축

액체에서 고체로 전환하는 동안, 금속.

이 단계 동안의 부피 감소는 투과성 및 공급 능력 감소로 인해 해결하기가 가장 어려운 일입니다..

• 결함 유형: 내부 공동 및 거시적 신축성은 일반적으로 마지막 영역에서 형성됩니다., 특히 열 중심 또는 제대로 공급되는 섹션에서.
• 민감한 합금: 넓은 동결 범위의 합금 (예를 들어, 일부 구리 및 알루미늄 합금) 특히 취약합니다.

패턴 메이커 (단단한) 수축

완전한 응고 후, 캐스팅은 주변 온도로 냉각함에 따라 계속 수축합니다..

이 수축, PatternMaker의 수축으로 알려져 있습니다, 선형 치수 감소이며 일반적으로 패턴 및 곰팡이 설계에서 설명됩니다..

• 수축률:

• • 회색 철: ~ 1%
  • 탄소강: ~ 2%
  • 알루미늄 합금: 4–6.5%

• 엔지니어링 대응: CAD 모델은 경험적 수축 요인을 사용하여 차원 편차를 선점하기 위해 확장됩니다..

매크로-링크 vs. 마이크로-링크

• 매크로 신경: 이것들은 크다, 가시 수축 공동, 종종 라이저 근처에 현지화되었습니다, 열 센터, 또는 두꺼운 부분으로.
  구조적 무결성을 크게 약화시키고 일반적으로 중요한 응용 분야에서 거부됩니다..
• 마이크로-링크: 이들은 미세한 수준에서 분산 된 포로입니다, 종종 불충분 한 수지 간 사료 공급 또는 국소 열 구배로 인한 종종.
  그들은 외부에서 보이지 않을 수 있습니다, 그들은 피로 저항을 저하시킵니다, 압력 격리, 및 기계적 성질.

배관 및 열린 수축

배관은 주변의 내부로부터의 진행성 응고로 인해 주조 또는 라이저의 상단에 형성되는 특징적인 깔때기 형 수축 공동을 말합니다..
개방 수축은 공급 실패를 나타내는 관련 표면 연결 공동입니다..

• 산업에 영향을 미쳤다: 배관은 일반적입니다 강철 주물 공급 요구 사항이 높은 구조 및 압력 구성 요소의 경우.
• 제어 조치: 적절한 라이저 디자인, 절연 슬리브 및 발열 재료의 사용을 포함합니다, 이러한 결함을 크게 줄이거 나 제거 할 수 있습니다.

4. 야금 관점

응고 거동은 합금 의존적이며 수축 특성에 영향을 미칩니다:

공융 응고

회색 철 및 al-Si와 같은 합금은 좁은 동결 범위를 나타냅니다.. 응고는 캐스팅 전반에 걸쳐 거의 동시에 발생합니다, 수유 요구를 줄이고 가스 다공성의 위험을 증가.

방향성 응고

구조 주물에 선호됩니다 (예를 들어, 강 또는 NI 기반 슈퍼 합금에서), 이것은 예측 가능한 공급 경로를 허용합니다.

열 구배를 제어함으로써, 응고는 얇은 부분에서 두꺼운 부분으로 진행됩니다.

등경 응고

브론즈와 일부 AL 합금에서 일반적입니다, 여기에는 곡물의 무작위 핵 생성이 포함됩니다, 이는 공급 채널을 방해하고 다공성을 증가시킬 수 있습니다.

야금 적 관점에서, 곡물 정제, 접종, 그리고 합금 디자인 균일 한 응고를 촉진하고 공급 성을 향상시켜 수축 최소화에 중요한 역할을합니다..

5. 설계 & 엔지니어링 관점

설계 및 엔지니어링 관점에서, 수축 제어는 스마트 형상 및 대상 공급 전략으로 시작됩니다..

효과적인 부분은 야금 적 이해를 반영 할뿐만 아니라 섹션의 모범 사례를 구현합니다., 패턴 스케일링, 열 관리.

섹션 두께 & 열 구배

더 두꺼운 부분은 열이 더 길어집니다, 마지막으로 굳어지고 얇은 영역에서 녹은 금속을 끌어 당기는 "핫스팟"을 만듭니다..

예를 들어, 에이 50 MM 두께의 강철 벽이 냉각 될 수 있습니다 5 ° C/분, 반면 a 10 MM 섹션은 냉각됩니다 20 동일한 조건에서 ° C/분. 이를 완화하려면:

• 균일 한 벽 두께 극단적 인 구배를 최소화합니다.
• 둥근 전환 (최소 필렛 반경 = 0.5 × 벽 두께) 국소 열 응력을 방지하십시오.
• 두께가 더 다를 때 3:1, 내부 오한 또는 현지 라이저를 통합하십시오.

패턴 스케일링 & 지역 수당

글로벌 수축 허용량은 일반적으로 범위입니다 2.4% 탄소강을 위해 6.0% 알루미늄 합금 용. 하지만, 복잡한 주물 수요 지역별 스케일링:

• 얇은 웹 (≤ 5 mm): 0.8 × 글로벌 허용량을 적용하십시오 (예를 들어. 1.9% 강철).
• 두꺼운 보스 (≥ 30 mm): 1.2 × 씩 증가합니다 (예를 들어. 2.9% 강철).
  최신 CAD 도구는 다중 인자 스케일링을 지원합니다, 로컬 허용량의 직접 매핑을 패턴 형상에 직접 매핑 할 수 있습니다.

일어나는 사람, 게이팅 & 냉기 전략

홍보 방향성 응고 피더 및 온도 제어의 전략적 배치가 필요합니다:

• 라이저 볼륨 동일해야합니다 30–40% 구역의 질량 중 공급됩니다.
• 열 핫스팟 바로 위에 라이저를 배치하십시오, 응고 시뮬레이션 또는 열 분석을 통해 식별됩니다.
• 절연 슬리브 라이저 주변은 냉각을 15-20% 느리게합니다., 수유 시간 연장.
• 오한 구리 또는 철로로 만들어진 국소 응고를 가속화합니다, 응고 전선을 라이저쪽으로 전환합니다.

제조 가능성을위한 설계

디자인과 파운드리 팀 간의 조기 협업은 수축 위험을 줄입니다..

통합하여 DFM 지침- 균일 한 단면화와 같은, 적절한 초안 각도 (> 2모래 주조의 경우 °), 단순화 된 코어 - 엔지니어는 할 수 있습니다:

• 더 낮은 스크랩 속도 20–30%
• 여러 패턴 반복을 피함으로써 리드 타임을 단축하십시오
• 고정밀 구성 요소에서 첫 번째 통과 성공을 보장하십시오, 엔진 하우징과 같은 ± 0.2 mm 공차 요구 사항

6. 시뮬레이션 & 예측 모델링

현대 캐스팅 작업 레버리지 CFD 기반 열 및 유체 시뮬레이션 수축이 발생하기 쉬운 영역을 선제 적으로 식별합니다.

Magmasoft®와 같은 도구 사용, Flow-3D®, 또는 Procast®, 파운드리는 할 수 있습니다:

• 예측하다 핫스팟 그리고 피드 경로
• 합금 선택의 영향을 평가하십시오, 곰팡이 디자인, 및 쏟아지는 매개 변수
• 물리적 생산 전에 여러 캐스팅 시나리오를 시뮬레이션합니다

시뮬레이션 통합 CAD/CAM 시스템 보다 정확한 툴링 설계를 활성화합니다, 상당히 감소 시행 착오 반복, 쓰레기, 그리고 리드 타임.

7. 품질 관리 & 점검

결함 감지는 주조 무결성을 확인하는 데 중요합니다. 일반적으로 사용됩니다 비파괴 테스트 (NDT) 방법이 포함됩니다:

• 방사선 검사 (엑스레이): 내부 수축 공동 및 거시 결함을 감지합니다
• 초음파 테스트 (유타): 고밀도 합금에서 다공성 및 내부 불연속을 감지하는 데 이상
• 치수 분석 (CMM, 3D 레이저 스캐닝): 수축 허용량과 사양에 대한 적합성을 검증합니다

파운드리도 구현합니다 통계적 공정 관리 (SPC) 배치의 수축 변화를 모니터링하고 프로세스 기능을 지속적으로 개선합니다..

8. 일반적인 주조 합금에 대한 대략적인 선형 수축 허용량.

아래는 일반적으로 주조 된 합금 범위에 대한 대략적인 선형 수축 허용량의 통합 테이블입니다..

이를 패턴 또는 CAD 스케일링의 시작점으로 사용하십시오. 그런 다음 시뮬레이션 및 프로토 타입 시험으로 유효성을 유지하여 최종 치수로 다이얼링하십시오..

9. 결론

금속 주조의 다양한 유형의 수축을 이해합니다, 응고, 그리고 Solid-State-구조적으로 건전하고 치수적으로 정확한 구성 요소를 생성하는 데 필수적입니다..

합금과 부분 형상이 더 복잡해지면서, 우리의 전략도 진화해야합니다.

완화 수축은 필요합니다 다 분야 접근 야금 관련, 설계, 시뮬레이션, 품질 관리.

포용하는 파운드리 예측 모델링, 실시간 제어, 그리고 협업 설계 프로세스 폐기물을 줄이기 위해 더 잘 갖추어져 있습니다, 비용을 최적화하십시오, 최고 수준의 성능 및 신뢰성을 충족하는 구성 요소를 제공합니다..

~에 이것, 우리는 설계 프로세스 초기에 귀하의 프로젝트에 대해 논의하여 합금이 선택되거나 시사 후 적용되는지 확인합니다., 결과는 기계 및 성능 사양을 충족합니다.

귀하의 요구 사항에 대해 논의합니다, 이메일 [email protected].