스테인레스강 정밀 주조의 수축 다공성 문제 해결

내용물 보여주다

수축 다공성 (내부 "수축" 공동, 중심선 다공성 및 미세 수축) 정밀도의 가장 빈번하고 결과적인 결함 중 하나입니다. (잃어버린 왁스) 스테인레스 강의 투자 주조.

이 결함은 특히 압력을 받는 부품에서는 허용되지 않습니다. (밸브, 펌프 바디, 압축기 부품) 누출이나 피로 파괴가 뒤따를 수 있는 곳.

이 기사에서는 실용적인 내용을 종합합니다., 스테인리스강 정밀 주조의 수축 다공성을 제거하거나 최소화하기 위한 엔지니어링 수준의 경험과 문제 해결 전략.

1. 근본 원인 - 스테인리스강 투자 주물을 다공성으로 만드는 요인?

수축 스테인레스 스틸의 다공성 투자 주물 단일 고장 모드가 아니라 여러 상호 작용하는 야금 및 공정 요인의 결과입니다..

내장 드라이버 (합금 및 응고 거동)

전응고수축이 크다

많은 스테인레스 등급은 응고 시 크게 수축합니다.. 일반적인 오스테나이트계의 일반적인 부피 수축은 다음과 같습니다. 대략 4~6%, 많은 철 또는 비철 합금보다 더 큼.
이는 부피 손실을 보상하기 위해 액체 금속 공급에 대한 높은 수요를 창출합니다..

머쉬 존 & 피부 형성 응고

스테인리스 오스테나이트는 종종 좁은 액상-고상 간격을 나타내거나 빠르게 응고되는 표면 "피막"을 형성합니다..
고체 껍질은 금형 경계면에서 초기에 형성되어 수지상 간 액체를 중앙에 가둘 수 있습니다., 공급을 방지하고 수지상간 수축을 생성합니다..

수지상 응고 및 미세 분리

응고 중에 용질 요소가 수지상 간 액체로 분리됩니다..
그 잔여 액체는 마지막에 얼고 상호 연결된 수지상 간 네트워크를 형성합니다.; 먹이가 부족할 때, 이 부위는 분지형 수축 공동을 형성합니다..

상대적으로 낮은 용융 유동성

용융된 스테인리스는 일반적으로 알루미늄이나 구리 합금보다 덜 자유롭게 흐릅니다. (~1500°C에서 스테인리스의 일반적인 나선형 유동성 길이는 다음과 같습니다. 300-350mm).
낮은 유동성으로 인해 얇은 통로를 채우고 원격 핫스팟에 공급하는 능력이 제한됩니다..

합금의 장단점

높은 합금 함량 (모, ~ 안에) 부식이나 강도를 향상시키는 물질은 유동성을 감소시키고 일부 조성물의 효과적인 동결 거동을 넓힐 수도 있습니다..
일부 석출 경화 또는 이중 화학 물질은 동결 범위가 더 넓고 먹이 문제에 대한 민감도가 더 높습니다..

외부 드라이버 (설계, 금형 및 공정)

디자인으로 인한 핫스팟

두꺼운 부분, 급격한 섹션 변경, 밀폐된 공간과 고립된 덩어리는 마지막에 얼어붙어 핫스팟이 됩니다..
이 지역에 제대로 공급되지 않으면, 큰 중심선 또는 돌기 간 수축이 발생합니다..
실제 규칙: 급격한 두께 비율 (예를 들어, 10 → 25 mm 단거리) 핫스팟 위험 집중.

부적절한 공급 및 게이팅

크기가 작은 라이저/게이트, 잘못 배치됨, 또는 열적으로 부족하여 국부적인 수축을 보상하기 위해 액체 금속을 공급할 수 없습니다..
방향성 응고 경로가 없음 (즉., 금속은 라이저를 향해 가장 먼 지점부터 응고되어야 합니다.) 자주 발생하는 근본 원인입니다..

금형 쉘 및 핵심 문제

콜드 쉘 / 예열 불량: 쉘 예열이 충분하지 않으면 열 추출이 빨라지고 공급 기간이 단축됩니다..
과열된 쉘 또는 일관되지 않은 쉘 속성: 고르지 못한 응고가 발생할 수 있습니다..
코어 손상 또는 불량한 코어 환기: 실패하는 코어, 골절되거나 적절하게 환기되지 않으면 공급을 방해하거나 갇힌 가스 경로가 생성될 수 있습니다..

열악한 피더/라이저 열 설계

라이저 없음, 너무 작은 라이저 (모듈러스가 너무 낮음), 또는 발열/절연 조치가 부족하면 피더가 핫스팟 이전에 또는 핫스팟과 함께 응고됨을 의미합니다. (즉., 먹이주기 실패).

붓는 연습

과열도 부족 또는 낮은 타설 온도 → 조기 동결 및 불완전 공급.
과도한 난기류 또는 튀는 것 → 산화물 동반 (이중필름), 금속학적 연속성을 방해하고 미세한 수지상간 공급 채널을 차단합니다..

용융 품질: 가스 및 함유물

용해된 가스 (h₂, O2) 구형 가스 기공 생성; 응고 수축과 결합하면 공급 실패가 악화됩니다..
비금속 개재물 및 이중막 국소적인 막힘을 생성하고 수축 네트워크의 핵 생성 사이트 역할을 합니다.. 내포물이 함유된 금속은 수지상간 네트워크에 효과적으로 공급될 수 없습니다..

툴링 및 오염 처리

내장된 미립자 (왁스 잔여물, 껍질 먼지, 강철 조각) 탄소강 도구를 부적절하게 사용하면 응고 중에 국부적인 부식 부위나 다공성이 발생하고 공급 채널을 방해할 수 있습니다..

복합 고장 모드 - 원인이 상호 작용하는 방식

다공성은 종종 다음으로 인해 발생합니다. 다수의 함께 작용하는 약점: 예를 들어, 두꺼운 핫스팟 + 소형 라이저 + 낮은 붓는 온도 + 갇혀 있는 수소. 다른 통제가 강력하면 어떤 단일 원인이라도 보상될 수 있습니다.; 다양한 한계 조건으로 인해 먹이 용량이 압도되고 다공성이 발생합니다..

2. 결함을 정확하게 진단

공정이나 디자인을 변경하기 전, 지금 보고 있는 것을 확인하세요.

간단한 진단:

시각적 & 단면화: 의심되는 영역을 통해 주물을 절단하면 종종 하나의 큰 구멍이 나타납니다. (수축) 또는 미세공동 네트워크 (미세 다공성).
방사선 촬영 / CT: 방사선 사진을 통해 공동의 크기와 위치를 알 수 있습니다.; CT는 복잡한 내부 형상에 탁월합니다..
금속 조영술: 현미경으로 수지상간 수축과 가스 다공성을 구별할 수 있습니다. (구형 가스 기공 대. 분지형 수지상간 공동).
화학적인 & 프로세스 검토: 수소 함량 확인, 녹는 청결, 과열을 붓는, 쉘 속성 및 게이트 설계.

해석 규칙: 충치가 마지막으로 굳어진 경로와 정렬되고 수지상 벽이 보이는 경우 → 영양 부족. 기공이 구형이고 균일하게 분포되어 있는 경우 → 기체 다공성.

3. 설계 조치 (최초이자 가장 비용 효율적인 라인)

대부분의 수축 문제는 공정 화재진압보다 설계에서 더 잘 해결됩니다..

방향성 응고 촉진

피드 배치 (피더/라이저) 가장 먼 지점부터 피더 방향으로 응고가 진행되도록.
잃어버린 왁스에서, 외부 핫탑 배치를 고려하세요., 중요한 지역의 절연 피더 또는 발열 슬리브.
캐비티 단순화: 고립된 핫스팟 감소 (마지막에 굳어지는 주머니) 기하학을 변경하여, 피더 역할을 하는 열 골무 또는 내부 통로 추가.

급격한 단면 변경 및 로컬 핫스팟 방지

벽 두께를 균일하게 만듭니다. 가능한 경우; 갑자기 두꺼운 부분은 핫스팟이며 공급이 필요합니다..
필렛 추가, 테이퍼 전환 및 반경 날카로운 모서리 대신 열 흐름 방해를 줄이고 충전 중 금속 흐름을 개선합니다..

내부 공동에 희생 먹이 제공

간섭이 없는 외부 피더 설계 또는 얇은, 내부 공급이 불가능한 이동식 확장 장치.
내부 코어용, 세라믹 코어 피더 사용 (절연된) 또는 작은 피더 플러그를 삽입하는 설계 방법.
핵심 챕렛 & 환기: 세라믹 코어가 지지되지만 지나치게 구속되지는 않는지 확인하세요.; 목걸이는 수축에 대한 고정된 구속을 생성하지 않도록 설계해야 합니다..

4. 공급 시스템 설계 - 주조에 필요한 것을 공급합니다.

수유는 수축 예방의 핵심입니다.

계수 (크보리노프) 규칙: 크기 라이저 그래서 모듈러스 M_라이저 ≒ 1.2–1.5 × M_casting (가장 큰 핫스팟). 이는 라이저가 주조 기능을 공급한 후에 응고되도록 보장합니다..
라이저 유형 & 놓기: 수직 핫스팟에는 상단 라이저 사용; 분산된 핫스팟을 위한 측면 라이저. 중요한 용량을 직접 공급하기 위해 라이저 배치.
발열 및 절연 라이저: 발열 라이저는 액체 수명을 연장합니다. 30–50%; 절연 슬리브는 열 손실을 줄입니다. 둘 다 대형 라이저 없이 공급 창을 늘립니다..
여러 균형 잡힌 입력: 원통형 또는 대칭 부품용, 원주 방향으로 간격을 두고 배치된 3~4개의 입구를 사용하여 흐름을 분산하고 마지막으로 굳어지는 경로를 줄입니다..
러너 디자인: 유선형 원형 러너로 흐름 저항 최소화; 급격한 굴곡과 급격한 단면 감소를 피하십시오.. 작은 주물의 경우 러너 직경을 ≥로 유지하십시오. 8 mm 현실적으로 최소한으로.

5. 주조 공정 제어 - 응고 시기 제어

프로세스 매개변수의 작은 변화는 큰 영향을 미칩니다..

쉘 예열: 오스테나이트계 스테인리스용 (예를 들어, 316/316엘) 껍질을 예열하다 800–1000 ° C; 마르텐사이트/PH 등급용 600–800 ° C.
적절하게 예열하면 껍질 냉각 속도가 느려지고 먹이 공급 시간이 늘어납니다.. 과열을 피하십시오 (>1100 ℃).
붓는 온도 & 과열 상태: 목표 ~100~150°C 합금 및 단면에 따라 액상선 이상. 예: 316엘 에 부어 ~1520~1560°C (중요 부품에 대한 ±5°C 제어).
온도가 높을수록 유동성이 증가합니다. (채우고 먹이는 데 도움이됩니다.) 그러나 수축이 증가하므로 균형이 중요합니다..
제어 된 냉각: 무거운 부분의 경우, 껍질을 단열하다 (박스형 냉각) 부은 후 2~4시간 동안 열 구배를 줄이고 수유를 돕습니다.. 급속냉각은 피해야 한다.
게이팅 및 채우기 제어: 꾸준한, 층류 충진은 냉각 랩을 줄이고 중요한 흐름 경로의 조기 결빙을 줄입니다..

6. 용융 품질 및 야금 - 핵 생성 지점 제거

용융된 스테인레스 강의 가스 및 비금속 개재물은 수축 기공의 핵으로 작용합니다., 따라서 용강 품질에 대한 엄격한 관리가 필수적입니다.:

정제 공정 최적화: 아르곤-산소 탈탄 사용 (AOD) 또는 진공 산소 탈탄 (VOD) 쇳물을 정제하기 위해, 탄소 감소, 황, 및 가스 함량 (H² ≤ 0.0015%, O² ≤ 0.002%).
소량 생산용, 레이들 정련로를 사용하다 (LRF) 합성 슬래그로 (CaO-Al2O₃-SiO2) 비금속 개재물을 제거하기 위해.
가스 제거 및 슬래그 제거: 아르곤 블로잉 수행 (강철 1톤당 유량 0.5~1.0L/min) 용존수소를 제거하기 위해 따르기 전 5~10분 동안.
슬래그 혼입을 방지하기 위해 레이들 표면에서 슬래그를 철저히 제거하십시오., 이는 수축 다공성과 개재물을 모두 유발합니다..
제어 합금 첨가물: 합금 원소의 과도한 첨가를 피하십시오 (예를 들어, 모, ~ 안에) 유동성을 감소시키는. 고순도 합금재료 사용 (순도 ≥ 99.9%) 불순물 유입을 최소화하기 위해.

7. 고급 교정 & 캐스팅 후 옵션

예방 조치로 수축을 완전히 제거할 수 없거나 다공성이 0이어야 하는 경우:

뜨거운 등방성 프레스 (잘 알고 있기): 스테인리스 주조의 일반적인 HIP 사이클은 다음과 같습니다. 1100–1200 ° C ~에 100–150 MPa ~을 위한 2–4 시간.
HIP는 내부 보이드를 붕괴시킵니다., 밀도 ≥ 달성 99.9%, 피로 및 압력 성능을 안정적으로 복원합니다.. HIP는 항공우주 및 압력에 민감한 부품을 위한 솔루션입니다..
압력/원심 주조: 압력 응고 (냉각 중에 압력을 가함) 또는 원심 변형으로 특정 모양의 다공성을 줄일 수 있습니다., 툴링 및 프로세스 변경이 필요하지만.
현지화된 수리: ER316L 필러가 포함된 GTAW는 세심한 굴착 및 용접 후 열처리 후 표면 근처 수축을 복구할 수 있습니다.; 압력 구역의 내부 결함에는 적합하지 않습니다..
조합 접근법: recast와 HIP는 때때로 반복적인 내부 수축이 있는 부품에 허용되는 유일한 경로입니다..

8. 품질 관리, 테스트 & 수락

객관적인 기준 설정 및 준수 여부 확인.

NDT: 내부 공극에 대한 방사선 촬영, 복잡한 형상을 위한 CT, 더 큰 결함의 경우 UT. 수용 정의 (예를 들어, 공백 없음 > Xmm, 체적 다공성 < 와이%).
금속 조직 분석: 기공 형태 확인 (수지상간 대 가스) 문제를 해결할 때.
기계 테스트: 인장, 생산하다, 연장, 압력 부품의 압력/누설 테스트; HIP에는 강화 또는 용해 처리 검증이 필요한 경우가 많습니다..
프로세스 로깅 & SPC: 레코드 쉘 예열, 녹다 & 온도에 대한, 탈기 시간, 라이저 크기 및 위치; 변수를 결함 발생률과 통계적으로 연관시키다.

9. 사례 연구 (예시적인): 316L 밸브 바디의 밸브 시트 수축 제거

문제: 316L 밸브 몸체 (압력 등급 10 MPa) 밸브 시트에 수축 공동이 나타남 (22 mm 벽), 원인 15% 누출.
행위

분할 22 mm 뜨거운 질량을 두 개의 ~10mm 섹션으로 나눕니다. 3 mm 리브와 점진적인 전환.
모듈러스가 있는 발열 상단 라이저 추가 2.0 센티미터 핫스팟을 공급하기 위해 두 개의 입구를 재배치했습니다..
쉘 예열 증가 750 → 900 ℃ 그리고 붓는 것을 설정하세요 1540 ± 5 ° C.
VOD 정제 채택 + 아르곤 탈기 (8 분) H2 ≤를 줄이기 위해 0.001%.
결과: 수축 발생률이 감소했습니다. 2%, 누출이 제거됨, 기계적 강도가 ~8~10% 증가 - 생산 수율 및 고객 수용도 목표 달성.

10. 수축 다공성 예방을 위한 주요 원칙 및 모범 사례

이 섹션에서는 엔지니어링 규칙을 요약합니다., 스테인리스강 인베스트먼트 주조의 수축 다공성을 함께 방지하는 입증된 전술 및 운영 표준.

핵심 원칙 (모든 행동 뒤에 숨은 '이유')

먹이를 주는 디자인, 멋있어 보이지 않으려고. 형상의 주요 목적은 방향성 응고와 마지막 응고 영역으로의 중단 없는 액체 금속 흐름을 가능하게 하는 것입니다..
설계로 인해 접근하기 어려운 핫스팟이 생성되는 경우, 공정 제어만으로는 수축을 확실하게 방지할 수 없습니다..
수축 수요에 맞춰 공급 용량을 일치시키세요.. 모듈러스를 사용하세요 (크보리노프) 피더가 공급하는 핫스팟보다 오래 지속되도록 라이저 크기를 조정하는 방법 (일반적인 규칙: M_라이저 ≒ 1.2–1.5 × M_casting).
열 타임라인 제어. 응고시기 (쉘 예열, 온도에 대한, 단열/냉각) 공급 창을 정의합니다..
필요한 경우 수유 기간을 연장하기 위해 이러한 매개변수를 의도적으로 관리합니다..
용융물에서 다공성 핵생성 부위 제거. 낮은 수소와 낮은 포함 횟수는 갇힌 수지상간 액체가 공극을 형성할 가능성을 실질적으로 줄입니다..
측정하다, 시뮬레이션 및 반복. 응고 시뮬레이션을 미리 사용하고 객관적인 NDT를 사용하세요. & 탄탄한 제조법으로 빠르게 수렴하기 위한 실험 후의 야금술.
필요한 경우 에스컬레이션하세요.. 형상이나 안전 요구 사항이 거의 0에 가까운 다공성을 요구하는 경우 (압력 부품, 항공우주), 고급 교정의 경제성을 받아들입니다. (HIP 또는 압력 응고) 반복되는 스크랩을 수락하는 대신.

11. 결론

수축 다공성 스테인레스 스틸 매몰 주조는 합금 응고 특성으로 인해 발생하는 복잡한 결함입니다., 주조 구조, 프로세스 매개 변수.

이를 해결하려면 체계적인 관리가 필요합니다., 다각적인 접근 방식 - 구조 최적화 통합, 공급 시스템 디자인, 프로세스 제어, 및 용강 품질 향상.

방향성 응고 원칙을 준수하여, 핫스팟 최소화, 수축 수요에 맞춰 공급 용량을 조정합니다., 제조업체는 수축 다공성을 크게 줄이고 주조 품질을 향상시킬 수 있습니다..

궁극적으로, 성공적인 수축 다공성 해결은 기술적 과제일 뿐만 아니라 전체 주조 수명 주기에 걸쳐 엄격한 품질 관리와 지속적인 개선에 대한 노력입니다..