1. 소개
정도 (투자) 주조는 펌프 임펠러에 널리 사용됩니다., 밸브 몸체, 터보 부품, 의료용 임플란트 및 맞춤형 부품, 표면 마감과 금속학적 무결성이 중요합니다..
스테인레스강 내식성으로 인해 해당 응용 분야에 매력적입니다., 기계적 성질 및 내열성.
하지만 복잡한 모양의 조합, 얇은 단면과 스테인리스 스틸 야금으로 인해 결함 위험이 증폭됩니다..
이러한 위험을 완화하려면 재료 선택과 패턴 설계부터 용융까지 통합적인 접근 방식이 필요합니다., 쉘 제조, 붓는 것, 열처리, 검사 및 마무리.
2. 정밀 주조에 사용되는 주요 스테인리스강 제품군
- 오스테나이트계 (예를 들어, 304, 316, 321, CF-3M): 높은 Ni/Cr 함량, 좋은 연성 및 내식성.
오스테나이트계는 균열이 발생하기 쉽지만 가스 다공성이 발생하기 쉽습니다. (수소), 일부 대기에서는 표면 산화 및 내부 침탄/탈코킹.
냉각 시 변형되지 않음, 따라서 응고 및 개재물 청결도 제어가 중요합니다.. - 듀플렉스 (페라이트-오스테나이트): 일부 환경에서 더 높은 강도와 향상된 SCC 저항성.
듀플렉스 등급은 열 이력에 더 민감합니다.: 300~1000°C 범위에 장기간 노출되면 취화 단계가 촉진될 수 있습니다. (시그마), 냉각 불균형으로 인해 원하지 않는 페라이트/오스테나이트 비율이 발생할 수 있습니다.. - 마르텐사이트 / 강수량 강화 (예를 들어, 410, 17-4PH): 더 높은 강도/강성 또는 경도가 필요할 때 사용됩니다..
이러한 합금은 응고 수축 또는 열 구배가 적절하게 관리되지 않고 주의 깊은 주조 후 열처리가 필요한 경우 균열이 발생하기 더 쉬울 수 있습니다.. - 고합금/특수품 (예를 들어, 6모, 20Cr-2Ni): 합금이 증가하면 분리 문제가 심화될 수 있습니다., 산화 및 내화물 호환성; 용해실습과 슬래그 관리가 더욱 중요해짐.
3. 정밀 주조 공정 - 중요한 단계 및 변수 제어
결함이 발생하는 주요 단계:
- 무늬 & 게이팅 디자인: 왁스 또는 폴리머 패턴, 게이팅, 라이저 전략, 필렛, 초안.
- 쉘 빌딩: 슬러리 화학, 치장용 벽토 크기, 건조/경화 주기 및 쉘 두께 제어.
- 패턴 제거 / Dewax: 청결함과 잔여물 없음.
- 예열 / 빵 굽기: 잔류 유기물을 제거하고 열충격을 제어하기 위해 온도를 제어합니다..
- 녹는 & 금속 처리: 녹는 연습 (유도, 진공 유도, 스테인리스에서는 큐폴라를 피함), 탈산, 슬래그 제거, degassing (아르곤), 포함 제어, 및 합금 화학 정확도.
- 붓는 것: 쏟아지는 온도, 기술 (하단/상단 붓기), 비장, 그리고 분위기 조절.
- 응고 & 냉각: 방향성 응고, 라이저 성능, 열 구배 제어.
- 껍질 제거, 청소 및 펫팅: 기계적 및 화학적 청소, 점검.
- 주조 후 열처리: 솔루션 어닐링, 끄다, 템퍼링, 합금 및 기계적 요구에 따라 응력 완화.
- 비파괴 테스트 & 마무리 손질: NDT, 가공, 지정된 경우 HIP, 표면 마무리 및 패시베이션.
제어 변수에는 다음이 포함됩니다.: 청결함과 화학적 성질을 녹여라, 껍질 다공성과 투과성, 예열 프로필, 쏟아지는 온도와 난기류, 상승 및 피더 구성, 주조 후 열주기.
4. 스테인리스강 정밀 주조에서 가장 흔히 발생하는 결함
이 섹션에는 스테인레스 스틸에서 가장 자주 나타나는 결함이 나열되어 있습니다. 투자 주물, 어떻게, 왜 형성되는지 설명, 실용적인 감지 기능을 제공합니다., 예방 및 교정 조치.
가스 다공성 (통풍구, 핀홀, 벌집 다공성)
어떻게 생겼는지: 주조물을 통해 분산된 구형 또는 둥근 공극; 표면을 파괴하는 핀홀 또는 표면 아래 다공성 클러스터; 때로는 수지상 돌기 사이의 벌집 네트워크.
근본 원인: 용해된 가스 (주로 수소, 때때로 질소/산소) 응고 중에 방출됨; 껍질이나 패턴에 수분이나 휘발성 유기물; 부적절한 탈기; 공기나 불순물을 동반하는 격렬하게 쏟아지는 현상; 용융물 생성 가스의 반응.
감지 방법: 시각적 (표면 핀홀), 모공 표면을 파괴하는 염료 침투제, 지하 다공성에 대한 방사선 촬영/CT, 압력이 중요한 부품에 대한 초음파 또는 헬륨 누출 테스트.
방지: 껍질을 엄격하게 건조시키고 왁스/재 제거를 제어합니다.; 용융 탈기 수행 (아르곤/아르곤-산소 혼합물, 진공 탈기);
깨끗한 충전 재료를 사용하고 반응성 플럭스를 최소화합니다.; 층류 또는 바닥 붓기 기술을 사용하여 붓기; 유동성과 가스 픽업의 균형을 맞추기 위해 주입 온도를 제어합니다..
교정: 뜨거운 등방성 프레스 (잘 알고 있기) 기능이 요구되는 내부 다공성을 막기 위해; 표면 기공을 제거하기 위한 국소 가공; 야금 및 설계가 허용되는 경우 고립된 결함에 대한 용접 수리.
수축 다공성 (수지상간 수축)
어떻게 생겼는지: 불규칙한, 종종 마지막으로 얼어붙는 위치에 집중된 상호 연결된 공극 (두꺼운 부분, 접합)—수상돌기 네트워크 또는 중앙 공극으로 나타날 수 있음.
근본 원인: 응고 중 공급이 부족함; 수지상간 수축을 촉진하는 넓은 동결 범위의 합금;
불량한 라이저/게이팅 배치; 과열점에서 응고를 지연시키는 과열 또는 과절연 부족.
감지 방법: 내부 보이드 매핑을 위한 방사선 촬영 및 CT; 수지상간 형태를 확인하기 위한 금속 조직 절단.
방지: 방향성 응고 방법을 적용합니다. 마지막으로 동결되는 볼륨에 라이저/피더를 배치합니다., 냉각을 사용하여 응고 경로 수정, 공급을 보장하기 위해 게이팅을 수정, 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 핫스팟 동작 확인.
교정: 내부 수축을 치밀화하는 HIP; 후속 생산을 위해 공급을 추가하거나 섹션 형상을 변경하도록 재설계; 허용 가능한 국부적인 용접 빌드업, 접근 가능한 수축.
개재물 및 슬래그 포착
어떻게 생겼는지: 매트릭스의 어두운 각진 입자 또는 스트링거 (광재, 산화막, 내화물 파편), 때로는 가공된 표면이나 파손 단면에서 볼 수 있음.
근본 원인: 용광로의 부적절한 스키밍/슬래그 제거, 격렬하게 쏟아지는 찌꺼기, 호환되지 않는 쉘 재료가 용융물로 부서지는 현상, 부적절한 플럭스, 또는 용융 정제가 불충분함.
감지 방법: 더 큰 함유물에 대한 방사선 촬영/CT, 작은 입자에 대한 금속학, 고장 분석을 위한 화이트 에칭 검사 및 파면 분석.
방지: 엄격한 용융 청소 (스키밍, 플럭스), 난기류를 피하기 위해 쏟아지는 것을 제어, 가능한 경우 바닥 붓기 또는 침수 붓기,
부서짐이 제어된 호환 가능한 쉘 제형, 슬래그 혼입을 최소화하는 주기적인 레이들 이송 관행.
교정: 표면 개재물 가공; 내하중 부품의 용접 수리 또는 단면 교체; 후속 타설 전 용융 작업 및 검사 개선.
콜드 종료 및 잘못된 실행 (불완전한 충전)
어떻게 생겼는지: 표면선, 콜드 랩 라인, 불완전한 섹션, 또는 캐비티가 완전히 채워지지 않은 얇은 영역.
근본 원인: 낮은 붓는 온도, 불충분한 용융 금속 흐름, 열악한 게이팅 또는 환기, 과도한 껍질 투과성 또는 젖은 반점, 지나치게 얇은 단면 또는 긴 유동 경로.
감지 방법: 표면 결함에 대한 육안 검사 및 치수 검사; 숨겨진 영역이 불완전하게 채워졌는지 확인하기 위한 CT/방사선 촬영.
방지: 층류에 대한 게이팅 및 벤팅 검증, 중단없는 흐름; 유동성을 유지하기 위해 붓는 온도와 붓는 속도를 조절하세요.;
균일한 단면 두께를 보장하거나 피드 채널을 추가하세요.; 국부적인 냉각을 피하기 위해 껍질 건조 개선.
교정: 형상이 허용하는 경우 용접 및 기계 가공을 통한 재작업; 향후 실행을 위해 게이팅 재설계.
뜨거운 눈물 / 뜨거운 크래킹 (응고 균열)
어떻게 생겼는지: 마지막으로 굳는 부위의 불규칙한 균열, 외부 표면이나 모깎기 및 구속된 피쳐 근처에 있는 경우가 많습니다., 냉각 중에 나타나는.
근본 원인: 금속 연성이 낮을 때 반고체/후기 응고 구간 동안의 인장 변형률; 구속된 형상, 급격한 섹션 변경, 부적절한 공급 또는 열악한 금형 준수; 응고 범위가 넓은 합금은 더 취약합니다..
감지 방법: 표면 균열에 대한 시각적 및 염료 침투성; 지하 균열에 대한 방사선 촬영/CT; 응고 형태와 균열 시기를 확인하기 위한 금속학.
방지: 구속을 줄이기 위한 디자인 (필렛 추가, 반경을 늘리다, 움직임을 고정하는 단단한 코어를 피하십시오.), 응고 중 인장 변형을 줄이기 위해 게이팅/라이저 전략을 수정합니다.,
약간의 컴플라이언스 또는 절연 슬리브가 있는 금형 재료를 사용하십시오., 열 구배를 줄이기 위해 주조 순서를 개선합니다..
교정: 형상 및 금속학적으로 허용되는 경우 용접 오버레이 및 용접 후 열처리로 수리할 수 있는 경우도 있음; 그렇지 않으면 툴링을 재설계하고 재발행합니다..
어떻게 생겼는지: 표면 거칠기, 날카로운 내장 내화물 입자, 느슨한 껍질 조각 또는 벗겨지는 비늘 조각. 쉘 세척으로 인해 표면에 큰 구멍이 생길 수 있습니다..
근본 원인: 약한 껍질 (부적절한 치장벽토, 덜 구운 껍질), 용융 금속과 쉘 바인더 사이의 화학적 공격, 과도한 쏟아지는 난기류, 또는 과도한 금속 온도로 인해 쉘이 파손될 수 있습니다..
감지 방법: 주조된 표면의 육안 검사, 내화성 개재물을 식별하기 위한 금속학, 껍질 결합 관련 여부를 결정하기 위한 파쇄법.
방지: 슬러리 조성 및 치장벽토 등급 제어, 올바른 껍질 건조 및 왁스 제거 일정 적용, 금속-쉘 반응을 제한하기 위해 적절한 경우 쉘 코팅을 사용하십시오., 기계적 침식을 제한하기 위해 적절한 타설 방법을 사용합니다..
교정: 용접 및 기계 가공을 통해 표면 공동 제거 및 패치; 오염으로 인해 구조적 무결성이 손상되는 경우 재작업 또는 폐기; 후속 실행을 위한 올바른 쉘 프로세스.
산화, 스케일 형성 및 표면 오염
어떻게 생겼는지: 무거운 산화물 규모, 검정색/회색 표면 필름, 어두운 반점이나 얼룩; 심한 경우에는, 거친 금속을 노출시키는 파편 산화물.
근본 원인: 상승된 용융/주입 온도에서 공기/산소에 노출, 부적절한 보호 플럭스/커버, 국부적인 반응을 일으키는 탈왁스 잔류물 또는 탄소질 오염물질.
감지 방법: 육안 검사, 표면 화학 테스트, 산화물 두께와 침투를 검사하기 위한 광학/금속 조직 단면.
방지: 용융물 위에 보호용 플럭스 커버 또는 불활성 가스 커버를 사용하십시오., 주입 온도 및 분위기 제어, 철저한 탈랍 및 껍질 세척을 보장합니다., 반응을 최소화하는 적절한 쉘 및 코팅 시스템을 지정합니다..
교정: 기계적 제거 (샷 폭발, 연마), 화학적 청소, 전해연마, 부식 방지 표면을 복구하기 위한 패시베이션; 심한 경우에는, 부품을 교체하다.
기화 기화 / 탈탄 및 표면 화학 변화
어떻게 생겼는지: 어두워지거나 부서지기 쉬운 표면층 (침탄) 또는 부드러움, 고갈된 표면 (탈탄), 피로 저항 감소 및 국부적인 부식 민감성 감소로 이어짐.
근본 원인: 바인더로부터의 탄소 확산, 잔여 왁스, 탄소질 껍질 성분, 또는 열처리 중 대기 감소; 산화 분위기 또는 고온에서의 과도한 베이킹으로 인한 탈탄.
감지 방법: 미세경도 프로파일링, 금속 단면, 표면 탄소/황 분석.
방지: 잔류탄소가 적은 쉘 시스템과 바인더를 선택하세요, 베이킹/열 사이클 제어, 휘발성 물질을 제거하는 베이크아웃 프로토콜을 통합합니다., 열처리를 위해 분위기 조절로를 사용합니다..
교정: 손상된 표면을 제거하기 위한 가공, 불활성 또는 진공 분위기에서 적절한 열처리, 또는 국부적인 연삭 후 패시베이션.
분리 및 중심선 / 거대분리
어떻게 생겼는지: 대형 주조 섹션에 걸친 조성 변화 - 중심선이나 기타 핫스팟의 합금 원소 또는 불순물의 농도, 때로는 단단하거나 부서지기 쉬운 미량성분이 동반되기도 함.
근본 원인: 응고 중 수지상 분리, 큰 부분의 느린 냉각 속도, 일부 스테인리스 합금의 경우 긴 동결 범위, 균질화 열처리가 부족함.
감지 방법: 화학적 매핑 (EDS/WDS), 미세 경도 조사, 섹션 전반의 금속 조직학 및 구성 분석.
방지: 냉각 또는 수정된 절편을 통해 응고 속도 제어, 긴 응고 경로를 줄이기 위해 게이팅 최적화,
기하학과 야금학이 허용하는 경우 균질화 어닐링을 사용하십시오., 용융 기술을 고려해보세요 (VIM/VAR) 거시적 분리를 줄이기 위해.
교정: 분리 효과를 줄이기 위한 균질화 열처리 또는 분리 영역에 대한 중요한 특성 의존성을 피하기 위한 부품 재설계; 후속 열처리를 통한 HIP도 완화할 수 있습니다..
왜곡, 잔류 응력 및 가공 후 균열
어떻게 생겼는지: 뒤틀린 부분, 쉘 제거 또는 열처리 후 공차를 벗어난 치수; 가공 중 또는 서비스 중 균열.
근본 원인: 불균일한 냉각, 위상 변환 (마르텐사이트 또는 이중 등급), 제한된 냉각, 내장된 잔류 응력을 해제하는 가공, 부적절한 열처리 일정.
감지 방법: 치수 검사, 왜곡 매핑, 균열에 대한 염료 침투 또는 자분 테스트, 및 금속 조직 상 분석.
방지: 냉각 속도 제어, 해당하는 경우 무거운 기계 가공 전에 응력 완화 열처리를 수행합니다., 재료 제거의 균형을 맞추는 연속 가공, 스트레스를 가두는 갑작스러운 섹션 전환을 피하십시오..
교정: 스트레스 해소 어닐링, 재열 처리 주기, 가공 전략 변경, 또는 통제된 조건에서 열 교정.
표면 마감 결함 (거, 쉘 텍스처 전송, 구멍 뚫기)
어떻게 생겼는지: 과도한 거칠기, 주조 표면에 보이는 쉘 입자/질감, 열처리 후 국부적인 구멍이나 에칭.
근본 원인: 거친 치장용 벽토, 열악한 쉘 슬러리 제어, 부적절한 껍질 세척, 바인더 재 잔류물, 또는 공격적인 열처리 분위기.
감지 방법: 프로필로메트리, 육안 검사, 그리고 현미경.
방지: 목표 마감을 위해 올바른 치장벽토 입자 크기를 선택하십시오., 슬러리 점도 및 적용 제어, 철저한 쉘 청소 및 제어된 베이킹 주기 보장,
주조 후 마무리 공정을 사용합니다. (총탄, 진동 텀블링, 가공) 지정된대로.
교정: 기계적 마무리 (연마, 세련), 화학적 에칭/산세척 및 전해연마; 나중에 패시베이션을 적용하세요.
미세균열 및 입계공격 (IGSCC 경향)
어떻게 생겼는지: 미세한 입계 균열, 부식성 환경에 노출된 후 민감화 영역이나 국부적인 부식과 관련되는 경우가 많습니다..
근본 원인: 결정립 경계에서의 크롬 탄화물 침전 (감작) 부적절한 열처리로 인해, 분리, 또는 감작 온도 범위에서 장기간 노출; 잔류 응력은 부식 공격으로 인해 균열을 악화시킵니다..
감지 방법: 민감화를 위한 에칭을 이용한 금속학, 표면균열용 염료침투제, 부식 테스트 (예를 들어, 해당되는 경우 입계 부식 테스트).
방지: 오스테나이트 등급에 적합한 용액 어닐링 및 담금질 주기, 주조품의 델타 페라이트 제어, 안정화된 등급을 사용합니다. (If/Nb) 감작 위험이 있는 경우.
교정: 탄화물을 용해시키기 위한 용액 어닐링 (형상 및 부품 구속조건이 허용하는 경우), 적절한 용접 후 열처리를 통한 국부 연삭/용접, 또는 향후 생산을 위해 안정화된 등급 또는 낮은 C 등급으로 교체.
5. 사례 연구 - 대표적인 문제 해결 사례
사례 1 — 펌프 임펠러의 반복적인 내부 다공성
근본 원인: 산소를 동반하는 부적절한 탈기 및 난류 바닥 주입 기술; 수지상간 수축을 일으키는 복잡한 얇은 두께의 전이.
해결책: 아르곤 탈기 구현, 저난류 바닥 주입으로 전환됨, 재설계된 게이팅 및 추가된 냉각 기능; 비행 중요 부품에 HIP 적용.
사례 2 — 벽이 얇은 열교환기의 콜드 셧다운 및 오작동
근본 원인: 온도가 너무 낮고 코어를 통한 환기가 불충분함; 껍질 투과성이 일관되지 않음.
해결책: 합금 창 내 주입 온도 증가, 향상된 껍질 건조, 층류 흐름을 보장하기 위한 최적화된 환기 채널 및 수정된 게이팅 - 콜드 셧 제거.
사례 3 — 주조 후 표면 유황 얼룩 및 국부 부식
근본 원인: 탄소질 결합제 잔류물 및 부적절한 껍질 세척으로 국부적인 황화물 얼룩 및 구멍이 발생함.
해결책: 수정된 왁스 제거 및 쉘 세척 공정, 휘발성 물질을 제거하기 위해 고온 쉘 베이킹을 도입하고 전해연마와 구연산 부동태화를 수행했습니다..
6. 결론
스테인레스 스틸 정밀 주조로 복잡한 형상 가능, 높은 치수 정확도와 탁월한 표면 품질, 그러나 본질적으로 야금 및 공정 관련 변수에 민감합니다..
다공성과 같은 가장 일반적인 주조 결함, 수축, 포함, 열간 찢어짐 및 표면 화학 문제는 무작위 사건이 아닙니다.; 이는 합금 선택의 직접적인 결과입니다., 녹는 연습, 금형 품질, 열 제어 및 부품 설계.
품질과 신뢰성의 핵심은 주조 후 보수보다는 예방적 관리.
주조 설계에 대한 초기 결정, 게이팅 및 라이저 레이아웃, 쉘 제조 및 용융 규율을 통해 결함이 형성되기 전에 대부분의 결함을 제거합니다..
HIP 등의 시정조치를 하면서, 열처리 및 용접 수리로 중요 부품의 가치를 회복할 수 있습니다., 비용이 증가하고 강력한 프로세스 제어를 대체해서는 안 됩니다..
결론적으로, 스테인리스강 정밀 주조는 엔지니어링 설계 시 예측 가능하고 가치가 높은 제조 솔루션이 됩니다., 재료 과학과 프로세스 제어가 일치합니다..
체계적인 예방, 목표한 검증과 지속적인 개선은 장기적인 주조 품질과 성능의 기초입니다..
