스테인레스강 주조 구조에 대한 세 가지 중요한 고려 사항

스테인레스 스틸 금속으로 만든 주물 (영구적인) 금형 또는 정밀 매몰 금형은 고유한 기회와 위험을 제시합니다..

사형 주물과 비교, 금속 주형 주물은 더 빠르게 냉각되고 응고되며, 수축 중에 주형이 "변화"를 제공하지 않습니다..

더 빠른 냉각과 제로 몰드 컴플라이언스로 인해 내부 응력이 증가합니다., 균열 발생 가능성을 높이고 오작동 등의 결함을 확대합니다., 완전 폐쇄 및 불완전 충전.

견고하게 생산하려면, 신뢰할 수 있는 스테인리스강 주조 구조, 설계 및 프로세스 제어의 세 가지 범주에 우선적으로 관심을 기울여야 합니다.:

(1) 완전한 충진 보장 및 저온 결함 방지, (2) 응고균열 및 기계적 균열 방지, 그리고 (3) 금형 추출을 위한 설계, 툴링 및 치수 안정성.

다음은 각 영역을 깊이있게 설명하고 구체적인 내용을 제공합니다., 엔지니어링 수준의 작업 및 체크리스트.

개요 - 금속 주형의 스테인리스강 주물이 특별한 이유

• 더 빠른 냉각 → 더 높은 열 구배. 빠른 열 추출로 인해 응고 중 및 실온에서 내부 인장 응력이 증가합니다..
• 금형 준수 없음. 모래와 달리, 금속 다이는 수축을 수용하기 위해 압축되지 않습니다.; 제한된 수축으로 인해 디자인이 자유로운 수축이나 공급을 허용하지 않는 한 균열이나 열간 찢어짐이 발생합니다..
• 표면/흐름 동작 변경. 얇은 부분은 금속 유동성을 빠르게 잃습니다.; 넓은 수평 표면과 날카로운 모서리로 인해 산화물 형성이 악화됨, 차가운 흐름과 잘못된 실행.
• 합금 감도. 스테인레스강 합금 (오스테나이트계, 듀플렉스, 마르텐사이트 주조 등급) 동결 범위가 다릅니다, 유동성 및 열간 균열에 대한 민감성 - 따라서 합금별 설계가 필수적입니다..

1. 불완전 충진 방지, 콜드 셧 및 기타 충전 결함

핵심 문제: 금형에서 스테인리스 용융물은 빠르게 열을 잃고 캐비티가 완전히 채워지기 전에 응고될 수 있습니다., 잘못된 실행을 일으키다, 차가운 랩 및 산화물 포착.

디자인 원칙

• 매끄러운, 유선형 외부 기하학. 급격한 단면 변경 방지, 날카로운 모서리, 흐름을 방해하는 단계 변화.
  층류 금속 흐름을 유지하고 산화막 포착을 줄이기 위해 둥근 전이 및 필렛 접합을 선호합니다..
• 넓은 수평 아파트를 피하세요. 수평 표면으로 인해 충전 속도가 느려짐, 광범위한 공기/금속 접촉 (산화) 그리고 유동성 상실; 부드러운 캠버로 큰 아파트를 부수세요, 리브 또는 경사진 피쳐.
• 적절한 단면 두께를 사용하십시오.. 광범위하고 넓은 면적의 얇은 벽을 만들지 마십시오..
  대형 부품의 얇은 부분은 냉각되어 유동성을 빠르게 잃습니다. 중요한 부분을 두껍게 하거나 공급을 위해 부분적으로 두껍게 설계합니다..
• 최적화된 게이팅 및 러너 설계. 가장 무겁거나 가장 느리게 채워지는 영역을 먼저 공급할 게이트를 찾습니다.; 적절한 크기의 입구를 사용하십시오, 난류 및 산화물 혼입을 최소화하기 위한 둥근 입구 및 흐름 확장.
  액체 금속이 가장 먼 캐비티 지점에 도달할 때 액체 금속 온도를 높게 유지하는 입구 형상을 사용합니다..

프로세스 제어

• 과열도 관리. 선택한 합금에 대해 권장되는 범위의 높은 쪽에서 용융 온도를 유지합니다. (안전한 한계 내에서), 산화를 촉진하지 않고 유동성을 연장시키기 위해.
• 보호 대기 / 플럭스. 산화를 최소화 (특히 얇은 통로에서) 커버 플럭스 사용, 가능한 경우 진공 또는 보호 대기.
• 절연 또는 가열 게이트 및 피더. 러너의 국부 가열 또는 절연 슬리브는 열을 유지하고 잘못된 주행을 줄일 수 있습니다..
• 필요한 곳에 냉기를 사용하세요. 전략적 외부 냉각은 직접적인 응고를 돕고 적절한 게이팅과 결합하면 저온 차단 위험을 줄일 수 있습니다.; 마지막 흐름 경로를 조기에 굳히는 냉각을 피하십시오..
• 시뮬레이션 (응고/유동 CFD) 금형 제작 전에 충진 시간을 확인하고 상온 차단 위험을 식별하는 데 사용해야 합니다..

2. 주조 균열 방지, 뜨거운 눈물과 스트레스 골절

핵심 문제: 억제된 수축, 열 구배 및 국부 응력 집중 장치는 응고 중 뜨거운 찢어짐이나 냉각 시 균열을 일으킵니다..

구조 설계 규칙

• 균일 한 벽 두께. 가능한 한 균일하게 벽을 설계하십시오..
  얇은 부분과 두꺼운 부분 사이의 갑작스러운 전환 방지; 전환이 필요한 곳, 점진적인 테이퍼와 넉넉한 필렛을 사용하세요..
• 취약한 부분에 리브와 거싯 추가. 얇은 웹, 얇은 보스나 지지되지 않은 긴 벽은 균열이 발생하기 쉽습니다. 갈비뼈나 보스로 강화하세요., 그러나 수축에 대한 제한적인 제약을 만들지 않도록 설계하십시오..
• 자유 수축을 차단하는 기능을 최소화합니다.. 러그, 기계적으로 수축을 억제하는 플랜지와 내장형 보스는 균열 발생의 빈번한 원인입니다.; 숫자를 줄이다, 고쳐 놓다, 또는 호환되는 릴리프로 디자인하십시오..
• 수직 맞대기 결합보다 경사 결합을 선호합니다.. 가능한 경우 수직 계단식 연결을 경사 또는 테이퍼 연결로 교체합니다. 경사는 응고 중에 갇힌 인장 응력을 방지하는 데 도움이 됩니다..
• 모든 내부/외부 모서리의 넉넉한 필렛. 날카로운 모서리는 응력 집중 장치 및 균열의 핵 생성 지점 역할을 합니다..
  주조 스테인리스 부품용, 사형 주조보다 더 큰 반경을 사용합니다. 벽 두께에 따른 필렛 반경 스케일 (아래 처방전을 참조하세요).

프로세스 & 야금 제어

• 응고방향 제어. 방향성 응고 원리 사용 (라이저 배치 및 오한) 얇은 것에서 두꺼운 것으로 응고가 진행되어 공급이 적절하도록 함; 고립된 핫스팟을 피하세요.
• 피더/라이저 설계 및 배치. 잘 설계된 라이저가 마지막 응고 영역에 공급되도록 보장.
  영구주형 주조용, 라이저 효율성은 더 빠른 냉각과 더 짧은 공급 시간을 고려해야 합니다.; 도움이 되는 경우 절연 라이저 또는 발열 슬리브를 사용하십시오..
• 열처리를 통한 내부 응력 완화. 중요한 구성 요소의 경우, 균열을 촉진할 수 있는 담금질 응력을 줄이기 위해 주조 후 응력 완화 어닐링 또는 균질화를 고려합니다..
  메모: 일부 스테인리스 등급은 감작이나 원치 않는 단계를 피하기 위해 특정한 열 주기가 필요할 수 있습니다. 야금학자와 HT를 조정하세요..
• 열간 인열 저항성 합금 또는 결정립 미세화제 사용. 가능하다면 열간 인열에 대한 민감성을 줄이는 등급이나 첨가제를 선택하십시오., 수지상 구조를 제어하기 위해 결정립 미세화제를 적용합니다..
• 급격한 냉각 차이 방지. 급격한 열 변화를 줄이기 위해 금형 온도와 냉각 속도를 관리하세요. (유익한 경우 금형을 예열하세요.).

3. 곰팡이 추출, 초안, 금속 주형의 필렛 및 제조 가능성

핵심 문제: 영구 금형은 포기하지 않습니다; 코어와 주물은 열 수축을 수용하는 동시에 안정적인 배출과 최소한의 툴링 손상을 위해 설계되어야 합니다..

주요 고려사항 및 조치

• 초안 늘리기 (작은 초) 모래 주조에 비해. 금형은 모래의 붕괴성이 부족하기 때문에, 제공하다 더 큰 구배 각도-일반적으로 30–사형 주조에 사용되는 것보다 50% 더 큽니다..
  거의: 모래 주조 기류가 1°–2°인 경우, ~1.3°~3°의 영구 금형 구배 각도 설계 (표면 마감으로 크기 조정, 합금 및 벽 높이).
  더 큰 드래프트는 배출을 촉진하고 공구 마모를 줄입니다..
• 필렛 반경 및 코너 반경 확대. 사용 넉넉한 반경 교차점에서: (에이) 응력 집중 및 균열 감소, (비) 금형 충전이 용이함, 그리고 (기음) 더 나은 부품 출시를 허용.
  경험상, 로컬 벽 두께로 필렛 반경 크기 조정 (예를 들어, 반지름 순서대로 5국부 벽 두께의 –15%, 소형 주조의 경우 최소 실제 반경이 수 밀리미터임). (형상 및 도구 제약 조건에 따라 조정합니다.)
• 최소 벽 두께 - 모래 주조에 비해 증가. 금속 주형 주조 스테인리스 부품에는 일반적으로 다음이 필요합니다. 동등한 모래 주조 부품보다 더 큰 최소 벽 두께 금형이 열을 더 빨리 추출하기 때문에.
  원칙적으로, 모래 주조 최소값을 다음과 같이 늘립니다. 20–50% 부품 설계 및 프로세스가 검증되지 않는 한 동일한 합금 및 형상에 대해. 주조 공정 능력 및 합금 데이터로 항상 검증.
• 내부 공동 및 갈비뼈: 내부 웹과 갈비뼈는 다음과 같아야합니다 0.6–0.7× 인접한 외벽의 두께(에스) 균열을 유발하는 느린 냉각 영역과 수축 차이를 방지하기 위해.
  내부 리브가 주변 벽에 비해 너무 두꺼운 경우 마지막으로 응고되어 핫스팟 균열 시작자가 됩니다..
• 코어 및 코어 프린트 초안: 코어는 압축할 수 없기 때문에, 핵심 인쇄 및 추출 기능은 견고해야 하며 릴리스 테이퍼를 포함해야 합니다.. 형상이 복잡할 경우 접이식 코어 또는 분할 코어를 고려하세요..
• 가능한 경우 복잡한 외부 모양을 단순화합니다.. 형상이 복잡하여 생산에 어려움이 있는 경우, 수율 손실을 방지하기 위해 외부 형상을 단순화하거나 구성 요소를 하위 어셈블리로 분할합니다. 기능적 요구 사항을 유지하면서 그렇게 하십시오..

4. 추가 실용 주제 - 야금학, 검사 및 생산 관리

합금 선택 및 처리

• 기능에 적합한 스테인리스 주조 제품군을 선택하세요.. 오스테나이트 등급은 연성이 있고 관대하지만 듀플렉스 또는 마르텐사이트 합금과 응고 범위가 다릅니다. 각각 특정 게이팅이 필요합니다., 라이저 및 열처리 순서.
• 주조 후 열처리를 지정해야 합니다.. 용액 어닐링, 스트레스 해소 또는 완화가 필요할 수 있습니다.; 이중 등급의 경우 바람직하지 않은 시그마 상 형성을 방지하기 위해 열 입력을 제어합니다..

금형 및 툴링 실습

• 표면 마감 및 윤활. 주조 표면 결함을 줄이고 배출을 촉진하려면 적절한 금형 윤활제를 사용하십시오., 그러나 다공성이나 오염을 유발하는 과도한 윤활은 피하십시오..
• 금형 온도 조절. 예열하고 제어된 금형 온도를 유지하면 열충격과 일관성 없는 응고가 줄어듭니다..
• 환기 및 가스 제거. 통풍구를 제공하고 가스 제거를 사용하여 가스 기공을 방지합니다.. 다공성 및 가스 포집을 제어하려면 스테인리스 주조 시 영구 금형에 통풍구 또는 진공 보조 장치를 설계해야 합니다..

품질 보증 & 확인

• 응고 및 흐름 시뮬레이션 사용. CFD 및 응고 모델은 콜드 셧을 예측하는 데 매우 효과적입니다., 금속 주형 스테인리스 주물의 잘못된 작동 및 열간 찢어짐 위험 - 금형 제작 전에 사용하십시오..
• 중요도별 비파괴 검사. 방사선 촬영, 초음파 검사 또는 CT 스캐닝으로 내부 다공성을 확인합니다., 내포물 및 균열.
  NDT 수준은 안전과 기능에 비례해야 합니다..
• 파일럿 실행 & 프로세스 자격. 툴링 검증, 파일럿 주조를 통한 게이팅 및 열처리 후 문서화 프로세스 창 (용융온도, 금형 온도, 시간을 채우다, 담금질 요법, 포스트캐스트 HT).

5. 빠른 요약 표 — 세 가지 주의 영역 및 주요 작업

6. 최종 발언

금속 금형 생산을 위한 스테인리스강 주조 구조를 설계하는 것은 형상 전반에 걸친 시스템 문제입니다., 야금 및 공정 공학.

위의 세 가지 중점 영역은 다음과 같습니다.충전재 & 흐름, 균열 예방, 그리고 금형 추출/제조 가능성—주요 고장 모드를 파악하고 공학적 해결 방법을 직접적으로 지적합니다.: 부드러운 모양, 제어된 두께 및 전환, 적절한 게이팅 및 공급, 적절한 초안 및 필렛, 검증된 열처리.

시뮬레이션 사용, 설계자와 파운드리 엔지니어 간의 파일럿 시험 및 긴밀한 협력을 통해 도전적인 설계를 견고한 설계로 전환합니다., 반복 가능한 생산 부품.

주요 참고자료

ASTM A351-23: 주물의 표준 규격, 오스테나이트계 스테인리스강, 압력을 받는 부품용.

미국 파운드리 사회 (AFS). (2022). 영구 금형 주조 핸드북. AFS 프레스.

ISO 3740:2019: 금속 재료 - 주물 - 검사 및 테스트에 대한 일반 요구 사항.

데이비스, 제이. 아르 자형. (2019). 스테인레스 스틸 주조 핸드북. ASM 인터내셔널.