Trys esminiai nerūdijančio plieno liejimo konstrukcijų aspektai

Nerūdijantis plienas metalo liejiniai (nuolatinis) liejimo formos arba tikslios investicinės formos suteikia unikalių galimybių ir rizikų.

Palyginti su liejiniais iš smėlio formos, Liejiniai iš metalo formų greičiau atvėsta ir kietėja, o susitraukimo metu forma nesuteikia „duoti“..

Greitesnis aušinimas ir nulinis pelėsių atitikimas padidina vidinius įtempius, padidina įtrūkimų tikimybę ir padidina defektus, pvz., netinkamus paleidimus, šaltas uždarymas ir nepilnas užpildymas.

Gaminti tvirtus, patikimos nerūdijančio plieno liejamos konstrukcijos, Trys projektavimo ir procesų valdymo kategorijos nusipelno ypatingo dėmesio:

(1) užtikrinant visišką užpildymą ir išvengiant šalčio defektų, (2) užkirsti kelią kietėjimo įtrūkimams ir mechaniniams įtrūkimams, ir (3) projektavimas pelėsių ištraukimui, įrankių ir matmenų stabilumas.

Toliau išsamiai paaiškinama kiekviena sritis ir pateikiama konkretumo, inžinerinio lygio veiksmai ir kontroliniai sąrašai.

Apžvalga – kodėl nerūdijančio plieno liejiniai metalinėse formose yra ypatingi

• Greitesnis aušinimas → didesni terminiai gradientai. Greitas šilumos ištraukimas padidina vidinius tempimo įtempius kietėjimo metu ir kambario temperatūroje.
• Nėra pelėsių atitikties. Skirtingai nuo smėlio, metaliniai štampai nesusispaudžia, kad prisitaikytų prie susitraukimo; suvaržytas susitraukimas sukelia įtrūkimus arba karštą plyšimą, nebent konstrukcija leidžia laisvai susitraukti arba paduoti.
• Paviršiaus / srauto elgsenos pokyčiai. Plonos dalys greitai praranda metalo sklandumą; dideli horizontalūs paviršiai ir aštrūs kampai blogina oksidų susidarymą, šaltas srautas ir klaidingi paleidimai.
• Lydinio jautrumas. Nerūdijančio plieno lydiniai (Austenitinis, Duplex, martensitinės liejimo klasės) skiriasi užšalimo diapazonu, sklandumas ir jautrumas karštam įtrūkimui, todėl lydinio konstrukcija yra labai svarbi.

1. Užkirsti kelią nepilnam užpildymui, šaltas uždarymas ir kiti užpildymo defektai

Pagrindinė problema: metalinėse formose nerūdijančio plieno lydalai greitai praranda šilumą ir gali sukietėti, kol ertmė visiškai neužpildoma, gamina netinkamus paleidimus, šalti ratai ir oksido įstrigimas.

Dizaino principai

• Sklandžiai, supaprastinta išorinė geometrija. Venkite staigių skyrių pakeitimų, Aštrūs kampai, ir žingsnių pokyčiai, kurie trikdo srautą.
  Pirmenybę teikite suapvalintiems perėjimams ir iškirptoms sankryžoms, kad išlaikytumėte laminarinį metalo srautą ir sumažintumėte oksido plėvelės įstrigimą.
• Venkite didelių horizontalių plokščių. Horizontalūs paviršiai sukelia lėtą užpildymą, platus oro/metalo kontaktas (oksidacija) ir skysčių praradimas; sulaužykite didelius butus švelniu kampu, šonkauliai ar nuožulnios savybės.
• Naudokite tinkamą pjūvio storį. Nedarykite didelių didelių plotų plonų sienų.
  Plonos didelių komponentų dalys atvėsta ir greitai praranda takumą – arba sutirštinkite svarbias dalis, arba sukurkite vietinius sustorėjimus, skirtus tiekimui.
• Optimizuotas vartų ir bėgių dizainas. Pirmiausia suraskite vartus, kad padėtų sunkiausioms arba lėčiausiai užpildomoms vietoms; naudokite gero dydžio angas, suapvalinti įėjimai ir srauto išsiplėtimai, kad būtų sumažinta turbulencija ir oksidų įsiskverbimas.
  Naudokite įpjovos geometriją, kuri palaiko aukštą skysto metalo temperatūrą, kai jis pasiekia tolimiausius ertmės taškus.

Proceso valdymas

• Perkaitimo valdymas. Išlaikyti lydymosi temperatūrą aukštesnėje rekomenduojamo pasirinkto lydinio diapazono pusėje (saugiose ribose), prailginti sklandumą, neskatinant oksidacijos.
• Apsauginės atmosferos / srautas. Sumažinti oksidaciją (ypač plonose perėjose) naudojant dengiamuosius srautus, jei įmanoma, vakuuminė arba apsauginė atmosfera.
• Izoliuoti arba šildomi vartai ir tiektuvai. Vietinis šildymas arba izoliacinės bėgelių įvorės gali išlaikyti šilumą ir sumažinti neteisingus važiavimus.
• Jei reikia, naudokite šaltkrėtis. Strateginis išorinis atšalimas padeda tiesiogiai sukietėti ir gali sumažinti šalto uždarymo riziką, kai kartu derinamas su tinkamais užtvarais; venkite šaltkrėtis, kuris per anksti sutvirtina paskutinį srauto kelią.
• Modeliavimas (kietėjimo/tekėjimo CFD) turėtų būti naudojami užpildymo laikui patvirtinti ir šalto uždarymo rizikai nustatyti prieš gaminant štampą.

2. Liejimo įtrūkimų prevencija, karštos ašaros ir stresiniai lūžiai

Pagrindinė problema: suvaržytas susitraukimas, terminiai gradientai ir vietiniai įtempių koncentratoriai sukelia karštą plyšimą kietėjimo metu arba įtrūkimus aušinant.

Konstrukcijų projektavimo taisyklės

• Vienodas sienos storis. Suprojektuokite sienas taip, kad jos būtų kuo vienodesnės.
  Venkite staigių perėjimų tarp plonų ir storų dalių; kur reikalingi perėjimai, naudokite laipsniškus smailėjančius ir dosnius filė.
• Prie silpnų zonų pridėkite šonkaulių ir įdubimų. Ploni tinklai, ploni viršeliai arba ilgos neparemtos sienos yra linkusios įtrūkti – sutvirtinkite briaunomis arba įvorėmis, bet suprojektuokite juos taip, kad jie nesudarytų ribojančių susitraukimo apribojimų.
• Sumažinkite funkcijas, kurios blokuoja laisvą susitraukimą. Antgaliai, flanšai ir įterptieji iškyšos, mechaniškai stabdantys susitraukimą, yra dažni įtrūkimų iniciatoriai; sumažinti skaičių, persikelti, arba suprojektuokite juos su reikalavimus atitinkančiu reljefu.
• Pirmenybę teikite pasvirusioms jungtims, o ne vertikalioms sandūroms. Jei įmanoma, vertikalias laipsniškas jungtis pakeiskite nuožulniomis arba kūginėmis jungtimis – nuolydžiai padeda išvengti įstrigusio tempimo įtempio kietėjimo metu.
• Didelė filė visuose vidiniuose/išoriniuose kampuose. Aštrūs kampai veikia kaip įtempių koncentratoriai ir įtrūkimų susidarymo vietos.
  Lietamoms nerūdijančio plieno dalims, naudokite didesnius spindulius nei liejant smėliu – skalės filė spindulį su sienelės storiu (žiūrėkite žemiau pateiktą receptą).

Procesas & metalurgijos kontrolė

• Kontroliuokite kietėjimo kryptį. Naudokite kryptinio kietėjimo principus (stovo išdėstymas ir šaltkrėtis) kad kietėjimas vyktų nuo plono iki storo ir maitinimas būtų pakankamas; vengti izoliuotų karštų taškų.
• Tiektuvų / stovų dizainas ir išdėstymas. Užtikrinkite, kad gerai suprojektuoti stovai maitintų paskutinius kietėjančius regionus.
  Liejimui ant nuolatinės formos, stovo efektyvumas turi atsižvelgti į greitesnį aušinimą ir trumpesnį padavimo laiką; kur naudinga, naudokite izoliuojančius stovus arba egzotermines movas.
• Pašalinkite vidinius įtempius termiškai apdorojant. Kritiniams komponentams, apsvarstykite galimybę po liejimo įtempių mažinimo atkaitinimą arba homogenizavimą, kad sumažintumėte gesinimo įtempius, kurie gali sukelti įtrūkimą.
  PASTABA: kai kurioms nerūdijančio plieno rūšims gali prireikti specialių terminių ciklų, kad būtų išvengta įjautrinimo ar nepageidaujamų fazių – suderinkite HT su metalurgu.
• Naudokite karščiui atsparius lydinius arba grūdų rafinavimo priemones. Jei įmanoma, rinkitės rūšis arba priedus, kurie sumažina jautrumą karštam plyšimui, ir naudoti grūdų rafinavimo priemones dendritinės struktūros kontrolei.
• Venkite staigių aušinimo skirtumų. Valdykite pelėsių temperatūrą ir aušinimo greitį, kad sumažintumėte aštrius šiluminius gradientus (kai naudinga, iš anksto pašildykite formas).

3. Pelėsių ištraukimas, juodraštis, filė ir metalinių formų pagaminamumas

Pagrindinė problema: nuolatinės formos neturi duoti; šerdys ir liejiniai turi būti suprojektuoti taip, kad būtų patikimai išstumti ir kuo mažiau pažeistų įrankius, kartu atsižvelgiant į terminį susitraukimą.

Pagrindiniai svarstymai ir veiksmai

• Padidinti juodraštį (smailėjantis) palyginti su smėlio liejimu. Kadangi metalinėms formoms trūksta smėlio sulankstymo, teikti didesni grimzlės kampai—Pidment 30–50% didesnės nei naudojamos smėlio liejimui.
  Praktiškai: jei jūsų smėlio liejimo grimzlė yra 1°–2°, projektuoti nuolatinės formos grimzlės kampai ~1,3°–3° (skalė su paviršiaus apdaila, lydinys ir sienos aukštis).
  Didesnės grimzlės palengvina išmetimą ir sumažina įrankių susidėvėjimą.
• Padidinkite filė ir kampo spindulius. Naudokite dosnūs spinduliai sankryžose į: (a) sumažinti įtempių koncentraciją ir įtrūkimus, (b) palengvinti formų užpildymą, ir (c) leisti geriau atlaisvinti dalis.
  Kaip taisyklė, padaryti filė spindulių skalę su vietiniu sienelės storiu (Pvz., spindulių tvarka 5–15% vietinio sienelės storio, su minimaliais praktiniais kelių milimetrų spinduliais mažiems liejiniams). (Koreguokite pagal geometriją ir įrankių apribojimus.)
• Minimalus sienelės storis – padidėjimas, palyginti su smėlio liejimu. Paprastai reikalingos metalo formos liejamos nerūdijančios dalys didesnis minimalus sienelės storis nei lygiavertis smėlio liejimo komponentas nes metalinė forma greičiau ištraukia šilumą.
  Kaip taisyklė, padidinti smėlio liejimo minimumą 20–50% tam pačiam lydiniui ir geometrijai, nebent detalės konstrukcija ir procesas būtų patvirtinti. Visada patikrinkite liejimo proceso galimybes ir lydinio duomenis.
• Vidinės ertmės ir šonkauliai: vidiniai tinklai ir šonkauliai turi būti 0.6–0,7× gretimos išorinės sienos storis(s) kad būtų išvengta lėto vėsinimo zonų ir diferencinio susitraukimo, sukeliančio įtrūkimus.
  Jei vidiniai šonkauliai yra per stori, palyginti su aplinkinėmis sienomis, jie sukietės paskutiniai ir bus įtrūkimų iniciatoriai..
• Juodraštis šerdims ir šerdies spaudiniams: nes šerdys negali suspausti, šerdies spaudiniai ir ištraukimo funkcijos turi būti tvirtos ir turėti atpalaiduojančius kūgius. Apsvarstykite sulankstomus branduolius arba padalintus branduolius, kai geometrija yra sudėtinga.
• Jei įmanoma, supaprastinkite sudėtingas išorines formas. Jei sudėtinga forma sukelia gamybos sunkumų, supaprastinkite išorinę geometriją arba padalinkite komponentą į mazgus, kad išvengtumėte derliaus praradimo – darykite tai išlaikant funkcinius reikalavimus.

4. Papildomos praktinės temos – metalurgija, tikrinimas ir gamybos kontrolė

Lydinio pasirinkimas ir apdorojimas

• Pasirinkite šiai funkcijai tinkamą nerūdijančio plieno liejinių šeimą. Austenitinės rūšys yra lanksčios ir atlaidžios, tačiau turi skirtingą kietėjimo diapazoną nei dupleksiniai ar martensitiniai lydiniai – kiekvienai iš jų reikia specialaus užtvaro, stovo ir terminio apdorojimo sekos.
• Turi būti nurodytas terminis apdorojimas po liejimo. Tirpalo atkaitinimas, gali prireikti streso mažinimo arba grūdinimo; dvipusėms klasėms valdykite šilumos įvestį, kad išvengtumėte nepageidaujamo sigmos fazės susidarymo.

Liejimo ir įrankių praktika

• Paviršiaus apdaila ir tepimas. Norėdami sumažinti liejimo paviršiaus defektus ir palengvinti išmetimą, naudokite tinkamus tepimo tepalus, bet venkite perteklinio tepimo, kuris sukelia poringumą arba užteršimą.
• Pelėsių temperatūros kontrolė. Išankstinis pašildymas ir kontroliuojamos pelėsių temperatūros palaikymas sumažina šiluminius smūgius ir nenuoseklų kietėjimą.
• Ventiliacija ir degazavimas. Pasirūpinkite ventiliacijos angomis ir naudokite degazavimą, kad išvengtumėte dujų porų. Liejant nerūdijantį plėvelę, nuolatinės formos turi būti su vėdinimo angomis arba vakuumo pagalba, kad būtų kontroliuojamas poringumas ir dujų įstrigimas..

Kokybės užtikrinimas & patvirtinimas

• Naudokite kietėjimo ir srauto modeliavimą. CFD ir kietėjimo modeliai yra labai veiksmingi numatant šalto išjungimo darbus, nerūdijančio plieno liejinių netinkamas paleidimas ir karšto plyšimo pavojus – naudokite juos prieš statydami štampus.
• Neardomasis bandymas pagal kritinį lygį. Radiografija, ultragarsinis tyrimas arba kompiuterinė tomografija nustato vidinį poringumą, inkliuzai ir įtrūkimai.
  NDT lygis turi būti proporcingas saugai ir funkcionalumui.
• Pilotas bėga & proceso kvalifikacija. Patvirtinkite įrankius, tvartavimas ir terminis apdorojimas bandomaisiais liejiniais, o po to – dokumentų proceso langai (lydymosi temp, pelėsių temp, užpildymo laikas, gesinimo režimas, po liejimo HT).

5. Greita suvestinė lentelė – trys dėmesio sritys ir svarbiausi veiksmai

6. Baigiamosios pastabos

Nerūdijančio plieno liejamų konstrukcijų projektavimas metalo formų gamybai yra sistemos problema, apimanti geometriją, metalurgija ir procesų inžinerija.

Trys aukščiau esančios dėmesio sritys –užpildymas & srautas, įtrūkimų prevencija, ir pelėsių ištraukimas/gamyba– užfiksuoti pagrindinius gedimo būdus ir tiesiogiai nurodyti inžinerines priemones: lygios formos, kontroliuojamas storis ir perėjimai, tinkamas vartymas ir šėrimas, tinkamas skersmuo ir filė, ir patvirtintas terminis apdorojimas.

Naudokite modeliavimą, bandomieji bandymai ir glaudus dizainerių bei liejyklų inžinierių bendradarbiavimas, siekiant sudėtingą dizainą paversti tvirtu, kartojama gamybos dalis.

Pagrindinės nuorodos

ASTM A351-23: Standartinė liejinių specifikacija, Austenitinis nerūdijantis plienas, Slėgio turinčioms dalims.

Amerikos liejyklų draugija (AFS). (2022). Nuolatinio liejimo formos vadovas. AFS spauda.

ISO 3740:2019: Metalinės medžiagos – liejiniai – bendrieji tikrinimo ir bandymų reikalavimai.

Davis, J. R. (2019). Nerūdijančio plieno liejimo vadovas. ASM International.