Ieguldījumu liešanas materiāli — izvēlieties pareizo sakausējumu savlaicīgi

1. Kopsavilkums

Investīciju liešana (zaudētā vaska liešana) tiek novērtēts par formas precizitāti, plānas sekcijas un sarežģīta ģeometrija.

Sakausējuma izvēle ir vienīgais vissvarīgākais dizaina lēmums, jo tas nosaka: kādi materiāli un kausēšanas/degazēšanas metodes liešanai jāizmanto; čaulas ķīmija un apdedzināšanas cikli;

barošanas un saraušanās stratēģija; sasniedzamās mehāniskās īpašības un nepieciešamās pēcliešanas termiskās apstrādes; pārbaudes un pieņemšanas testi; un galu galā daļu izmaksas un izpildes laiks.

Šajā rakstā ir aplūkotas galvenās sakausējumu grupas, kuras parasti izmet ieguldījumu procesā, salīdzina to metalurģisko uzvedību un apstrādes ietekmi, un nodrošina pragmatiskas atlases vadlīnijas, kas saistītas ar tipiskām lietojumprogrammām.

2. Kāpēc materiālu izvēlei ir nozīme ieguldījumu veidošanā?

Materiālu izvēle ir vienīgais visnozīmīgākais inženierijas lēmums investīciju liešana. Tas nosaka ne tikai gatavās detaļas ekspluatācijas veiktspēju (izturība, izturība pret koroziju, augstas temperatūras stabilitāte, bioloģiskā savietojamība, svars),

bet arī visa augšupējā un pakārtotā ražošanas ķēde: kausēšanas un liešanas metode, čaulas ķīmija un šaušana, vārtu/stāvvada stratēģija, defektu režīmi, kuriem jāpievērš uzmanība, nepieciešamās termiskās apstrādes, pārbaudes metodes, cikla laiks, lūžņu risks un kopējās izmaksas.

3. Investīciju liešanā izmantotās materiālu grupas

4. Liešanas sakausējuma materiāli — lējumu galīgās veiktspējas noteikšana

Izvēloties sakausējumu lējumam, jāņem vērā savstarpēji atkarīgu faktoru kopums: nepieciešamās mehāniskās īpašības (izturība, izturība, nogurums), darbības vide (temperatūra, Korozīvi plašsaziņas līdzekļi),

ģeometrija (plānas sienas pret masīvām sekcijām), ražošana (šķidrums, sasalšanas diapazons, reaktivitāte), pēcapstrāde (termiskā apstrāde, Gurns), pārbaudes vajadzības un izmaksas.

Dzelzs sakausējumu lējumi

1) Oglekļa tērauds liešana

Kas tie ir: mazleģētie tēraudi, kur ogleklis ir galvenais stiprinošais elements (Piem., AISI 1020–1045, ASTM A216 WCB, ekvivalenti).
Īpašības & sniegums: mērens spēks, laba stingrība, normalizējot, lieliska apstrādājamība un zemas izmaksas. Blīvums ~7,85 g/cm³.
Liešanas apsvērumi: pieticīga kušanas temperatūra (~1420–1540 °C), laba plūstamība daudzām ģeometrijām, bet jutīga pret saraušanās porainību smagās sekcijās.
Korpusa un vārtu konstrukcijai jānodrošina atbilstoša barošana. Dažām kategorijām var radīt bažas ūdeņraža un grafīta veidošanās.
Pēcapstrāde: normalizēšana, dzēst & temperaments (atkarībā no pakāpes) lai sasniegtu vēlamo cietību/stiprību.
Pieteikumi: strukturālās sastāvdaļas, apvalki, vispārējie inženiertehniskie lējumi, kur izturība pret koroziju nav kritiska.

2) Leģētais tērauds liešana

Kas tie ir: tēraudi, kas leģēti ar Cr, Noplūde, Iekšā, V, utc, lai uzlabotu spēku, sacietēšanas un paaugstinātas temperatūras īpašības (Piem., 4140, 4340 ģimenes analogi).
Īpašības & sniegums: lielāka stiepes izturība, noguruma izturība un stingrība nekā parastajiem oglekļa tēraudiem; var termiski apstrādāt līdz augstas stiprības.
Liešanas apsvērumi: paaugstināta jutība pret segregāciju un karsto plaisāšanu, palielinoties sakausējuma saturam; nepieciešama rūpīga ieslēgšana un pacelšana; dažiem sakausējumiem stabilitātes nodrošināšanai ir nepieciešams vakuums vai deoksidēti kausējumi.
Pēcapstrāde: kritiskie dzēšanas/atlaidināšanas cikli, izkropļojumu kontrole termiskās apstrādes laikā. Var būt nepieciešama stresa mazināšana un rūdīšana, lai līdzsvarotu īpašības.
Pieteikumi: pārnesumi, vārpstas, augstas slodzes konstrukcijas daļas, naftas atradņu sastāvdaļas.

3) Nerūsējošais tērauds liešana

Kas tie ir: sakausējumi uz dzelzs bāzes ar ≥10,5% Cr; ģimenēs ietilpst austenīts (304/316/CF8/CF8M), martensīts (410/420), divstāvu (2205) un nokrišņu sacietēšana (17-4 Ph).

Īpašības & sniegums: izturība pret koroziju svārstās no vispārīgās (austenīts) augsta hlorīda izturība (duplekss/superduplekss);
mehāniskās īpašības ir ļoti dažādas — duplekss nodrošina augstu izturību + laba izturība pret koroziju; 17-4 PH nodrošina augstu izturību pēc novecošanas.

Liešanas apsvērumi: nerūsējošais kausējums veido oksīdu/izdedžus; kausējuma ķīmijas kontrole, deoksidācijas un ieslēgumu noņemšanas jautājumi virsmas apdarei un mehāniskajām īpašībām.
Cietināšanas saraušanās un jutība pret karstām asarām dažādās pakāpēs atšķiras.
Pēcapstrāde: šķīduma atkausēšana, dzēšana un novecošana (PH pakāpēm); dupleksam var būt nepieciešama rūpīga termiskā apstrāde, lai saglabātu fāzes līdzsvaru. Apstrādei bieži seko pasivēšana un kodināšana.
Pieteikumi: ķīmiskās rūpnīcas sastāvdaļas, vārsti, jūras aparatūra, sanitārās daļas, pārtikas pārstrāde, medicīniskās ierīces.

Krāsaino metālu sakausējumu lējumi

4) Alumīnija sakausējums liešana

Kas tie ir: Al-Jā, Al-Cu un Al-Mg ģimenes (Piem., A356, A357, ADC12, 6061-veids) lietiem komponentiem.
Īpašības & sniegums: zems blīvums (~ 2,7 g/cm³), laba īpatnējā izturība (pēc termiskās apstrādes dažiem sakausējumiem), teicama izturība pret koroziju, ja tas ir pareizi sakausēts; lieliska siltuma/elektriskā vadītspēja.
Liešanas apsvērumi: ļoti laba plūstamība nodrošina plānas sienas un smalkas detaļas, bet ūdeņraža porainība, oksīda plēves un karsta plīsums noteiktās konformācijās ir galvenie riski.
Korpusa apdedzināšanas temperatūras un atvasināšanas grafiki atšķiras no darba ar melno metālu. Ūdeņraža kontrole, kausējuma tīrība un pareizie vārti ir ļoti svarīgi.
Pēcapstrāde: šķīduma termiskā apstrāde un mākslīgā novecošana (T6) spēkam; dažreiz HIP kritiskām kosmosa daļām.
Pieteikumi: Aviācijas un kosmosa korpusi, vieglās automobiļu sastāvdaļas, siltumu izkliedējošās daļas.

5) Vara-bāzes sakausējumi (bronza, misiņš, alumīnija bronza)

Kas tie ir: Ar-Sn (bronza), Cu-Zn (misiņš), Ar (alumīnija bronza), Ar mums, un varianti.
Īpašības & sniegums: lieliska izturība pret koroziju (īpaši Cu-Ni/Al-bronza), labas gultņu īpašības un siltuma/elektriskā vadītspēja. Blīvums ~8,4–8,9 g/cm³.

Liešanas apsvērumi: zemāki kušanas punkti nekā tēraudiem; augsta siltumvadītspēja ietekmē sacietēšanas uzvedību (ātra dzesēšana).
Laba plūstamība ļauj veikt smalkas detaļas. Saraušanās un karstās plaisāšanas risks ir atkarīgs no sakausējuma sastāva.
Pēcapstrāde: atkausēšana elastības nodrošināšanai, apstrāde bieži ir sarežģīta (darba rūdīšana); virsmas apdare un cinka atdalīšana misiņam, kas pakļauts noteiktai videi.
Pieteikumi: jūras aparatūra, sūkņa sastāvdaļas, gultņi, dekoratīvās un elektriskās daļas.

6) Titāns-sakausējumu lējumi

Kas tie ir: galvenokārt Ti-6Al-4V un citi Ti sakausējumi, kas piedāvā augstu īpatnējo izturību un bioloģisko saderību.
Īpašības & sniegums: lieliska izturība pret svaru, izturība pret koroziju un bioloģiskā saderība; zems blīvums (~4,4 g/cm³).

Liešanas apsvērumi: ļoti reaģējošs kausējums (skābeklis, slāpekļa savākšana) — vakuuma/argona kausēšana un ieliešana, kas nepieciešama, lai izvairītos no trausluma un ieslēgumiem.
Cietināšanas saraušanās un oksīdu veidošanās dēļ ir nepieciešami specializēti apvalka materiāli un kausēšanas metodes. Ražošanas izmaksas un aprīkojuma prasības ir augstas.
Pēcapstrāde: vakuuma termiskā apstrāde, stresa mazināšana, HIP kopīgs, lai slēgtu porainību kritiskām sastāvdaļām. Virsmas apdare ir svarīga detaļām, kuras ir jutīgas pret nogurumu.
Pieteikumi: aviācijas un kosmosa konstrukcijas sastāvdaļas, medicīniskie implanti, augstas veiktspējas sporta preces.

Augstas temperatūras sakausējumu lējumi

7) Niķeļa bāzes supersakausējumi

Kas tie ir: Ni-Cr-Co-Al-Ti sakausējumi (Neiebilstība, Renē, Nimoniķu ģimenes) paredzēts izturībai un šļūdes pretestībai paaugstinātā temperatūrā (līdz ~1000 °C un vairāk dažiem sakausējumiem).
Īpašības & sniegums: lieliska šļūdes izturība, izturība pret oksidēšanu un koroziju augstā temperatūrā; blīvums ap 8,2–8,5 g/cm³.

Liešanas apsvērumi: gari sacietēšanas diapazoni veicina segregāciju un saraušanās defektus; vakuuma indukcijas kausēšana, stingra atgāzēšana un iekļaušanas kontrole ir ļoti svarīga.
Virziena sacietēšana un viena kristāla liešana ir specializēti varianti turbīnu lāpstiņām (dažāda procesa ķēde).
Pēcapstrāde: komplekss šķīdums un novecošanas termiskā apstrāde, lai izveidotu γ′ nogulsnes; HIP un mehāniskā apstrāde ir izplatīta. Sertifikācijai aviācijas un kosmosa nozarē ir nepieciešama stingra NDT.
Pieteikumi: gāzes turbīnu karstās daļas daļas, avi kosmosa, enerģijas ražošana, augstas temperatūras ķīmiskā apstrāde.

8) Kobalta bāzes sakausējumi

Kas tie ir: Co-Cr-Mo un ar to saistītās kompozīcijas, ko izmanto, ja ir nepieciešama nodiluma un paaugstinātas temperatūras izturība (Piem., stelītu ģimene).
Īpašības & sniegums: laba karstā cietība, nodilumizturība un izturība pret koroziju. Bieži izmanto vietās, kur ir slīdošs nodilums paaugstinātā temperatūrā.
Liešanas apsvērumi: augsta kušanas temperatūra un jutība pret segregāciju; apstrāde ir sarežģīta augstās cietības dēļ.
Pēcapstrāde: risinājums/novecošanās (attiecīgā gadījumā), triboloģisko virsmu slīpēšana un pulēšana.
Pieteikumi: turbīnu blīves, vārstu sēdekļi, biomedicīnas zobu sakausējumi (Līdzstrādnieks), nodiluma sastāvdaļas.

9) Augstas temperatūras sakausējumi uz dzelzs bāzes

Kas tie ir: karstumizturīgi gludekļi (Piem., Fe-Cr-Al, nerūsējošais tērauds, kas paredzēts paaugstinātai temperatūrai).
Īpašības & sniegums: rentabls mēreni augstā temperatūrā, laba oksidācijas izturība ar piemērotu sakausējumu.
Liešanas apsvērumi & pieteikumi: izmanto vietās, kur temperatūra ir augsta, bet niķeļa sakausējumu ārkārtēja šļūdes pretestība nav nepieciešama (Piem., krāsns daļas, daži rūpnieciskie degļi).

Speciālie sakausējumu lējumi

Dārgmetālu sakausējumi (zelts, sudraba, platīns)

Kas tie ir: Au, Ag un Pt sakausējumi juvelierizstrādājumiem, precīzi kontakti un katalītiskie lietojumi.
Īpašības & sniegums: lieliska izturība pret koroziju un estētiskās īpašības; mainīga mehāniskā izturība atkarībā no karātu un sakausējuma.
Liešanas apsvērumi: Zemi kausēšanas punkti (zelts ~1 064 °C), Lieliska plūstamība; vakuuma vai kontrolētas atmosfēras liešana uzlabo virsmas apdari.
Investīciju liešana (zaudētais vasks) ir dominējošais juvelierizstrādājumu ražošanas ceļš.
Pieteikumi: rotaslietas, elektronikas kontakti, dekoratīvām un speciālām ķīmiskām vajadzībām.

Magnētiskie sakausējumi (Al-Ni-Co, Nd-Fe-B varianti)

Kas tie ir: pastāvīgā magnēta materiāli un mīkstie magnētiskie sakausējumi; piezīme: daudzi augstas enerģijas magnēti (Nd-Fe-B) parasti netiek izgatavoti ar ieguldījumu liešanu, jo ir raksturīgi pulverveida un konsolidācijas procesi. Al-Ni-Co var izliet.
Īpašības & sniegums: magnētiskā koercivitāte, plūsmas blīvums un temperatūras stabilitāte nosaka piemērotību.
Liešanas apsvērumi: magnētiskajiem sakausējumiem nepieciešama kontrolēta sacietēšana, lai izvairītos no nevēlamām fāzēm; Nepieciešama pēcmagnetizācijas apstrāde.
Pieteikumi: sensori, motori, instrumentācija.

Formas-atmiņas sakausējumi (Ni-Ti / Nitinols)

Kas tie ir: gandrīz vienādatomiski niķeļa-titāna sakausējumi ar formas atmiņu un superelastīgu uzvedību.
Īpašības & sniegums: atgriezeniskas martensīta transformācijas rada lielus atgūstamus celmus; izmanto izpildmehānismos un medicīnas ierīcēs.
Liešanas apsvērumi: Ni-Ti ir reaktīvs un jutīgs pret sastāvu; Vakuuma kausēšana un precīza Ni/Ti attiecības kontrole ir kritiska;
bieži tiek ražoti, izmantojot ieguldījumu liešanu sarežģītām ģeometrijām, bet pulvermetalurģija un C formas komponenti ir izplatīti. Pēcliešanas termiskā apstrāde pielāgo transformācijas temperatūras.
Pieteikumi: medicīniskās ierīces (stenti, skavas), izpildmehānismi un adaptīvās struktūras.

5. Secinājumi

Materiāla izvēle ir vienīgais ietekmīgākais lēmums investīciju atlasē.

Tas regulē ne tikai detaļas ekspluatācijas laiku (izturība, nogurums, korozija, temperatūras spēja, bioloģiskā savietojamība, masa)

bet arī visi praktiskie ražošanas aspekti: kausēšanas metode, čaulas ķīmija un šaušana, vārtiem un barošanas stratēģija, iespējamie defektu režīmi, nepieciešamā termiskā apstrāde un NDT, izmaksas un izpildes laiks.

Atslēga, apstrīdami secinājumi:

• Sāciet ar funkciju, nav ieradums. Definējiet dominējošos pakalpojumu draiverus (temperatūra, korozija, valkāt, noguruma dzīve, svars, regulējošie ierobežojumi)
  un ļaujiet tiem piesaistīt jūs materiālai ģimenei (Piem., niķeļa sakausējumi augstas temperatūras šļūdei, titāns izturībai pret svaru un bioloģiskai saderībai, dupleksais nerūsējošais materiāls hlorīda apkalpošanai, bronzas jūras apģērbam, dārgmetāli juvelierizstrādājumiem/elektriskiem kontaktiem).
• Saskaņojiet lietuves iespējas sakausējuma pieprasījumam. Daudzi sakausējumi (titāns, supersakausējumi, kobalta sakausējumi) nepieciešams vakuums vai inerta kausēšana, Gurns, un uzlabotas NDT.
  Nenorādiet īpašu sakausējumu, ja vien kvalificēts piegādātājs nevar to piegādāt un sertificēt.
• Dizains un process ir līdzatkarīgi. Sakausējuma atribūti (kušanas diapazons, šķidrums, saraušanās, reaktivitāte, segregācijas tendence, siltumvadītspēja) jāizmanto, lai iestatītu instrumentu kompensāciju, vārtu/stāvvada dizains, čaumalu sistēma un atvasināšanas/apdedzināšanas grafiki.
  Agrīna simulācija un izmēģinājuma liešana būtiski samazina risku.
• Plānojiet pēcapliešanas darbības jau iepriekš. Termiskā apstrāde, Gurns, virsmas apdare un apstrāde ietekmē izmēru kontroli un izmaksas.
  Kritiskām sastāvdaļām, norādiet šīs darbības piedāvājumā (un ietver pieņemšanas testus un izsekojamību).
• Kontrolējiet kvalitāti pēc specifikācijas. Pieprasīt MTR, termiskās apstrādes ieraksti, noteikti NDT režīmi (radiogrāfija/CT iekšējai porainībai, ultraskaņa biezām dzelzs sekcijām, krāsu caurlaidīgs līdzeklis virsmām), un skaidri noteikts pieņemšanas standarts.
  Nosakiet porainības robežas, ieslēgumi un mehāniskās īpašības.
• Bilances izmaksas, grafiks un risks. Īpaši sakausējumi un stingri pieņemšanas protokoli palielina izpildes laiku un izmaksas.
  Izmantojiet vienkāršāko sakausējumu, kas atbilst funkcionālajām prasībām, un, ja iespējams, kvalificējiet alternatīvas.

FAQ

Vai jebkuru metālu var liet?

Ir piemēroti daudzi metāli un sakausējumi (tēraudi, nerūsējošs, niķeļa un kobalta supersakausējumi, vara sakausējumi, alumīnijs, titāns, dārgmetāli).

Lai arī, piemērotība ir atkarīga no lietuves iespējām: reaktīvie metāli (titāns, magnijs) un augstas kušanas supersakausējumiem nepieciešama vakuuma/inerta kausēšana un īpašas apvalku sistēmas.

Daži magnētu un pulvermetalurģijas sakausējumi nav praktiski izmantojami, izmantojot parasto ieguldījumu liešanu.

Kā izvēlēties kādu no sakausējumiem, ja vairāki atbilst veiktspējas vajadzībām?

Ranga prasības (must-have vs vēlams), pēc tam novērtē izgatavojamību (lietuves iespējas, nepieciešamība pēc HIP vai vakuuma kausējuma), maksāt, izpildes laiks un pārbaudes slogs.

Izmēģinājuma lējumi un dzīves cikla izmaksu analīze palīdz izvēlēties optimālo kompromisu.

Vai visiem sakausējumiem ir nepieciešami īpaši apvalka materiāli vai pārklājumi?

Daži to dara. Reaktīvi vai augstas temperatūras kausējumi (Piem., titāns, noteikti supersakausējumi) var būt nepieciešami inerti sejas pārklājumi (cirkons, alumīnija oksīds) un kontrolēta apdedzināšana, lai novērstu metāla apvalka reakcijas.
Projektēšanas laikā apspriediet čaumalu formulu ar savu lietuvi.

Kā sakausējuma izvēle ietekmē virsmas apdari un apstrādājamību?

Metāli, piemēram, vara sakausējumi un alumīnijs, parasti nodrošina izcilu virsmas apdari un apstrādājamību; niķeļa un kobalta sakausējumus ir grūtāk apstrādāt, un tiem var būt nepieciešami specializēti instrumenti.

Nerūsējošais tērauds atšķiras — dupleksa un PH klases mašīna atšķiras no austenīta. Dizainā iekļaujiet apstrādes pielaidi un instrumentus.

Kas attiecas uz koroziju un vides saderību?

Korozijas veiktspēja galvenokārt ir sakausējuma ķīmijas un pēcliešanas apstrādes funkcija (termiskā apstrāde, pasniegšana, pārklājums).

Agresīviem medijiem (hlorīdi, skābes), izvēlieties korozijizturīgus sakausējumus (duplekss nerūsējošais, niķeļa sakausējumi) un pieprasīt attiecīgas kvalifikācijas pārbaudes (lobīšana, SCC).
Vides noteikumi (Piem., ROHS, ierobežoti elementi) var ietekmēt arī sakausējuma izvēli.

Cik maksā supersakausējuma lējums salīdzinājumā ar tērauda lējumu?

Izmaksas ļoti atšķiras atkarībā no sakausējuma, sarežģītība un pēcapstrāde.

Dārgās izejvielas dēļ supersakausējumi un reaktīvie metāli parasti maksā vairākas reizes vairāk nekā parastie tēraudi, vakuuma krāsnis, Gurns, un pagarināts NDT.

Izmantojiet kopējās īpašuma izmaksas (materiāls + apstrāde + pārbaude + raža) nevis tikai neapstrādāta kausējuma cena.