Trīs svarīgi apsvērumi attiecībā uz nerūsējošā tērauda liešanas konstrukcijām

Nerūsējošais tērauds Metāla lējumi (pastāvīgs) veidnes vai precīzas investīciju veidnes piedāvā unikālu iespēju un risku kopumu.

Salīdzinājumā ar smilšu veidņu lējumiem, Metāla veidņu lējumi ātrāk atdziest un sacietē, un veidne nedod iespēju saraušanās laikā.

Ātrāka dzesēšana un nulles atbilstība pelējumam palielina iekšējo spriegumu, palielina plaisāšanas iespējamību un palielina defektus, piemēram, nepareizu darbību, aukstās slēdži un nepilnīgs pildījums.

Lai ražotu izturīgu, uzticamas nerūsējošā tērauda liešanas konstrukcijas, trīs dizaina un procesa kontroles kategorijas ir pelnījušas īpašu uzmanību:

(1) nodrošinot pilnīgu uzpildīšanu un izvairoties no aukstuma defektiem, (2) novēršot sacietēšanas plaisāšanu un mehānisku plaisāšanu, un (3) projektēšana pelējuma ekstrakcijai, instrumenti un izmēru stabilitāte.

Tālāk ir detalizēti izskaidrota katra zona un sniegts konkrēts, inženierijas līmeņa darbības un kontrolsaraksti.

Pārskats — kāpēc nerūsējošā tērauda lējumi metāla veidnēs ir īpaši

• Ātrāka dzesēšana → augstāki termiskie gradienti. Ātra siltuma ekstrakcija palielina iekšējos stiepes spriegumus sacietēšanas laikā un istabas temperatūrā.
• Nav atbilstības pelējumam. Atšķirībā no smiltīm, metāla presformas nesaspiežas, lai pielāgotos saraušanai; ierobežota saraušanās izraisa plaisāšanu vai karstu plīsumu, ja vien konstrukcija nepieļauj brīvu saraušanos vai padevi.
• Virsmas/plūsmas uzvedības izmaiņas. Plānās sekcijas ātri zaudē metāla plūstamību; lielas horizontālas virsmas un asi stūri pasliktina oksīdu veidošanos, aukstā plūsma un nepareizas darbības.
• Sakausējuma jutība. Nerūsējošā tērauda sakausējumi (austenīts, divstāvu, martensīta lējuma pakāpes) atšķiras sasalšanas diapazonā, plūstamība un jutīgums pret karsto plaisāšanu — tāpēc ļoti svarīga ir sakausējumam specifiska konstrukcija.

1. Nepilnīgas pildīšanas novēršana, auksti aizvēršanās un citi pildījuma defekti

Galvenā problēma: metāla veidnēs nerūsējošais kausējums ātri zaudē siltumu un var sacietēt, pirms dobums ir pilnībā piepildīts, nepareizu darbību radīšana, auksti apļi un oksīda iesprūšana.

Dizaina principi

• Izlīdzināt, racionalizēta ārējā ģeometrija. Izvairieties no pēkšņām sadaļu izmaiņām, asi stūri, un soļu izmaiņas, kas traucē plūsmu.
  Dodiet priekšroku noapaļotām pārejām un krustojumiem, lai saglabātu lamināro metāla plūsmu un samazinātu oksīda plēves iesprūšanu.
• Izvairieties no lieliem horizontāliem dzīvokļiem. Horizontālās virsmas izraisa lēnu pildījumu, plašs gaisa/metāla kontakts (oksidēšanās) un plūstamības zudums; lauzt lielus dzīvokļus ar maigu izliekumu, ribām vai slīpām iezīmēm.
• Izmantojiet atbilstošu sekcijas biezumu. Neveidojiet plašas lielas platības plānas sienas.
  Plānās daļas lielos komponentos atdziest un ātri zaudē plūstamību — vai nu sabiezē kritiskās daļas, vai izveido lokālus sabiezējumus padevei.
• Optimizēts vārtu un sliedes dizains. Atrodiet vārtus, lai vispirms pabarotu vissmagākos vai lēnāk piepildošos reģionus; izmantojiet laba izmēra sprauslas, noapaļotas ieejas un plūsmas paplašinājumi, lai samazinātu turbulenci un oksīdu iekļūšanu.
  Izmantojiet ģeometriju, kas nodrošina šķidrā metāla temperatūru augstu, kad tas sasniedz visattālākos dobuma punktus.

Procesu kontrole

• Pārkaršanas vadība. Saglabājiet kušanas temperatūru izvēlētajam sakausējumam ieteicamā diapazona augstākajā pusē (drošās robežās), lai pagarinātu plūstamību, neveicinot oksidēšanos.
• Aizsargājošās atmosfēras / plūstošs. Samaziniet oksidēšanos (īpaši plānās ejās) izmantojot seguma plūsmas, vakuuma vai aizsargatmosfēras, kur iespējams.
• Izolēti vai apsildāmi vārti un padeves. Vietējā apsilde vai izolācijas uzmavas uz sliedi var saglabāt siltumu un samazināt nepareizu skrējienu.
• Izmantojiet atvēsinošus līdzekļus, kur nepieciešams. Stratēģiskā ārējā atdzišana palīdz tiešā veidā sacietēt un var samazināt aukstās slēgšanas risku, ja to apvieno ar pareizu slēgšanu; izvairieties no drebuļiem, kas priekšlaicīgi nostiprina pēdējo plūsmas ceļu.
• Simulācija (sacietēšanas/plūsmas CFD) jāizmanto, lai apstiprinātu uzpildes laiku un noteiktu aukstās slēgšanas risku pirms presformas izgatavošanas.

2. Liešanas plaisu novēršana, karstas asaras un stresa lūzumi

Galvenā problēma: ierobežota saraušanās, termiskie gradienti un lokālie sprieguma koncentratori izraisa karstu plīsumu sacietēšanas laikā vai plaisāšanu dzesēšanas laikā.

Konstrukciju projektēšanas noteikumi

• Viendabīgs sienas biezums. Projektējiet sienas pēc iespējas viendabīgākas.
  Izvairieties no pēkšņām pārejām starp plānām un biezām sekcijām; kur nepieciešamas pārejas, izmantojiet pakāpenisku konusu un dāsnu fileju.
• Vājām zonām pievienojiet ribas un rievas. Plāni tīkli, plāniem izciļņiem vai garām neatbalstītām sienām ir plaisas — nostipriniet ar ribām vai izciļņiem, bet izstrādājiet tos tā, lai tie neradītu ierobežojošus ierobežojumus saraušanai.
• Samaziniet funkcijas, kas bloķē brīvu saraušanos. Izciļņi, atloki un iegultie izciļņi, kas mehāniski ierobežo saraušanos, ir bieži plaisu ierosinātāji; samazināt skaitu, pārvietot, vai noformējiet tos ar atbilstošu atvieglojumu.
• Dodiet priekšroku slīpiem savienojumiem, nevis vertikāliem sadursavienojumiem. Ja iespējams, nomainiet vertikālos pakāpeniskos savienojumus ar slīpiem vai koniskiem savienojumiem — nogāzes palīdz izvairīties no iesprostotās stiepes sprieguma sacietēšanas laikā.
• Dāsnas filejas visos iekšējos/ārējos stūros. Asie stūri darbojas kā sprieguma koncentratori un plaisu veidošanās vietas.
  Lietam nerūsējošā tērauda daļām, izmantojiet lielākus rādiusus nekā smilšu liešanai — skalas filejas rādiusu ar sieniņu biezumu (skatiet recepti zemāk).

Apstrādāt & metalurģijas kontrole

• Kontrolējiet sacietēšanas virzienu. Izmantojiet virziena sacietēšanas principus (stāvvada novietošana un drebuļi) lai sacietēšana notiktu no plānas uz biezu un barošana būtu pietiekama; izvairieties no izolētiem karstajiem punktiem.
• Padevēju/stāvvadu dizains un izvietojums. Nodrošiniet, lai labi izstrādāti stāvvadi baro pēdējos sacietēšanas reģionus.
  Liešanai pastāvīgā veidnē, stāvvada efektivitātei jāņem vērā ātrāka dzesēšana un īsāks padeves laiks; kur tas ir noderīgi, izmantojiet izolējošus stāvvadus vai eksotermiskas uzmavas.
• Atbrīvojiet iekšējos spriegumus ar termisko apstrādi. Kritiskām sastāvdaļām, apsveriet pēcliešanas spriedzes mazināšanas atlaidināšanu vai homogenizāciju, lai samazinātu rūdīšanas spriegumus, kas var izraisīt plaisāšanu.
  Piezīme: dažām nerūsējošā tērauda kategorijām var būt nepieciešami īpaši termiskie cikli, lai izvairītos no sensibilizācijas vai nevēlamām fāzēm — koordinējiet HT ar metalurgu.
• Izmantojiet karsti noplēšamus sakausējumus vai graudu rafinētājus. Ja iespējams, izvēlieties kategorijas vai piedevas, kas samazina jutīgumu pret karstu plīsumu, un izmantot graudu rafinētājus, lai kontrolētu dendrītu struktūru.
• Izvairieties no pēkšņām dzesēšanas atšķirībām. Pārvaldiet pelējuma temperatūru un dzesēšanas ātrumu, lai samazinātu asus termiskos gradientus (iepriekš uzkarsē veidnes, ja tas ir izdevīgi).

3. Pelējuma ekstrakcija, melnraksts, filejas un izgatavojamība metāla veidnēm

Galvenā problēma: pastāvīgajām veidnēm nav nekādas dotības; serdeņiem un lējumiem jābūt konstruētiem tā, lai nodrošinātu drošu izmešanu un minimālu instrumentu bojājumu, vienlaikus ņemot vērā termisko kontrakciju.

Galvenie apsvērumi un darbības

• Palielināt melnrakstu (konusveida) attiecībā pret smilšu liešanu. Jo metāla veidnēm trūkst smilšu saliekamības, nodrošināt lielāki iegrimes leņķi-parasti 30–50% lielāks nekā smilšu liešanai izmantotās.
  Praktiski: ja smilšu iegrime ir 1°–2°, projektēt pastāvīgo veidņu iegrimes leņķi ~1,3°–3° (mērogs ar virsmas apdari, sakausējums un sienas augstums).
  Lielāka iegrime atvieglo izmešanu un samazina instrumenta nodilumu.
• Palieliniet filejas rādiusus un stūra rādiusus. Izmantot dāsni rādiusi krustojumos uz: (izšķirt) samazināt stresa koncentrāciju un plaisāšanu, (bārts) atvieglo veidņu pildīšanu, un (c) ļauj labāk atbrīvot daļu.
  Kā likums, izveidojiet filejas rādiusu skalu ar vietējo sienu biezumu (Piem., rādiusi pēc pasūtījuma 5-15% no vietējās sienas biezuma, ar minimālo praktisko rādiusu dažiem milimetriem maziem lējumiem). (Pielāgojiet atbilstoši ģeometrijai un instrumentu ierobežojumiem.)
• Minimālais sienas biezums — pieaugums salīdzinājumā ar smilšu liešanu. Parasti ir nepieciešamas metāla veidnē lietās nerūsējošās daļas lielāks minimālais sienas biezums nekā līdzvērtīgai smilšu liešanas sastāvdaļai jo metāla veidne ātrāk izvelk siltumu.
  Kā likums, palielināt smilšu liešanas minimumu par 20–50% vienam un tam pašam sakausējumam un ģeometrijai, ja vien detaļas dizains un process nav apstiprināts. Vienmēr pārbaudiet, izmantojot liešanas procesa iespējas un sakausējuma datus.
• Iekšējie dobumi un ribas: jābūt iekšējiem audiem un ribām 0.6–0,7× blakus esošās ārsienas biezums(s) lai izvairītos no lēnām atdzišanas zonām un diferenciālas saraušanās, kas izraisa plaisāšanu.
  Ja iekšējās ribas ir pārāk biezas attiecībā pret apkārtējām sienām, tās pēdējās sacietēs un būs karstās vietas plaisu ierosinātājas..
• Melnraksts serdeņiem un serdeņu izdrukām: jo serdeņi nevar saspiest, pamata izdrukām un ekstrakcijas elementiem jābūt izturīgiem un tajos jāiekļauj atdalīšanas konusiņi. Ja ģeometrija ir sarežģīta, apsveriet saliekamos serdes vai sadalītos serdes.
• Ja iespējams, vienkāršojiet sarežģītas ārējās formas. Ja sarežģīta forma rada ražošanas grūtības, vienkāršojiet ārējo ģeometriju vai sadaliet komponentu apakšmezglos, lai izvairītos no ražas zuduma — dariet to, saglabājot funkcionālās prasības.

4. Papildus praktiskās tēmas — metalurģija, pārbaudes un ražošanas kontrole

Sakausējuma izvēle un apstrāde

• Izvēlieties šai funkcijai pareizo nerūsējošā tērauda lējumu saimi. Austenīta markas ir kaļamas un piedodošas, taču tām ir atšķirīgs sacietēšanas diapazons nekā dupleksiem vai martensīta sakausējumiem — katram ir nepieciešams īpašs stingrs., stāvvada un termiskās apstrādes secības.
• Jānorāda pēcliešanas termiskā apstrāde. Šķīduma atkausēšana, var būt nepieciešama stresa mazināšana vai rūdīšana; dupleksajām pakāpēm kontrolē siltuma ievadi, lai izvairītos no nevēlamas sigmas fāzes veidošanās.

Veidņu un instrumentu apstrādes prakse

• Virsmas apdare un eļļošana. Izmantojiet piemērotas smērvielas, lai samazinātu lējuma virsmas defektus un atvieglotu izmešanu, bet izvairieties no pārmērīgas eļļošanas, kas izraisa porainību vai piesārņojumu.
• Pelējuma temperatūras kontrole. Iepriekšēja uzsildīšana un kontrolētas veidņu temperatūras uzturēšana samazina termiskos triecienus un nekonsekventu sacietēšanu.
• Ventilācija un gāzes. Nodrošiniet ventilācijas atveres un izmantojiet degazēšanu, lai izvairītos no gāzes porām. Pastāvīgajām veidnēm jābūt konstruētām ar ventilācijas atverēm vai vakuuma palīgierīci nerūsējošā tērauda liešanas laikā, lai kontrolētu porainību un gāzu iesprūšanu.

Kvalitātes nodrošināšana & apstiprināšanu

• Izmantojiet sacietēšanas un plūsmas simulāciju. CFD un sacietēšanas modeļi ir ārkārtīgi efektīvi, lai prognozētu aukstās izslēgšanas, nerūsējošā tērauda lējumu kļūdas un karstas plīsšanas risks — izmantojiet tos pirms presformas izgatavošanas.
• Nesagraujošā pārbaude katrai kritiskajai pakāpei. Radiogrāfija, ultraskaņas pārbaude vai CT skenēšana nosaka iekšējo porainību, ieslēgumi un plaisas.
  NDT līmenim jābūt samērojamam ar drošību un funkcionalitāti.
• Pilots skrien & procesa kvalifikācija. Apstipriniet instrumentus, vārtiem un termiskā apstrāde ar pilotlējumu un pēc tam dokumentu procesa logus (kušanas temp, pelējuma temp, aizpildiet laiku, dzēšanas režīms, pēcizliešanas HT).

5. Ātrā kopsavilkuma tabula — trīs uzmanības jomas un galvenās darbības

6. Nobeiguma piezīmes

Nerūsējošā tērauda liešanas konstrukciju projektēšana metāla veidņu ražošanai ir sistēmas problēma, kas aptver ģeometriju, metalurģija un procesu inženierija.

Trīs iepriekš minētie fokusa apgabali —pildījums & plūst, plaisu novēršana, un veidņu ekstrakcija/izgatavojamība— tvert galvenos atteices veidus un tieši norādīt uz inženiertehniskajiem līdzekļiem: gludas formas, kontrolēti biezumi un pārejas, atbilstoša vārtiem un barošanai, atbilstošs projekts un fileja, un apstiprināta termiskā apstrāde.

Izmantojiet simulāciju, izmēģinājuma izmēģinājumi un cieša sadarbība starp dizaineriem un lietuvju inženieriem, lai sarežģītu dizainu pārvērstu izturīgā, atkārtojama ražošanas daļa.

Galvenās atsauces

ASTM A351-23: Standarta specifikācija lējumiem, Austenīta nerūsējošais tērauds, spiedienu saturošām daļām.

Amerikas lietuvju biedrība (AFS). (2022). Pastāvīgās veidņu liešanas rokasgrāmata. AFS Prese.

Iso 3740:2019: Metāla materiāli — lējumi — vispārīgās prasības pārbaudei un testēšanai.

Deiviss, Jūti. R. (2019). Nerūsējošā tērauda liešanas rokasgrāmata. ASM International.