Rodzaje skurczu w procesie odlewania metalowego

1. Wstęp

W nowoczesnej produkcji, dokładność wymiarowa nie można negocjować.

Branże takie jak przemysł lotniczy, automobilowy, oraz precyzyjne elementy zapotrzebowania na energię z ciasnymi tolerancje i mikrostruktury wolne od wad.

Jednym z najbardziej uporczywych wyzwań w osiąganiu tych celów jest Metal skurcz- Skurcz objętościowy metali, gdy przechodzą one ze stopionego do stanu stałego, a następnie chłodzą do temperatury pokojowej.

Skurcz metalowy występuje w wielu etapach i wpływa na to czynniki, od chemii stopu po projektowanie formy.

Jego efekty różnią się znacznie między stopy żelazne i nieżelazne, a jego złożoność wzrasta z nierównomierne lub skomplikowane geometrie.

Zwracanie się do skurczu jest niezbędne, aby uniknąć odchyleń wymiarowych, porowatość, i niepowodzenia mechaniczne.

2. Fundamentalne mechanizmy

Metalowy skurcz powstaje przede wszystkim z Skurcz termiczny I Efekty transformacji fazowej. W miarę chłodzenia metali, Atomy zbliżają się do siebie, w wyniku skurcz liniowy i objętościowy.

Na przykład, Liniowa szybkość skurczania stopów aluminium może wahać się od 5.5% Do 6.5%, podczas gdy stal zwykle się kurczą 2%.

Ponadto, skurcz nasila się podczas zestalenie, szczególnie w strefie papkowatej-póła-stolicy, w którym karmienie staje się trudne.

The Interakcja między szybkością chłodzenia, Chemia stopu, i ewolucja mikrostruktury określa, czy karmienie rekompensuje ten skurcz, czy rozwój porowatości.

3. Klasyfikacja skurczu w odlewie metalowym

Skurcz w odlewie metalowym można podzielić na na podstawie fazy procesu zestalania, podczas którego występuje, fizyczne cechy produkowanych wad, które wytwarza, i jego podstawowe przyczyny.

Zrozumienie tych klasyfikacji umożliwia inżynierom odlewniczym wdrażanie ukierunkowanych kontroli projektowania i procesu w celu złagodzenia defektów odlewów.

Skurcz cieczy

Skurcz cieczy odnosi się do redukcji objętościowej, która występuje, gdy stopiony metal chłodzi się w fazie ciekłej przed wystąpieniem zestalania.

Ten rodzaj skurczu zazwyczaj wymaga ciągłego karmienia z piór, aby zrekompensować utratę objętości i uniknąć aspiracji powietrza lub niekompletnych wypełnień.

• Typowe wielkości: Około 1% Do 2% utraty objętości w fazie ciekłej, różni się według stopu.
• Implikacje: Niewystarczające projektowanie pionowego lub niskie ciśnienie metalostatyczne może prowadzić błędnie ustępuje, zimno się zamyka, Lub Wady skurczowe powierzchni.

Zestalenie (Strefa papki) Skurcz

Podczas przejścia z cieczy do stałego, Metal przechodzi przez „papkowatą” fazę charakteryzującą się współistnieniem dendrytyczny.

Redukcja objętości w tej fazie jest najtrudniejsze do rozwiązania ze względu na zmniejszenie przepuszczalności i zdolności karmienia.

• Typy defektów: Wnęki wewnętrzne i makro-łamanie zwykle tworzą się w ostatnich obszarach, aby zestalić, szczególnie w ośrodkach termicznych lub słabo karmionych sekcjach.
• Wrażliwe stopy: Stopy o szerokim zakresie zamrażania (np., niektóre stopy miedzi i aluminium) są szczególnie wrażliwe.

Wzory (Solidny) Skurcz

Po całkowitym zestaleniu, Casting nadal kurczy się, gdy chłodzi temperaturę otoczenia.

Ten skurcz, Znany jako skurcz wzorca, jest liniową redukcją wymiarów i jest zwykle uwzględniana w projektowaniu wzorów i pleśni.

• Wskaźniki skurczu:

• • Szare żelazo: ~ 1%
  • Stal węglowa: ~ 2%
  • Stopy aluminium: 4–6,5%

• Reakcja inżynierska: Modele CAD są skalowane przy użyciu empirycznych czynników kurczenia się w celu zapobiegania odchyleniu wymiarów.

Makro-shrinkage vs.. Mikro-szalanie

• Makro-shrinkage: Te są duże, Widoczne wnęki skurczowe, Często zlokalizowane w pobliżu piórek, centra termiczne, lub w grubych sekcjach.
  Znacznie osłabiają integralność strukturalną i są zazwyczaj odrzucane w krytycznych zastosowaniach.
• Mikro-szalanie: Są to zdyspergowane porowowości na poziomie mikroskopowym, często wynikające z niewystarczającego karmienia międzydendrytycznego lub zlokalizowanych gradientów termicznych.
  Chociaż mogą nie być widoczne zewnętrznie, Degradują odporność na zmęczenie, Zatrzymanie ciśnienia, i właściwości mechaniczne.

Rurowanie i otwarty kurczenie się

Rurociągi odnosi się do charakterystycznej wnęki skurczowej w kształcie lejka, która tworzy się na szczycie odlewu lub pionu z powodu postępującego zestalenia z peryferii wewnątrz.
Otwarty skurcz jest powiązaną wnęką podłączoną do powierzchni, która wskazuje na awarię karmienia.

• Branże dotknięte: Ruroja jest powszechne w Odlewy stalowe dla składników strukturalnych i ciśnieniowych, w których wymagania żywieniowe są wysokie.
• Środki kontrolne: Właściwy projekt pionowy, w tym stosowanie rękawów izolacyjnych i materiałów egzotermicznych, może znacznie zmniejszyć lub wyeliminować te wady.

4. Perspektywa metalurgiczna

Zachowanie zestalania jest zależne od stopu i wpływa na charakterystykę skurczu:

Eutektyczne zestalenie

Stopy takie jak szary żelazo i al-Si wykazują wąskie zakresy zamrażania. Zestalenie występuje niemal jednocześnie przez całe odlew, Zmniejszenie potrzeb żywieniowych, ale zwiększenie ryzyka porowatości gazu.

Kierunkowe zestalenie

Preferowane do odlewów strukturalnych (np., w stalach lub superalloysach opartych na NI), To pozwala na przewidywalne ścieżki żywieniowe.

Kontrolowanie gradientu termicznego, Suknizacja postępuje z cieńszych do grubszych odcinków.

Równoznaczne zestalenie

Powszechne w brązach i niektórych stopach Al, Obejmuje to losowe zarodkowanie ziarna, które mogą zakłócać kanały żywieniowe i zwiększyć porowatość.

Z metalurgicznego punktu widzenia, Udoskonalenie ziarna, szczepienie ochronne, I Projekt stopu Odgrywać krytyczną rolę w minimalizacji skurczu poprzez promowanie jednolitego zestalania i poprawy zdolności karmienia.

5. Projekt & Perspektywa inżynierii

Z punktu widzenia projektu i inżynierii, Kontrolowanie skurczu zaczyna się od inteligentnej geometrii i ukierunkowanych strategii żywienia.

Skuteczne części nie tylko odzwierciedlają metalurgiczne zrozumienie, ale także ucieleśniają najlepsze praktyki w sekcji, Skalowanie wzorów, i zarządzanie termicznie.

Grubość sekcji & Gradienty termiczne

Grubsze odcinki zachowują ciepło dłużej, Tworzenie „gorących punktów”, które zestalają ostatnie i odciągają stopiony metal z cieńszych regionów.

Na przykład, A 50 stalowa ściana mm może ostygnąć o 5 ° C/min, podczas gdy 10 Sekcja mm ochładza 20 ° C/min w tych samych warunkach. Aby to złagodzić:

• Jednolita grubość ściany minimalizuje ekstremalne gradienty.
• Zaokrąglone przejścia (Minimalny promień filetu = 0,5 × grubość ściany) Zapobiegaj zlokalizowanym naprężeniom termicznym.
• Kiedy grubość różni się o więcej niż 3:1, Włącz wewnętrzne dreszcze lub zlokalizowane pióry.

Skalowanie wzorów & Dodatki regionalne

Globalne dodatki do skurczu zwykle wahają się 2.4% dla stali węglowych 6.0% dla stopów aluminiowych. Jednakże, Złożone zapotrzebowanie odlewów Skalowanie specyficzne dla regionu:

• Cienkie sieci (≤ 5 mm): Zastosuj 0,8 × globalny zasiłek (np. 1.9% dla stali).
• Grube bossowie (≥ 30 mm): Zwiększ o 1,2 × (np. 2.9% dla stali).
  Nowoczesne narzędzia CAD obsługują skalowanie wieloskładnikowe, umożliwiając bezpośrednie mapowanie lokalnych dodatków na geometrię wzoru.

Pion, Bramkowanie & Strategie relaksu

Promowanie Kierunkowe zestalenie wymaga strategicznego umieszczenia podajników i kontroli temperatury:

• Objętość risera powinien być równy 30–40% masy strefy, którą karmi.
• Pozycje pozycji bezpośrednio powyżej termicznych gorących punktów, zidentyfikowane za pomocą symulacji zestalania lub analizy termicznej.
• Rękawy izolacyjne wokół pionów spowalniają chłodzenie o 15–20%, wydłużenie czasu karmienia.
• Dreszcze wykonane z miedzi lub żelaza przyspieszają lokalne zestalenie, odwracanie frontu zestalania w kierunku pionu.

Projektowanie produkcji

Wczesna współpraca między zespołami projektowymi i odlewniczymi zmniejsza ryzyko skurczu.

Poprzez integrację Wytyczne DFM— Takie jak jednolite sekcje, Odpowiednie projekty kątów (> 2° do odlewania piasku), i uproszczone rdzenie - obsesyjczycy mogą:

• Niższe stawki złomu przez 20–30%
• Skróć czasy realizacji, unikając wielu iteracji wzorów
• Zapewnij sukces pierwszego przejścia w komponentach precyzyjnych, takie jak obudowy silnika z ± 0,2 mm Wymagania tolerancji

6. Symulacja & Modelowanie predykcyjne

Nowoczesne operacje odlewów dźwignia Symulacje termiczne i płynowe oparte na CFD zapobiegawczo zidentyfikowania obszarów podatnych na skurcze.

Korzystanie z narzędzi takich jak Magmasoft®, Flow-3D®, lub Procast®, Odlewnie mogą:

• Przewidywać gorące miejsca I ścieżki paszowe
• Oceń wpływ wyboru stopu, Projektowanie formy, i nalewanie parametrów
• Symulować wiele scenariuszy odlewów przed produkcją fizyczną

Integracja symulacji z Systemy CAD/CAM umożliwia dokładniejszą konstrukcję narzędzi, znacząco zmniejszanie Iteracje prób i błędów, marnować, i czas realizacji.

7. Kontrola jakości & Kontrola

Wykrywanie defektów ma kluczowe znaczenie dla weryfikacji integralności odlewania. Powszechnie używane Testy nieniszczące (Badania NDT) Metody obejmują:

• Kontrola radiograficzna (Rentgen): Wykrywa wewnętrzne wnęki skurczowe i wady makro
• Badania ultradźwiękowe (Ut): Idealny do wykrywania porowatości i nieciągłości wewnętrznych w gęstych stopach
• Analiza wymiarowa (CMM, 3D Skanowanie laserowe): Walidacja dodatków do skurczu i zgodności ze specyfikacjami

Wdrażają również odlewnie Statystyczna kontrola procesu (SPC) w celu monitorowania zmian skurczowych między partiami i ciągłego poprawy możliwości procesu.

8. Przybliżone liniowe dodatki do skurczu dla zwykłych stopów odlewania.

Poniżej znajduje się skonsolidowana tabela przybliżonych liniowych dodatków do skurczu dla szeregu często odlewanych stopów.

Użyj ich jako punktów początkowego w skalowaniu wzoru lub CAD - a następnie sprawdzanie próbek symulacji i prototypowych do wybierania w końcowych wymiarach.

9. Wniosek

Zrozumienie różnych rodzajów skurczu w odlewie metalowym - likwid, zestalenie, i stałe-jest niezbędne do wytwarzania strukturalnie solidnych i dokładnych wymiarowych komponentów.

Ponieważ stopy i geometrie częściowe stają się bardziej złożone, Podobnie jak nasze strategie muszą ewoluować.

Łagodzenie skurczu wymaga Podejście multidyscyplinarne angażowanie metalurgii, projekt, symulacja, i kontrola jakości.

Odlewnie, które obejmują Modelowanie predykcyjne, kontrola w czasie rzeczywistym, I Procesy projektowe współpracy są lepiej przygotowani do zmniejszenia odpadów, optymalizuj koszty, i dostarczaj komponenty, które spełniają najwyższe standardy wydajności i niezawodności.

Na TEN, Z przyjemnością omówimy Twój projekt na początku procesu projektowania, aby upewnić się, że jakikolwiek stop został wybrany lub leczenie po wycofaniu, Wynik spełni twoje specyfikacje mechaniczne i wydajności.

Aby omówić Twoje wymagania, e-mail [email protected].