Коромысло из легированной стали, литье по выплавляемым моделям

1. Управляющее резюме

Коромысло представляет собой небольшой, сильно нагруженный компонент двигателя, который преобразует движение распределительного вала в движение клапанов (или к гидрокомпенсаторам, толкатели, и т. д.).

Литье по выплавляемым моделям (Потерянный восков) из легированных сталей позволяет изготавливать коромысла сложной формы практически по форме, объединяя масляные каналы, тонкие стены, галтели и облегченные характеристики — при этом достигаются механические и усталостные характеристики, необходимые при эксплуатации..

Успех зависит от выбора правильного семейства сплавов., контроль этапов плавления и шелушения на предмет чистоты, проектирование для предсказуемого затвердевания, применение соответствующей термической обработки и отделки, и проведение строгого режима проверок и испытаний.

В этой статье подробно анализируются эти элементы и предоставляются практические рекомендации для инженеров-материаловедов., кастинг-дизайнеры и команды по закупкам.

2. Что такое коромысло и почему выбирают литье по выплавляемым моделям?

Функция & стрессы. Коромысло передает циклические нагрузки и контактные напряжения.; он подвержен изгибу, контакт (прокатка/скольжение) износ кулачка и наконечника клапана, локальные пики растяжения/сжатия, и многоцикловая усталость.

Геометрия и масса имеют решающее значение для динамического отклика и эффективности..

Почему инвестиционный кастинг?

• Сложные почти сетчатые формы: внутренние масляные каналы, тонкая паутина, и сложные кривые легко реализовать.
• Жесткий размерный допуск & повторяемость: литье по выплавляемым моделям обеспечивает хорошее качество поверхности и снижает необходимость механической обработки..
• Облегчение & эффективность материала: сложные полые профили и оптимизированные по топологии формы снижают инерцию.
• Маленький- к среднеобъемной экономике: Затраты на оснастку для восковых матриц умеренны и хорошо окупаются при многих автомобильных и промышленных операциях..

Литье по выплавляемым моделям выбирают там, где геометрия и точность перевешивают максимально возможную прочность кованых компонентов, и где современная обработка легированной стали может обеспечить требуемые усталостные и износостойкие характеристики..

3. Типичные кандидаты из легированной стали

Для легированная сталь Рокерские руки, при выборе материала преобладают требования к прочности, сопротивление усталости, износостойкость на контактных поверхностях, и реакция на термообработку.

Краткое руководство по выбору

• Если износ контакта кулачка/клапана является основным видом неисправности → выберите путь цементации/цементации. (8620 / 20Семья МнКр) или запланируйте надежную местную индукционную закалку.
• Если объемная усталостная прочность / прочность имеет первостепенное значение (двигатели повышенной мощности или производительности) → выбирать сплавы сквозной закалки Ni–Cr–Mo (например, 4340) или литые стали высокой чистоты с VIM/VAR + БЕДРО.
• Если требуется устойчивость к коррозии (особые условия) → рассмотрите варианты из 17-4PH или нержавеющей стали, но оцените характеристики износа и стоимость.
• Всегда сопоставляйте выбор сплава с возможностями литейного производства — для критических деталей указывайте маршрут плавления. (ВИМ/ВАР/СОЭ), HIP после кастинга (Если требуется), и четкие критерии приемки (пористость, механика, неразрушающий контроль).

4. Этапы процесса литья по выплавляемым моделям, характерные для легированных сталей

Литье по выплавляемым моделям коромыслов из легированной стали происходит по стандартному методу литья по выплавляемым моделям, но с модификациями процесса для обработки более высокой температуры плавления стали и чувствительности к загрязнениям.:

1. Шаблон & стробирование дизайна: Восковые модели, изготовленные с помощью металлических штампов.; ворота и стояки спроектированы с учетом характеристик затвердевания стали.
2. Сборка & Здание снаряда: Наносятся и высушиваются несколько тонких слоев керамической оболочки.; Толщина оболочки больше для стали, чтобы выдерживать более высокие температуры заливки и термический удар..
3. Depaxing: Контролируемая автоклавная или паровая депарафинизация, затем сушка и предварительный нагрев скорлупы.
4. Разогреть & заливка: Корпуса предварительно нагреваются до высоких температур для уменьшения температурных градиентов.; разливка стали с использованием контролируемых температурных режимов заливки. Для критических частей, заливка в вакууме или контролируемой атмосфере используется.
5. Охлаждение & нокаутировать: Контролируемое охлаждение для минимизации термических напряжений; снятие оболочки и срезание литника.
6. Термическая обработка & механическая обработка: Нормализация, утомить & характер, или циклы цементации, как указано. Окончательная обработка до критических размеров, отделка поверхности и сборка.

Ключевые отличия от литья цветных металлов: состав и толщина керамической оболочки, более высокая температура предварительного нагрева и заливки, и более агрессивные методы очистки металла и раскисления.

5. плавление, методы дегазации и очистки расплава сталей

Стальные коромысла требуют высокой внутренней чистоты во избежание усадочной пористости., включения и неоднородности, становящиеся очагами усталости. Рекомендуемые методы плавки:

• Тающие маршруты: Вакуумная индукционная плавка (ВИМ) для контроля сплавов; с последующей вакуумно-дуговой переплавкой (НАШ) или электрошлаковый переплав (ЭСР) для чистоты и уменьшения макросегрегации в критических циклах.
  Для менее важных компонентов, может быть достаточно высококачественной индукционной плавки с надлежащим флюсом и контролем..
• Дегазация & Окисление: Правильная стратегия раскисления, позволяющая избежать захваченного шлака/включений сварочного типа.; использование вакуумной дегазации или перемешивания инертным аргоном помогает удалить растворенные газы..
• Контроль включения: Низкое содержание серы, контролируемое содержание марганца и соответствующее флюсование уменьшают образование сульфидных включений..
• Добавки из сплава & химический контроль: Добавления следует вносить в контролируемой последовательности, чтобы избежать реакций, приводящих к образованию вредных включений.. Строгий контроль заряда и спектрометрическая проверка имеют важное значение..
• Заливочная среда: Разливка в вакууме или инертной атмосфере сводит к минимуму повторное окисление и поглощение газа.; специально для цементации сталей, ограничить воздействие кислорода.

Чистые расплавы уменьшают количество дефектов отливки и значительно повышают усталостную долговечность..

6. Шаблон, соображения по инструментам и керамической оболочке (дизайн для литья)

Дизайн для литья по выплавляемым моделям (DFIC) для коромыслов необходимо сбалансировать геометрию с надежной практикой литья:

• Толщина стены: Стремитесь к равномерной толщине стенок, где это возможно.; избегайте резких изменений сечения, которые концентрируют усадку или создают горячие точки. Там, где необходимы переходы по толщине, используйте большие радиусы и скругления.
• Филе & радиусы: Большие галтели в несущих соединениях снижают концентрацию напряжений.. Отливки с острыми углами склонны к микроусадке и растрескиванию.; закругленные переходы также облегчают растекание воска.
• Стробирование & рост: Разместите ворота, чтобы обеспечить направленное затвердевание от критических сторон к стоякам.; минимизируйте размер литника, чтобы уменьшить необходимость доработки, но обеспечьте достаточную подачу металла. При необходимости используйте экзотермические стояки или изолирующие втулки..
• Основные отпечатки & внутренние отрывки: Обеспечьте стабильное расположение стержней и достаточные отпечатки стержней.. Сердечники должны быть прочными и выдерживать предварительный нагрев..
• Черновик & расставание: Восковые модели для литья по выплавляемым моделям часто требуют минимальной осадки., но инструменты должны обеспечивать легкое удаление воска и низкую деформацию..
• Чистота поверхности & допуски: Литье по выплавляемым моделям обеспечивает хорошее качество поверхности.; указать допуски для критических сопрягаемых поверхностей, чтобы обеспечить минимальную механическую обработку..
  Для контактных лиц (кулачковые/контактные поверхности), указать целевые показатели качества поверхности и припуски для последующей закалки/чистовой обработки..

7. затвердевание, стратегии подачи и контроля пористости

Пористость — главный враг усталостных компонентов.. Ключевые стратегии:

• Направленное затвердевание: Спроектируйте системы литников и стояков таким образом, чтобы расплавленный металл поступал в те области, которые затвердевают последними.. Используйте озноб, экзотермические стояки, или стратегически изолированные стояки.
• Контроль скорости затвердевания: Избегайте чрезмерно быстрого охлаждения, которое может привести к улавливанию газов.; также избегайте горячих точек, которые образуют усадочные полости. Предварительный нагрев корпуса и контролируемые графики охлаждения помогают..
• Контроль водорода/газа: Контроль плавления и разливки для снижения содержания растворенного водорода и кислорода.. По возможности используйте вакуумную дегазацию и заливку инертным газом..
• Горячее изостатическое прессование (БЕДРО): Для высоконадежных запусков, ГИП после литья может закрыть внутреннюю усадочную пористость и улучшить усталостную долговечность за счет гомогенизации микроструктуры.. HIP особенно ценен для компонентов двигателя, критически важных для безопасности..
• Размещение стояка & размер: Подступенки увеличенного размера увеличивают подачу, но требуют доработок при обработке.; оптимизировать с помощью моделирования.
  Используйте инструменты моделирования литья (CFD/моделирование затвердевания) для прогнозирования усадки и уточнения литников.

Реализация этих стратегий снижает уровень дефектов и повышает механическую надежность..

8. Термическая обработка, поверхностное упрочнение и адаптация механических свойств

Термическая обработка и закалка поверхности являются основные рычаги для настройки характеристик коромысел из легированной стали, отлитых по выплавляемым моделям.

Хотя приведение определяет геометрию, именно термическая обработка определяет прочность, прочность, сопротивление усталости, поведение при износе, и стабильность размеров.

Поскольку коромысла работают в условиях циклической нагрузки и высоких контактных напряжений., термическая обработка должна быть точно определена и контролируема.

• Нормализация: Снимает литейные напряжения и улучшает зернистую структуру там, где это необходимо..
• Утомить & характер (для сталей сквозной закалки): Достигает высокой прочности и вязкости; Температура отпуска выбирается таким образом, чтобы сбалансировать ударную вязкость и твердость..
• Цементация / Служба (для поверхностей износа): Для науглероживаемых марок, контролируемая цементация с последующей закалкой и отпуском позволяет получить твердый корпус и прочный сердечник..
  Критично для контактных поверхностей кулачка. Управление процессом: глубина корпуса, углеродный профиль, и управление остаточным стрессом имеют важное значение.
• Индукционная закалка или местная обработка поверхности.: Быстро затвердевает поверхность лепестка или кончика с минимальной деформацией.; часто используется, когда только контактная поверхность требует износостойкости.
• Азотирование / нитроцементация: Альтернативная закалка поверхности, обеспечивающая износостойкость с меньшей деформацией.; зависит от совместимости сплавов.
• Снятие стресса & окончательный характер: После обработки и сборки, Снятие напряжений снижает остаточные напряжения, возникающие при механической обработке или локальной закалке..

Определение термических циклов и технологических окон после литья (температура, скорости охлаждения, закалочная среда) важно для гарантии эксплуатационных характеристик сплава.

9. Обработка, отделка, сборка и обработка поверхности

Даже отливки, отлитые по выплавляемым моделям, обычно требуют механической обработки на опорных поверхностях., отверстия для болтов и уплотнительные поверхности.

• Обрабатываемость: Отливки из легированной стали поддаются механической обработке, но для определенных микроструктур может потребоваться более прочная оснастка и более низкие скорости.. Часто используются твердосплавные инструменты и стратегии подачи СОЖ..
• Критическая обработка поверхности: Контактные поверхности кулачков и поворотные поверхности требуют чистовой обработки и точной геометрии.; шлифование, протирание, или может быть применена дробеструйная обработка.
• Выстрелил: Вызывает полезные сжимающие остаточные напряжения для увеличения усталостной долговечности на критических поверхностях.. Необходимо контролировать, чтобы избежать переупрочнения или искажения..
• Сборка подходит & последовательность термообработки: Обычно, объемная термообработка предшествует окончательному шлифованию и механической обработке ответственных поверхностей.; после черновой обработки может быть выполнена некоторая локальная закалка.
  Координатные допуски сборки с припусками на деформацию при термообработке.
• Покрытия и смазка: Если коррозия или трение вызывают беспокойство, нанести соответствующие покрытия (фосфат, Pvd, тонкие твердые покрытия) и указать режимы смазки для обслуживания.

Хорошо спланированный производственный процесс сводит к минимуму доработки и обеспечивает долговечность в эксплуатации..

10. Расходы, время выполнения заказа и вопросы цепочки поставок по сравнению с ковкой и механической обработкой

• Структура затрат: Инструменты для литья по выплавляемым моделям (Воск умирает) имеет умеренные первоначальные затраты, но более низкую чистовую обработку детали по сравнению с ковкой + обработка сложных форм.
  Для очень больших объемов, ковка может стать более экономичной за счет более низкой стоимости единицы материала и более высоких механических свойств..
• Время выполнения: Инструменты для литья по выплавляемым моделям могут работать быстрее, чем ковочные штампы; однако, обстрел, циклы заливки и термообработки увеличивают время процесса.
  Для небольших и средних объемов и частых изменений дизайна, литье по выплавляемым моделям часто предпочтительнее.
• Цепочка поставок: Выберите литейные предприятия с продемонстрированными возможностями литья стали. (ВИМ/ВАР/ХИП) и опыт работы с деталями двигателя. Укажите прослеживаемость и двойной источник, когда этого требуют объем/риск..
• Устойчивое развитие & металлолом: Литье по выплавляемым моделям дает меньше отходов стружки, но необходимо управлять отходами ракушечника и керамикой.; стальной лом легко перерабатывается.
  Анализ стоимости жизненного цикла, включая повышение эффективности использования топлива за счет более легких коромысел, часто отдает предпочтение маршруту литья для определенных конструкций..

11. Заключение

Коромысло из легированной стали, отлитое по выплавляемым моделям, представляет собой зрелое, но постоянно оптимизированное производственное решение для современных двигателей и механических систем.

Сочетая геометрическую свободу процесса выплавки по выплавляемым моделям с тщательно подобранными легированными сталями и строго контролируемыми металлургическими методами., производители могут производить коромысла, отвечающие высоким требованиям по прочности, усталостная жизнь, износостойкость, и точность размеров.

С технической точки зрения, производительность определяется не только кастингом, но судя по вся технологическая цепочка: Выбор сплава, расплавить чистоту, конструкция корпуса и ворот, контроль затвердевания, термическая обработка, поверхностное упрочнение, механическая обработка, и проверка.

Когда эти элементы правильно интегрированы, Коромысла из легированной стали, отлитые по выплавляемым моделям, могут обеспечить надежность, сравнимую с коваными деталями, обеспечивая при этом преимущества в гибкости конструкции., оптимизация веса, и экономическая эффективность для сложной геометрии.

 

Часто задаваемые вопросы

Зачем использовать литье по выплавляемым моделям вместо ковки для коромысел?

Литье по выплавляемым моделям предпочтительнее, когда сложная геометрия, интегрированные функции, и форма, близкая к чистой необходимы.

Это уменьшает механическую обработку, позволяет создавать легкие конструкции, и экономически эффективен для малых и средних объемов производства. Ковка по-прежнему предпочтительна при очень больших объемах или когда требуется максимальный направленный поток зерна..

Достаточно ли прочны коромысла, отлитые по выплавляемым моделям, для двигателей с высокими нагрузками??

Да, если правильный сплав, практика плавления, термическая обработка, и режим проверки используются.

С Ni-Cr-Mo или науглероженные легированные стали, и дополнительный HIP, литые коромысла могут удовлетворить высокие требования к усталости и прочности.

Каков наиболее распространенный вид отказа коромысел из литых легированных сталей??

Самая распространенная неисправность – это усталостное растрескивание, инициируемое внутренней пористостью или концентраторами поверхностных напряжений..

Это смягчается чистотой расплава., контроль затвердевания, БЕДРО, щедрое филе, и обработка поверхности, такая как дробеструйная обработка.

Какая легированная сталь лучше по износостойкости в месте контакта кулачка или клапана?

Науглероживание сталей (например, 8620-тип сплавов) или стали с местной индукционной закалкой.. Они обеспечивают жесткий, износостойкая поверхность, сохраняя при этом прочную сердцевину.

Всегда ли требуется HIP для коромысел, отлитых по выплавляемым моделям??

Нет. HIP рекомендуется для высокопроизводительные или критически важные приложения где требуется максимальная усталостная долговечность. Для многих стандартных приложений, правильное ворота, качество таяния, и неразрушающего контроля достаточно без HIP.

Как термообработка влияет на работу коромысла?

Контроль термообработки сила, прочность, сопротивление усталости, и поведение при износе.

Неправильная закалка, характер, или циклы цементации могут привести к искажению, Бриттлис, или преждевременный выход из строя, сделать контроль процесса необходимым.