Материалы для литья по выплавляемым моделям — выбирайте правильный сплав заранее

1. Управляющее резюме

Литье по выплавляемым моделям (литье по выплавляемым моделям) ценится за точность формы, тонкие сечения и сложная геометрия.

Выбор сплава является самым важным проектным решением, поскольку он определяет: какие материалы и методы плавки/дегазации должен использовать литейный завод; химия снарядов и циклы стрельбы;

стратегия кормления и усадки; достижимые механические свойства и необходимая термообработка после отливки; инспекционные и приемочные испытания; и, в конечном итоге, стоимость детали и время выполнения заказа.

В этой статье рассматриваются основные семейства сплавов, обычно отливаемых инвестиционным процессом., сравнивает их металлургическое поведение и последствия обработки, и предоставляет прагматичные рекомендации по выбору, привязанные к типичным применениям..

2. Почему выбор материала имеет значение при литье по выплавляемым моделям

Выбор материала является наиболее важным инженерным решением в литье по выплавляемым моделям. Он определяет не только эксплуатационные характеристики готовой детали. (сила, коррозионная стойкость, высокотемпературная стабильность, биосовместимость, масса),

но и всю производственную цепочку, расположенную выше и ниже по технологической цепочке.: метод плавления и заливки, химия снарядов и стрельба, стратегия ворот/стояка, режимы дефектов, на которые стоит обратить внимание, необходимая термическая обработка, методы проверки, Время цикла, Риск брака и общая стоимость.

3. Семейства материалов, используемые при литье по выплавляемым моделям

4. Литейные сплавы. Определение окончательных характеристик отливок

При выборе сплава для отливки необходимо учитывать комплекс взаимозависимых факторов.: необходимые механические свойства (сила, прочность, усталость), Операционная среда (температура, коррозионные СМИ),

геометрия (тонкие стены против массивных секций), производство (текучесть, диапазон замерзания, реактивность), пост-литьевая обработка (термическая обработка, БЕДРО), необходимость и стоимость проверки.

Отливки из ферросплавов

1) Углеродистая сталь отливки

Что они собой представляют: низколегированные стали, в которых углерод является основным упрочняющим элементом. (например, AISI 1020–1045, ASTM A216 WCB, эквиваленты).
Характеристики & производительность: умеренная сила, хорошая прочность при нормализации, отличная обрабатываемость и низкая стоимость. Плотность ~7,85 г/см³.
Рекомендации по кастингу: умеренная температура плавления (~ 1420–1540 ° С), хорошая текучесть для многих геометрических форм, но подвержен усадочной пористости в тяжелых сечениях.
Конструкция оболочки и литника должна обеспечивать достаточную подачу.. Для некоторых сортов может возникнуть проблема с образованием водорода и графита..
Постобработка: нормализация, утомить & характер (в зависимости от оценки) для достижения желаемой твердости/прочности.
Приложения: структурные компоненты, корпуса, общетехнические отливки, где коррозионная стойкость не имеет решающего значения.

2) Легированная сталь отливки

Что они собой представляют: стали, легированные Cr, Мо, В, В, и т. д., для улучшения силы, прокаливаемость и высокотемпературные свойства (например, 4140, 4340 семейные аналоги).
Характеристики & производительность: Более высокая прочность на растяжение, усталостная прочность и вязкость, чем у простых углеродистых сталей; может подвергаться термической обработке до высокой прочности.
Рекомендации по кастингу: более высокая чувствительность к сегрегации и горячему растрескиванию по мере увеличения содержания сплава; необходимы тщательные затворы и подъемы; некоторым сплавам для обеспечения прочности требуется вакуум или раскисленный расплав..
Постобработка: критические циклы закалки/отпуска, контроль деформации при термообработке. Может потребоваться снятие напряжений и отпуск для балансировки свойств..
Приложения: шестерни, валы, высоконагруженные детали конструкции, нефтепромысловые компоненты.

3) Нержавеющая сталь отливки

Что они собой представляют: сплавы на основе железа с содержанием Cr ≥10,5%; семейства включают аустенитные (304/316/CF8/CF8M), мартенситный (410/420), дуплекс (2205) и дисперсионно-твердеющие (17-4 PH).

Характеристики & производительность: коррозионная стойкость варьируется от общей (аустенита) высокой устойчивости к хлоридам (Дуплекс/Супердуплекс);
механические свойства широко варьируются — дуплекс обеспечивает высокую прочность + хорошая коррозионная стойкость; 17-4 PH обеспечивает высокую прочность после старения.

Рекомендации по кастингу: нержавеющая сталь расплавляется с образованием оксида/шлака; контроль химического состава расплава, Раскисление и удаление включений влияют на чистоту поверхности и механические свойства..
Усадка при затвердевании и чувствительность к горячему разрыву различаются в зависимости от марки..
Постобработка: Решение отжиг, закалка и старение (для классов PH); дуплекс может потребовать тщательной термической обработки для сохранения фазового баланса.. Пассивация и травление часто следуют за механической обработкой..
Приложения: компоненты химического завода, клапаны, морское оборудование, Сантехнические части, пищевая промышленность, медицинское оборудование.

Отливки из цветных сплавов

4) Алюминиевый сплав отливки

Что они собой представляют: Аль-Си, Семейства Al-Cu и Al-Mg (например, А356, А357, АЦП12, 6061-тип) для литых деталей.
Характеристики & производительность: низкая плотность (~ 2,7 г/см=), хорошая удельная прочность (после термообработки для некоторых сплавов), отличная коррозионная стойкость при правильном легировании; отличная тепло/электрическая проводимость.
Рекомендации по кастингу: очень хорошая текучесть обеспечивает тонкие стенки и мелкие детали, но водородная пористость, оксидные пленки и горячие разрывы в определенных конфигурациях являются ключевыми рисками..
Температуры обжига снарядов и графики депарафинизации отличаются от работы с черными металлами.. Контроль водорода, Чистота расплава и правильное литование имеют важное значение.
Постобработка: термообработка раствором и искусственное старение (Т6) для силы; иногда HIP для критически важных деталей аэрокосмической отрасли.
Приложения: аэрокосмические корпуса, автомобильные легкие компоненты, теплорассеивающие детали.

5) Медь-базовые сплавы (бронза, латунь, алюминиевая бронза)

Что они собой представляют: С-Сн (бронза), Cu-Zn (латунь), С (алюминиевая бронза), С нами, и варианты.
Характеристики & производительность: отличная устойчивость к коррозии (особенно Cu-Ni/Al-бронза), хорошие несущие свойства и тепло/электропроводность. Плотность ~8,4–8,9 г/см³..

Рекомендации по кастингу: более низкие температуры плавления, чем у сталей; высокая теплопроводность влияет на поведение при затвердевании (быстрое охлаждение).
Хорошая текучесть делает возможной мелкую детализацию.. Риск усадки и горячего растрескивания зависит от состава сплава..
Постобработка: отжиг для пластичности, обработка часто затруднена (работа укрепления); проблемы обработки поверхности и обесцинкования латуней, подвергающихся воздействию определенных сред.
Приложения: морское оборудование, насосные компоненты, подшипники, декоративные и электрические детали.

6) Титан-отливки из сплавов

Что они собой представляют: в основном Ti-6Al-4V и другие сплавы Ti, обладающие высокой удельной прочностью и биосовместимостью..
Характеристики & производительность: отличное соотношение прочности к весу, коррозионная стойкость и биосовместимость; низкая плотность (~4,4 г/см³).

Рекомендации по кастингу: высокореактивный расплав (кислород, сбор азота) — необходима плавка в вакууме/аргоне и заливка во избежание охрупчивания и включений.
Усадка при затвердевании и образование оксидов требуют специальных материалов оболочки и методов плавки.. Затраты на производство и требования к оборудованию высоки..
Постобработка: вакуумная термообработка, снятие стресса, HIP, общий для закрытия пористости критически важных компонентов. Обработка поверхности важна для деталей, чувствительных к усталости..
Приложения: компоненты аэрокосмической конструкции, медицинские имплантаты, высокопроизводительные спортивные товары.

Отливки из жаропрочных сплавов

7) Суперсплавы на основе никеля

Что они собой представляют: Сплавы на основе Ni-CR-Co-Al (Инконель, Рене, Нимонические семьи) рассчитан на прочность и сопротивление ползучести при повышенных температурах (до ~1000 °C и выше для некоторых сплавов).
Характеристики & производительность: отличная прочность на ползучесть, устойчивость к окислению и коррозии при высокой температуре; плотность около 8,2–8,5 г/см³..

Рекомендации по кастингу: большие интервалы затвердевания способствуют сегрегации и дефектам усадки; вакуумная индукционная плавка, строгая дегазация и контроль включения имеют решающее значение.
Направленная закалка и монокристаллическое литье — специализированные варианты турбинных лопаток. (другая технологическая цепочка).
Постобработка: сложный раствор и термическая обработка старения для образования γ'-преципитатов; HIP и механическая обработка являются общими. Сертификация для аэрокосмической отрасли требует строгого неразрушающего контроля.
Приложения: детали горячей секции газовой турбины, аэрокосмический, производство электроэнергии, высокотемпературная химическая обработка.

8) Сплавы на основе кобальта

Что они собой представляют: Co-Cr-Mo и родственные композиции, используемые там, где требуются износостойкость и устойчивость к повышенным температурам. (например, семейство стеллитов).
Характеристики & производительность: хорошая твердость в горячем состоянии, износостойкость и устойчивость к коррозии. Часто используется там, где присутствует износ скольжения при повышенной температуре..
Рекомендации по кастингу: высокие температуры плавления и чувствительность к сегрегации; обработка сложна из-за высокой твердости.
Постобработка: решение/старение (где это применимо), шлифовка и полировка трибологических поверхностей.
Приложения: уплотнения турбины, седла клапанов, биомедицинские стоматологические сплавы (Коль-), носить компоненты.

9) Жаропрочные сплавы на основе железа

Что они собой представляют: термостойкие утюги (например, Fe-Cr-Al, нержавеющие стали, разработанные для повышенных температур).
Характеристики & производительность: экономически эффективен при умеренно высоких температурах, хорошая стойкость к окислению при соответствующем легировании.
Рекомендации по кастингу & приложения: используется там, где температура высока, но не требуется экстремальное сопротивление ползучести никелевых сплавов (например, Печь детали, некоторые промышленные горелки).

Отливки из специальных сплавов

Сплавы драгоценных металлов (золото, серебро, платина)

Что они собой представляют: Au, Сплавы Ag и Pt для ювелирных изделий, прецизионные контакты и каталитическое использование.
Характеристики & производительность: отличная коррозионная стойкость и эстетические свойства; переменная механическая прочность в зависимости от карата и легирования.
Рекомендации по кастингу: низкие точки плавления (золото ~1064 °C), Отличная плавность; литье в вакууме или в контролируемой атмосфере улучшает качество поверхности.
Литье по выплавляемым моделям (Потерянный восков) является доминирующим маршрутом производства ювелирных изделий.
Приложения: ювелирные изделия, электроника контакты, декоративное и специальное химическое применение.

Магнитные сплавы (Аль-нико-ко, Варианты Nd-Fe-B)

Что они собой представляют: материалы с постоянными магнитами и магнитомягкие сплавы; примечание: много высокоэнергетических магнитов (Nd-Fe-B) обычно не производятся методом литья по выплавляемым моделям, поскольку типичны процессы порошкового и консолидационного производства.. Al-Ni-Co можно отливать.
Характеристики & производительность: магнитная коэрцитивность, плотность потока и температурная стабильность определяют пригодность.
Рекомендации по кастингу: магнитные сплавы требуют контролируемого затвердевания, чтобы избежать нежелательных фаз.; требуется обработка после намагничивания.
Приложения: датчики, моторы, приборы.

Сплавы с памятью формы (Ни-Ти / Нитинол)

Что они собой представляют: почти эквиатомные никель-титановые сплавы с памятью формы и сверхэластичным поведением.
Характеристики & производительность: обратимые мартенситные превращения приводят к образованию больших восстанавливаемых деформаций.; используется в приводах и медицинских приборах.
Рекомендации по кастингу: Ni-Ti реактивен и чувствителен к составу.; вакуумная плавка и точный контроль соотношения Ni/Ti имеют решающее значение.;
часто производятся методом литья по выплавляемым моделям для сложной геометрии, но распространены компоненты порошковой металлургии и C-образной формы.. Термическая обработка после отливки оптимизирует температуру трансформации.
Приложения: медицинское оборудование (стент, скобы), актуаторы и адаптивные конструкции.

5. Выводы

Выбор материала — самое важное решение в литье по выплавляемым моделям..

Он регулирует не только эксплуатационные характеристики детали. (сила, усталость, коррозия, температурная способность, биосовместимость, масса)

но и каждый практический аспект производства: метод плавления, химия снарядов и стрельба, стратегия шлюзования и кормления, вероятные дефектные режимы, необходимая термообработка и неразрушающий контроль, стоимость и сроки выполнения.

Ключ, практические выводы:

• Начните с функции, не привычка. Определите доминирующие драйверы услуг (температура, коррозия, носить, усталостная жизнь, масса, нормативные ограничения)
  и пусть они сопоставят вас с материальной семьей (например, никелевые сплавы для высокотемпературной ползучести, титан для соотношения прочности и веса и биосовместимости, дуплексная нержавеющая сталь для работы с хлоридами, бронзы для морской одежды, драгоценные металлы для ювелирных изделий/электрических контактов).
• Соответствие возможностей литейного производства потребностям в сплавах. Многие сплавы (титан, Суперсплавы, кобальтовые сплавы) требуют вакуума или инертной плавки, БЕДРО, и расширенный неразрушающий контроль.
  Не указывайте специальный сплав, если квалифицированный поставщик не сможет доставить и сертифицировать его..
• Проектирование и процесс взаимозависимы. Атрибуты сплава (Диапазон плавления, текучесть, усадка, реактивность, тенденция к сегрегации, теплопроводность) должен использоваться для установки компенсации инструмента, конструкция ворот/стояка, система оболочки и графики депарафинизации/обжига.
  Раннее моделирование и пилотные отливки существенно снижают риск..
• Планируйте действия после кастинга заранее. Термическая обработка, БЕДРО, обработка поверхности и механическая обработка влияют на контроль размеров и стоимость.
  Для критических компонентов, укажите эти шаги в запросе предложений (и включать приемочные испытания и отслеживаемость).
• Контролируйте качество по спецификации. Требовать MTR, записи о термообработке, определенные режимы неразрушающего контроля (рентгенография/КТ внутренней пористости, ультразвуковой для толстых сечений черных металлов, проникающая краска для поверхностей), и четко установленный стандарт приемки.
  Определить пределы пористости, включения и механические свойства.
• Балансовая стоимость, график и риск. Специальные сплавы и строгие протоколы приемки увеличивают время выполнения заказа и стоимость..
  Используйте самый простой сплав, который удовлетворяет функциональным требованиям, и оцените альтернативы, где это возможно..

Часто задаваемые вопросы

Можно ли отлить любой металл??

Подходят многие металлы и сплавы. (стали, нержавеющая ставка, суперсплавы никеля и кобальта, медные сплавы, алюминий, титан, Драгоценные металлы).

Однако, пригодность зависит от возможностей литейного производства: химически активные металлы (титан, магний) а тугоплавкие суперсплавы требуют вакуумной/инертной плавки и специальных оболочечных систем..

Некоторые магниты и сплавы порошковой металлургии непригодны для обычного литья по выплавляемым моделям..

Как мне сделать выбор между сплавами, если несколько из них отвечают требованиям производительности??

Требования к рангу (обязательный и желательный), потом оцените технологичность (возможности литейного производства, необходимость ГИП или вакуумной плавки), расходы, время выполнения заказа и нагрузка на проверку.

Пилотные отливки и анализ стоимости жизненного цикла помогают выбрать оптимальный компромисс..

Все ли сплавы нуждаются в специальных материалах оболочки или покрытиях??

Некоторые делают. Реактивные или высокотемпературные плавки (например, титан, некоторые суперсплавы) может потребоваться инертное лицевое покрытие (циркон, глинозем) и контролируемый огонь для предотвращения реакции металлического снаряда.
Обсудите рецептуру корпуса с вашим литейным цехом во время проектирования..

Как выбор сплава влияет на качество поверхности и обрабатываемость?

Металлы, такие как медные сплавы и алюминий, обычно обеспечивают превосходное качество поверхности и обрабатываемость.; сплавы никеля и кобальта сложнее обрабатывать, и для этого может потребоваться специальный инструмент..

Нержавеющие стали различаются: дуплексные стали и марки PH обрабатываются иначе, чем аустенитные.. Включите в проект припуски на механическую обработку и особенности оснастки..

А как насчет коррозии и экологичности??

Коррозионные характеристики в первую очередь зависят от химического состава сплава и обработки после литья. (термообработка, пассивация, покрытие).

Для агрессивных СМИ (хлориды, кислоты), выбирать коррозионностойкие сплавы (дуплекс нержавеющий, никелевые сплавы) и требуют соответствующих квалификационных испытаний (питтинг, SCC).
Экологические нормы (например, Rohs, ограниченные элементы) также может повлиять на выбор сплава.

Насколько дороже стоит отливка из суперсплава по сравнению со стальной отливкой??

Стоимость сильно варьируется в зависимости от сплава., сложность и постобработка.

Суперсплавы и химически активные металлы обычно стоят в несколько раз дороже, чем обычные стали, из-за дорогого сырья., вакуумные печи, БЕДРО, и расширенный неразрушающий контроль.

Используйте общую стоимость владения (материал + обработка + осмотр + урожай) а не только цена сырого расплава.