Процесс литья по выплавляемым моделям

1. Введение

Потерянный восков (инвестиции) кастинг преобразует точные жертвенные узоры (традиционно восковые) в металлические детали через керамическую оболочку.

Его основными сильными сторонами являются: отличное качество поверхности, Высокая точность, и возможность отливать сложные геометрические формы и высокопроизводительные сплавы..

Варианты процесса (сорта воска, химия оболочек и методы ядра) позвольте инженерам сбалансировать стоимость и точность и выбрать пути, подходящие для нержавеющих сталей., медные сплавы, утюги, и — с особыми мерами предосторожности — титановые и никелевые суперсплавы..

2. Процесс литья по выплавляемым моделям

Типичная последовательность (высокий уровень):

1. Шаблон: делать воск (или литейная смола) шаблон(с) — цельное изделие или дерево/гроздь.
2. Сборка: прикрепите шаблоны к полозьям/воротам, чтобы сформировать кластер.
3. Инвестировать / сборка оболочки: погружение сборки в связующий раствор + штукатурка; повторите, чтобы построить оболочку.
4. Излечивать / сухой: гель и частично сухие оболочки между слоями; окончательная сушка.
5. Dewax: удалить воск (парить или расплавляться).
6. Выгорание / увольнение: рампа для сжигания органики и стабилизации корпуса.
7. Залить: расплавить и залить металл в разогретую оболочку.
8. Встряхивание & уборка: удалить оболочку, вырезать ворота, чистый.
9. Постпроцесс: термообработка, БЕДРО (Если требуется), механическая обработка, обработка поверхности, осмотр.

3. Материалы для выкройки: низкий-, середина-, и высокотемпературные воски

Примечания & руководство

• Выбирайте воск по размеру детали, срок службы инструмента и ожидаемая последовательность сборки/оболочки. Низкотемпературный воск отлично подходит для мелких деталей и небольших объемов, но подвержен ползучести при длительных циклах или в теплых цехах..
  Средняя температура — рабочая лошадка для инженерного литья. Высокотемпературные воски (и полимеры с искусственным рисунком) используются там, где обработка или длинная оболочка создают риск деформации.
• Добавки к узору: пластификаторы, стабилизаторы, улучшители текучести и красители влияют на поведение при инъекции, Остатки депарафина и выделение продуктов сгорания — укажите составы, одобренные литейным производством..

4. Производство моделей: оснастка, инъекционный воск, и аддитивные шаблоны

• Литье под давлением: стальные/алюминиевые штампы для воска — низкая себестоимость единицы продукции при большом объеме при высоком качестве поверхности. Стоимость оснастки зависит от сложности.
• 3D-печатные литые модели из воска и смолы: Соглашение об уровне обслуживания, DLP, принтеры для струйной печати или литьевого воска исключают необходимость использования инструментов для прототипов и небольших тиражей.
  Современные литейные смолы полностью депарафинизируются и приближаются к качеству поверхности инъекционного воска..
• Древовидная структура и конструкция литников: расположите шаблоны на центральном литнике для эффективной заливки и подачи; включать жертвенные стояки для термоусадочной подачи.
  Используйте моделирование для управления балансом и балансировки питания для больших кластеров..

5. Системы Шелл: Кремнезый, Стакан для воды, и гибридные оболочки

Система оболочек является единственной наиболее важной переменной, определяющей точность поверхности., тепловое сопротивление, проницаемость/вентиляция, совместимость с вакуумом и пригодность сплавов для литья по выплавляемым моделям.

Три практичных семейства используются в современных магазинах:

• Кремнезый (коллоидная силика) ракушки — премия, высокоточный маршрут.
• Стакан для воды (силикат натрия) ракушки — экономичный, надежный маршрут для более крупных / работа со сталью/железом.
• Гибридные оболочки — объединить штраф, химически стойкое внутреннее покрытие (силиказоль или циркон) с наружным слоем из жидкого стекла для достижения баланса между стоимостью и производительностью.

Кремнеземольные оболочки (коллоидный кремнезем)

Что это такое и как это работает

В кремнезольных оболочках используется коллоидная суспензия субмикронных частиц кремнезема в качестве связующего.

Первые пальто (очень тонкая стирка) используйте коллоид для нанесения сверхтонкого гипса, записывающего детали; последующие слои увеличивают толщину и закрепляются за счет сушки и высокотемпературного обжига. (спекание) который производит плотный, крепкие снаряды.

Ключевые характеристики:

• Точность поверхности: лучшее из доступных - обычно в исполнении Ра ~0,6–3 мкм с тонкой стиркой.
• Тепловая стабильность / увольнение: оболочки могут быть объединены в 600–1000 ° C. (практика магазина варьируется в зависимости от штукатурки). Высокотемпературный обжиг повышает прочность оболочки и устойчивость к термическому удару..
• Совместимость с вакуумом и инертной средой:отличный — кремнезольные оболочки совместимы с заливкой в ​​вакууме и инертной атмосфере и являются обычным выбором для титана., суперсплавы никеля и кобальта.
• Контроль проницаемости: можно настроить путем выравнивания штукатурки и обжига для обеспечения контролируемой вентиляции и повышения ценности, тугие отливки.
• Чувствительность к загрязнению:высокий — стабильность коллоида нарушается ионным загрязнением (соли, металлическая мелочь) и органика; чистота навоза и установки имеют решающее значение.
• Типичная грунтовая штукатурка: плавленый кварц размером менее 10 мкм, циркон или диоксид циркония для реактивных интерфейсов.
• Типичные варианты использования: компоненты аэрокосмической турбины, Суперсплавы, титан, отлитый под вакуумом, медицинские имплантаты, прецизионные мелкие детали.

Раковины из жидкого стекла (силикат натрия)

Что это такое и как это работает

В раковинах из жидкого стекла используется водный натрий (или калий) силикатный раствор как связующее.

Наносит гель на сетку, подобную кремнезему, за счет газов CO₂ или химических отвердителей. (кислые соли), создание жесткой керамической оболочки в сочетании с ступенчатой ​​огнеупорной штукатуркой.

Ключевые характеристики:

• Точность поверхности: хорош для общего машиностроения — обычно Ra в виде литой модели ~2,5–8 мкм в зависимости от стирки и штукатурки.
• Увольнение: обычно стабилизируется на ~400–700°С; оболочки не спекаются в такой степени, как системы кремнезем-золь..
• Совместимость с вакуумом:ограничен — не идеален для вакуумной/инертной заливки или наиболее реакционноспособных сплавов..
• Проницаемость / вентиляция: в целом хорошо подходит для сталей/чугунов; проницаемость имеет тенденцию быть более крупной, чем у оптимизированных оболочек из силиказоля..
• Метод отверждения:Газирование CO₂ (быстрое гелеобразование) или кислотные отвердители — быстро, прочный комплект в цеху.
• Чувствительность к загрязнению: умеренный — ионное загрязнение влияет на схватывание и однородность геля, но жидкое стекло, как правило, более терпимо, чем силиказоль..
• Типичная грунтовая штукатурка: мелкий плавленый кварц; циркон можно использовать для улучшенной защиты поверхности..
• Типичные варианты использования: корпуса клапанов, насосные корпусы, большие стальные/железные детали, морское оборудование, общепромышленное литье.

Гибридные оболочки (внутреннее покрытие из силиказоля или циркона + верхние покрытия из жидкого стекла)

Что это такое и как это работает

Общий экономический компромисс: а внутреннее покрытие премиум-класса (силиказоль или циркон/цирконий) наносится в первую очередь для фиксации деталей и создания химически стойкого барьера, затем верхние покрытия из жидкого стекла созданы для обеспечения объемной прочности при меньших затратах.

Ключевые характеристики:

• Точность поверхности & химический барьер: внутренний силиказоль/циркон обеспечивает качество поверхности, близкое к силиказолю, и помогает предотвратить реакции металл-оболочка на границе раздела металлов..
• Расходы & умение обращаться: внешние покрытия из жидкого стекла сокращают общее использование силиказоля и делают корпус более прочным при обращении и больших размеров..
• Совместимость с вакуумом: улучшенный по сравнению с чистым жидким стеклом (благодаря внутреннему покрытию) но все же не так идеально, как цельные оболочки из диоксида кремния - полезны для многих нержавеющих и некоторых никелевых сплавов, если контролируется атмосфера плавления/разливки..
• Типичное использование: корпуса клапанов с высококачественными смачиваемыми поверхностями, детали турбин средней стоимости, где необходима некоторая совместимость с вакуумом, приложения, где стоимость и производительность должны быть сбалансированы.

6. Основные технологии

• Растворимые ядра (восковые или полимерные ядра, растворяющиеся): производить внутренние ходы (каналы охлаждения); удаляется горячей водой или растворителем.
• Керамические сердечники, обожженные связующим веществом (кремнезый, глинозем, циркон): стабильный при высоких температурах для суперсплавов; требуется совместимость с ядром оболочки.
• 3D-печатные сердечники: Керамические сердечники Binder-Jet или SLA позволяют создавать сложную внутреннюю геометрию без использования инструментов..

При проектировании ядер необходимо учитывать поддержку ядра., вентиляция, термическое расширение и химическая совместимость с расплавленным металлом.

7. Depaxing, выгорание & снарядные стрельбы — практические графики и контрольные точки

Depaxing

• Депарафинизация паром/автоклавом: характерно для обычных восковых деревьев. Типичная температура поверхности 100–120 °C.; цикл от минут до часов в зависимости от объема воска и размера дерева.
• Термический депарафин / расплав растворителя: используется для некоторых полимеров — используйте регенерацию растворителя и контрольные меры..

Выгорание / график выгорания (типичный инженерный пример)

• Рампа: замедлите температуру до 100–200 °C, чтобы удалить остатки влаги/воска. (≤3–5 °C/мин рекомендуется для толстой скорлупы, чтобы избежать образования паровых пузырей.).
• Держать 1: 150–250 ° C. (1–4 часа) отогнать низкокипящую органику.
• Рампа 2: от ~3 °C/мин до 350–500 °C.
• Окончательное удержание: 4–8 часов при 350–700 °C в зависимости от системы оболочки и сплава.. Оболочки из силиказоля можно обжигать до 600–1000 ° C для спекания / прочности.; оболочки из жидкого стекла, обычно стабилизированные при температуре 400–700 ° C..
• Ключевые элементы управления: скорость линейного изменения, доступность кислорода (избегать чрезмерного окисления корпусов из химически активных металлов), и полное удаление органических веществ во избежание выделения газов во время заливки..

Предварительный нагрев оболочки перед заливкой: предварительный нагрев оболочки до 200–800 °C в зависимости от сплава для минимизации теплового удара и улучшения текучести металла.; например, нержавеющая сталь обычно заливается при температуре 200–450 °C, предварительный нагрев; для суперсплавов требуется более высокий уровень в зависимости от оболочки.

8. Заливка: практика плавления, варианты вакуума/инерта и параметры заливки

• Плавильные печи: индукция или сопротивление; дегазация/фильтрация и флюсование для обеспечения чистоты.
• Для температур (типичный):

• • Алюминиевые сплавы: 650–720 °С
  • Медные сплавы: 1000–1200 ° C.
  • Стали: 1450–1650 °С
  • Никелевые суперсплавы: 1400–1600+ °С (сплав зависит)

• Вакуумная и инертная заливка: обязателен для титана и высокореактивных сплавов; вакуум снижает окисление и реакции с металлической оболочкой.
• Для моды: Гравитационная разливка, ковш с нижней разливкой или вакуумная разливка — выберите минимизацию турбулентности и увлеченных газов.. Используйте фильтры в стробировании для контроля включения.

9. Материалы, обычно отливаемые & особые соображения

• Нержавеющие стали (300/400, дуплекс): хорошо сочетается как с водой, так и со стаканом & Кремнезый; контроль проницаемости оболочки и окончательный предварительный нагрев.
• Углерод & низколегированные стали, пластичный железо: хорошо подходит для оболочек из жидкого стекла; следите за образованием накипи и эрозией оболочки при высоких энергиях застывания.
• Медные сплавы (бронза, С нами): общий; контролировать перегрев, чтобы избежать вымывания скорлупы.
• Алюминиевые сплавы: возможно, но часто дешевле при использовании других методов литья; обеспечить вентиляцию/проницаемость.
• Титан & Вы сплавляете: реактивный — предпочитают оболочки из силиказоля, циркон/оксид алюминия, первые слои, вакуум плавится, и инертная атмосфера. Избегайте использования жидкого стекла, если не используются барьерные покрытия и специальные средства контроля..
• Никель & кобальтовые суперсплавы: используйте оболочки из силиказоля, высокотемпературный обжиг и обработка в вакууме/инертной среде, где это необходимо..

10. Типичные размеры, поверхность и допуски

• Размерный допуск (типичный литой): ±0,1–0,3% от номинального размера (например, ±0,1–0,3 мм вкл. 100 MM функция).
• Чистота поверхности (Ра в роли): кремнеземоль ~0,6–3,2 мкм; жидкое стекло ~2,5–8 мкм.
• Припуск на линейную усадку: ~1,2–1,8% (сплав & литейное производство уточните точное).
• Минимальная практическая толщина стенки: ювелирные изделия/микродетали: <0.5 мм; инженерные части: 1.0–1,5 мм типично; структурные более толстые секции общие.
• Повторяемость: Хорошая практика литейного производства дает ±0,05–0,15% от пробега к критическим исходным данным..

11. Распространенные дефекты, основные причины и способы устранения

12. Пост-кастинговые процессы

• Встряхивание & удаление керамики: механические или химические методы.
• Термическая обработка: Раствор лечение, старение (Т6), отжиг — в зависимости от сплава. Типичные температуры раствора: Al сплавы ~520–540 °С.; стали выше.
• Горячая изостатическая нажатия (БЕДРО): уменьшает внутреннюю усадочную пористость для деталей, чувствительных к усталости; типичные циклы HIP зависят от сплава (например, 100–200 МПа и 450–900 °С.).
• Обработка & отделка: критические отверстия, уплотнительные поверхности обработаны до допуска; полировка, пассивация или покрытие наносится по мере необходимости.
• неразрушающий контроль & тестирование: гидростатический, давление, испытания на утечку, Рентген/КТ, ультразвуковой, проникающий краситель, механические испытания согласно спецификации.

13. Управление процессом, осмотр & квалификация

• Показатели контроля качества магазина: твердые частицы суспензии, вязкость, время гелеобразования, кривые печи, журналы депарафинизации, графики выгорания, химия плавки и дегазация бревен.
• Образцы купонов: растяжимый, твердость & металлографические купоны, отлитые в литнике для получения репрезентативной микроструктуры и механических свойств.
• отбор проб неразрушающего контроля: рентгенография и компьютерная томография критических компонентов; указать уровни приемлемости для пористости (объемный % или максимальный размер дефекта).
• Статистический контроль процессов (НПЦ): применить к критическим входам (промывать твердые вещества, Толщина раковины, расплавить водород) и результаты (изменение размеров, пористость).

14. Общие заблуждения & Разъяснения

«Литье по выплавляемым моделям предназначено только для высокоточных деталей»

ЛОЖЬ. Литье по выплавляемым моделям на основе жидкого стекла экономически выгодно для деталей средней точности. (± 0,3–0,5 мм) - 40% автомобильных отливок по выплавляемым моделям используют этот вариант.

«Низкотемпературный воск уступает среднетемпературному воску»

Контекстно-зависимый. Низкотемпературный воск дешевле и подходит для малоточных работ., Большой части (например, аппаратное обеспечение) — воск средней температуры необходим только для более жестких допусков.

«Силикатный золь всегда лучше жидкого стекла»

ЛОЖЬ. Жидкое стекло на 50–70 % дешевле и быстрее для применений средней точности — кремниевый золь оправдан только для аэрокосмических/медицинских деталей, где требуется допуск ±0,1 мм..

«Отливка по выплавляемым моделям имеет высокий уровень брака»

ЛОЖЬ. Отливка по выплавляемым моделям из кремнезоля имеет процент брака 2–5%. (сравнимо с литьем под давлением) — жидкое стекло имеет 5–10% (все еще ниже, чем при литье в песчаные формы на 10–15 %.).

«3D-печать делает литье по выплавляемым моделям устаревшим»

ЛОЖЬ. AM идеально подходит для прототипов/малых объемов, но литье по выплавляемым моделям в 5–10 раз дешевле для средних и больших объемов. (>1,000 части) и обрабатывает более крупные детали (до 500 кг).

15. Заключение

Процесс литья по выплавляемым моделям остается основным методом производства сложных, высококачественные металлические компоненты.

Когда вы соединяете правильные материал узора, химия ракушек и практика плавления/атмосферы с дисциплинированным контролем процесса, литье по выплавляемым моделям надежно создает детали, которые другими способами было бы сложно или невозможно сделать.

Современные улучшения (3D печатные шаблоны, гибридные оболочки, вакуумная заливка и HIP) расширить процесс на новые сплавы и области применения, но при этом возникает необходимость в тщательной спецификации., тестирование и контроль качества.

 

Часто задаваемые вопросы

Какую систему оболочек выбрать для титана?

Кремнезый (с первым слоем циркона/оксида алюминия) + вакуумная/инертная плавка и заливка. Жидкое стекло, как правило, непригодно без обширных барьерных мер..

Насколько прекрасными могут быть детали при литье по выплавляемым моделям?

Функции <0.5 мм возможно (ювелирные изделия/точность); в инженерных частях стремиться к ≥1 мм на надежность, если не доказано испытаниями.

Типичное качество поверхности, которое я могу ожидать?

Кремнезый: ~0,6–3,2 мкм Ra; стакан для воды: ~2,5–8 мкм Ra. Тонкая промывка и полировка восковых матриц улучшают качество отделки..

Когда рекомендуется HIP?

Для критически важных для усталости, выдерживающий давление, или детали аэрокосмической промышленности, где внутренняя пористость должна быть сведена к минимуму — HIP может значительно улучшить усталостную долговечность.

Могу ли я использовать 3D-печатные модели вместо восковых инструментов??

Да - литейные смолы и печатный воск сокращают время и стоимость оснастки для прототипов/малых объемов. Убедитесь, что характеристики депарафинизации смолы и совместимость с корпусом проверены..