Типы усадки в процессе литья металла

1. Введение

В современном производстве, Точность размеров не подлежит обсуждению.

Такие отрасли, как аэрокосмическая, автомобильный, и точные компоненты с точностью энергии с жесткими допуски и без дефектов микроструктуры.

Одной из самых постоянных проблем в достижении этих целей является металлическая усадка- Объемное сокращение металлов при переходе от расплавленной к твердому состоянию и впоследствии охлаждать до комнатной температуры.

Усадка металла происходит на несколько стадий и зависит от факторов, начиная от химии сплавов до дизайна плесени..

Его эффекты значительно различаются между сплавы на железах, и его сложность увеличивается с неравномерная или сложная геометрия.

Усадка усадки необходима для предотвращения отклонений от размеров, пористость, и механические сбои.

2. Фундаментальные механизмы

Металлическая усадка возникает в основном из тепловое сокращение и Фазовые эффекты трансформации. Как металлы круто, Атомы движутся ближе друг к другу, в результате чего линейное и объемное сокращение.

Например, Скорость линейной усадки алюминиевых сплавов может варьироваться от 5.5% к 6.5%, В то время как стали обычно сокращаются 2%.

Более того, Усадка усиливается во время затвердевание, Особенно в мягкой зоне-полусмолитном состоянии, где кормление становится трудным.

The Взаимодействие между скоростью охлаждения, сплава химия, и микроструктура эволюция определяет, компенсирует ли корм это сокращение или дефекты, такие как пористость, развиваются.

3. Классификация усадки в металлическом литье

Усадка в литье металла может быть классифицирована на основе фазы процесса затвердевания, в течение которого он происходит, физические характеристики дефектов, которые он производит, и его коренные причины.

Понимание этих классификаций позволяет инженерам -литейным инженерам реализовать целенаправленные управления проектированием и процессами для смягчения дефектов литья.

Жидкая усадка

Усадка жидкости относится к объемному восстановлению, которое происходит, когда расплавленные металлы охлаждаются в жидкой фазе перед началом затвердевания.

Этот тип усадки обычно требует непрерывного кормления от стояков, чтобы компенсировать потерю объема и избежать стремления воздуха или неполных заполнений.

• Типичные величины: Примерно 1% к 2% потери объема в жидкой фазе, варьируясь от сплава.
• Подразумеваемое: Неадекватная конструкция встава или низкое металлостатическое давление может привести к Мизанс, холодно закрывается, или Поверхностные усадки дефектов.

затвердевание (Мягкая зона) Усадка

Во время перехода от жидкости к твердому, Металл проходит через «мягкую» фазу, характеризующуюся сосуществованием дендритных твердых тел и межпендритной жидкости.

Снижение объема на этом этапе является наиболее сложным для устранения из -за снижения проницаемости и кормления.

• Типы дефектов: Внутренние полости и макро-шишка обычно образуются в последних областях для затвердевания, особенно на тепловых центрах или плохо питаемых участках.
• Чувствительные сплавы: Сплавы с широким диапазоном замораживания (например, некоторые медные и алюминиевые сплавы) особенно уязвимы.

Patternmaker's (Твердый) Усадка

После полного затвердевания, кастинг продолжает сжиматься, когда остывает до температуры окружающей среды.

Это сокращение, Известно как усадка Pattermaker, является линейным сокращением размеров и обычно учитывается при конструкции узоров и форм.

• Скорость усадки:

• • Серый железо: ~ 1%
  • Углеродистая сталь: ~ 2%
  • Алюминиевые сплавы: 4–6,5%

• Инженерный ответ: Модели CAD масштабируются с использованием эмпирических факторов сокращения для предотвращения отклонений.

Макро-шишка против. Микро-шишка

• Макро-шишка: Они большие, Видимые полости усадки, часто локализуется рядом с подъемами, тепловые центры, или в толстых участках.
  Они значительно ослабляют структурную целостность и обычно отклоняются в критических приложениях.
• Микро-шишка: Это дисперсные пористости на микроскопическом уровне, Часто возникает в результате недостаточного межпендритного кормления или локализованных термических градиентов.
  Хотя они не могут быть видны снаружи, Они ухудшают устойчивость к усталости, сдерживание давления, и механические свойства.

Трубопровод и открытая усадка

Трубопровод относится к характерной полости усадки в форме воронки, которая образуется на вершине литья или стояка из-за прогрессивного затвердевания из периферии внутрь.
Открытая усадка-это связанная с подключенной к поверхности полость, которая указывает на разрушение питания.

• Потратили отрасль: Трубопровод распространен в стальные отливки Для компонентов конструкции и давления, где требования к кормлению высоки.
• Меры контроля: Правильный дизайн встава, включая использование изоляционных рукавов и экзотермических материалов, может значительно уменьшить или устранить эти дефекты.

4. Металлургическая перспектива

Поведение затвердевания зависит от сплав и влияет на характеристики усадки:

Эвтектическое затвердевание

Сплавы, такие как серое железо и Al-Si, находятся узкие диапазоны замерзания. Затвердевание происходит почти одновременно на протяжении всего кастинга, Сокращение потребностей в кормлении, но повышение риска пористости газа.

Направленное затвердевание

Предпочтительный для структурных отливок (например, в сталях или на основе NI Spoerlays), Это позволяет предсказуемые пути кормления.

Управляя тепловым градиентом, затвердевание прогрессирует от более тонких до более толстых секций.

Эквиационное затвердевание

Распространено в бронзах и некоторых сплавах Al, Это включает в себя случайное зарождение зерен, который может нарушить каналы кормления и повысить пористость.

С металлургической точки зрения, уточнение зерна, прививка, и сплав дизайн Играйте критическую роль в минимизации усадки путем содействия равномерному затвердеванию и улучшению кормления.

5. Дизайн & Инженерная перспектива

С точки зрения дизайна и инженерии, Контроль усадки начинается с интеллектуальной геометрии и целевых стратегий кормления.

Эффективные части не только отражают металлургическое понимание, но и воплощают лучшие практики в разделе., масштабирование рисунка, и тепловое управление.

Толщина участка & Тепловые градиенты

Более толстые срезы сохраняют тепло дольше, Создание «горячих точек», которые затвердевают последним и вытягивают расплавленную металл вдали от более тонких областей.

Например, а 50 Стальная стена толщиной может остыть при 5 ° C/мин, тогда как а 10 ММ секция охлаждается в 20 ° C/мин в тех же условиях. Чтобы смягчить это:

• Универстная толщина стенки минимизирует экстремальные градиенты.
• Округлые переходы (Минимальный радиус филе = 0,5 × толщина стены) предотвратить локализованное тепловое напряжение.
• Когда толщина варьируется больше, чем 3:1, включить внутренний озноб или локализованные стояки.

Масштабирование рисунка & Региональные пособия

Глобальные добычи усадки обычно варьируются от 2.4% Для углеродных сталей 6.0% Для алюминиевых сплавов. Однако, Сложные отливки требуют Специфичная для региона масштабирование:

• Тонкие сети (≤ 5 мм): Применить 0,8 × глобальное пособие (например. 1.9% для стали).
• Толстые боссы (≥ 30 мм): увеличить на 1,2 × (например. 2.9% для стали).
  Современные инструменты CAD поддерживают многофакторное масштабирование, разрешение прямого отображения локальных пособий на геометрию шаблона.

Встал, Стробирование & Стратегии охлаждения

Продвижение направленное затвердевание Требуется стратегическое размещение фидеров и контроля температуры:

• Объем сцена должен равняться 30–40% массы зоны, которую он питает.
• Положение стояков непосредственно над термическими горячими точками, идентифицировано с помощью моделирования затвердевания или теплового анализа.
• Изолирующие рукава Вокруг стояков замедляет охлаждение на 15–20%, продление времени кормления.
• Озноб сделано из меди или железа ускорить местное затвердевание, Отвращение спереди затвердевания в сторону подъема.

Дизайн для производства

Раннее сотрудничество между дизайнерскими и литейными командами снижает риск сокращения.

Путем интеграции Руководящие принципы DFM—Как равномерная секция, адекватные углы черновика (> 2° для литья песка), и упрощенные ядра - инженеры могут:

• Более низкая скорость отходов 20–30%
• Сократить время заказа, избегая многочисленных итераций рисунков
• Обеспечить успех первого прохождения в высоких компонентах, такие как корпус двигателей с ± 0,2 мм Требования к терпимости

6. Моделирование & Прогнозное моделирование

Современные рычаги Тепловое и жидкое моделирование на основе CFD Чтобы превентивно определить склонные к усадению области.

Использование таких инструментов, как Magmasoft®, Flow-3d®, или procast®, литейные заводы могут:

• Предсказывать Горячие точки и Пути подачи
• Оценить влияние выбора сплава, дизайн плесени, и параметры заливки
• Имитировать множественные сценарии кастинга перед физическим производством

Интеграция симуляции с Системы CAD/CAM Включает более точный дизайн инструментов, значительно уменьшая итерации проб и ошибок, напрасно тратить, и время выполнения.

7. Контроль качества & Инспекция

Обнаружение дефектов имеет решающее значение для проверки целостности литья. Обычно используется Неразрушающее тестирование (неразрушающий контроль) Методы включают:

• Рентгенографический осмотр (рентген): Обнаружает внутренние полости усадки и макро -дефекты
• Ультразвуковой контроль (ЮТ): Идеально подходит для обнаружения пористости и внутренних разрывов в плотных сплавах
• Размерный анализ (ШМ, 3D Лазерное сканирование): Утверждает пособия и соответствие усадки и соответствия спецификациям

Файтанды также реализуют Статистический контроль процессов (НПЦ) Для контроля изменений усадки между партиями и постоянно улучшать возможности процесса.

8. Приблизительные линейные пособия на усадку для общих сплавов литья.

Ниже приведена консолидированная таблица приблизительных линейных пособий.

Используйте их в качестве отправных точек в масштабировании шаблона или CAD, а затем проверьте с помощью имитации и прототипов, чтобы набрать конечные измерения.

9. Заключение

Понимание различных типов усадки в литье металла - ликвида, затвердевание, и твердый штат-необходимо для создания структурно звуковых и размерных точных компонентов.

По мере того, как сплавы и частичная геометрия становятся более сложными, Так же тоже должны развиваться наши стратегии.

Смягчающая усадка требует Междисциплинарный подход с участием металлургии, дизайн, моделирование, и контроль качества.

Литейные заводы, которые обнимают прогнозное моделирование, Контроль в реальном времени, и Совместные процессы проектирования лучше оборудованы для сокращения отходов, оптимизировать стоимость, и доставить компоненты, которые соответствуют самым высоким стандартам производительности и надежности.

В ЭТОТ, Мы рады обсудить ваш проект в начале процесса проектирования, чтобы гарантировать, что любой сплав выбран или применяется после кастинга лечения, Результат будет соответствовать вашим механическим и производительным характеристикам.

Чтобы обсудить ваши требования, электронная почта [email protected].