Typy zmršťovania v procese odlievania kovov

1. Zavedenie

V modernej výrobe, rozmerová presnosť je neobchodovateľné.

Priemyselné odvetvia, ako je letecký priemysel, automobilový, a energetickú náročnosť presne odlievaných komponentov s tesným tolerancie a bezporuchové mikroštruktúry.

Jednou z najnáročnejších výziev pri dosahovaní týchto cieľov je zmršťovanie kovu— objemová kontrakcia kovov pri ich prechode z roztaveného do tuhého stavu a následnom ochladení na izbovú teplotu.

Zmršťovanie kovu prebieha vo viacerých fázach a je ovplyvnené faktormi od chémie zliatiny až po dizajn formy.

Jeho účinky sa medzi sebou výrazne líšia železné a neželezné zliatiny, a jeho zložitosť sa zvyšuje s nejednotné alebo zložité geometrie.

Riešenie zmršťovania je nevyhnutné, aby sa predišlo rozmerovým odchýlkam, pórovitosť, a mechanické poruchy.

2. Základné mechanizmy

Kovové zmrštenie vzniká predovšetkým z tepelná kontrakcia a efekty fázovej transformácie. Ako kovy chladnú, atómy sa približujú k sebe, v dôsledku lineárna a objemová kontrakcia.

Napríklad, lineárna miera zmršťovania hliníkových zliatin sa môže pohybovať od 5.5% do 6.5%, zatiaľ čo ocele sa zvyčajne zmenšujú 2%.

Navyše, zmršťovanie sa zintenzívňuje počas stuhnutie, najmä v kašovitej zóne – v polotuhom stave, kde je kŕmenie ťažké.

Ten interakcia medzi rýchlosťou chladenia, zliatinová chémia, a vývoj mikroštruktúry určuje, či kŕmenie kompenzuje túto kontrakciu alebo sa vyvinú defekty, ako je pórovitosť.

3. Klasifikácia zmršťovania pri odlievaní kovov

Zmršťovanie pri odlievaní kovov možno kategorizovať na základe fázy procesu tuhnutia, počas ktorej k nemu dochádza, fyzikálne vlastnosti defektov, ktoré vytvára, a jeho základné príčiny.

Pochopenie týchto klasifikácií umožňuje zlievárenským inžinierom implementovať cielený dizajn a riadenie procesov na zmiernenie chýb odliatkov.

Tekuté zmršťovanie

Zmrašťovanie v kvapaline sa týka objemovej redukcie, ku ktorej dochádza, keď sa roztavený kov ochladzuje v kvapalnej fáze pred začiatkom tuhnutia.

Tento typ zmršťovania si zvyčajne vyžaduje nepretržité podávanie zo stúpačiek, aby sa kompenzovala strata objemu a zabránilo sa nasávaniu vzduchu alebo neúplnému naplneniu.

• Typické veľkosti: Približne 1% do 2% straty objemu v kvapalnej fáze, líšiace sa podľa zliatiny.
• Dôsledky: Nevhodná konštrukcia stúpačky alebo nízky metalostatický tlak môže viesť k nesprávne, studené uzávery, alebo defekty povrchového zmrštenia.

Tuhnutie (Mushy-Zone) Zhoršenie

Pri prechode z kvapaliny na tuhú, kov prechádza „kašovitou“ fázou charakterizovanou koexistenciou dendritických pevných látok a interdendritickej kvapaliny.

Zníženie objemu počas tejto fázy je najnáročnejšie riešiť kvôli klesajúcej priepustnosti a schopnosti kŕmenia.

• Typy defektov: Vnútorné dutiny a makrozmršťovanie sa zvyčajne tvoria v posledných oblastiach, ktoré tuhnú, najmä v termálnych centrách alebo zle zásobovaných úsekoch.
• Citlivé zliatiny: Zliatiny so širokým rozsahom mrazenia (Napr., niektoré zliatiny medi a hliníka) sú obzvlášť zraniteľné.

Modelárstvo (Pevné) Zhoršenie

Po úplnom stuhnutí, odliatok sa pri ochladzovaní na teplotu okolia ďalej sťahuje.

Táto kontrakcia, známe ako zmršťovanie pri vytváraní vzorov, je lineárna redukcia rozmerov a zvyčajne sa zohľadňuje pri navrhovaní vzorov a foriem.

• Miery zmrštenia:

• • Šedé železo: ~1%
  • Uhlíková oceľ: ~2%
  • Hliníkové zliatiny: 4– 6,5 %

• Technická odozva: CAD modely sú škálované pomocou empirických zmenšovacích faktorov, aby sa predišlo rozmerovej odchýlke.

Makrozmršťovanie vs. Mikrozmršťovanie

• Makro-zmršťovanie: Tieto sú veľké, viditeľné zmršťovacie dutiny, často lokalizované v blízkosti stúpačiek, termálne centrá, alebo v hrubých častiach.
  Výrazne oslabujú štrukturálnu integritu a v kritických aplikáciách sa zvyčajne odmietajú.
• Mikrozmršťovanie: Sú to rozptýlené póry na mikroskopickej úrovni, často výsledkom nedostatočného medzidendritického napájania alebo lokalizovaných tepelných gradientov.
  Aj keď nemusia byť viditeľné zvonka, zhoršujú odolnosť proti únave, tlakový obal, a mechanické vlastnosti.

Potrubie a otvorené zmršťovanie

Potrubie sa vzťahuje na charakteristickú lievikovitú zmršťovaciu dutinu, ktorá sa vytvára na vrchu odliatku alebo stúpačky v dôsledku postupného tuhnutia od obvodu smerom dovnútra.
Otvorené zmršťovanie je súvisiaca dutina spojená s povrchom, ktorá indikuje zlyhanie podávania.

• Ovplyvnené odvetvia: Potrubie je bežné v oceľové odliatky pre konštrukčné a tlakové komponenty, kde sú požiadavky na napájanie vysoké.
• Kontrolné opatrenia: Správny dizajn stúpačky, vrátane použitia izolačných puzdier a exotermických materiálov, môže výrazne znížiť alebo odstrániť tieto nedostatky.

4. Hutnícka perspektíva

Správanie tuhnutia je závislé od zliatiny a ovplyvňuje vlastnosti zmršťovania:

Eutektické tuhnutie

Zliatiny ako sivá liatina a Al-Si vykazujú úzky rozsah mrazu. Tuhnutie prebieha takmer súčasne počas celého odlievania, zníženie potreby kŕmenia, ale zvýšenie rizika pórovitosti plynu.

Smerová tuhosť

Uprednostňuje sa pre konštrukčné odliatky (Napr., v oceliach alebo superzliatinách na báze Ni), to umožňuje predvídateľné dráhy podávania.

Riadením tepelného spádu, tuhnutie postupuje od tenších k hrubším úsekom.

Rovnoosé tuhnutie

Bežné v bronzoch a niektorých zliatinách Al, toto zahŕňa náhodnú nukleáciu zŕn, čo môže narušiť kŕmne kanály a zvýšiť pórovitosť.

Z metalurgického hľadiska, zušľachťovanie zrna, očkovanie, a zliatinový dizajn hrajú rozhodujúcu úlohu pri minimalizácii zmršťovania podporou rovnomerného tuhnutia a zlepšením podávateľnosti.

5. Návrh & Inžiniersky pohľad

Z konštrukčného a inžinierskeho hľadiska, kontrola zmršťovania začína inteligentnou geometriou a cielenými stratégiami podávania.

Efektívne diely odrážajú nielen metalurgické znalosti, ale tiež stelesňujú osvedčené postupy pri delení, škálovanie vzorov, a tepelný manažment.

Hrúbka sekcie & Tepelné gradienty

Hrubšie časti udržia teplo dlhšie, vytváranie „horúcich miest“, ktoré tuhnú ako posledné a odťahujú roztavený kov preč z tenších oblastí.

Napríklad, a 50 Oceľová stena s hrúbkou mm sa môže ochladiť 5 °C/min, keďže a 10 mm sekcia chladí pri 20 °C/min za rovnakých podmienok. Na zmiernenie tohto:

• Rovnomerná hrúbka steny minimalizuje extrémne sklony.
• Zaoblené prechody (minimálny polomer zaoblenia = 0,5× hrúbka steny) zabrániť lokálnemu tepelnému namáhaniu.
• Keď sa hrúbka líši o viac ako 3:1, zahŕňajú vnútornú zimnicu alebo lokalizované stúpačky.

Mierka vzoru & Regionálne príspevky

Globálne prípustné hodnoty zmršťovania sa zvyčajne pohybujú od 2.4% pre uhlíkové ocele do 6.0% pre hliníkové zliatiny. Však, dopyt po zložitých odliatkoch škálovanie špecifické pre región:

• Tenké siete (≤ 5 mm): uplatniť 0,8-násobok globálneho príspevku (napr. 1.9% pre oceľ).
• Hrubí šéfovia (≥ 30 mm): zvýšiť 1,2× (napr. 2.9% pre oceľ).
  Moderné nástroje CAD podporujú viacfaktorové škálovanie, umožňujúce priame mapovanie miestnych povoleniek na geometriu vzoru.

Stúpačka, Brána & Chill stratégie

Propagácia smerové tuhnutie vyžaduje strategické umiestnenie podávačov a reguláciu teploty:

• Objem stúpačky by sa mal rovnať 30– 40 % hmotnosti zóny, ktorú napája.
• Stúpačky umiestnite priamo nad horúce miesta, identifikované pomocou simulácie tuhnutia alebo tepelnej analýzy.
• Izolačné rukávy okolo stúpačiek spomaľuje ochladzovanie o 15–20 %, predĺženie času kŕmenia.
• Zimomriavky vyrobené z medi alebo železa urýchľujú lokálne tuhnutie, odklonenie čela tuhnutia smerom k stúpačke.

Dizajn pre vyrobiteľnosť

Včasná spolupráca medzi dizajnérskymi a zlievárenskými tímami znižuje riziko zmrštenia.

Integráciou pokyny DFM— ako napríklad jednotné delenie, primerané uhly ponoru (> 2° na liatie do piesku), a zjednodušené jadrá – inžinieri môžu:

• Nižšie miery šrotu o 20– 30 %
• Skráťte čas prípravy tým, že sa vyhnete viacnásobným opakovaniam vzorov
• Zabezpečte úspech pri prvom prechode vysoko presných komponentov, ako sú skrine motora s ± 0,2 mm požiadavky na toleranciu

6. Simulácia & Prediktívne modelovanie

Využitie moderných odlievacích operácií Tepelné a kvapalinové simulácie založené na CFD preventívne identifikovať oblasti náchylné na zmršťovanie.

Používanie nástrojov ako MAGMASOFT®, Flow-3D®, alebo ProCAST®, zlievarne môžu:

• Predpovedať horúce škvrny a kŕmne cesty
• Vyhodnoťte vplyv výberu zliatiny, dizajn formy, a parametre nalievania
• Simulujte viacero scenárov odlievania pred fyzickou produkciou

Integrácia simulácie s CAD/CAM systémy umožňuje presnejší návrh nástrojov, výrazne znižuje iterácie pokus-omyl, odpad, a dodacia lehota.

7. Kontrola kvality & Inšpekcia

Detekcia defektov je rozhodujúca pri overovaní integrity odliatku. Bežne používané Nedeštruktívne testovanie (Ndt) metódy zahŕňajú:

• Rádiografická kontrola (Röntgen): Detekuje vnútorné zmršťovacie dutiny a makro defekty
• Ultrazvukové testovanie (Ut): Ideálne na detekciu pórovitosti a vnútorných diskontinuít v hustých zliatinách
• Rozmerová analýza (Cmm, 3D laserové skenovanie): Potvrdzuje prípustné zmršťovanie a zhodu so špecifikáciami

Zlievarne tiež realizujú Riadenie štatistického procesu (SPC) na monitorovanie zmien zmrašťovania v rámci šarží a neustále zlepšovanie schopnosti procesu.

8. Približné prípustné lineárne zmrašťovanie pre bežné odlievacie zliatiny.

Nižšie je uvedená konsolidovaná tabuľka približných prípustných hodnôt lineárneho zmršťovania pre rad bežne odlievaných zliatin.

Použite ich ako východiskové body pri škálovaní vzoru alebo CAD – potom overte pomocou simulácie a prototypových skúšok a zadajte konečné rozmery.

9. Záver

Pochopenie rôznych typov zmršťovania pri odlievaní kovov - kvapalín, stuhnutie, a polovodičové – je nevyhnutné na výrobu štrukturálne zdravých a rozmerovo presných komponentov.

Ako sa zliatiny a geometrie dielov stávajú zložitejšími, tak sa musia vyvíjať aj naše stratégie.

Zmiernenie zmršťovania vyžaduje a multidisciplinárny prístup vrátane metalurgie, návrh, simulácia, a kontrola kvality.

Zlievárne, ktoré objímajú prediktívne modelovanie, ovládanie v reálnom čase, a kolaboratívne procesy navrhovania sú lepšie vybavené na zníženie odpadu, optimalizovať náklady, a dodávať komponenty, ktoré spĺňajú najvyššie štandardy výkonu a spoľahlivosti.

Na Tak, sme radi, že prediskutujeme váš projekt na začiatku procesu návrhu, aby sme zabezpečili, že sa vyberie akákoľvek zliatina alebo sa použije úprava po odliatí, výsledok bude spĺňať vaše mechanické a výkonové špecifikácie.

Na prediskutovanie vašich požiadaviek, email [email protected].