Lösning av krympningsporositet i investeringsgjutning av rostfritt stål

Krympporositet (inre «krymp» hålrum, mittlinjeporositet och mikrokrympning) är en av de vanligaste och följdfelen i precision (förlorad wax) investeringsgjutgods av rostfritt stål.

Defekten är särskilt oacceptabel i tryckbärande komponenter (ventiler, pumpkroppar, kompressor delar) där läckor eller utmattningsfel kan följa.

Den här artikeln sammanfattar praktiska, teknisk erfarenhet och problemlösningstaktik för att eliminera eller minimera krympningporositet i precisionsgjutgods av rostfritt stål.

1. Grundorsaker - vad gör investeringsgjutgods i rostfritt stål poröst?

Krympning porositet i rostfritt stål investeringsgjutningar är inte ett engångsfel utan resultatet av flera interagerande metallurgiska och processfaktorer.

Inneboende förare (legerings- och stelningsbeteende)

Stor total stelningskontraktion

• Många rostfria kvaliteter drar ihop sig avsevärt vid stelning. Typisk volymetrisk krympning för vanlig austenitik är ungefär 4–6 %, större än många järn- eller icke-järnlegeringar.
  Det skapar en hög efterfrågan på flytande metallmatning för att kompensera volymförlust.

Mosig zon & hudbildande stelning

• Rostfria austenitiska material uppvisar ofta ett snävt intervall från likvidus till solidus eller bildar en snabbt stelnad yt-"hud".
  Ett fast skal kan bildas tidigt vid mögelgränsytan och fånga in interdendritisk vätska i mitten, förhindrar utfodring och producerar interdendritisk krympning.

Dendritisk stelning och mikrosegregering

• Löst ämnen segregeras till interdendritisk vätska under stelning.
  Den kvarvarande vätskan fryser sist och bildar sammankopplade interdendritiska nätverk; när utfodringen är otillräcklig, dessa områden bildar grenade krymphålor.

Relativt låg smält flytbarhet

• Smält rostfritt flyter vanligtvis mindre fritt än aluminium eller kopparlegeringar (typiska spiralfluiditetslängder för rostfritt vid ~1500 °C är i storleksordningen 300–350 mm).
  Dålig flytbarhet begränsar förmågan att fylla tunna passager och mata avlägsna hot spots.

Legerande avvägningar

• Högt legeringsinnehåll (Mo, I) som förbättrar korrosion eller styrka kan också minska flytbarheten och bredda det effektiva frysbeteendet för vissa kompositioner.
  Vissa nederbördshärdande eller duplex-kemier har bredare frysintervall och större känslighet för utfodringsproblem.

Extrinsiska förare (design, mögel och process)

Designinducerade hot spots

• Tjocka sektioner, plötsliga sektionsändringar, slutna hålrum och isolerade massor fryser sist och blir heta fläckar.
  Om dessa regioner inte matas ordentligt, stor mittlinje eller interdendritisk krympning utvecklas.
• Praktisk regel: plötsliga tjockleksförhållanden (TILL EXEMPEL., 10 → 25 mm över en kort sträcka) koncentrera hotspot-risk.

Otillräcklig utfodring och gating

• Risers/ingates som är underdimensionerade, felaktigt placerad, eller termiskt svält kan inte tillföra flytande metall för att kompensera lokal krympning.
  Frånvaro av riktade stelningsvägar (Dvs., metall bör stelna från den längsta punkten mot stigaren) är en vanlig grundorsak.

Mögelskal och kärnfrågor

• Kallt skal / dålig förvärmning: otillräcklig skalförvärmning orsakar snabb värmeutvinning och förkortar matningsfönstret.
• Överhettat skal eller inkonsekventa skalegenskaper: kan orsaka ojämn stelning.
• Kärnskada eller dålig härdventilation: kärnor som misslyckas, spricka eller inte ventileras ordentligt kan blockera matning eller skapa instängda gasvägar.

Dålig matar/stigare termisk design

• Ingen stigare, för liten stigare (modul för låg), eller avsaknad av exotermiska/isolerande åtgärder innebär att mataren stelnar före eller med den heta platsen (Dvs., utfodringen misslyckas).

Hällövning

• Otillräcklig överhettning eller låg hälltemperatur → för tidig frysning och ofullständig utfodring.
• Överdriven turbulens eller stänk → oxidinneslutning (bifilmer), som avbryter metallurgisk kontinuitet och blockerar fina interdendritiska matningskanaler.

Smältkvalitet: gas och inneslutningar

• Upplösta gaser (H₂, O₂) producera sfäriska gasporer; i kombination med stelningskrympning förvärrar de utfodringsfel.
• Icke-metalliska inneslutningar och bifilmer producera lokala blockeringar och fungera som kärnbildningsplatser för krympnät. Inklusionsladdad metall kan inte matas lika effektivt in i interdendritiska nätverk.

Verktyg och hantering av föroreningar

• Inbäddade partiklar (vaxrester, skaldamm, stålspån) eller felaktig användning av kolstålverktyg kan så lokaliserade korrosionsplatser eller porositet under stelning och kan störa matningskanalerna.

Sammansatta fellägen — hur orsaker samverkar

Porositet beror ofta på multipel svagheter som verkar tillsammans: TILL EXEMPEL., en tjock hot spot + underdimensionerad stigare + låg hälltemperatur + fångat väte. Varje enskild orsak kan kompenseras för om andra kontroller är starka; flera marginella förhållanden överväldigar matningskapaciteten och producerar porositet.

2. Diagnostisera defekten korrekt

Innan du ändrar process eller design, bekräfta det du ser.

Enkel diagnostik:

• Visuell & sektionering: Att skära gjutgodset genom den misstänkta zonen visar ofta ett enda stort hålrum (krympa) eller ett nätverk av mikrohåligheter (mikroporositet).
• Radiografi / Ct: Röntgenbilder avslöjar kavitets storlek och placering; CT är utmärkt för komplexa inre geometrier.
• Metallografi: Mikroskopi kan skilja interdendritisk krympning från gasporositet (sfäriska gasporer vs. grenade interdendritiska kaviteter).
• Kemisk & processgranskning: Kontrollera vätehalten, smälta renlighet, hälla överhettning, skalegenskaper och grinddesign.

Tolkningsregel: om hålrum ligger i linje med senast stelnade banor och visar dendritiska väggar → matningsbrist. Om porerna är sfäriska och jämnt fördelade → gasporositet.

3. Designåtgärder (den första och mest kostnadseffektiva linjen)

De flesta krympproblem löses bättre i design än vid processbrandbekämpning.

Främja riktad stelning

• Placera fodret (matare/stigare) så att stelningen fortskrider från den längsta punkten mot mataren.
  I tappat vax, överväga placering av externa hot-tops, isolerade matare eller exotermiska hylsor på kritiska områden.
• Förenkla hålrummet: minska isolerade hot spots (fickor som stelnar sist) genom att ändra geometri, lägga till termiska fingerborgen eller inre passager som fungerar som matare.

Undvik plötsliga sektionsbyten och lokala hot spots

• Gör väggtjocklekar enhetliga där det är möjligt; plötsliga tjocka sektioner är hot spots och kräver matning.
• Lägg till filéer, koniska övergångar och radier snarare än skarpa hörn för att minska stört värmeflöde och förbättra metallflödet under fyllning.

Ge offermatning för inre håligheter

• Designa externa matare utan störningar eller tunna, löstagbara förlängningar där invändig matning är omöjlig.
  För interna kärnor, använd keramiska kärnmatare (isolerade) eller designmetod för att sätta in små matarpluggar.
• Kärnkapletter & ventilering: se till att keramiska kärnor stöds men inte övertränger; kapletter måste utformas så att de inte skapar fasta begränsningar för krympning.

4. Design av matningssystem — mata in det som gjutgodset behöver

Utfodring är hjärtat i att förebygga krympning.

• Modul (Khvorinov) regel: storlek stigare så deras modul M_riser ≈ 1,2–1,5 × M_casting (största hot spot). Det säkerställer att stigaren stelnar efter gjutningsfunktionen den matar in.
• Riser typer & placering: använd topphöjare för vertikala hot spots; sidosteg för distribuerade hot spots. Placera stigare för att mata kritiska volymer direkt.
• Exotermiska och isolerade stigare: exotermiska stigare förlänger vätskans livslängd med 30–50%; isolerade hylsor minskar värmeförlusten – båda ökar matningsfönstret utan överdimensionerade stigare.
• Flera balanserade intag: för cylindriska eller symmetriska delar, använd 3–4 öppningar fördelade i omkretsled för att fördela flödet och minska långa banor för att stelna.
• Löpare design: strömlinjeformade cirkulära löpare minimerar flödesmotståndet; undvik plötsliga böjar och plötsliga tvärsnittsminskningar. För små gjutgods håll löpardiametern ≥ 8 mm som ett praktiskt minimum.

5. Gjuteriprocesskontroller – styr stelningstidpunkten

Små förändringar i processparametrar har stora effekter.

• Skalförvärmning: för austenitisk rostfri (TILL EXEMPEL., 316/316L) förvärm skal till 800–1000 ° C; för martensitiska/PH-kvaliteter 600–800 ° C.
  Korrekt förvärmning saktar ner skalets kylning och förlänger matningstiden. Undvik överhettning (>1100 ° C).
• Hälltemperatur & överhettning: mål ~100–150 °C ovanför likvidus beroende på legering och sektion. Exempel: 316L hällde kl ~1520–1560 °C (±5 °C-kontroll för kritiska delar).
  Högre temperatur ökar fluiditeten (hjälper till att fylla och mata) men ökar krympningen – balans är avgörande.
• Kontrollerad kylning: för tunga partier, isolering av skalet (boxad kylning) i 2–4 timmar efter hällning minskar den termiska gradienten och underlättar matningen. Snabbsläckning bör undvikas.
• Grind- och fyllningskontroll: stadig, laminär fyllning minskar kalla varv och minskar för tidig frysning i kritiska flödesvägar.

6. Smältkvalitet och metallurgi — ta bort kärnbildningsställen

Gaser och icke-metalliska inneslutningar i smält rostfritt stål fungerar som kärnor för krympporositet, så strikt kontroll av smält stålkvalitet är avgörande:

• Förfina processoptimering: Använd argon-syreavkolning (AOD) eller vakuumavkolning med syre (VOD) för att förädla smält stål, reducerande kol, svavel, och gasinnehåll (H2 ≤ 0.0015%, O2 ≤ 0.002%).
  För småpartiproduktion, använd en skänkraffineringsugn (LRF) med syntetisk slagg (CaO-Al2O3-SiO2) för att ta bort icke-metalliska inneslutningar.
• Avgasning och avslaggning: Utför argonblåsning (flöde 0,5–1,0 L/min per ton stål) i 5–10 minuter innan den hälls för att avlägsna löst väte.
  Skumma slagg noggrant från skänkytan för att förhindra att slagg dras in, vilket orsakar både krympningporositet och inneslutningar.
• Styr legeringstillägg: Undvik överdriven tillsats av legeringselement (TILL EXEMPEL., Mo, I) som minskar flödet. Använd legeringsmaterial med hög renhet (renhet ≥ 99.9%) för att minimera införandet av föroreningar.

7. Avancerad sanering & alternativ för postcast

När förebyggande åtgärder inte helt kan eliminera krympning eller när noll porositet krävs:

• Het isostatisk pressning (HÖFT): typisk HIP-cykel för rostfria gjutgods är 1100–1200 ° C på 100–150 MPa för 2–4 timmar.
  HIP kollapsar inre tomrum, uppnår densiteter ≥ 99.9%, och återställer på ett tillförlitligt sätt utmattning och tryckprestanda. HIP är den bästa lösningen för flyg- och tryckkritiska delar.
• Tryck-/centrifugalgjutning: tryckstelning (applicera tryck under kylning) eller centrifugalvarianter kan minska porositeten för vissa former, även om verktyg och processändringar krävs.
• Lokaliserad reparation: GTAW med ER316L fyllmedel kan reparera krympning nära ytan efter noggrann schaktning och värmebehandling efter svetsning; inte lämplig för inre defekter i tryckzoner.
• Kombinationssätt: recast plus HIP är ibland den enda acceptabla vägen för delar med återkommande intern krympning.

8. Kvalitetskontroll, testning & godtagande

Sätt objektiva kriterier och verifiera efterlevnaden.

• Ndt: röntgen för inre tomrum, CT för komplexa geometrier, UT för större defekter. Definiera acceptans (TILL EXEMPEL., inget tomrum > X mm, volymetrisk porositet < Y%).
• Metallografisk analys: bekräfta pormorfologi (interdendritisk vs gas) vid felsökning.
• Mekanisk testning: drag-, avkastning, förlängning, och tryck-/läckageprovning för tryckdelar; HIP kräver ofta tempererad eller re-solution behandling verifiering.
• Processloggning & Spc: rekordskalförvärmning, smälta & för temperaturer, avgasningstider, stigarstorlekar och placeringar; statistiskt korrelerar variabler till defektförekomst.

9. Fallstudie (belysande): eliminerar ventilsäteskrympning i 316L ventilhus

Problem: 316L ventilhus (tryckbetyg 10 MPA) uppvisade krymphål vid ventilsätet (22 mm vägg), orsakande 15% läckage.
Åtgärder

• Dela upp 22 mm varm massa i två ~10 mm sektioner med en 3 mm revben och en gradvis övergång.
• Lade till en exoterm topphöjare med modul 2.0 cm och flyttade två intag för att mata den heta platsen.
• Ökad skalförvärmning från 750 → 900 ° C och sätt att hälla till 1540 ± 5 ° C.
• Antagen VOD-raffinering + argon avgasning (8 min) för att reducera H₂ ≤ 0.001%.
  Resultat: krympförekomsten sjönk till 2%, läckage eliminerat, mekaniska styrkor ökade ~8–10 % — produktionsutbytet och kundacceptans nådde målen.

10. Nyckelprinciper och bästa praxis för att förhindra krympporositet

Detta avsnitt sammanfattar de tekniska reglerna, beprövad taktik och operativa standarder som tillsammans förhindrar krympning av porositet i gjutgods av rostfritt stål.

Kärnprinciper ("varför" bakom varje åtgärd)

1. Design för att mata, inte för att se snygg ut. Det primära syftet med geometrin är att möjliggöra riktad stelning och oavbrutet flytande metallflöde in i de senast stelnade zonerna.
   Om designen skapar otillgängliga hot spots, Enbart processkontroller kommer inte att på ett tillförlitligt sätt förhindra krympning.
2. Matcha utfodringskapaciteten efter krympande efterfrågan. Använd modulen (Khvorinov) metod för att dimensionera stigare så att matare överlever den heta platsen de matar (typisk regel: M_riser ≈ 1,2–1,5 × M_casting).
3. Styr den termiska tidslinjen. Stelningstidpunkt (skal förvärma, för temperatur, isolering/kylning) definierar matningsfönstret.
   Hantera dessa parametrar medvetet för att förlänga utfodringen där det behövs.
4. Eliminera porositetskärnbildningsställen i smältan. Lågt väte och lågt antal inneslutningar minskar väsentligt sannolikheten för att fångad interdendritisk vätska kommer att bilda tomrum.
5. Mäta, simulera och iterera. Använd stelningssimulering i förväg och objektiv NDT & metallurgi efter försök att konvergera snabbt på ett robust recept.
6. Eskalera vid behov. När geometri eller säkerhetskrav kräver nära noll porositet (tryckdelar, flyg-), acceptera ekonomin med avancerad sanering (HIP eller tryckstelning) istället för att acceptera återkommande skrot.

11. Slutsats

Krympporositet i rostfritt stål investeringsgjutning är en komplex defekt som drivs av legerings stelningsegenskaper, gjutningsstruktur, och processparametrar.

Att lösa det kräver en systematisk, mångfacetterat tillvägagångssätt – integrera strukturell optimering, utfodringssystem design, processkontroll, och kvalitetsförbättring av smält stål.

Genom att följa principerna för riktad stelning, minimera hot spots, och matcha utfodringskapaciteten för att minska efterfrågan, tillverkare kan avsevärt minska krympningporositeten och förbättra gjutkvaliteten.

I sista hand, framgångsrik krympporositetsupplösning är inte bara en teknisk utmaning utan ett engagemang för rigorös kvalitetskontroll och kontinuerliga förbättringar under hela gjutningens livscykel.