Investment Casting Materials — Choose the Right Alloy Early

1. บทสรุปผู้บริหาร

การหล่อการลงทุน (lost-wax casting) is prized for shape accuracy, thin sections and complex geometry.

The choice of alloy is the single most important design decision because it determines: which materials and melting/degassing practices the foundry must use; the shell chemistry and firing cycles;

feeding and shrinkage strategy; achievable mechanical properties and required post-casting heat treatments; inspection and acceptance tests; and ultimately part cost and lead time.

This article examines the principal families of alloys commonly cast by the investment process, compares their metallurgical behaviors and processing implications, and provides pragmatic selection guidance tied to typical applications.

2. Why material selection matters in investment casting

Material selection is the single most consequential engineering decision in การหล่อการลงทุน. It determines not only the in-service performance of the finished part (ความแข็งแกร่ง, ความต้านทานการกัดกร่อน, เสถียรภาพที่อุณหภูมิสูง, ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ, น้ำหนัก),

but also the entire upstream and downstream manufacturing chain: melting and pouring method, shell chemistry and firing, gating/riser strategy, defect modes to watch for, required heat treatments, วิธีการตรวจสอบ, รอบเวลา, scrap risk and total cost.

3. Material families used in investment casting

4. Casting Alloy Materials — Determining the Final Performance of Castings

When selecting an alloy for a casting you must consider a set of interdependent factors: คุณสมบัติทางกลที่ต้องการ (ความแข็งแกร่ง, ความเหนียว, ความเหนื่อยล้า), สภาพแวดล้อมการดำเนินงาน (อุณหภูมิ, สื่อการกัดกร่อน),

เรขาคณิต (thin walls vs massive sections), การผลิต (ความลื่นไหล, freezing range, ปฏิกิริยา), post-cast processing (การรักษาความร้อน, สะโพก), inspection needs and cost.

Ferrous alloy castings

1) Carbon-steel การหล่อ

What they are: low-alloy steels where carbon is the primary strengthening element (เช่น, AISI 1020–1045, ASTM A216 WCB, เทียบเท่า).
คุณสมบัติ & ผลงาน: ความแข็งแรงปานกลาง, good toughness when normalized, excellent machinability and low cost. Density ~7.85 g/cm³.
Casting considerations: modest melting point (~1,420–1,540 °C), good fluidity for many geometries but susceptible to shrinkage porosity in heavy sections.
Shell and gating design must provide adequate feeding. Hydrogen and graphite formation can be concerns for some grades.
หลังการประมวลผล: ทำให้เป็นปกติ, ดับ & อารมณ์ (ขึ้นอยู่กับเกรด) to achieve desired hardness/strength.
การใช้งาน: ส่วนประกอบโครงสร้าง, เรือน, general engineering castings where corrosion resistance is not critical.

2) Alloy-steel การหล่อ

What they are: steels alloyed with Cr, โม, ใน, วี, ฯลฯ, เพื่อปรับปรุงความแข็งแรง, hardenability and elevated-temperature properties (เช่น, 4140, 4340 family analogs).
คุณสมบัติ & ผลงาน: แรงดึงที่สูงขึ้น, fatigue resistance and toughness than plain carbon steels; can be heat-treated to high strengths.
Casting considerations: higher sensitivity to segregation and hot-cracking as alloy content rises; careful gating and risering needed; some alloys require vacuum or deoxidized melts for soundness.
หลังการประมวลผล: critical quench/temper cycles, control of distortion during heat treatment. May require stress relief and tempering to balance properties.
การใช้งาน: เกียร์, เพลา, high-stressed structural parts, oil-field components.

3) สแตนเลส การหล่อ

What they are: iron-based alloys with ≥10.5% Cr; families include austenitic (304/316/CF8/CF8M), มาร์เทนซิติก (410/420), ดูเพล็กซ์ (2205) และการตกตะกอนทำให้แข็งตัว (17-4 พีเอช).

คุณสมบัติ & ผลงาน: corrosion resistance ranges from general (austenitics) to high chloride resistance (ดูเพล็กซ์/superduplex);
mechanical properties vary widely — duplex offers high strength + ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี; 17-4 PH offers high strength after aging.

Casting considerations: stainless melts form oxide/slag; control of melt chemistry, deoxidation and inclusion removal matters for surface finish and mechanical properties.
Solidification shrinkage and hot tear susceptibility differ across grades.
หลังการประมวลผล: วิธีแก้ปัญหาการหลอม, quench and aging (for PH grades); duplex may require careful heat treatment to keep phase balance. Passivation and pickling often follow machining.
การใช้งาน: chemical plant components, วาล์ว, ฮาร์ดแวร์ทางทะเล, sanitary parts, การแปรรูปอาหาร, อุปกรณ์ทางการแพทย์.

Non-ferrous alloy castings

4) Aluminum-alloy การหล่อ

What they are: อัล-ซี, Al-Cu and Al-Mg families (เช่น, A356, เอ357, ADC12, 6061-พิมพ์) for cast components.
คุณสมบัติ & ผลงาน: ความหนาแน่นต่ำ (~ 2.7 g/cm³), good specific strength (after heat treat for some alloys), excellent corrosion resistance when alloyed properly; การนำความร้อน/ไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม.
Casting considerations: very good fluidity enables thin walls and fine detail, but hydrogen porosity, oxide films and hot tearing in certain conformations are key risks.
Shell firing temperatures and dewax schedules differ from ferrous work. Hydrogen control, melt cleanliness and proper gating are essential.
หลังการประมวลผล: solution heat treatment and artificial aging (T6) เพื่อความแข็งแกร่ง; sometimes HIP for critical aerospace parts.
การใช้งาน: เรือนการบินและอวกาศ, automotive lightweight components, heat-dissipating parts.

5) ทองแดง-base alloys (สีบรอนซ์, ทองเหลือง, อลูมิเนียมบรอนซ์)

What they are: ด้วย SN (สีบรอนซ์), Cu-Zn (ทองเหลือง), กับ (อลูมิเนียมบรอนซ์), กับเรา, และรุ่นต่างๆ.
คุณสมบัติ & ผลงาน: ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม (especially Cu-Ni/Al-bronze), good bearing properties and thermal/electrical conductivity. Density ~8.4–8.9 g/cm³.

Casting considerations: lower melting points than steels; high thermal conductivity affects solidification behavior (fast cooling).
Good fluidity makes fine detail feasible. Shrinkage and hot cracking risk depend on alloy composition.
หลังการประมวลผล: annealing for ductility, machining is often difficult (ทำงานแข็ง); surface finishing and dezincification concerns for brasses exposed to certain environments.
การใช้งาน: ฮาร์ดแวร์ทางทะเล, ส่วนประกอบปั๊ม, ตลับลูกปืน, decorative and electrical parts.

6) ไทเทเนียม-alloy castings

What they are: principally Ti-6Al-4V and other Ti alloys offering high specific strength and biocompatibility.
คุณสมบัติ & ผลงาน: excellent strength-to-weight, corrosion resistance and biocompatibility; ความหนาแน่นต่ำ (~4.4 g/cm³).

Casting considerations: highly reactive melt (ออกซิเจน, nitrogen pickup) — vacuum/argon melting and pour required to avoid embrittlement and inclusions.
Solidification shrinkage and oxide formation demand specialized shell materials and melting practices. Production costs and equipment requirements are high.
หลังการประมวลผล: vacuum heat treatment, บรรเทาความเครียด, HIP common to close porosity for critical components. Surface finishing is important for fatigue-sensitive parts.
การใช้งาน: aerospace structural components, การปลูกถ่ายทางการแพทย์, high-performance sporting goods.

High-temperature alloy castings

7) Nickel-base superalloys

What they are: Ni-Cr-Co-Al-Ti based alloys (อินโคเนล, เรน, Nimonic families) designed for strength and creep resistance at elevated temperatures (up to ~1,000 °C and beyond for some alloys).
คุณสมบัติ & ผลงาน: excellent creep strength, oxidation and corrosion resistance at high temperature; density around 8.2–8.5 g/cm³.

Casting considerations: long solidification ranges promote segregation and shrinkage defects; การหลอมเหนี่ยวนำสุญญากาศ, strict de-gassing and inclusion control are critical.
Directional solidification and single-crystal casting are specialized variants for turbine blades (different process chain).
หลังการประมวลผล: complex solution and aging heat treatments to develop γ′ precipitates; HIP and machining are common. Certification for aerospace sectors requires tight NDT.
การใช้งาน: gas-turbine hot-section parts, การบินและอวกาศ, การผลิตกระแสไฟฟ้า, high-temperature chemical processing.

8) Cobalt-base alloys

What they are: Co-Cr-Mo and related compositions used where wear and elevated-temperature strength are required (เช่น, stellite family).
คุณสมบัติ & ผลงาน: good hot hardness, wear resistance and corrosion resistance. Often used where sliding wear at elevated temperature is present.
Casting considerations: high melting points and sensitivity to segregation; machining is challenging due to high hardness.
หลังการประมวลผล: solution/aging (where applicable), grinding and polishing for tribological surfaces.
การใช้งาน: turbine seals, บ่าวาล์ว, biomedical dental alloys (CO-CR), สวมใส่ส่วนประกอบ.

9) Iron-based high-temperature alloys

What they are: heat-resisting irons (เช่น, Fe-Cr-Al, stainless steels formulated for elevated temperature).
คุณสมบัติ & ผลงาน: cost-effective at moderate high temperatures, good oxidation resistance with suitable alloying.
Casting considerations & การใช้งาน: used where temperatures are high but extreme creep resistance of nickel alloys is not required (เช่น, ชิ้นส่วนเตาเผา, some industrial burners).

Special-purpose alloy castings

Precious-metal alloys (ทอง, เงิน, แพลทินัม)

What they are: AU, Ag and Pt alloys for jewelry, precision contacts and catalytic uses.
คุณสมบัติ & ผลงาน: excellent corrosion resistance and aesthetic properties; variable mechanical strength depending on karat and alloying.
Casting considerations: จุดหลอมเหลวต่ำ (gold ~1,064 °C), ความลื่นไหลที่ยอดเยี่ยม; vacuum or controlled atmosphere casting improves surface finish.
การหล่อการลงทุน (แว็กซ์ที่หายไป) is the dominant manufacturing route for jewelry.
การใช้งาน: เครื่องประดับ, electronics contacts, decorative and specialty chemical uses.

Magnetic alloys (Al-Ni-Co, Nd-Fe-B variants)

What they are: permanent-magnet materials and soft magnetic alloys; บันทึก: many high-energy magnets (Nd-Fe-B) are not commonly made by investment casting because powder and consolidation processes are typical. Al-Ni-Co can be cast.
คุณสมบัติ & ผลงาน: magnetic coercivity, flux density and temperature stability determine suitability.
Casting considerations: magnetic alloys require controlled solidification to avoid unwanted phases; post-magnetization processing required.
การใช้งาน: เซ็นเซอร์, มอเตอร์, การใช้เครื่องมือ.

Shape-memory alloys (Ni-Ti / Nitinol)

What they are: near-equiatomic nickel-titanium alloys with shape-memory and superelastic behavior.
คุณสมบัติ & ผลงาน: reversible martensitic transformations produce large recoverable strains; used in actuators and medical devices.
Casting considerations: Ni-Ti is reactive and sensitive to composition; vacuum melting and precision control of Ni/Ti ratio are critical;
often produced via investment casting for complex geometries but powder-metallurgy and C-shape components are common. Post-cast heat treatment tailors transformation temperatures.
การใช้งาน: อุปกรณ์ทางการแพทย์ (ขดลวด, staples), actuators and adaptive structures.

5. บทสรุป

Material choice is the single most influential decision in investment casting.

It governs not only the in-service performance of a part (ความแข็งแกร่ง, ความเหนื่อยล้า, การกัดกร่อน, ความสามารถอุณหภูมิ, ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ, มวล)

but also every practical aspect of manufacture: melting method, shell chemistry and firing, gating and feeding strategy, likely defect modes, required heat treatment and NDT, cost and lead time.

สำคัญ, actionable conclusions:

• Start with function, not habit. Define the dominating service drivers (อุณหภูมิ, การกัดกร่อน, สวมใส่, ชีวิตที่เหนื่อยล้า, น้ำหนัก, regulatory constraints)
  and let those map you to a material family (เช่น, nickel alloys for high-temperature creep, titanium for strength-to-weight and biocompatibility, duplex stainless for chloride service, bronzes for marine wear, precious metals for jewelry/electrical contacts).
• Match foundry capability to alloy demand. Many alloys (ไทเทเนียม, ซุปเปอร์อัลลอย, โลหะผสมโคบอลต์) require vacuum or inert melting, สะโพก, and advanced NDT.
  Don’t specify an special alloy unless a qualified supplier can deliver and certify it.
• Design and process are co-dependent. Alloy attributes (ช่วงการหลอมละลาย, ความลื่นไหล, การหดตัว, ปฏิกิริยา, segregation tendency, การนำความร้อน) must be used to set tooling compensation, gating/riser design, shell system and dewax/firing schedules.
  Early simulation and pilot castings materially reduce risk.
• Plan post-casting steps up front. การรักษาความร้อน, สะโพก, surface finishing and machining affect dimension control and cost.
  สำหรับส่วนประกอบที่สำคัญ, specify these steps in the RFQ (and include acceptance tests and traceability).
• Control quality by specification. Require MTRs, heat-treatment records, defined NDT regimes (radiography/CT for internal porosity, ultrasonic for thick ferrous sections, dye-penetrant for surfaces), and a clearly stated acceptance standard.
  Define limits for porosity, inclusions and mechanical properties.
• Balance cost, schedule and risk. Special alloys and stringent acceptance protocols increase lead time and cost.
  Use the simplest alloy that satisfies functional requirements and qualify alternatives where feasible.

คำถามที่พบบ่อย

Can any metal be investment cast?

Many metals and alloys are suitable (เหล็กกล้า, สตีลไร้เดียงสา, ซูเปอร์อัลลอยนิกเกิลและโคบอลต์, โลหะผสมทองแดง, อลูมิเนียม, ไทเทเนียม, โลหะมีค่า).

อย่างไรก็ตาม, suitability depends on foundry capability: reactive metals (ไทเทเนียม, แมกนีเซียม) and high-melting superalloys require vacuum/inert melting and special shell systems.

Some magnet and powder-metallurgy alloys are not practical by conventional investment casting.

How do I choose between alloys when several meet performance needs?

Rank requirements (must-have vs desirable), then evaluate manufacturability (foundry capability, need for HIP or vacuum melt), ค่าใช้จ่าย, lead time and inspection burden.

Pilot castings and life-cycle cost analysis help select the optimal trade-off.

Do all alloys need special shell materials or coatings?

Some do. Reactive or high-temperature melts (เช่น, ไทเทเนียม, certain superalloys) may require inert face coats (เพทาย, อลูมินา) and controlled firing to prevent metal-shell reactions.
Discuss shell formulation with your foundry during design.

How does alloy choice affect surface finish and machinability?

Metals like copper alloys and aluminium typically provide excellent surface finish and machinability; nickel and cobalt alloys are harder to machine and may require specialized tooling.

Stainless steels vary—duplex and PH grades machine differently than austenitics. Include machining allowance and tooling considerations in the design.

What about corrosion and environmental compatibility?

Corrosion performance is primarily a function of alloy chemistry and post-casting treatment (การรักษาความร้อน, ทู่, การเคลือบ).

For aggressive media (คลอไรด์, กรด), select corrosion-resistant alloys (เพล็กซ์สแตนเลส, โลหะผสมนิกเกิล) and require relevant qualification tests (บ่อ, เอสซีซี).
Environmental regulations (เช่น, rohs, restricted elements) can also affect alloy choice.

How much more does a superalloy casting cost vs a steel casting?

Costs vary widely by alloy, complexity and post-processing.

Superalloys and reactive metals commonly cost several times more than common steels due to expensive feedstock, vacuum furnaces, สะโพก, and extended NDT.

Use total cost-of-ownership (วัสดุ + กำลังประมวลผล + การตรวจสอบ + ผลผลิต) rather than raw melt price alone.