ประเภทของการหดตัวในกระบวนการหล่อโลหะ

1. การแนะนำ

ในการผลิตที่ทันสมัย, ความแม่นยำมิติ ไม่สามารถต่อรองได้.

อุตสาหกรรมเช่นการบินและอวกาศ, ยานยนต์, และความต้องการพลังงานส่วนประกอบที่มีความแม่นยำในการหล่ออย่างแน่นหนา ความคลาดเคลื่อน และโครงสร้างจุลภาคที่ปราศจากข้อบกพร่อง.

หนึ่งในความท้าทายที่ถาวรที่สุดในการบรรลุเป้าหมายเหล่านี้คือ การหดตัวของโลหะ- ปริมาตรการหดตัวของโลหะในขณะที่พวกเขาเปลี่ยนจากการหลอมเหลวเป็นสถานะของแข็งและต่อมาเย็นลงที่อุณหภูมิห้อง.

การหดตัวของโลหะเกิดขึ้นในหลายขั้นตอนและได้รับอิทธิพลจากปัจจัยต่าง ๆ ตั้งแต่เคมีโลหะผสมไปจนถึงการออกแบบแม่พิมพ์.

ผลกระทบของมันแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่าง โลหะผสมเหล็กและไม่ใช่เหล็ก, และความซับซ้อนของมันเพิ่มขึ้นด้วย รูปทรงเรขาคณิตที่ไม่สม่ำเสมอหรือซับซ้อน.

การจัดการกับการหดตัวเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อหลีกเลี่ยงการเบี่ยงเบนของมิติ, ความพรุน, และความล้มเหลวทางกล.

2. กลไกพื้นฐาน

การหดตัวของโลหะเกิดขึ้นเป็นหลัก การหดตัวทางความร้อน และ เอฟเฟกต์การแปลงเฟส. เป็นโลหะเย็น, อะตอมเคลื่อนเข้าใกล้กันมากขึ้น, ผลที่ได้ การหดตัวเชิงเส้นและปริมาตร.

ตัวอย่างเช่น, อัตราการหดตัวเชิงเส้นของโลหะผสมอลูมิเนียมมีตั้งแต่ 5.5% ถึง 6.5%, ในขณะที่เหล็กจะหดตัวไปรอบ ๆ 2%.

นอกจากนี้, การหดตัวทวีความรุนแรงมากขึ้นในระหว่าง การทำให้แข็งตัว, โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโซนที่อ่อนนุ่ม-สถานะกึ่งแข็งซึ่งการให้อาหารกลายเป็นเรื่องยาก.

ที่ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอัตราการระบายความร้อน, เคมีโลหะผสม, และวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาค กำหนดว่าการให้อาหารชดเชยสำหรับการหดตัวหรือข้อบกพร่องนี้เช่นการพัฒนาความพรุน.

3. การจำแนกประเภทของการหดตัวในการหล่อโลหะ

การหดตัวในการหล่อโลหะสามารถแบ่งได้ตามเฟสของกระบวนการแข็งตัวในระหว่างที่เกิดขึ้น, ลักษณะทางกายภาพของข้อบกพร่องที่เกิดขึ้น, และสาเหตุของมัน.

การทำความเข้าใจการจำแนกประเภทเหล่านี้ช่วยให้วิศวกรโรงหล่อสามารถใช้การออกแบบเป้าหมายและการควบคุมกระบวนการเพื่อลดข้อบกพร่องในการหล่อ.

การหดตัวของเหลว

การหดตัวของเหลวหมายถึงการลดปริมาตรที่เกิดขึ้นเมื่อโลหะหลอมเหลวเย็นลงภายในเฟสของเหลวก่อนที่จะเริ่มมีการแข็งตัว.

โดยทั่วไปแล้วการหดตัวประเภทนี้จะต้องมีการให้อาหารอย่างต่อเนื่องจากผู้สูง.

• Typical Magnitudes: ประมาณ 1% ถึง 2% of volume loss in the liquid phase, varying by alloy.
• Implications: Inadequate riser design or low metallostatic pressure may lead to misruns, ปิดเย็น, หรือ surface shrinkage defects.

การแข็งตัว (โซนที่อ่อนนุ่ม) การหดตัว

During the transition from liquid to solid, โลหะผ่านเฟส“ อ่อน” ที่โดดเด่นด้วยการอยู่ร่วมกันของของแข็ง dendritic และของเหลว interdendritic.

Volume reduction during this phase is the most challenging to address due to decreasing permeability and feeding capability.

• Defect Types: Internal cavities and macro-shrinkage typically form in the last areas to solidify, particularly at thermal centers or poorly fed sections.
• Sensitive Alloys: Alloys with a wide freezing range (เช่น, โลหะผสมทองแดงและอลูมิเนียม) มีความเสี่ยงเป็นพิเศษ.

รูปแบบของผู้สร้าง (แข็ง) การหดตัว

หลังจากการแข็งตัวสมบูรณ์, การคัดเลือกนักแสดงยังคงทำสัญญาต่อไปเนื่องจากอุณหภูมิเย็นลง.

การหดตัวนี้, รู้จักกันในชื่อการหดตัวของผู้สร้างรูปแบบ, เป็นการลดขนาดเชิงเส้นและโดยทั่วไปจะมีการพิจารณาในการออกแบบรูปแบบและแม่พิมพ์.

• อัตราการหดตัว:

• • เหล็กสีเทา: ~ 1%
  • เหล็กกล้าคาร์บอน: ~ 2%
  • อลูมิเนียมอัลลอยด์: 4–6.5%

• การตอบสนองทางวิศวกรรม: โมเดล CAD ถูกปรับขนาดโดยใช้ปัจจัยการหดตัวเชิงประจักษ์เพื่อนำไปสู่การเบี่ยงเบนมิติ.

แมโครกระเซ็น. การกระแทกขนาดเล็ก

• การกระแทกมาโคร: สิ่งเหล่านี้มีขนาดใหญ่, ช่องหดตัวที่มองเห็นได้, มักจะมีการแปลใกล้กับผู้ลุกขึ้น, ศูนย์ความร้อน, หรือในส่วนที่หนา.
  พวกเขาอ่อนตัวลงอย่างมีนัยสำคัญต่อความสมบูรณ์ของโครงสร้างและโดยทั่วไปจะถูกปฏิเสธในแอปพลิเคชันที่สำคัญ.
• การกระแทกขนาดเล็ก: สิ่งเหล่านี้แยกย้ายกันไปในระดับกล้องจุลทรรศน์, มักเกิดจากการให้อาหารระหว่าง dendritic ไม่เพียงพอหรือการไล่ระดับความร้อนที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่น.
  ในขณะที่พวกเขาอาจมองไม่เห็นภายนอก, พวกเขาลดความต้านทานความเมื่อยล้า, การกักเก็บแรงดัน, และคุณสมบัติทางกล.

ท่อและการหดตัวแบบเปิด

Piping หมายถึงโพรงการหดตัวที่มีรูปกรวยที่มีลักษณะคล้ายกันซึ่งก่อตัวขึ้นที่ด้านบนของการคัดเลือก.
การหดตัวแบบเปิดเป็นโพรงที่เชื่อมต่อกับพื้นผิวที่เกี่ยวข้องซึ่งบ่งบอกถึงความล้มเหลวในการให้อาหาร.

• อุตสาหกรรมได้รับผลกระทบ: ท่อเป็นเรื่องธรรมดาใน การหล่อเหล็ก สำหรับส่วนประกอบโครงสร้างและความดันที่ความต้องการการให้อาหารสูง.
• มาตรการควบคุม: การออกแบบที่เหมาะสม, รวมถึงการใช้แขนฉนวนและวัสดุคายความร้อน, สามารถลดหรือกำจัดข้อบกพร่องเหล่านี้ได้อย่างมีนัยสำคัญ.

4. มุมมองทางโลหะวิทยา

พฤติกรรมการแข็งตัวขึ้นอยู่กับโลหะผสมและมีอิทธิพลต่อลักษณะการหดตัว:

การแข็งตัวของยูเทคติก

อัลลอยด์เหมือนเหล็กสีเทาและ Al-Si จัดแสดงช่วงแช่แข็งแคบ ๆ. การทำให้แข็งตัวเกิดขึ้นเกือบพร้อมกันตลอดการคัดเลือก, ลดความต้องการการให้อาหาร แต่เพิ่มความเสี่ยงของความพรุนของก๊าซ.

การแข็งตัวของทิศทาง

ต้องการสำหรับการหล่อโครงสร้าง (เช่น, ในเหล็กกล้าหรือซุปเปอร์อัลลอย), สิ่งนี้ช่วยให้เส้นทางการให้อาหารที่คาดเดาได้.

โดยการควบคุมการไล่ระดับความร้อน, การทำให้แข็งตัวดำเนินการจากทินเนอร์เป็นส่วนที่หนาขึ้น.

การแข็งตัวของ Equiaxed

พบได้ทั่วไปใน bronzes และ Alloys อัลบางตัว, สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับนิวเคลียสแบบสุ่มของธัญพืช, ซึ่งสามารถขัดขวางช่องทางให้อาหารและเพิ่มความพรุน.

จากมุมมองทางโลหะวิทยา, การปรับแต่งข้าว, การฉีดวัคซีน, และ การออกแบบโลหะผสม มีบทบาทสำคัญในการลดการหดตัวโดยการส่งเสริมการแข็งตัวของเครื่องแบบและปรับปรุงความสามารถในการป้อน.

5. ออกแบบ & มุมมองทางวิศวกรรม

จากมุมมองการออกแบบและวิศวกรรม, การควบคุมการหดตัวเริ่มต้นด้วยเรขาคณิตอัจฉริยะและกลยุทธ์การให้อาหารเป้าหมาย.

ชิ้นส่วนที่มีประสิทธิภาพไม่เพียง แต่สะท้อนถึงความเข้าใจทางโลหะเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการแบ่งส่วน, การปรับขนาด, และการจัดการความร้อน.

ความหนาส่วน & การไล่ระดับสีความร้อน

ส่วนที่หนาขึ้นยังคงความร้อนอีกต่อไป, การสร้าง“ จุดร้อน” ที่ทำให้คงที่และดึงโลหะหลอมเหลวออกจากภูมิภาคที่บางกว่า.

ตัวอย่างเช่น, ก 50 ผนังเหล็กหนามิลลิเมตรอาจเย็นที่ 5 ° C/นาที, ในขณะที่ 10 ส่วน MM เย็นลงที่ 20 ° C/นาทีภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน. เพื่อบรรเทาสิ่งนี้:

• ความหนาของผนังสม่ำเสมอ ลดการไล่ระดับสีที่รุนแรงให้น้อยที่สุด.
• ช่วงการเปลี่ยนภาพโค้งมน (รัศมีเนื้อน้อยที่สุด = ความหนาของผนัง 0.5 ×) ป้องกันความเครียดจากความร้อนในท้องถิ่น.
• เมื่อความหนาแตกต่างกันไปมากกว่า 3:1, รวมถึงการหนาวสั่นภายในหรือผู้เพิ่มที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่น.

การปรับขนาด & เบี้ยเลี้ยงระดับภูมิภาค

ค่าเผื่อการหดตัวทั่วโลกมักจะมีตั้งแต่ 2.4% สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนถึง 6.0% สำหรับโลหะผสมอลูมิเนียม. อย่างไรก็ตาม, ความต้องการการหล่อที่ซับซ้อน การปรับขนาดเฉพาะภูมิภาค:

• ใยบาง ๆ (≤ 5 มม): ใช้ค่าเผื่อ 0.8 ×ทั่วโลก (เช่น. 1.9% สำหรับเหล็กกล้า).
• เจ้านายหนา (≥ 30 มม): เพิ่มขึ้น 1.2 × (เช่น. 2.9% สำหรับเหล็กกล้า).
  เครื่องมือ CAD ที่ทันสมัยรองรับการปรับขนาดหลายปัจจัย, อนุญาตให้ทำแผนที่โดยตรงของเบี้ยเลี้ยงในท้องถิ่นเพื่อลวดลายเรขาคณิต.

ผู้ลุกขึ้น, การจับจอง & กลยุทธ์เย็น

การส่งเสริม การแข็งตัวของทิศทาง ต้องการการจัดวางกลยุทธ์ของตัวป้อนและการควบคุมอุณหภูมิ:

• ปริมาณการเพิ่มขึ้น ควรเท่ากัน 30–40% ของมวลของโซนที่มันกิน.
• ตำแหน่งเพิ่มขึ้นโดยตรงเหนือจุดร้อนร้อน, ระบุผ่านการจำลองการแข็งตัวหรือการวิเคราะห์ความร้อน.
• ปลอกแขนฉนวน รอบ ๆ ตัวขึ้นจะทำให้การระบายความร้อนช้าลง 15-20%, ขยายเวลาให้อาหาร.
• หนาวสั่น ทำจากทองแดงหรือเหล็กเร่งการแข็งตัวของท้องถิ่น, เบี่ยงเบนความแข็งด้านหน้าไปทางแรงขึ้น.

ออกแบบเพื่อการผลิต

การทำงานร่วมกันในช่วงต้นระหว่างทีมออกแบบและโรงหล่อลดความเสี่ยงการหดตัว.

โดยการบูรณาการ แนวทาง DFM- เช่นการแบ่งส่วนที่สม่ำเสมอ, มุมร่างที่เพียงพอ (> 2°สำหรับการหล่อทราย), และแกนที่เรียบง่าย - วิศวกรสามารถ:

• อัตราเศษซากที่ต่ำลงโดย 20–30%
• ลดเวลานำโดยการหลีกเลี่ยงการวนซ้ำหลายรูปแบบ
• ตรวจสอบให้แน่ใจว่าประสบความสำเร็จในช่วงแรกในส่วนประกอบที่มีความแม่นยำสูง, เช่นตัวเรือนเครื่องยนต์ด้วย ± 0.2 มม. ข้อกำหนดความอดทน

6. การจำลอง & การสร้างแบบจำลองการทำนาย

การดำเนินการคัดเลือกนักแสดงที่ทันสมัย การจำลองความร้อนและของเหลวที่ใช้ CFD เพื่อระบุพื้นที่ที่มีแนวโน้มหดตัว.

การใช้เครื่องมือเช่นMagmasoft®, flow-3d®, หรือProcast®, โรงหล่อสามารถ:

• ทำนาย จุดร้อน และ เส้นทางฟีด
• ประเมินผลกระทบของการเลือกโลหะผสม, การออกแบบแม่พิมพ์, และการเทพารามิเตอร์
• จำลองสถานการณ์การคัดเลือกนักแสดงหลายสถานการณ์ก่อนการผลิตทางกายภาพ

บูรณาการการจำลองกับ ระบบ CAD/CAM ช่วยให้การออกแบบเครื่องมือที่แม่นยำยิ่งขึ้น, การลดลงอย่างมีนัยสำคัญ การทำซ้ำทดลองและข้อผิดพลาด, ของเสีย, และเวลานำ.

7. การควบคุมคุณภาพ & การตรวจสอบ

การตรวจจับข้อบกพร่องเป็นสิ่งสำคัญในการตรวจสอบความสมบูรณ์ของการหล่อ. ใช้กันทั่วไป การทดสอบแบบไม่ทำลายล้าง (NDT) วิธีการรวมถึง:

• การตรวจสอบรังสี (เอ็กซ์เรย์): ตรวจพบช่องหดตัวภายในและข้อบกพร่องของแมโคร
• การทดสอบอัลตราโซนิก (ยูทาห์): เหมาะสำหรับการตรวจจับความพรุนและความไม่ต่อเนื่องภายในในโลหะผสมหนาแน่น
• การวิเคราะห์มิติ (ซีเอ็มเอ็ม, 3การสแกนเลเซอร์): ตรวจสอบค่าเผื่อการหดตัวและความสอดคล้องกับข้อกำหนด

โรงหล่อยังใช้ การควบคุมกระบวนการทางสถิติ (สพีซี) เพื่อตรวจสอบความแตกต่างของการหดตัวในแบทช์และปรับปรุงความสามารถของกระบวนการอย่างต่อเนื่อง.

8. ค่าเผื่อการหดตัวเชิงเส้นโดยประมาณสำหรับโลหะผสมหล่อทั่วไป.

ด้านล่างนี้เป็นตารางรวมของค่าเผื่อการหดตัวเชิงเส้นโดยประมาณสำหรับช่วงของโลหะผสมที่ใช้โดยทั่วไป.

ใช้สิ่งเหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้นในรูปแบบหรือการปรับสเกล CAD - จากนั้นตรวจสอบด้วยการจำลองและการทดลองต้นแบบเพื่อโทรออกในมิติสุดท้าย.

9. บทสรุป

ทำความเข้าใจกับการหดตัวประเภทต่างๆในการหล่อโลหะ - ของเหลว, การทำให้แข็งตัว, และโซลิดสเตตเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิตส่วนประกอบที่มีโครงสร้างและมิติที่แม่นยำ.

เมื่อโลหะผสมและรูปทรงเรขาคณิตส่วนหนึ่งมีความซับซ้อนมากขึ้น, กลยุทธ์ของเราก็ต้องพัฒนาเช่นกัน.

การลดการหดตัวต้องใช้ วิธีการหลายสาขาวิชา เกี่ยวข้องกับโลหะวิทยา, ออกแบบ, การจำลอง, และการควบคุมคุณภาพ.

โรงหล่อที่โอบกอด การสร้างแบบจำลองการทำนาย, การควบคุมแบบเรียลไทม์, และ กระบวนการออกแบบร่วมกัน มีความพร้อมที่ดีกว่าเพื่อลดของเสีย, ปรับค่าใช้จ่ายให้เหมาะสม, และส่งมอบส่วนประกอบที่ตรงตามมาตรฐานประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือสูงสุด.

ที่ นี้, เรามีความยินดีที่จะหารือเกี่ยวกับโครงการของคุณในช่วงต้นของกระบวนการออกแบบเพื่อให้แน่ใจว่าการเลือกโลหะผสมใดก็ตาม, ผลลัพธ์จะตรงตามข้อกำหนดทางกลและประสิทธิภาพของคุณ.

เพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการของคุณ, อีเมล [email protected].