ข้อควรพิจารณาที่สำคัญสามประการสำหรับโครงสร้างการหล่อเหล็กกล้าไร้สนิม

สแตนเลส การหล่อทำด้วยโลหะ (ถาวร) แม่พิมพ์หรือแม่พิมพ์การลงทุนที่มีความแม่นยำนำเสนอโอกาสและความเสี่ยงที่ไม่เหมือนใคร.

เมื่อเทียบกับการหล่อแบบหล่อทราย, การหล่อแม่พิมพ์โลหะจะเย็นและแข็งตัวเร็วขึ้น และแม่พิมพ์จะไม่ "ให้" ในระหว่างการหดตัว.

การระบายความร้อนที่เร็วขึ้นและการปฏิบัติตามข้อกำหนดของแม่พิมพ์เป็นศูนย์จะเพิ่มความเครียดภายใน, เพิ่มโอกาสที่จะแตกร้าวและขยายข้อบกพร่อง เช่น การวิ่งผิดทาง, การปิดเครื่องเย็นและการเติมที่ไม่สมบูรณ์.

เพื่อให้ได้ผลผลิตที่แข็งแรง, โครงสร้างหล่อสแตนเลสที่เชื่อถือได้, การออกแบบและการควบคุมกระบวนการสามประเภทสมควรได้รับความสนใจเป็นอันดับแรก:

(1) รับประกันการเติมที่สมบูรณ์และหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องที่เกิดจากความเย็น, (2) ป้องกันการแตกร้าวจากการแข็งตัวและการแตกร้าวทางกล, และ (3) การออกแบบการสกัดแม่พิมพ์, เครื่องมือและความเสถียรของมิติ.

ต่อไปนี้จะอธิบายแต่ละด้านอย่างเจาะลึกและให้เป็นรูปธรรม, การดำเนินการและรายการตรวจสอบระดับวิศวกรรม.

ภาพรวม — ทำไมการหล่อเหล็กกล้าไร้สนิมในแม่พิมพ์โลหะจึงมีความพิเศษ

• การระบายความร้อนเร็วขึ้น → การไล่ระดับความร้อนที่สูงขึ้น. การสกัดความร้อนอย่างรวดเร็วจะเพิ่มความเค้นแรงดึงภายในระหว่างการแข็งตัวและที่อุณหภูมิห้อง.
• ไม่มีการปฏิบัติตามแม่พิมพ์. ไม่เหมือนทราย, แม่พิมพ์โลหะจะไม่ถูกบีบอัดเพื่อรองรับการหดตัว; การหดตัวที่จำกัดจะทำให้เกิดการแตกร้าวหรือฉีกขาดจากความร้อน เว้นแต่การออกแบบจะยอมให้หดตัวหรือป้อนได้อย่างอิสระ.
• การเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของพื้นผิว/การไหล. ส่วนบางจะสูญเสียความลื่นไหลของโลหะอย่างรวดเร็ว; พื้นผิวแนวนอนขนาดใหญ่และมุมที่แหลมคมจะทำให้การก่อตัวของออกไซด์แย่ลง, การไหลเย็นและการวิ่งผิด.
• ความไวของโลหะผสม. โลหะผสมสแตนเลส (ออสเตนิติก, ดูเพล็กซ์, เกรดหล่อมาร์เทนซิติก) แตกต่างกันในช่วงการแช่แข็ง, ความลื่นไหลและความไวต่อการแตกร้าวจากความร้อน ดังนั้นการออกแบบเฉพาะโลหะผสมจึงมีความจำเป็น.

1. ป้องกันการเติมไม่ครบ, การปิดเครื่องเย็นและข้อบกพร่องในการเติมอื่น ๆ

ปัญหาหลัก: ในแม่พิมพ์โลหะ สแตนเลสละลายจะสูญเสียความร้อนอย่างรวดเร็วและอาจแข็งตัวก่อนที่โพรงจะเต็ม, ทำให้เกิดการวิ่งผิด, รอบเย็นและการดักจับออกไซด์.

หลักการออกแบบ

• เรียบ, เรขาคณิตภายนอกที่เพรียวบาง. หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงส่วนกะทันหัน, มุมที่คมชัด, และการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนที่รบกวนการไหล.
  ต้องการการเปลี่ยนแบบโค้งมนและรอยต่อแบบฟิลเลต์เพื่อรักษาการไหลของโลหะแบบลามิเนตและลดการเกาะติดของฟิล์มออกไซด์.
• หลีกเลี่ยงแฟลตแนวนอนขนาดใหญ่. พื้นผิวแนวนอนทำให้เกิดการเติมช้า, การสัมผัสอากาศ/โลหะอย่างกว้างขวาง (ออกซิเดชัน) และสูญเสียความคล่องตัว; ทำลายแฟลตขนาดใหญ่ด้วยมุมโค้งที่นุ่มนวล, ซี่โครงหรือลักษณะลาดเอียง.
• ใช้ความหนาของส่วนที่เหมาะสม. อย่าสร้างผนังบางที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่เป็นวงกว้าง.
  ส่วนที่บางในส่วนประกอบขนาดใหญ่จะเย็นลงและสูญเสียความสามารถในการไหลอย่างรวดเร็ว ไม่ว่าจะเป็นการทำให้ส่วนสำคัญหนาขึ้นหรือออกแบบส่วนที่หนาเฉพาะสำหรับการป้อน.
• การออกแบบประตูและทางวิ่งที่ปรับให้เหมาะสม. ค้นหาประตูเพื่อป้อนบริเวณที่บรรจุน้ำหนักที่สุดหรือช้าที่สุดก่อน; ใช้ทางเข้าที่มีขนาดพอเหมาะ, ทางเข้าโค้งมนและการขยายการไหลเพื่อลดความปั่นป่วนและการกักเก็บออกไซด์.
  ใช้รูปทรงภายในที่ช่วยรักษาอุณหภูมิของโลหะเหลวให้สูงเมื่อถึงจุดที่ไกลที่สุด.

การควบคุมกระบวนการ

• การจัดการความร้อนยวดยิ่ง. รักษาอุณหภูมิหลอมเหลวที่ด้านสูงของช่วงที่แนะนำสำหรับโลหะผสมที่เลือก (ภายในขอบเขตที่ปลอดภัย), เพื่อยืดอายุการไหลโดยไม่ส่งเสริมการเกิดออกซิเดชัน.
• บรรยากาศป้องกัน / การไหล. ลดการเกิดออกซิเดชัน (โดยเฉพาะข้อความบางๆ) โดยใช้ฟลักซ์ปกคลุม, บรรยากาศสุญญากาศหรือการป้องกันหากเป็นไปได้.
• ประตูและเครื่องป้อนที่หุ้มฉนวนหรืออุ่น. ปลอกทำความร้อนหรือฉนวนเฉพาะที่บนนักวิ่งสามารถกักเก็บความร้อนและลดการวิ่งผิดทาง.
• ใช้ความเย็นในกรณีที่จำเป็น. การระบายความร้อนภายนอกเชิงกลยุทธ์ช่วยให้แข็งตัวได้โดยตรงและสามารถลดความเสี่ยงในการปิดความเย็นได้เมื่อรวมกับการเกตที่เหมาะสม; หลีกเลี่ยงอาการหนาวที่ทำให้เส้นทางการไหลสุดท้ายแข็งตัวก่อนเวลาอันควร.
• การจำลอง (CFD การแข็งตัว/การไหล) ควรใช้เพื่อยืนยันเวลาเติมและระบุความเสี่ยงในการปิดเครื่องเย็นก่อนการผลิตแม่พิมพ์.

2. ป้องกันรอยแตกร้าวจากการหล่อ, น้ำตาร้อนและความเครียดแตกหัก

ปัญหาหลัก: การหดตัวที่ถูกยับยั้ง, การไล่ระดับความร้อนและตัวรวมความเครียดเฉพาะที่ทำให้เกิดการฉีกขาดที่ร้อนระหว่างการแข็งตัวหรือการแตกร้าวเมื่อเย็นลง.

กฎการออกแบบโครงสร้าง

• ความหนาของผนังสม่ำเสมอ. ออกแบบผนังให้เหมือนกันที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้.
  หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนระหว่างส่วนที่บางและส่วนหนาอย่างกะทันหัน; ในกรณีที่จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนภาพ, ใช้ค่อยๆ เทเปอร์และเนื้อปลาที่พอเหมาะ.
• เพิ่มซี่โครงและเป้าเสื้อกางเกงในบริเวณที่อ่อนแอ. ใยบาง ๆ, ผนังบางหรือผนังที่ยาวไม่ได้รับการสนับสนุนมักเกิดรอยแตกได้ง่าย ควรเสริมความแข็งแรงด้วยโครงหรือผนัง, แต่ออกแบบไว้เพื่อไม่ให้สร้างข้อจำกัดในการหดตัว.
• ลดขนาดคุณสมบัติที่ขัดขวางการหดตัวฟรี. การดึง, หน้าแปลนและปุ่มฝังตัวที่ควบคุมการหดตัวด้วยกลไกมักเป็นตัวกระตุ้นให้เกิดรอยแตกร้าว; ลดจำนวน, ย้าย, หรือออกแบบให้มีลักษณะนูนตามข้อกำหนด.
• ต้องการการรวมแบบเอียงกับการรวมก้นในแนวตั้ง. เปลี่ยนการเชื่อมต่อแบบขั้นบันไดในแนวตั้งด้วยการเชื่อมต่อแบบลาดเอียงหรือแบบเรียวหากเป็นไปได้ ความลาดชันช่วยหลีกเลี่ยงความเครียดแรงดึงที่ติดอยู่ในระหว่างการแข็งตัว.
• เนื้อสันกว้างทุกมุมภายใน/ภายนอก. มุมที่แหลมคมทำหน้าที่เป็นตัวรวมความเครียดและจุดเกิดนิวเคลียสสำหรับรอยแตกร้าว.
  สำหรับชิ้นส่วนสเตนเลสหล่อ, ใช้รัศมีที่ใหญ่กว่าการหล่อทราย—รัศมีของเนื้อตามความหนาของผนัง (ดูใบสั่งยาด้านล่าง).

กระบวนการ & การควบคุมทางโลหะวิทยา

• Control solidification direction. Use directional solidification principles (riser placement and chills) เพื่อให้การแข็งตัวเริ่มจากบางไปหนาและการป้อนก็เพียงพอ; หลีกเลี่ยงจุดร้อนที่แยกจากกัน.
• Feeders/riser design and placement. ตรวจสอบให้แน่ใจว่าไรเซอร์ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีป้อนเข้าสู่บริเวณที่แข็งตัวครั้งสุดท้าย.
  For permanent-mold casting, ประสิทธิภาพของไรเซอร์ต้องคำนึงถึงการระบายความร้อนที่เร็วขึ้นและเวลาป้อนที่สั้นลง; ใช้ตัวยกที่เป็นฉนวนหรือปลอกคายความร้อนเมื่อเป็นประโยชน์.
• Relieve internal stresses by heat treatment. สำหรับส่วนประกอบที่สำคัญ, พิจารณาการอบอ่อนบรรเทาความเครียดหลังการหล่อหรือการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันเพื่อลดความเครียดในการดับที่อาจทำให้เกิดการแตกร้าว.
  บันทึก: สเตนเลสบางเกรดอาจต้องใช้วงจรความร้อนเฉพาะเพื่อหลีกเลี่ยงการแพ้หรือระยะที่ไม่พึงประสงค์—ประสาน HT กับนักโลหะวิทยา.
• ใช้โลหะผสมที่ทนต่อการฉีกขาดหรือสารกลั่นเมล็ดพืชที่ทนต่อความร้อน. หากเป็นไปได้ ให้เลือกเกรดหรือสารเติมแต่งที่ช่วยลดความไวต่อการฉีกขาดจากความร้อน, และใช้เครื่องกลั่นเมล็ดพืชเพื่อควบคุมโครงสร้างเดนไดรต์.
• Avoid abrupt cooling differences. จัดการอุณหภูมิของแม่พิมพ์และอัตราการทำความเย็นเพื่อลดการไล่ระดับความร้อนที่คมชัด (pre-heat molds where beneficial).

3. การสกัดแม่พิมพ์, ร่าง, เนื้อและความสามารถในการผลิตแม่พิมพ์โลหะ

ปัญหาหลัก: แม่พิมพ์ถาวรไม่มีให้; แกนและการหล่อต้องได้รับการออกแบบเพื่อการดีดออกที่เชื่อถือได้และความเสียหายของเครื่องมือน้อยที่สุด ในขณะเดียวกันก็รองรับการหดตัวจากความร้อนด้วย.

ข้อควรพิจารณาและการดำเนินการที่สำคัญ

• เพิ่มร่าง (เรียว) เมื่อเทียบกับการหล่อทราย. เพราะแม่พิมพ์โลหะขาดการยุบตัวของทราย, จัดเตรียม มุมร่างที่ใหญ่ขึ้น-โดยทั่วไป 30–50% larger than those used for sand casting.
  ตามจริง: if your sand-cast draft is 1°–2°, ออกแบบมุมร่างแม่พิมพ์ถาวรที่ ~1.3°–3° (scale with surface finish, โลหะผสมและความสูงของผนัง).
  ร่างขนาดใหญ่ช่วยให้ดีดออกและลดการสึกหรอของเครื่องมือได้.
• Enlarge fillet radii and corner radii. ใช้ รัศมีใจกว้าง ที่ทางแยกไป: (ก) reduce stress concentration and cracking, (ข) ง่ายต่อการเติมแม่พิมพ์, และ (ค) allow better part release.
  เป็นกฎง่ายๆ, ทำสเกลรัศมีเนื้อตามความหนาของผนังเฉพาะที่ (เช่น, รัศมีตามลำดับของ 5–15% of local wall thickness, โดยมีรัศมีการปฏิบัติขั้นต่ำไม่กี่มิลลิเมตรสำหรับการหล่อขนาดเล็ก). (ปรับตามรูปทรงและข้อจำกัดของเครื่องมือ)
• ความหนาของผนังขั้นต่ำ — เพิ่มขึ้นเทียบกับการหล่อทราย. โดยทั่วไปแล้วต้องใช้ชิ้นส่วนสแตนเลสหล่อโลหะแม่พิมพ์ ความหนาของผนังขั้นต่ำที่ใหญ่กว่าส่วนประกอบหล่อทรายที่เทียบเท่ากัน เพราะแม่พิมพ์โลหะดึงความร้อนได้เร็วกว่า.
  ตามกฎแล้ว, เพิ่มขั้นต่ำการหล่อทรายโดย 20–50% สำหรับโลหะผสมและรูปทรงเดียวกัน เว้นแต่จะมีการตรวจสอบการออกแบบและกระบวนการของชิ้นส่วน. ตรวจสอบด้วยความสามารถของกระบวนการหล่อและข้อมูลโลหะผสมเสมอ.
• โพรงด้านในและซี่โครง: ควรมีใยและซี่โครงภายใน 0.6–0.7× ความหนาของผนังภายนอกที่อยู่ติดกัน(ส) เพื่อหลีกเลี่ยงโซนเย็นช้าและการหดตัวส่วนต่างที่ทำให้เกิดการแตกร้าว.
  ถ้าซี่โครงด้านในหนาเกินไปเมื่อเทียบกับผนังโดยรอบ ซี่โครงจะแข็งตัวเป็นครั้งสุดท้ายและเป็นจุดเริ่มรอยแตกร้าว.
• Draft for cores and core prints: because cores cannot compress, คุณสมบัติการพิมพ์และการสกัดหลักจะต้องแข็งแกร่งและรวมเทเปอร์ปล่อยไว้ด้วย. พิจารณาแกนที่ยุบได้หรือแกนแยกเมื่อเรขาคณิตมีความซับซ้อน.
• Simplify complex outer shapes where possible. หากรูปทรงซับซ้อนทำให้เกิดปัญหาในการผลิต, ลดความซับซ้อนของรูปทรงภายนอกหรือแบ่งส่วนประกอบออกเป็นส่วนประกอบย่อยเพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียผลผลิต โดยยังคงรักษาข้อกำหนดด้านการทำงานเอาไว้.

4. หัวข้อที่เป็นประโยชน์เพิ่มเติม — โลหะวิทยา, การตรวจสอบและการควบคุมการผลิต

การเลือกและการรักษาโลหะผสม

• เลือกตระกูลหล่อสเตนเลสให้เหมาะสมกับฟังก์ชันนี้. เกรดออสเทนนิติกมีความเหนียวและให้อภัยได้ แต่มีช่วงการแข็งตัวที่แตกต่างจากโลหะผสมดูเพล็กซ์หรือมาร์เทนซิติก โดยแต่ละเกรดต้องใช้เกตติ้งเฉพาะ, riser and heat-treat sequences.
• ต้องระบุการบำบัดความร้อนหลังการหล่อ. สารละลายหลอม, อาจจำเป็นต้องบรรเทาความเครียดหรือแบ่งเบาบรรเทา; สำหรับเกรดดูเพล็กซ์จะควบคุมอินพุตความร้อนเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดเฟสซิกม่าที่ไม่พึงประสงค์.

การฝึกปฏิบัติด้านแม่พิมพ์และเครื่องมือ

• การตกแต่งพื้นผิวและการหล่อลื่น. ใช้สารหล่อลื่นแม่พิมพ์ที่เหมาะสมเพื่อลดข้อบกพร่องที่พื้นผิวการหล่อและอำนวยความสะดวกในการดีดออก, แต่หลีกเลี่ยงการหล่อลื่นมากเกินไปที่ทำให้เกิดรูพรุนหรือปนเปื้อน.
• การควบคุมอุณหภูมิของแม่พิมพ์. การทำความร้อนล่วงหน้าและการรักษาอุณหภูมิแม่พิมพ์ที่ควบคุมจะช่วยลดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและการแข็งตัวที่ไม่สอดคล้องกัน.
• ระบายและเดอกาส์. จัดให้มีช่องระบายอากาศและใช้การกำจัดแก๊สเพื่อหลีกเลี่ยงรูพรุนของก๊าซ. แม่พิมพ์ถาวรต้องได้รับการออกแบบให้มีช่องระบายอากาศหรือระบบช่วยสุญญากาศเมื่อหล่อสเตนเลสเพื่อควบคุมความพรุนและการกักก๊าซ.

การประกันคุณภาพ & การตรวจสอบความถูกต้อง

• ใช้การจำลองการแข็งตัวและการไหล. แบบจำลอง CFD และการทำให้แข็งตัวมีประสิทธิภาพอย่างมากในการคาดการณ์การปิดแบบเย็น, การวิ่งผิดทางและความเสี่ยงที่จะเกิดการฉีกขาดจากความร้อนสำหรับการหล่อสเตนเลสของแม่พิมพ์โลหะ โปรดใช้ก่อนการก่อสร้างแม่พิมพ์.
• Non-destructive testing per criticality. การถ่ายภาพรังสี, การทดสอบอัลตราโซนิกหรือการสแกน CT ระบุความพรุนภายใน, การรวมและรอยแตก.
  ระดับของ NDT ควรเหมาะสมกับความปลอดภัยและการทำงาน.
• นักบินวิ่ง & คุณสมบัติกระบวนการ. ตรวจสอบความถูกต้องของเครื่องมือ, การ gating และการบำบัดความร้อนด้วยการหล่อนำร่อง จากนั้นจึงบันทึกหน้าต่างกระบวนการ (อุณหภูมิละลาย, อุณหภูมิแม่พิมพ์, เติมเวลา, สูตรดับ, HT หลังการร่าย).

5. ตารางสรุปด่วน — ส่วนความสนใจสามส่วนและการดำเนินการยอดนิยม

6. ข้อสังเกตสุดท้าย

การออกแบบโครงสร้างการหล่อเหล็กกล้าไร้สนิมสำหรับการผลิตแม่พิมพ์โลหะเป็นปัญหาของระบบที่ครอบคลุมถึงรูปทรงเรขาคณิต, metallurgy and process engineering.

The three focus areas above—การเติมเต็ม & ไหล, การป้องกันการแตกร้าว, และ mold extraction/manufacturability—บันทึกโหมดความล้มเหลวหลักและชี้ไปที่การเยียวยาทางวิศวกรรมโดยตรง: รูปร่างเรียบ, controlled thicknesses and transitions, การดูแลและการให้อาหารที่เหมาะสม, adequate draft and filleting, และผ่านการตรวจสอบความร้อนแล้ว.

ใช้การจำลอง, การทดลองนำร่องและการทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิดระหว่างนักออกแบบและวิศวกรโรงหล่อเพื่อเปลี่ยนการออกแบบที่ท้าทายให้แข็งแกร่ง, ส่วนการผลิตที่ทำซ้ำได้.

ข้อมูลอ้างอิงที่สำคัญ

มาตรฐาน ASTM A351-23: Standard Specification for Castings, เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก, สำหรับชิ้นส่วนที่มีความดัน.

สมาคมโรงหล่ออเมริกัน (AFS). (2022). คู่มือการหล่อแม่พิมพ์ถาวร. สำนักพิมพ์เอเอฟเอส.

ไอเอสโอ 3740:2019: วัสดุโลหะ—การหล่อ—ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับการตรวจสอบและทดสอบ.

เดวิส, เจ. ร. (2019). คู่มือการหล่อเหล็กกล้าไร้สนิม. เอเอสเอ็ม อินเตอร์เนชั่นแนล.