Типи усадки в процесі лиття металу

1. Вступ

В сучасному виробництві, розмірна точність не підлягає обороту.

Такі галузі, як аерокосмічний простір, автомобільний, і компоненти з точністю попиту на енергію з тісним допуски і мікроструктури без дефектів.

Одним із найбільш наполегливих проблем у досягненні цих цілей є Металева усадка- Об'ємне скорочення металів, коли вони переходять від розплавленого до твердої стані і згодом прохолодна до кімнатної температури.

Металева усадка відбувається на декількох етапах і впливає на фактори, починаючи від хімії сплаву до дизайну цвілі.

Його ефекти суттєво відрізняються між залізні та кольорові сплави, і його складність збільшується за допомогою неоднорідна або хитромудра геометрії.

Звернення до усадки є важливим для уникнення розмірних відхилень, пористість, і механічні збої.

2. Фундаментальні механізми

Усадка металу виникає в основному з термічне скорочення і Ефекти фазової трансформації. Як метали круто, атоми рухаються ближче до одного, в результаті Лінійне та об'ємне скорочення.

Наприклад, Лінійна швидкість усадки алюмінієвих сплавів може варіюватися від 5.5% до 6.5%, в той час як сталі зазвичай скорочуються 2%.

Більше, усадка посилюється протягом затвердіння, Особливо в м'якій зоні-напівзворотному стану, де годування стає важким.

З Взаємодія між швидкістю охолодження, Хімія сплаву, та еволюція мікроструктури Визначає, чи годування компенсує це скорочення чи такі дефекти, як пористість.

3. Класифікація усадки в металевому литі

Усадка в металевому литтях може бути класифікована на основі фази процесу затвердіння, під час якої воно відбувається, фізичні характеристики дефектів, які він виробляє, і його основні причини.

Розуміння цих класифікацій дозволяє інженерам Foundry впроваджувати цільові елементи проектування та процесів для пом'якшення дефектів лиття.

Рідка усадка

Рідка усадка відноситься до об'ємного відновлення, яке відбувається як розплавлений метал, охолоджується в рідкій фазі перед настанням затвердіння.

Цей тип усадки, як правило, потребує постійного годування від стояків, щоб компенсувати втрати обсягу та уникнути аспірації повітря або неповних заповнення.

• Типові величини: Приблизно 1% до 2% втрати обсягу в рідкій фазі, змінюється сплавом.
• Наслідки: Неадекватна конструкція стояка або низький металостатичний тиск можуть призвести до неправильно, Холод закривається, або Дефекти усадки поверхні.

Затвердіння (М'ясозон) Усадка

Під час переходу від рідини до твердого речовини, Металевий проходить через «кашкоподібну» фазу, що характеризується співіснуванням дендритних твердих речовин та міждентичної рідини.

Зниження обсягу під час цієї фази є найбільш складним для вирішення через зменшення проникності та можливості годування.

• Типи дефектів: Внутрішні порожнини та макропохилі, як правило, утворюються в останніх областях для затвердіння, особливо в термічних центрах або погано годуванні секцій.
• Чутливі сплави: Сплави з широким замерзанням (Напр., деякі мідні та алюмінієві сплави) особливо вразливі.

Модель (Суцільний) Усадка

Після повного затвердіння, Кастинг продовжує стискатися, коли він охолоне до температури навколишнього середовища.

Це скорочення, відома як усадка моделі, є лінійним розмірним зменшенням і, як правило, враховується в конструкції візерунків і форм.

• Коефіцієнт усадки:

• • Сіре залізо: ~ 1%
  • Вуглецева сталь: ~ 2%
  • Алюмінієві сплави: 4–6,5%

• Інженерна відповідь: Моделі CAD масштабуються за допомогою емпіричних факторів скорочення для запобігання розмірному відхиленню.

Макропохват проти. Мікропідсилювання

• Макрополатка: Вони великі, Видимі порожнини усадки, часто локалізується поблизу стояків, термічні центри, або на товстих секціях.
  Вони значно послаблюють структурну цілісність і зазвичай відкидаються у критичних додатках.
• Мікропідсилювання: Це дисперсні пористі на мікроскопічному рівні, Часто внаслідок недостатнього міждендритного годування або локалізованих теплових градієнтів.
  Хоча вони можуть бути не видно зовні, вони знижують стійкість до втоми, Утримання тиску, і механічні властивості.

Трубопроводи та відкриття усадки

Трубопроводи відноситься до характерної порожнини усадки у формі воронки, яка утворюється у верхній частині лиття або стояка через прогресивне затвердіння з периферії всередину.
Відкрита усадка-це пов'язана порожнина, пов'язана з поверхнею.

• Промисловості: Трубопроводи поширені в сталеві виливки Для компонентів структурного та тиску, де вимоги до годування високі.
• Контрольні заходи: Правильний дизайн стояка, включаючи використання ізоляційних рукавів та екзотермічних матеріалів, може значно зменшити або усунути ці дефекти.

4. Металургійна перспектива

Поведінка затвердіння залежить від сплаву і впливає на характеристики усадки:

Евтектичне затвердіння

Сплави, такі як сірий залізо та al-si, демонструють вузькі замерзаючі діапазони. Затвердіння відбувається майже одночасно протягом усього кастингу, Зменшення потреб у годуванні, але збільшення ризику пористості газу.

Спрямоване затвердіння

Бажаний для структурних кастин (Напр., У сталей або NI Superalloys), Це дозволяє передбачати шляхи годування.

Контролюючи тепловий градієнт, Затвердіння прогресує від тоншого до більш товстих секцій.

Екваліфіковане затвердіння

Поширені в бронзах та деяких сплавах АЛ, Це передбачає випадкове зародження зерен, що може порушити канали годування та збільшити пористість.

З металургійної точки зору, вдосконалення зерна, щеплення, і дизайн сплавів Відіграйте критичну роль у мінімізації усадки, сприяючи рівномірному затвердінню та покращенню годівлі.

5. Дизайн & Інженерна перспектива

З точки зору дизайну та інженерії, Контроль усадки починається з розумної геометрії та стратегій годування цільового годування.

Ефективні частини не тільки відображають металургійне розуміння, але й втілюють найкращі практики в секціях, масштабування візерунка, та термічне управління.

Товщина секції & Теплові градієнти

Більш товсті секції зберігають тепло довше, Створення "гарячих точок", які затверджують останнє, і витягують розплавлений метал від тонших областей.

Наприклад, a 50 сталева стіна товщиною мм може охолонути на 5 ° C/хв, тоді як a 10 Мм секція охолоджується на 20 ° C/хв при тих же умовах. Щоб пом'якшити це:

• Рівномірна товщина стінки мінімізує екстремальні градієнти.
• Округлі переходи (Мінімальний радіус філе = 0,5 × Товщина стінки) запобігти локалізованому тепловому стресі.
• Коли товщина змінюється більш ніж 3:1, Включіть внутрішній озноб або локалізовані стояки.

Масштабування візерунка & Регіональні надбавки

Глобальні надбавки до усадки, як правило, варіюються від 2.4% для вуглецевих сталей до 6.0% для алюмінієвих сплавів. Однак, Складні кастинги вимагають Масштабування специфічного для регіону:

• Тонкі павутини (≤ 5 мм): Застосовуйте 0,8 × глобальна допомога (напр.. 1.9% для сталі).
• Товсті начальники (≥ 30 мм): збільшити на 1,2 × (напр.. 2.9% для сталі).
  Сучасні інструменти CAD підтримують багатофакторне масштабування, що дозволяє безпосередньо картографувати локальні надбавки для зразка геометрії.

Підйомник, Обтягуючий & Стратегії холоду

Просування спрямоване затвердіння вимагає стратегічного розміщення годівниць та контролю температури:

• Обсяг стояки повинен дорівнювати 30–40% маси зони, яку вона живить.
• Стояки позиції безпосередньо над тепловими гарячими точками, ідентифіковано за допомогою моделювання затвердіння або теплового аналізу.
• Ізоляційні рукава Близько стояків сповільнюють охолодження на 15–20%, Розширення часу годування.
• Озноб виготовлений з міді або заліза, прискорює місцеве затвердіння, Відволікаючи фронт затвердіння у бік стояка.

Дизайн для виробництва

Рання співпраця між дизайном та ливарними командами знижує ризик усадки.

Шляхом інтеграції Керівні принципи DFM—Кі, Адекватні кути проекту (> 2° для лиття піску), і спрощені ядра - інженери можуть:

• Нижчі показники брухту на 20–30%
• Скоротити час відведення, уникаючи декількох ітерацій
• Забезпечити успіх першого проходу у високоточних компонентах, наприклад, корпуси двигуна з ± 0,2 мм вимоги до толерантності

6. Моделювання & Прогнозування моделювання

Сучасні операції з кастингу Моделювання термічних та рідин на основі CFD Для попереджих ідентифікаційних об'єктів, схильних до усадки.

Використання таких інструментів, як Magmasoft®, Flow-3D®, або Procast®, ливарні можуть:

• Передбачити гарячі точки і доріжки
• Оцініть вплив відбору сплавів, дизайн цвілі, і наливання параметрів
• Моделюйте кілька сценаріїв кастингу перед фізичним виробництвом

Інтеграція моделювання з CAD/CAM системи дозволяє більш точний дизайн інструментів, значно зменшується ітерації проб і помилок, витрачати, і час виконання.

7. Контроль якості & Огляд

Виявлення дефектів має вирішальне значення для перевірки цілісності лиття. Зазвичай використовується Неруйнівне тестування (NDT) Методи включають:

• Рентгенографічний огляд (Рентгенівський): Виявляє внутрішні порожнини усадки та макро дефекти
• Ультразвукове тестування (ЮТ): Ідеально підходить для виявлення пористості та внутрішніх розривів у щільних сплавах
• Розмірний аналіз (CMM, 3D лазерне сканування): Перевіряє надбавки до усадки та відповідність специфікаціям

Засновники також впроваджують Статистичний контроль процесу (SPC) Для моніторингу варіацій усадки на різних партіях та постійне покращення можливостей процесу.

8. Орієнтовні лінійні дозволи на усадку для загальних кастингових сплавів.

Нижче наведена консолідована таблиця приблизних лінійних дозвіл на діапазон загальнодержавних сплавів.

Використовуйте їх як вихідні точки за шаблоном або масштабуванням САПР - тоді перевірити за допомогою моделювання та прототипів, щоб набрати в кінцевих розмірах.

9. Висновок

Розуміння різних типів усадки в металевому литтях - рідка, затвердіння, і твердий стан-важливий для виробництва структурно звукових та розмірів точних компонентів.

Оскільки сплави та геометрії частини стають складнішими, Так само і наші стратегії розвиваються.

Пом'якшення усадки вимагає Мультидисциплінарний підхід Залучення металургії, дизайн, моделювання, та контроль якості.

Ливарні, які охоплюють Прогнозування моделювання, Контроль у режимі реального часу, і Процеси спільного проектування краще обладнані для зменшення відходів, оптимізувати вартість, і доставити компоненти, які відповідають найвищим стандартам продуктивності та надійності.

В Це, Ми раді обговорити ваш проект на початку процесу проектування, щоб гарантувати, що будь-який сплав буде обраний або застосовано після кістерів, Результат відповідатиме вашим механічним та характеристикам продуктивності.

Для обговорення ваших вимог, електронна пошта [email protected].