Giải quyết độ xốp co ngót trong đúc đầu tư bằng thép không gỉ

Độ xốp co ngót (khoang «co lại» bên trong, độ xốp của đường trung tâm và độ co rút vi mô) là một trong những khiếm khuyết thường gặp và gây hậu quả nhất về độ chính xác (mất sáp) đúc đầu tư bằng thép không gỉ.

Khiếm khuyết đặc biệt không thể chấp nhận được ở các bộ phận chịu áp lực (van, cơ thể bơm, bộ phận máy nén) nơi có thể xảy ra rò rỉ hoặc hư hỏng do mỏi.

Bài viết này tổng hợp thực tiễn, kinh nghiệm cấp kỹ thuật và chiến thuật giải quyết vấn đề để loại bỏ hoặc giảm thiểu độ xốp co ngót trong vật đúc chính xác bằng thép không gỉ.

1. Nguyên nhân cốt lõi - nguyên nhân khiến vật đúc đầu tư bằng thép không gỉ bị xốp?

co ngót độ xốp trong thép không gỉ đúc đầu tư không phải là dạng lỗi đơn lẻ mà là kết quả của một số yếu tố quy trình và luyện kim tương tác với nhau.

Trình điều khiển nội tại (hành vi hợp kim và hóa rắn)

Sự co rút tổng thể lớn

• Nhiều loại không gỉ co lại đáng kể khi đông đặc. Độ co thể tích điển hình của austenit thông thường là khoảng 4–6%, lớn hơn nhiều hợp kim sắt hoặc kim loại màu.
  Điều đó tạo ra nhu cầu cao về nguồn cấp kim loại lỏng để bù đắp khối lượng bị mất.

Vùng nhầy nhụa & kiên cố hóa da

• Austenit không gỉ thường có khoảng cách từ chất lỏng đến chất rắn hẹp hoặc tạo thành một “lớp da” bề mặt đông đặc nhanh chóng..
  Một lớp vỏ rắn có thể hình thành sớm ở bề mặt khuôn và giữ chất lỏng giữa các nhánh ở trung tâm., ngăn chặn việc cho ăn và tạo ra sự co rút giữa các nhánh.

Sự đông đặc đuôi gai và sự phân chia vi mô

• Các nguyên tố hòa tan phân tách thành chất lỏng liên nhánh trong quá trình đông đặc.
  Chất lỏng còn sót lại đóng băng cuối cùng và hình thành các mạng lưới liên kết với nhau; khi cho ăn không đầy đủ, những khu vực này hình thành các khoang co ngót phân nhánh.

Tính lưu động nóng chảy tương đối thấp

• Thép không gỉ nóng chảy thường chảy ít tự do hơn hợp kim nhôm hoặc đồng (độ dài dòng chảy xoắn ốc điển hình cho thép không gỉ ở ~ 1500 ° C theo thứ tự 300–350 mm).
  Khả năng chảy kém hạn chế khả năng lấp đầy các lối đi mỏng và cung cấp các điểm nóng ở xa.

Sự đánh đổi hợp kim

• Hàm lượng hợp kim cao (Mo, TRONG) cải thiện sự ăn mòn hoặc độ bền cũng có thể làm giảm tính lưu động và mở rộng hoạt động đóng băng hiệu quả đối với một số chế phẩm.
  Một số hóa chất làm cứng kết tủa hoặc song công có phạm vi đóng băng rộng hơn và dễ gặp phải các vấn đề về cấp liệu hơn.

Trình điều khiển bên ngoài (thiết kế, khuôn và quá trình)

Điểm nóng do thiết kế gây ra

• Phần dày, thay đổi phần đột ngột, các khoang kín và các khối biệt lập đóng băng cuối cùng và trở thành điểm nóng.
  Nếu những vùng này không được cho ăn đúng cách, đường tâm lớn hoặc co rút giữa các nhánh phát triển.
• Quy tắc thực tế: tỷ lệ độ dày đột ngột (ví dụ., 10 → 25 mm trên một khoảng cách ngắn) rủi ro điểm nóng tập trung.

Cho ăn và cho ăn không đầy đủ

• Risers/ingates có kích thước nhỏ, đặt không đúng cách, hoặc thiếu nhiệt không thể cung cấp kim loại lỏng để bù đắp sự co ngót cục bộ.
  Sự vắng mặt của con đường hóa rắn định hướng (tức là, kim loại sẽ đông cứng lại từ điểm xa nhất về phía ống nâng) là nguyên nhân gốc rễ thường xuyên.

Vỏ khuôn và các vấn đề cốt lõi

• Vỏ lạnh / làm nóng trước kém: Làm nóng vỏ trước không đủ sẽ khiến quá trình thoát nhiệt nhanh và rút ngắn thời gian cấp liệu.
• Shell quá nóng hoặc thuộc tính shell không nhất quán: có thể gây ra sự đông đặc không đồng đều.
• Thiệt hại lõi hoặc thông gió lõi kém: lõi bị lỗi, gãy xương hoặc không được thông hơi đúng cách có thể cản trở quá trình nạp khí hoặc tạo ra đường dẫn khí bị mắc kẹt.

Thiết kế tản nhiệt khay nạp/ống nâng kém

• Không có ống nâng, một cái nâng quá nhỏ (mô đun quá thấp), hoặc thiếu các biện pháp tỏa nhiệt/cách nhiệt có nghĩa là đường cấp liệu đông cứng trước hoặc cùng với điểm nóng (tức là, cho ăn không thành công).

Thực hành đổ

• Quá nhiệt không đủ hoặc nhiệt độ đổ thấp → đóng băng sớm và cho ăn không đầy đủ.
• Sự hỗn loạn quá mức hoặc bắn tung tóe → cuốn theo oxit (màng kép), làm gián đoạn tính liên tục của quá trình luyện kim và chặn các kênh cấp liệu liên nhánh tốt.

chất lượng tan chảy: khí và tạp chất

• Khí hòa tan (H₂, O₂) tạo ra lỗ khí hình cầu; khi kết hợp với sự co ngót do đông đặc, chúng làm trầm trọng thêm tình trạng không cho ăn được.
• Các tạp chất phi kim loại và màng kép tạo ra sự tắc nghẽn cục bộ và đóng vai trò là nơi tạo mầm cho các mạng co ngót. Kim loại chứa đầy tạp chất không thể đưa vào mạng lưới liên nhánh một cách hiệu quả.

Dụng cụ và xử lý ô nhiễm

• Hạt nhúng (cặn sáp, bụi vỏ, phôi thép) hoặc việc sử dụng không đúng cách các dụng cụ bằng thép cacbon có thể tạo ra các vị trí ăn mòn cục bộ hoặc độ xốp trong quá trình đông đặc và có thể cản trở các kênh cấp liệu.

Các chế độ lỗi phức hợp - nguyên nhân tương tác như thế nào

Độ xốp thường là kết quả của nhiều điểm yếu cùng nhau hành động: ví dụ., một điểm nóng dày + Riser nhỏ + nhiệt độ đổ thấp + hydro bị mắc kẹt. Bất kỳ nguyên nhân đơn lẻ nào cũng có thể được bù đắp nếu các biện pháp kiểm soát khác mạnh mẽ; nhiều điều kiện cận biên lấn át khả năng cho ăn và tạo ra độ xốp.

2. Chẩn đoán lỗi chính xác

Trước khi thay đổi quy trình hoặc thiết kế, xác nhận những gì bạn đang thấy.

Chẩn đoán đơn giản:

• Thị giác & sự chia cắt: Cắt vật đúc qua vùng nghi ngờ thường cho thấy một lỗ hổng lớn (co lại) hoặc một mạng lưới các khoang vi mô (độ xốp vi mô).
• X quang / CT: X quang cho thấy kích thước và vị trí khoang; CT rất tuyệt vời cho các hình học bên trong phức tạp.
• Kim loại: Kính hiển vi có thể phân biệt sự co rút giữa các nhánh với độ xốp của khí (lỗ khí hình cầu vs. khoang liên nhánh phân nhánh).
• Hóa chất & xem xét lại quá trình: Kiểm tra hàm lượng hydro, làm tan chảy sự sạch sẽ, đổ quá nhiệt, thuộc tính vỏ và thiết kế cổng.

Quy tắc giải thích: nếu sâu răng thẳng hàng với những con đường được củng cố lần cuối và có thành đuôi gai → thiếu dinh dưỡng. Nếu lỗ rỗng hình cầu và phân bố đều → độ xốp khí.

3. Biện pháp thiết kế (tuyến đầu tiên và tiết kiệm chi phí nhất)

Hầu hết các vấn đề về co ngót đều được giải quyết tốt hơn trong thiết kế so với trong quá trình chữa cháy.

Thúc đẩy quá trình kiên cố hóa định hướng

• Đặt nguồn cấp dữ liệu (máng ăn/ống đứng) để quá trình hóa rắn tiến triển từ điểm xa nhất về phía trung chuyển.
  Trong sáp bị mất, xem xét việc bố trí các điểm nóng bên ngoài, bộ cấp liệu cách nhiệt hoặc ống bọc tỏa nhiệt ở các khu vực quan trọng.
• Đơn giản hóa khoang: giảm các điểm nóng bị cô lập (túi đông cứng cuối cùng) bằng cách thay đổi hình học, thêm ống dẫn nhiệt hoặc đường dẫn bên trong đóng vai trò là nguồn cấp dữ liệu.

Tránh thay đổi phần đột ngột và các điểm nóng cục bộ

• Làm cho độ dày của tường đồng đều nơi khả thi; phần dày đột ngột là điểm nóng và cần cho ăn.
• Thêm phi lê, chuyển tiếp côn và bán kính thay vì các góc nhọn để giảm dòng nhiệt bị cản trở và cải thiện dòng chảy kim loại trong quá trình làm đầy.

Cung cấp thức ăn hy sinh cho các khoang bên trong

• Thiết kế các bộ cấp nguồn bên ngoài không nhiễu hoặc mỏng, phần mở rộng có thể tháo rời nơi không thể cho ăn bên trong.
  Đối với lõi bên trong, sử dụng bộ cấp liệu lõi gốm (cách nhiệt) hoặc phương pháp thiết kế để cắm phích cắm trung chuyển nhỏ.
• Chaplets cốt lõi & trút giận: đảm bảo lõi gốm được hỗ trợ nhưng không bị hạn chế quá mức; Chaplets phải được thiết kế sao cho chúng không tạo ra những hạn chế cố định về độ co ngót.

4. Thiết kế hệ thống cấp liệu - cung cấp những gì vật đúc cần

Cho ăn là trung tâm của việc ngăn ngừa co ngót.

• mô đun (Khvorinov) luật lệ: tăng kích thước để mô-đun của họ M_riser ≈ 1,2–1,5 × M_casting (điểm nóng lớn nhất). Điều đó đảm bảo rằng ống nâng sẽ cứng lại sau tính năng đúc mà nó cung cấp.
• Các loại ống nâng & vị trí: sử dụng các bậc thang trên cùng cho các điểm nóng thẳng đứng; Risers bên cho các điểm nóng phân tán. Đặt các ống nâng để nạp trực tiếp khối lượng tới hạn.
• Riser tỏa nhiệt và cách nhiệt: ống tăng nhiệt tỏa nhiệt kéo dài tuổi thọ chất lỏng bằng cách 30–50%; tay áo cách nhiệt giảm thất thoát nhiệt - cả hai đều tăng cửa sổ nạp liệu mà không cần các tấm nâng quá khổ.
• Nhiều cổng vào cân bằng: cho các phần hình trụ hoặc đối xứng, sử dụng 3–4 cổng cách nhau theo chu vi để phân phối dòng chảy và giảm các đường dẫn dài cuối cùng để hóa rắn.
• Thiết kế Á hậu: đường chạy tròn được sắp xếp hợp lý giảm thiểu lực cản dòng chảy; tránh uốn cong đột ngột và giảm mặt cắt đột ngột. Đối với vật đúc nhỏ, giữ nguyên đường kính đường dẫn ≥ 8 mm ở mức tối thiểu thực tế.

5. Kiểm soát quá trình đúc - kiểm soát thời gian hóa rắn

Những thay đổi nhỏ trong các thông số quy trình có tác động lớn.

• Vỏ làm nóng trước: cho thép không gỉ austenit (ví dụ., 316/316L) làm nóng vỏ trước để 800Mạnh1000 ° C.; để sử dụng lớp martensitic/PH 600Mùi800 ° C..
  Làm nóng trước đúng cách sẽ làm chậm quá trình nguội vỏ và kéo dài thời gian cho ăn. Tránh quá nóng (>1100 °C).
• Nhiệt độ rót & quá nóng: mục tiêu ~100–150 °C trên chất lỏng tùy thuộc vào hợp kim và phần. Ví dụ: 316L đổ vào ~1520–1560 °C (Kiểm soát ±5°C cho các bộ phận quan trọng).
  Nhiệt độ cao hơn làm tăng tính lưu động (giúp lấp đầy và cho ăn) nhưng làm tăng độ co ngót—sự cân bằng là điều cần thiết.
• Kiểm soát làm mát: cho các phần nặng, cách nhiệt vỏ (làm mát đóng hộp) trong 2–4 giờ sau khi đổ làm giảm độ dốc nhiệt và hỗ trợ cho ăn. Nên tránh làm nguội nhanh.
• Kiểm soát cổng và điền: vững chắc, lớp đệm làm giảm vòng lạnh và giảm sự đóng băng sớm trong các đường dẫn dòng chảy quan trọng.

6. Chất lượng nóng chảy và luyện kim - loại bỏ các vị trí tạo mầm

Khí và các tạp chất phi kim loại trong thép không gỉ nóng chảy đóng vai trò là hạt nhân cho độ xốp co ngót, vì vậy việc kiểm soát chặt chẽ chất lượng thép nóng chảy là điều cần thiết:

• Tinh chỉnh tối ưu hóa quy trình: Sử dụng quá trình khử cacbon bằng argon-oxy (AOD) hoặc khử oxy chân không (VOD) để tinh luyện thép nóng chảy, giảm cacbon, lưu huỳnh, và hàm lượng khí (H₂ ≤ 0.0015%, O₂ ≤ 0.002%).
  Đối với sản xuất hàng loạt nhỏ, sử dụng lò luyện muôi (LRF) bằng xỉ tổng hợp (CaO-Al₂O₃-SiO₂) để loại bỏ tạp chất phi kim loại.
• Khử khí và khử xỉ: Thực hiện thổi argon (tốc độ dòng chảy 0,5–1,0 L/phút mỗi tấn thép) trong 5–10 phút trước khi rót để loại bỏ hydro hòa tan.
  Hớt kỹ xỉ khỏi bề mặt gáo để tránh xỉ bám vào, gây ra cả sự co ngót và độ xốp.
• Kiểm soát bổ sung hợp kim: Tránh bổ sung quá nhiều nguyên tố hợp kim (ví dụ., Mo, TRONG) làm giảm tính lưu loát. Sử dụng vật liệu hợp kim có độ tinh khiết cao (độ tinh khiết ≥ 99.9%) để giảm thiểu việc đưa tạp chất vào.

7. Khắc phục nâng cao & tùy chọn sau khi truyền

Khi các biện pháp phòng ngừa không thể loại bỏ hoàn toàn sự co ngót hoặc khi yêu cầu độ xốp bằng không:

• Nóng isostatic nhấn (HÔNG): Chu trình HIP điển hình cho vật đúc không gỉ là 1100Mạnh1200 ° C. Tại 100MP150 MPA vì 2–4 giờ.
  HIP thu gọn khoảng trống bên trong, đạt được mật độ ≥ 99.9%, và phục hồi đáng tin cậy sự mệt mỏi và hiệu suất áp lực. HIP là giải pháp phù hợp cho các bộ phận hàng không vũ trụ và chịu áp lực cao.
• Đúc áp lực/ly tâm: kiên cố hóa áp lực (tạo áp suất trong quá trình làm mát) hoặc các biến thể ly tâm có thể làm giảm độ xốp cho một số hình dạng nhất định, mặc dù cần phải thay đổi công cụ và quy trình.
• Sửa chữa cục bộ: GTAW với chất độn ER316L có thể sửa chữa sự co ngót gần bề mặt sau khi đào cẩn thận và xử lý nhiệt sau hàn; không phù hợp với các khuyết tật bên trong vùng áp suất.
• Phương pháp kết hợp: recast cộng với HIP đôi khi là con đường duy nhất được chấp nhận cho các bộ phận bị co ngót bên trong định kỳ.

8. Kiểm soát chất lượng, thử nghiệm & sự chấp nhận

Đặt tiêu chí khách quan và xác minh sự tuân thủ.

• NDT: chụp X quang cho các khoảng trống bên trong, CT cho hình học phức tạp, UT cho các khuyết tật lớn hơn. Xác định sự chấp nhận (ví dụ., không có khoảng trống > X mm, độ xốp thể tích < Y%).
• Phân tích kim loại: xác nhận hình thái lỗ chân lông (liên nhánh vs khí) khi khắc phục sự cố.
• Thử nghiệm cơ học: độ bền kéo, năng suất, kéo dài, và kiểm tra áp suất/rò rỉ cho các bộ phận chịu áp lực; HIP thường yêu cầu xác minh việc điều trị bằng phương pháp điều chỉnh nhiệt độ hoặc giải pháp lại.
• Ghi nhật ký quá trình & SPC: ghi lại vỏ làm nóng trước, tan chảy & cho nhiệt độ, lần khử khí, kích thước và vị trí của ống nâng; các biến tương quan thống kê với tỷ lệ lỗi.

9. Trường hợp nghiên cứu (minh họa): loại bỏ sự co ngót của đế van trong thân van 316L

Vấn đề: 316Thân van chữ L (Xếp hạng áp lực 10 MPa) có hiện tượng co ngót ở chân van (22 tường mm), gây ra 15% Sự rò rỉ.
hành động

• Chia 22 khối lượng nóng mm thành hai phần ~ 10 mm với 3 xương sườn mm và sự chuyển tiếp dần dần.
• Đã thêm một bộ tăng nhiệt trên cùng tỏa nhiệt với mô-đun 2.0 cm và định vị lại hai cổng vào để cung cấp cho điểm nóng.
• Tăng khả năng làm nóng vỏ trước từ 750 → 900 °C và thiết lập đổ vào 1540 ± 5 ° C..
• Đã thông qua tinh chỉnh VOD + khử khí argon (8 phút) để giảm H₂ ≤ 0.001%.
  Kết quả: tỷ lệ co ngót giảm xuống 2%, loại bỏ rò rỉ, độ bền cơ học tăng ~ 8–10% - năng suất sản xuất và sự chấp nhận của khách hàng đã đạt mục tiêu.

10. Nguyên tắc chính và phương pháp thực hành tốt nhất để ngăn ngừa co ngót độ xốp

Phần này cô đọng các quy tắc kỹ thuật, các chiến thuật đã được chứng minh và các tiêu chuẩn vận hành cùng nhau ngăn chặn độ xốp co ngót trong các vật đúc bằng thép không gỉ.

Nguyên tắc cốt lõi (“Tại sao” đằng sau mỗi hành động)

1. Thiết kế để nuôi, trông không được đẹp. Mục tiêu chính của hình học là cho phép hóa rắn theo hướng và dòng kim loại lỏng không bị gián đoạn vào các vùng cuối cùng hóa rắn.
   Nếu thiết kế tạo ra các điểm nóng không thể tiếp cận, chỉ kiểm soát quy trình sẽ không ngăn ngừa được sự co ngót một cách đáng tin cậy.
2. Kết hợp khả năng cho ăn với nhu cầu co rút. Sử dụng mô-đun (Khvorinov) phương pháp xác định kích thước ống nâng để vật ăn tồn tại lâu hơn điểm nóng mà chúng cho ăn (quy tắc điển hình: M_riser ≈ 1,2–1,5 × M_casting).
3. Kiểm soát dòng thời gian nhiệt. Thời gian đông đặc (vỏ làm nóng trước, cho nhiệt độ, cách nhiệt/làm mát) xác định cửa sổ cho ăn.
   Quản lý các thông số đó một cách có chủ ý để kéo dài thời gian cho ăn khi cần thiết.
4. Loại bỏ các vị trí tạo mầm xốp trong quá trình tan chảy. Hydro thấp và số lượng tạp chất thấp làm giảm đáng kể khả năng chất lỏng giữa các nhánh bị mắc kẹt sẽ hình thành các khoảng trống.
5. Đo lường, mô phỏng và lặp lại. Sử dụng mô phỏng hóa rắn trước và NDT khách quan & luyện kim sau các thử nghiệm để hội tụ nhanh chóng vào một công thức mạnh mẽ.
6. Leo thang khi cần thiết. Khi các yêu cầu về hình học hoặc an toàn đòi hỏi độ xốp gần như bằng không (bộ phận áp lực, hàng không vũ trụ), chấp nhận tính kinh tế của việc khắc phục tiên tiến (HIP hoặc hóa rắn áp suất) thay vì chấp nhận phế liệu tái diễn.

11. Phần kết luận

Co ngót độ xốp trong thép không gỉ đúc đầu tư là một khiếm khuyết phức tạp do đặc tính hóa rắn của hợp kim, kết cấu đúc, và các tham số xử lý.

Giải quyết nó đòi hỏi một hệ thống, cách tiếp cận đa diện—tích hợp tối ưu hóa cấu trúc, thiết kế hệ thống cho ăn, Kiểm soát quá trình, và cải thiện chất lượng thép nóng chảy.

Bằng cách tuân thủ các nguyên tắc kiên cố định hướng, giảm thiểu điểm nóng, và kết hợp khả năng cho ăn với nhu cầu suy giảm, nhà sản xuất có thể giảm đáng kể độ xốp co ngót và cải thiện chất lượng vật đúc.

Cuối cùng, Việc giải quyết thành công độ xốp co ngót không chỉ là một thách thức kỹ thuật mà còn là một cam kết kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt và cải tiến liên tục trong toàn bộ vòng đời vật đúc.