Ba điểm quan trọng cần cân nhắc đối với kết cấu đúc bằng thép không gỉ

Thép không gỉ vật đúc được làm bằng kim loại (Vĩnh viễn) khuôn mẫu hoặc khuôn mẫu đầu tư chính xác mang đến một loạt cơ hội và rủi ro.

So với đúc khuôn cát, vật đúc bằng khuôn kim loại nguội và đông đặc nhanh hơn và khuôn không bị “nhún” trong quá trình co ngót.

Việc làm mát nhanh hơn cộng với việc không tuân thủ khuôn mẫu sẽ làm tăng căng thẳng bên trong, làm tăng nguy cơ nứt và phóng đại các khuyết tật như chạy sai, đóng cửa lạnh và điền không đầy đủ.

Để sản xuất mạnh mẽ, kết cấu đúc bằng thép không gỉ đáng tin cậy, ba hạng mục thiết kế và kiểm soát quy trình đáng được quan tâm hàng đầu:

(1) đảm bảo làm đầy hoàn toàn và tránh các khuyết tật lạnh, (2) ngăn ngừa nứt cứng và nứt cơ học, Và (3) thiết kế để khai thác khuôn, dụng cụ và độ ổn định kích thước.

Phần sau đây giải thích sâu từng lĩnh vực và cung cấp thông tin cụ thể, các hành động và danh sách kiểm tra cấp kỹ thuật.

Tổng quan - tại sao vật đúc bằng thép không gỉ trong khuôn kim loại lại đặc biệt

• Làm mát nhanh hơn → độ dốc nhiệt cao hơn. Sự thoát nhiệt nhanh làm tăng ứng suất kéo bên trong trong quá trình hóa rắn và ở nhiệt độ phòng.
• Không tuân thủ khuôn mẫu. Không giống như cát, khuôn kim loại không nén để thích ứng với sự co ngót; sự co ngót bị hạn chế gây ra nứt hoặc rách nóng trừ khi thiết kế cho phép co lại hoặc cấp liệu tự do.
• Thay đổi hành vi bề mặt/dòng chảy. Phần mỏng làm mất tính lưu động của kim loại một cách nhanh chóng; bề mặt ngang lớn và các góc nhọn làm xấu đi sự hình thành oxit, dòng chảy lạnh và chạy sai.
• Độ nhạy hợp kim. Hợp kim thép không gỉ (austenit, hai mặt, lớp đúc martensitic) khác nhau về phạm vi đóng băng, tính lưu loát và dễ bị nứt nóng nên thiết kế dành riêng cho hợp kim là điều cần thiết.

1. Ngăn chặn việc điền đầy không đầy đủ, tắt lạnh và các lỗi làm đầy khác

Vấn đề cốt lõi: trong khuôn kim loại, chất không gỉ nóng chảy mất nhiệt nhanh chóng và có thể đông đặc lại trước khi khoang được lấp đầy hoàn toàn, tạo ra sai sót, vòng lạnh và bẫy oxit.

Nguyên tắc thiết kế

• Trơn tru, hình học bên ngoài được sắp xếp hợp lý. Tránh thay đổi phần đột ngột, góc nhọn, và những thay đổi từng bước làm xáo trộn dòng chảy.
  Ưu tiên các chuyển tiếp tròn và các mối nối được bo tròn để duy trì dòng kim loại nhiều lớp và giảm sự mắc kẹt của màng oxit.
• Tránh những căn hộ ngang lớn. Bề mặt ngang gây ra sự lấp đầy chậm, tiếp xúc rộng rãi với không khí/kim loại (quá trình oxy hóa) và mất tính lưu động; phá vỡ các căn hộ lớn với độ khum nhẹ nhàng, xương sườn hoặc các đặc điểm dốc.
• Sử dụng độ dày tiết diện thích hợp. Đừng làm những bức tường mỏng có diện tích rộng.
  Các phần mỏng trong các bộ phận lớn nguội đi và mất khả năng chảy nhanh chóng—làm dày các phần quan trọng hoặc thiết kế độ dày cục bộ để cấp liệu.
• Thiết kế cổng và đường chạy được tối ưu hóa. Xác định vị trí các cổng để cấp nguồn cho các khu vực nặng nhất hoặc chậm nhất trước tiên; sử dụng cổng vào có kích thước phù hợp, lối vào tròn và mở rộng dòng chảy để giảm thiểu nhiễu loạn và cuốn theo oxit.
  Sử dụng hình học bên trong để giữ nhiệt độ kim loại lỏng ở mức cao khi nó đạt tới các điểm khoang sâu nhất.

Kiểm soát quy trình

• Quản lý quá nhiệt. Duy trì nhiệt độ nóng chảy ở mức cao trong phạm vi khuyến nghị cho hợp kim đã chọn (trong giới hạn an toàn), để kéo dài tính lưu loát mà không thúc đẩy quá trình oxy hóa.
• Khí quyển bảo vệ / thông lượng. Giảm thiểu quá trình oxy hóa (đặc biệt là ở những đoạn mỏng) sử dụng chất trợ dung che phủ, môi trường chân không hoặc bảo vệ nếu có thể.
• Cổng và nguồn cấp liệu cách nhiệt hoặc sưởi ấm. Ống bọc cách nhiệt hoặc sưởi ấm cục bộ trên đường chạy có thể giữ nhiệt và giảm chạy sai.
• Sử dụng cảm giác ớn lạnh khi cần thiết. Làm lạnh bên ngoài một cách chiến lược giúp định hướng quá trình hóa rắn và có thể giảm nguy cơ đóng cửa lạnh khi kết hợp với cổng ngăn thích hợp; tránh cảm giác ớn lạnh làm đông cứng sớm đường dẫn dòng chảy cuối cùng.
• Mô phỏng (CFD hóa rắn/dòng chảy) nên được sử dụng để xác nhận thời gian điền đầy và xác định rủi ro đóng nguội trước khi chế tạo khuôn.

2. Ngăn ngừa vết nứt đúc, nước mắt nóng và gãy xương căng thẳng

Vấn đề cốt lõi: co rút hạn chế, gradient nhiệt và các bộ tập trung ứng suất cục bộ gây ra hiện tượng rách nóng trong quá trình đông đặc hoặc nứt khi làm nguội.

Quy tắc thiết kế kết cấu

• Độ dày tường đồng đều. Thiết kế các bức tường sao cho thống nhất nhất có thể.
  Tránh chuyển đổi đột ngột giữa phần mỏng và dày; nơi cần chuyển đổi, sử dụng côn dần dần và philê hào phóng.
• Thêm xương sườn và miếng lót vào vùng yếu. Trang web mỏng, Các phần nhô ra mỏng hoặc các bức tường dài không được hỗ trợ dễ bị nứt - được gia cố bằng các gân hoặc phần nhô ra, nhưng hãy thiết kế chúng để chúng không tạo ra những ràng buộc hạn chế về độ co ngót.
• Giảm thiểu các tính năng ngăn chặn sự co rút tự do. Vấu, mặt bích và phần trùm nhúng có chức năng hạn chế sự co lại về mặt cơ học là những tác nhân gây ra vết nứt thường xuyên; giảm số lượng, di dời, hoặc thiết kế chúng với hình phù điêu phù hợp.
• Ưu tiên các mối nối nghiêng hơn các mối nối đối đầu dọc. Thay thế các kết nối từng bước theo chiều dọc bằng các kết nối dốc hoặc côn nếu có thể—độ dốc giúp tránh ứng suất kéo bị kẹt trong quá trình hóa rắn.
• Phi lê rộng rãi ở tất cả các góc bên trong/bên ngoài. Các góc nhọn đóng vai trò là nơi tập trung ứng suất và là nơi tạo mầm cho các vết nứt.
  Đối với các bộ phận đúc bằng thép không rỉ, sử dụng bán kính lớn hơn so với đúc cát—bán kính phi lê tỷ lệ với độ dày thành (xem đơn thuốc bên dưới).

Quá trình & điều khiển luyện kim

• Kiểm soát hướng hóa rắn. Sử dụng nguyên tắc hóa rắn định hướng (vị trí đặt ống nâng và cảm giác ớn lạnh) để quá trình đông đặc diễn ra từ mỏng đến dày và cho ăn đầy đủ; tránh các điểm nóng bị cô lập.
• Thiết kế và bố trí bộ cấp liệu/ống nâng. Đảm bảo các ống nâng được thiết kế tốt cung cấp cho các vùng đông đặc cuối cùng.
  Để đúc khuôn cố định, Hiệu suất của ống đứng phải tính đến việc làm mát nhanh hơn và thời gian cấp liệu ngắn hơn; sử dụng ống nâng cách nhiệt hoặc ống bọc tỏa nhiệt khi hữu ích.
• Giảm căng thẳng bên trong bằng cách xử lý nhiệt. Đối với các thành phần quan trọng, xem xét ủ hoặc đồng nhất hóa giảm ứng suất sau đúc để giảm ứng suất dập tắt có thể gây ra nứt.
  Ghi chú: một số loại không gỉ có thể yêu cầu chu trình nhiệt cụ thể để tránh sự nhạy cảm hoặc các pha không mong muốn—phối hợp HT với nhà luyện kim.
• Sử dụng hợp kim chịu nhiệt hoặc máy tinh chế ngũ cốc. Nếu có thể, hãy chọn các loại hoặc chất phụ gia làm giảm khả năng bị rách nóng, và áp dụng các máy tinh chế ngũ cốc để kiểm soát cấu trúc đuôi gai.
• Tránh sự chênh lệch làm mát đột ngột. Quản lý nhiệt độ khuôn và tốc độ làm mát để giảm độ dốc nhiệt rõ rệt (làm nóng khuôn trước khi có lợi).

3. Khai thác khuôn, bản nháp, phi lê và khả năng sản xuất khuôn kim loại

Vấn đề cốt lõi: khuôn vĩnh viễn không có cho; lõi và vật đúc phải được thiết kế để phóng ra đáng tin cậy và giảm thiểu hư hỏng dụng cụ đồng thời có khả năng co nhiệt.

Những cân nhắc và hành động chính

• Tăng dự thảo (côn) so với đúc cát. Vì khuôn kim loại thiếu khả năng đóng mở của cát, cung cấp góc nháp lớn hơn-tiêu biểu 30–Lớn hơn 50% so với loại dùng để đúc cát.
  Thực tế: nếu dự thảo đúc cát của bạn là 1°–2°, thiết kế góc nghiêng của khuôn cố định ~1,3°–3° (quy mô với bề mặt hoàn thiện, chiều cao hợp kim và tường).
  Bản nháp lớn hơn tạo điều kiện đẩy ra và giảm mài mòn dụng cụ.
• Mở rộng bán kính phi lê và bán kính góc. Sử dụng bán kính hào phóng tại các nút giao thông: (Một) giảm nồng độ ứng suất và nứt, (b) dễ dàng điền vào khuôn, Và (c) cho phép phát hành phần tốt hơn.
  Theo nguyên tắc thông thường, tạo thang đo bán kính phi lê với độ dày thành cục bộ (ví dụ., bán kính theo thứ tự 5–15% độ dày thành cục bộ, với bán kính thực tế tối thiểu vài mm đối với vật đúc nhỏ). (Điều chỉnh theo các ràng buộc hình học và dụng cụ.)
• Độ dày thành tối thiểu - tăng so với đúc cát. Các bộ phận không gỉ đúc khuôn kim loại thường yêu cầu độ dày thành tối thiểu lớn hơn thành phần đúc cát tương đương vì khuôn kim loại tỏa nhiệt nhanh hơn.
  Như một quy luật, tăng mức tối thiểu đúc cát bằng 20–50% cho cùng một hợp kim và hình dạng trừ khi thiết kế và quy trình bộ phận được xác nhận. Luôn xác minh khả năng xử lý của xưởng đúc và dữ liệu hợp kim.
• Khoang bên trong và xương sườn: mạng lưới và xương sườn bên trong nên 0.6–0,7× độ dày của bức tường bên ngoài liền kề(S) để tránh vùng nguội chậm và sự co ngót chênh lệch gây nứt.
  Nếu các gân bên trong quá dày so với các bức tường xung quanh thì chúng sẽ đông đặc lại sau cùng và là tác nhân gây ra vết nứt điểm nóng..
• Bản nháp cho lõi và bản in lõi: bởi vì lõi không thể nén, các tính năng trích xuất và in cốt lõi phải mạnh mẽ và kết hợp các phần thu gọn phát hành. Xem xét lõi có thể thu gọn hoặc lõi chia khi hình học phức tạp.
• Đơn giản hóa các hình dạng bên ngoài phức tạp nếu có thể. Nếu hình dạng phức tạp gây khó khăn cho việc sản xuất, đơn giản hóa hình học bên ngoài hoặc chia thành phần thành các cụm lắp ráp phụ để tránh mất năng suất—làm như vậy trong khi vẫn duy trì các yêu cầu chức năng.

4. Các chủ đề thực hành bổ sung - luyện kim, kiểm tra và kiểm soát sản xuất

Lựa chọn và xử lý hợp kim

• Chọn dòng sản phẩm đúc không gỉ phù hợp cho chức năng. Các loại Austenitic có độ dẻo và độ ổn định cao nhưng có phạm vi hóa rắn khác với hợp kim song công hoặc martensitic - mỗi loại yêu cầu cổng cụ thể, trình tự tăng nhiệt và xử lý nhiệt.
• Xử lý nhiệt sau đúc phải được chỉ định. Giải pháp ủ, có thể cần giảm căng thẳng hoặc ôn hòa; đối với các lớp song công, kiểm soát nhiệt đầu vào để tránh sự hình thành pha sigma không mong muốn.

Thực hành khuôn và dụng cụ

• Bề mặt hoàn thiện và bôi trơn. Sử dụng chất bôi trơn khuôn thích hợp để giảm khuyết tật bề mặt đúc và tạo điều kiện thuận lợi cho việc đẩy khuôn, nhưng tránh bôi trơn quá mức gây ra độ xốp hoặc ô nhiễm.
• Kiểm soát nhiệt độ khuôn. Làm nóng trước và duy trì nhiệt độ khuôn được kiểm soát giúp giảm sốc nhiệt và đông đặc không nhất quán.
• Thông hơi và khử khí. Cung cấp lỗ thông hơi và sử dụng khử khí để tránh lỗ chân lông khí. Khuôn cố định phải được thiết kế có lỗ thông hơi hoặc hỗ trợ chân không khi đúc bằng thép không gỉ để kiểm soát độ xốp và bẫy khí..

Đảm bảo chất lượng & xác nhận

• Sử dụng mô phỏng hóa rắn và dòng chảy. Các mô hình CFD và hóa rắn cực kỳ hiệu quả trong việc dự đoán việc đóng nguội, chạy sai và nguy cơ rách nóng đối với vật đúc không gỉ khuôn kim loại—hãy sử dụng chúng trước khi chế tạo khuôn.
• Kiểm tra không phá hủy theo mức tới hạn. X quang, kiểm tra siêu âm hoặc quét CT xác định độ xốp bên trong, tạp chất và vết nứt.
  Mức độ NDT phải tương xứng với mức độ an toàn và chức năng.
• Phi công chạy & trình độ chuyên môn quá trình. Xác thực công cụ, cổng và xử lý nhiệt bằng vật đúc thí điểm và sau đó ghi lại các cửa sổ quy trình (nhiệt độ tan chảy, nhiệt độ khuôn, lấp đầy thời gian, chế độ dập tắt, HT sau đúc).

5. Bảng tóm tắt nhanh - ba lĩnh vực cần chú ý và hành động hàng đầu

6. Nhận xét cuối cùng

Thiết kế cấu trúc đúc bằng thép không gỉ để sản xuất khuôn kim loại là một vấn đề hệ thống mở rộng về hình học, luyện kim và kỹ thuật chế biến.

Ba lĩnh vực trọng tâm ở trên—lấp đầy & chảy, ngăn ngừa vết nứt, Và khai thác khuôn/khả năng sản xuất—nắm bắt các dạng hư hỏng chính và chỉ ra trực tiếp các biện pháp khắc phục kỹ thuật: hình dạng mịn, độ dày và chuyển tiếp được kiểm soát, cho ăn và cho ăn thích hợp, dự thảo và phi lê đầy đủ, và xử lý nhiệt được xác nhận.

Sử dụng mô phỏng, thử nghiệm thí điểm và sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà thiết kế và kỹ sư đúc để biến một thiết kế đầy thách thức thành một thiết kế mạnh mẽ, phần sản xuất lặp lại.

Tài liệu tham khảo chính

ASTM A351-23: Đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho vật đúc, Thép không gỉ Austenitic, cho các bộ phận chịu áp lực.

Hiệp hội đúc Mỹ (AFS). (2022). Cẩm nang đúc khuôn vĩnh viễn. Báo chí AFS.

ISO 3740:2019: Vật liệu kim loại—Đúc—Yêu cầu chung về kiểm tra và thử nghiệm.

Davis, J. R. (2019). Sổ tay đúc thép không gỉ. ASM quốc tế.