1. 介绍
投资铸造 - 通常称为 失去蜡过程 - 可生产复杂的制造商, 近网状金属组件具有特殊的表面饰面和尺寸精度.
当与高性能配对时 合金钢, 该技术提供了承受极端负载的零件, 腐蚀性环境, 和温度升高.
本文探讨了从基本原理到材料选择的合金钢投资铸件, 过程控制, 微观结构, 申请, 设计指南, 并结论最佳实践.
2. 合金钢投资铸造
投资铸造 - 也称为 损失的蜡过程 - 通过将一次性蜡图案与耐用的陶瓷模具相结合，将精度组件结合在一起.
应用于 合金钢, 它解锁了复杂的几何形状和卓越的性能，可与代价高昂的加工或多件制造.
以下, 我们分解了核心步骤, 基准对沙子铸造和CNC加工的准确性, 并突出决定性优势.
过程概述
- 蜡模式创建
• 注射模具 最后一部分的高精度蜡复制品 - 耐受性可以达到±0.1 mm.
•图案树可能会将多个零件分组以进行批处理处理, 增强吞吐量. - 陶瓷外壳建筑
• 浸渍: 蜡组件进入细粒陶瓷泥浆 (粘度〜15 cp).
• 灰泥: 排干后, 外壳接收一层难治性的沙子 (15–30 µm).
• 重复: 替代浸入和灰泥4-8倍，可实现4–8毫米厚的壳，可实现1-3 µm. - 脱水和炮弹加强
• 高压釜 或蒸汽加热融化蜡, 留下一个空隙与所需的几何形状完全匹配.
•然后在200–300°C下干燥贝壳，以排除残留水分并增强模具. - 倒熔合钢
•融化合金钢 (例如。, 4140) 在EAF或感应炉中 1 450–1 550 °C.
• 倒 预热 (>200 °C) 贝壳以最大程度地减少热冲击并确保完全填充. - 壳去除 & 最终完成
• 颤抖 敲开陶瓷, 其次是 爆炸 和 研磨.
•临界机加工表面的津贴为1-2毫米，达到±0.25 mm公差.
与沙子铸造和加工的比较
| 方面 | 合金钢投资铸造 | 沙子铸造 | CNC加工从酒吧库存 |
|---|---|---|---|
| 尺寸公差 | ±0.25 mm | ±1.0毫米 | ±0.05毫米 |
| 表面饰面 (RA) | 1–3 µm | 10–25 µm | 0.4–1.6 µm |
| 复杂的几何形状 | 高度复杂, 薄壁 | 缓和, 需要草稿 | Limited by tool access |
| 物质产量 | > 90 % | 60–70 % | 30–50 % |
| 次要加工 | 30–50 % 减少 | 通常很广泛 | 主要过程 |
3. 投资铸件的典型合金钢等级
选择正确的合金钢级决定了投资的机械性能, 耐腐蚀性, 和耐热性.
以下是通过类别构建的常见铸造等级的细分，并具有其标志性属性和典型的应用.
| 年级 | 类别 | 关键合金元素 | 抗拉强度 (MPA) | 硬度 (HRC) | 典型的应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 8620 | 表壳可低合金 | c 0.18%, 在 0.40%, Cr 0.40%, 莫 0.15% | 550–650 | 20–30 | 尺寸硬化的齿轮, 轴, 衬套 |
| 4140 | Chrome-Moly低合金 | c 0.40%, Cr 1.00%, 莫 0.25%, Mn 0.75% | 800–950 | 28–40 | 高强度的轴向, 摇臂 |
| 4340 | 镍 - 铬混合低合金 | c 0.40%, 在 1.80%, Cr 0.80%, 莫 0.25% | 900–1 100 | 32–45 | 飞机配件, 重型车轴 |
| 17-4ph | 降水硬化的SS | Fe – 17Cr – 4ni – 4cu – 0.3nb | 850–1 100 | 28–40 | 耐腐蚀的泵外壳, 阀零件 |
| 316l | 奥氏体不锈钢 | Fe – 18cr – 12ni – 2mo | 480–620 | ≤25 | 化学加工设备, 海洋配件 |
| 410 | 马氏体不锈钢 | Fe – 12cr | 450–600 | 30–45 | 耐磨性外壳, 阀装饰 |
| A217 WC6 | CR – MO压力脉管钢 | c 0.10%, Cr 2.25%, 莫 1.00% | 550–700 | ≤30 | 高温阀, 蒸汽管道 |
| A217 WC9 | CR – MO – V压力脉管钢 | c 0.08%, Cr 9.00%, 莫 1.00%, v 0.20% | 600–750 | ≤32 | 超纯净的蒸汽阀, 重型锅炉零件 |
4. 微观结构和热处理
投资播放合金钢固化成 树突状 具有非均匀溶质分布和块状碳化物的结构集中在跨质区域.
例如, AS-Cast Aisi 4140 经常表现出 初级树突臂间距 的 50–200 µm, 在晶界形成的富含铬的M₇C₃碳化物和钼富含钼的M₆C碳化物.
这种不均匀性导致变化可变 (大约 280–320 HBW) 和局部应力集中器, 哪些损害疲劳寿命和可加工性.
退火 和谷物精致
使微观结构匀浆, 铸造厂通常 退火 铸件 800–850°C 2-4小时, 然后是炉冷却 ≤20°C/小时.
这个周期促进 球体化 碳化物和降低硬度 180–220 HBW, 缓解加工.
因此, 晶粒尺寸从ASTM 4-6的额定值提高到6-8, 增强延展性 15–25 % 并减少内部压力 90 %.
标准化和均匀特性
随后, 标准化 在 900–950°C 随着空气冷却，ASTM 5–7进一步完善了谷物，并产生更均匀的 珍珠质 - 有财产 矩阵.
归一化 4340 铸件达到拉伸强度 850–950 MPA 和夏比的影响值接近 35 j, 改善韧性 20 % 与铸造条件相比.
淬火 & 发脾气高强度
为了最大程度的力量, 合金钢进行 淬火 & 脾气: austEnitizing at 840–860°C, 淬灭室温, 然后回火 550–600°C 为了 2 × 2 小时. 此序列将矩阵转换为 脾气暴躁的马氏体, 分散细碳化物 (10–50 nm), 并提高硬度 HRC 45–50 有拉伸力量 1 200 MPA. 回火还恢复了韧性 15–25 j, 平衡力量和影响抵抗力.
解决方案处理 & 不锈钢的年龄
不锈钢等级 17-4ph 受益 解决方案处理 在 1 040 °C, 在水中淬火, 和 老化 在 480 °C 为了 4 小时.
这种降水循环会产生 纳米级ni₃(al,铜) 颗粒, 提升硬度 HRC 38–42 并屈服于 850 MPA 同时保持耐腐蚀性.
5. 合金钢投资铸件的关键优势
合金钢投资铸造提供了精确的独特组合, 表现, 和成本效益，几乎没有流程可以匹配:
复杂的几何和设计自由
投资铸造可以通过其他方法来处理不可能的或过于昂贵的形状 - , 内部段落, 薄壁向下 1 毫米, 和复杂的晶格结构.
因此, 设计人员最多将零件计数减少 50 % 通过用单个投资组件替换多件焊接或组件.
紧密的公差和优越的表面饰面
Typical dimensional accuracy of ±0.25 mm and as-cast surface finishes of Ra 1–3 µm eliminate extensive secondary machining.
最后, 制造商报告 30–50 % 快点 CNC周期时间至 40 % 降低 与砂流零件相比，完成费用.
优质的材料利用和产量
近网状形状减少原材料废物, 实现超出材料的产量 90 % 相对 60–70 % 用于沙子铸造或 30–50 % 用于方坯加工.
降低废料率直接转化为 15–25 % 节省高价值合金的材料成本.
广泛的合金兼容性
来自低合金钢 (8620, 4140, 4340) 不锈钢和耐热等级 (17-4ph, 316l, H13), 投资铸造几乎适合任何合金配方.
铸造厂可以严格控制化学成分和融化清洁度 (包含水平 < 100 ppm),
确保一致的机械性能 - 从 350 到 1 200 MPA, 硬度达到HRC 55, 夏比韧性值10-60 j.
可重复性和可伸缩性
陶瓷模具抵抗50-100倒的变形, 在生产运行中产生一致的结果.
可重复性更好 95 % 在临界维度上，OEM可以自信地从原型批处理 10 全面生产的零件 1 000+ 最少的零件.
6. 合金钢投资铸件的应用
航天
- 关键组件: 涡轮刀片, 结构支架, 发动机安装座, 外壳零件.
汽车行业
- 关键组件: 涡轮增压器外壳, 传输部件, 制动系统组件, 发动机零件.
石油和天然气
- 关键组件: 阀体, 泵外壳, 叶轮, 钻井工具, 连接器.
工业机械
- 关键组件: 齿轮, 耦合, 凸轮, 机械臂, 液压成分.
军事和防御
- 关键组件: 武器组件, 装甲车零件, 导弹系统元素.
医疗设备
- 关键组件: 手术器械, 骨科植入物, 牙科工具.
力量和能量
- 关键组件: 蒸汽轮机零件, 燃气轮机叶片, 发电机组件, 锅炉配件.
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从最初的设计咨询到最终检查, 这 整合严格的质量控制和冶金专业知识以提供耐用, 在最苛刻的环境中可靠的高性能合金钢组件.
8. 结论
合金钢投资铸造合并 设计复杂性 和 高性能冶金.
通过精确控制蜡模式, 陶瓷壳, 浇注, 和热处理,
制造商提供的组件 拉伸力量达到 1 200 MPA, RA 1–3 µm的表面饰面, 和 尺寸公差为±0.25 mm.
作为数字模拟, 添加蜡的产生, 和高级合金进化, 投资铸造将继续塑造航空航天中关键任务零件的未来, 活力, 医疗的, 及以后.
