不锈钢铸造结构的三个关键考虑因素

不锈钢 金属铸件 (永恒的) 模具或精密熔模模具带来了一系列独特的机遇和风险.

与砂型铸件相比, 金属模铸件冷却和凝固速度更快，并且模具在收缩过程中不会产生“屈服”.

更快的冷却加上零模具合规性会增加内应力, 增加开裂的可能性并放大缺陷（例如运行不良）, 冷隔和不完全填充.

生产坚固的, 可靠的不锈钢铸造结构, 设计和过程控制的三类值得重点关注:

(1) 确保完全填充并避免冷缺陷, (2) 防止凝固裂纹和机械裂纹, 和 (3) 模具提取设计, 模具和尺寸稳定性.

下面对各个区域进行深入的解释并给出具体的, 工程级行动和清单.

概述 — 为什么金属模具中的不锈钢铸件很特别

• 更快的冷却→更高的热梯度. 热量的快速提取会增加凝固过程中和室温下的内部拉伸应力.
• 不符合模具要求. 与沙子不同, 金属模具不会压缩以适应收缩; 除非设计允许自由收缩或进给，否则受限收缩会导致开裂或热撕裂.
• 表面/流动行为变化. 薄截面很快失去金属流动性; 大的水平表面和尖角会加剧氧化物的形成, 冷流和运行不良.
• 合金敏感性. 不锈钢合金 (奥氏体, 双工, 马氏体铸造牌号) 冻结范围不同, 流动性和热裂纹敏感性——因此合金特定设计至关重要.

1. 防止填充不完全, 冷隔和其他填充缺陷

核心问题: 在金属模具中，不锈钢熔体会迅速散热，并可能在型腔完全充满之前凝固, 产生运行不良, 冷卷和氧化物截留.

设计原则

• 光滑的, 流线型外部几何形状. 避免突然改变截面, 锋利的角落, 以及扰乱流程的阶跃变化.
  优选圆形过渡和圆角连接以保持层状金属流动并减少氧化膜的截留.
• 避免大的水平平面. 水平表面导致填充缓慢, 广泛的空气/金属接触 (氧化) 和流动性丧失; 以柔和的外倾角打破大平面, 肋或倾斜特征.
• 使用适当的截面厚度. 请勿制作大面积薄壁.
  大型部件中的薄截面会迅速冷却并失去流动性——要么加厚关键截面，要么设计局部加厚以供进料.
• 优化的浇口和流道设计. 首先找到最重或最慢填充区域的浇口; 使用尺寸合适的内浇口, 圆形入口和流动扩展，以最大限度地减少湍流和氧化物夹带.
  采用内浇口几何形状，使液态金属在到达最远的型腔点时保持较高的温度.

过程控制

• 过热管理. 将熔体温度保持在所选合金推荐范围的较高值 (在安全范围内), 延长流动性而不促进氧化.
• 保护气氛 / 磁通. 最大限度地减少氧化 (尤其是在狭窄的通道中) 使用覆盖助焊剂, 真空或保护气氛（如果可行）.
• 隔热或加热的门和馈线. 流道上的局部加热或隔热套可以保留热量并减少运行不良.
• 在需要的地方使用冷却剂. 战略性外部冷却有助于直接凝固，并与适当的浇注相结合可降低冷隔风险; 避免冷却过早凝固最后的流动路径.
• 模拟 (凝固/流动 CFD) 应用于在模具制造之前确认填充时间并识别冷隔风险.

2. 防止铸造裂纹, 热泪和应力性骨折

核心问题: 抑制收缩, 热梯度和局部应力集中导致凝固过程中的热撕裂或冷却时的开裂.

结构设计规则

• 均匀的壁厚. 设计墙壁尽可能统一.
  避免薄截面和厚截面之间的突然过渡; 需要转换的地方, 使用逐渐变细的锥度和宽大的圆角.
• 在薄弱区域添加肋骨和角撑板. 薄网, 薄的凸台或长的无支撑的墙壁容易破裂——用肋或凸台加固, 但设计它们时不会对收缩产生限制性约束.
• 最大限度地减少阻碍自由收缩的特征. 表耳, 以机械方式抑制收缩的法兰和嵌入式凸台是常见的裂纹引发因素; 减少数量, 搬迁, 或采用顺应浮雕设计它们.
• 优先选择倾斜连接而不是垂直对接连接. 尽可能用倾斜或锥形连接代替垂直阶梯式连接 - 倾斜有助于避免凝固过程中被困的拉伸应力.
• 所有内/外角都有大量圆角. 尖角充当应力集中点和裂纹成核点.
  用于铸造不锈钢零件, 使用比砂型铸造更大的半径——按壁厚缩放圆角半径 (见下面的处方).

过程 & 冶金控制

• 控制凝固方向. 使用定向凝固原理 (立管放置和冷却) 使凝固由稀到稠，补缩充足; 避免孤立的热点.
• 喂料器/冒口设计和放置. 确保精心设计的冒口为最后的凝固区域供料.
  用于永久型铸造, 提升管效率必须考虑到更快的冷却和更短的进料时间; 在有帮助的情况下使用绝缘立管或放热套.
• 通过热处理消除内应力. 对于关键部件, 考虑铸造后去应力退火或均质化，以减少可能导致裂纹的淬火应力.
  笔记: 某些不锈钢牌号可能需要特定的热循环以避免敏化或不需要的相——与冶金学家协调 HT.
• 使用抗热裂合金或晶粒细化剂. 尽可能选择降低热撕裂敏感性的牌号或添加剂, 并应用晶粒细化剂来控制枝晶结构.
• 避免突然的冷却差异. 管理模具温度和冷却速率以减少急剧的热梯度 (在有利的情况下预热模具).

3. 模具取出, 草稿, 金属模具的圆角和可制造性

核心问题: 永久模具没有给力; 型芯和铸件的设计必须能够实现可靠的顶出和最小化工具损坏，同时还能适应热收缩.

主要考虑因素和行动

• 增加吃水 (锥度) 相对于砂型铸造. 因为金属模具缺乏砂子的溃散性, 提供 更大的拔模角-通常 30–比砂型铸造所用的大 50%.
  几乎: 如果您的砂铸拔模斜度为 1°–2°, 设计 ~1.3°–3° 的永久模具拔模角度 (具有表面光洁度的刻度, 合金和壁高).
  较大的拔模斜度有利于顶出并减少工具磨损.
• 扩大圆角半径和拐角半径. 使用 宽大的半径 在路口到: (一个) 减少应力集中和开裂, (b) 易于模具填充, 和 (c) 允许更好的零件释放.
  根据经验, 使圆角半径与局部壁厚成比例 (例如。, 半径约为 5– 局部壁厚的 15%, 对于小型铸件，最小实用半径为几毫米). (根据几何形状和工具约束进行调整。)
• 最小壁厚——与砂型铸造相比增加. 金属模铸造不锈钢零件通常需要 比同等砂铸件更大的最小壁厚 因为金属模具散热更快.
  作为一项规则, 将砂型铸造的最小值增加 20–50％ 对于相同的合金和几何形状，除非零件设计和工艺经过验证. 始终验证铸造工艺能力和合金数据.
• 内腔和肋: 内部腹板和肋材应 0.6–0.7× 相邻外墙的厚度(s) 以避免导致开裂的缓慢冷却区和收缩差异.
  如果内肋相对于周围壁太厚，它们将最后凝固并成为热点裂纹引发剂.
• 核心和核心打印草稿: 因为核心无法压缩, 核心打印和提取功能必​​须坚固并包含释放锥度. 当几何形状复杂时，考虑可折叠核心或分体核心.
• 尽可能简化复杂的外部形状. 如果形状复杂导致生产困难, 简化外部几何形状或将组件拆分为子组件以避免良率损失，同时保持功能要求.

4. 其他实用主题——冶金, 检查和生产控制

合金选择及处理

• 为功能选择正确的不锈钢铸件系列. 奥氏体牌号具有延展性和容错性，但与双相或马氏体合金相比具有不同的凝固范围 - 每种合金都需要特定的浇口, 冒口和热处理顺序.
• 必须指定铸后热处理. 固溶退火, 可能需要消除应力或回火; 对于双相不锈钢，控制热量输入以避免不良的西格玛相形成.

模具和工装实践

• 表面光洁度和润滑. 使用适当的模具润滑剂可减少铸件表面缺陷并促进顶出, 但要避免过度润滑，导致孔隙或污染.
• 模具温度控制. 预热和维持受控模具温度可减少热冲击和不一致的凝固.
• 排气和脱气. 提供通风孔并使用脱气以避免气孔. 铸造不锈钢时，永久模具必须设计有通风口或真空辅助，以控制孔隙率和气体截留.

品质保证 & 验证

• 使用凝固和流动模拟. CFD 和凝固模型在预测冷隔方面非常有效, 金属型不锈钢铸件的运行不良和热撕裂风险——在模具制造之前使用它们.
• 按临界程度进行无损检测. 射线照相, 超声波检测或 CT 扫描识别内部孔隙, 夹杂物和裂纹.
  无损检测水平应与安全性和功能相匹配.
• 试运行 & 工艺资格. 验证工具, 使用试验铸件进行浇注和热处理，然后记录工艺窗口 (熔化温度, 模具温度, 填充时间, 淬灭方案, 后铸HT).

5. 快速汇总表——三个关注领域和首要行动

6. 最后的评论

设计用于金属模具生产的不锈钢铸造结构是一个跨越几何形状的系统问题, 冶金与加工工程.

上述三个重点领域——填充 & 流动, 预防裂纹, 和 模具提取/可制造性—捕获主要故障模式并直接指出工程补救措施: 光滑的形状, 受控的厚度和过渡, 适当的浇口和饲喂, 足够的吃水和圆角, 和经过验证的热处理.

使用模拟, 设计师和铸造工程师之间的试点试验和密切合作，将具有挑战性的设计转变为稳健的设计, 可重复生产零件.

主要参考文献

ASTM A351-23: 铸件标准规范, 奥氏体不锈钢, 用于承压部件.

美国铸造学会 (AFS). (2022). 永久型铸造手册. 美国金融服务出版社.

ISO 3740:2019: 金属材料铸件检验和试验的一般要求.

戴维斯, j. r. (2019). 不锈钢铸造手册. ASM国际.