Как предотвратить стрекание и деформацию в больших стальных отливках инструмента

Большие стальные отливки инструмента: Освоение проблемы стрекивания и деформации

Крупные литья инструментальной стали являются фундаментальными для отраслей с высокими ставками, служа в качестве матриц для автомобильных панелей кузова, структурных компонентов в аэрокосмическом шасси и формирующих инструментов для тяжелой техники. Огромный размер и сложность сплавов этих литьев делают их уникальными уязвимыми для двух дорогостоящих и опасных дефектов: растрескивания и деформации. Трещина может сломать литье стоимостью десятки тысяч долларов, в то время как даже небольшое деформирование может сделать точный инструмент непригодным для использования. Предотвращение этих дефектов требует глубокого понимания материаловедения, тепловой динамики и литейной техники. Эта статья предоставляет всестороннее руководство по стратегиям и принципам, которые позволяют литейным заводам производить звук, размерно стабильные большие литья инструментальной стали.

Понимание основных причин стрекозы и деформации

Перед осуществлением профилактических мероприятий необходимо разобраться в физических явлениях, приводящих к растрескиванию и деформации. Эти дефекты почти всегда являются результатом напряжений, превышающих прочность материала в заданной точке в процессе литья. Напряжения возникают из-за сочетания тепловых, механических и металлургических факторов.

Термические градиенты и дифференциальное охлаждение

При заливке большого отлива расплавленная сталь при температуре значительно выше точки жидкостного материала. По мере охлаждения отливки внешние поверхности и более тонкие секции затвердевают и сжимаются первыми, при этом внутренние и более толстые секции остаются горячими и полутвердыми. Это дифференциальное охлаждение создает температурный градиент по всей отливке. Более горячие внутренние области пытаются сжиматься, но сдерживаются уже затвердевшей, более холодной внешней оболочкой. Это порождает растягивающие напряжения в интерьере и сжимающие напряжения на поверхности. Если растягивающие напряжения превышают горячую прочность материала, образуются трещины. Изгибы возникают, когда неравномерное сокращение заставляет одну область отливки сжиматься больше, чем другую, искажая общую форму.

Фазовые трансформации и объемные изменения

Инструментальные стали подвергаются сложным твердотельным фазовым преобразованиям по мере их охлаждения. Преобразование из аустенита (фокусируемого на поверхности кубического) в феррит, бейнит или мартенсит (телоцентрированного кубического или тетрагонального) включает объемное расширение. При большом литье различные секции трансформируются в разное время из-за различных скоростей охлаждения. Это неодновременное расширение создает внутренние напряжения, которые могут вызывать растрескивание, особенно во время мартенситного преобразования, которое связано со значительным увеличением объема и чрезвычайно быстро. Риск особенно высок в высокоуглеродистых и высоколегированных сталях, таких как D2, A2 или H13.

Сдержанность плесени и механические ограничения

Сама плесень действует как механическое ограничение. По мере охлаждения литья и попытки сжиматься оно может быть физически сдержано жесткими стенками или ядрами плесени. Это ограничение создает растягивающие напряжения в литье. Сложные геометрии с острыми углами, изменения толщины сечения или глубокие полости создают точки концентрации напряжений, где вероятнее всего инициируется растрескивание. Плохая конструкция плесени, ограничивающая естественное сокращение, является основным фактором горячего разрыва и холодного растрескивания.

Металлургические факторы в инструментальных сталях

Состав инструментальных сталей делает их особенно чувствительными к растрескиванию. Высокое содержание углерода повышает упрочняемость и риск мартенситного превращения по всему сечению. Высокое содержание легирующих элементов (хром, ванадий, молибден, вольфрам) способствует образованию сложных карбидов, которые могут выступать в качестве усилителей напряжения и участков инициации трещин. Разделение этих элементов при затвердевании может создавать локализованные области с различными механическими свойствами, еще больше увеличивая риск отказа.

Литейная практика для минимизации дефектов

Контроль процесса литья от расплава до затвердевания является основной линией защиты от растрескивания и деформации. Каждый шаг, от конструкции формы до практики заливки, должен быть оптимизирован для крупных компонентов инструментальной стали.

Форма и дизайн ядра для равномерного охлаждения

Для крупных отливок цель состоит в том, чтобы способствовать равномерной, контролируемой теплоотдаче. Ключевые принципы проектирования включают:

• Балансировка разбивки: По возможности, проектируйте отливку с равномерной толщиной сечения. Резкие переходы от толстых сечений к тонким создают тепловые градиенты. Если это неизбежно, используйте филе и конические переходы с щедрыми радиусами, чтобы минимизировать концентрацию напряжения.
• Холодильная установка: Стратегически расположенные внутренние или внешние озноб (изготовленные из материала высокой теплопроводности, такого как графит или чугун) могут ускорить охлаждение в тяжелых секциях, уменьшая разницу температур между толстыми и тонкими областями. Это способствует более равномерному затвердеванию и уменьшает внутренние напряжения.
• Изоляция и экзотермические материалы: И наоборот, изолирующие рукава или экзотермические соединения могут замедлять охлаждение в тонких секциях или восходителях, гарантируя, что более тяжелые секции не охлаждаются слишком медленно по отношению к остальной части литья.
• Выбор материала пресс-формы: Теплопроводность материала пресс-формы влияет на скорость охлаждения. Для крупных литьевых форм из инструментальной стали распространены песчаные формы с контролируемым содержанием влаги и связующими системами (например, фенольный уретан или фуран). Проницаемость пресс-формы должна быть достаточной, чтобы обеспечить выход газа и предотвратить дефекты выдувных скважин, которые могут выступать в качестве инициаторов трещин.

Системы Gating и Riser System Engineering

Цель системы изгиба и подъема — доставить чистый, горячий металл в полость литья и компенсировать объемную усадку при затвердевании. Плохая конструкция может привести к пористости, горячим точкам и концентрациям напряжения.

• Направленная затвердевание:] Система затвердевания и затвердевания должна быть разработана для содействия направленному затвердеванию от тончайших секций к застывшим. Это гарантирует, что жидкий металл доступен для усадки корма по мере затвердевания литья, предотвращая пористость и внутреннее разрывание.
• Размер и размещение рейсеров:] Ризеры должны быть достаточно большими, чтобы оставаться жидкими, пока отливочные секции, которые они кормят, не затвердеют. Открытые рейсеры (подвергнутые воздействию атмосферы) или слепые рейсеры с экзотермическими рукавами являются обычными. Для больших отливок из инструментальной стали могут потребоваться несколько рейсеров, чтобы питать различные тяжелые секции. Шеи рейсера должны быть достаточно большими, чтобы оставаться открытыми достаточно долго, чтобы питать отливку, но достаточно маленькими, чтобы быть удаленными, не повреждая отливку.
• Модификации покрытия: Система покрытия должна заполнять форму плавно и быстро, чтобы минимизировать потерю температуры и окисление. Расширения и ловушки для бега могут использоваться для захвата шлака и шлака. Фильтры необходимы для удаления неметаллических включений, которые могут ослабить литье.

Температура и качество расплава

Температура расплавленной стали при попадании в форму оказывает глубокое влияние на поведение затвердевания и образование дефектов.

• Оптимальная температура заливки:] Залив при слишком высокой температуре увеличивает усадку жидкости и объем металла, который необходимо подавать. Он также способствует росту зерна и огрублению карбидов. Залив при слишком низкой температуре может привести к холодным затворам, неправильному заливу и неполному заполнению. Целевая температура заливки должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить полное заполнение и правильное кормление, как правило, на 50-100°C выше температуры жидкости для инструментальных сталей. Программное обеспечение для моделирования часто используется для оптимизации этого параметра.
• Мягкая чистота: Неметаллические включения, оксиды и растворенные газы ослабляют сталь и обеспечивают места инициации трещин. Для получения чистых, низкокислородных, низкогидрогенных расплавов используются ладлевая переработка, перемешивание аргона и вакуумная дегазация. Окутывание потока налива инертным газом (аргон или азот) предотвращает повторное окисление при переносе.
• Практика заливки: Устойчивый, контролируемый залив без турбулентности имеет решающее значение. Турбулентный поток может заманивать в отливку газы плесени, песок и оксидные пленки. Нижняя заливка с использованием ковша с контролируемым соплом предпочтительнее для больших отливок, чтобы минимизировать плеск и окисление.

Контролируемые стратегии охлаждения

После того, как отливка затвердевает, скорость, с которой она охлаждается от температуры твердого тела до комнатной температуры, должна быть тщательно сконструирована, чтобы предотвратить растрескивание и деформацию.

• Охлаждение в пресс-форме:] После заливки пресс-форме следует разрешить охлаждаться в контролируемой среде. Для крупных отливок из инструментальной стали пресс-форму часто оставляют без помех в течение определенного периода (часов или даже дней), чтобы позволить литью медленно охлаждаться в критическом температурном диапазоне трансформации. Слишком быстрое удаление отливки может подвергнуть ее воздействию окружающего воздуха, вызывая тепловой удар.
• Изоляционные одеяла и камеры медленного охлаждения:] После встряхивания литье можно поместить под изоляционные одеяла или в медленную охлаждающую печь («охлаждающая яма») для дальнейшего контроля скорости охлаждения. Скорость охлаждения 20-50°C в час типична для крупных литьев инструментальной стали. Чем медленнее скорость охлаждения, тем ниже тепловые градиенты и ниже риск растрескивания. Медленная скорость охлаждения также позволяет большему времени для микроструктуры приближаться к равновесию, уменьшая напряжения, связанные с закалкой.
• Гомогенизация моет: Для очень больших отливок или высоколегированных сортов отливка может проводиться при высокой температуре (чуть ниже твердого тела) в течение нескольких часов, чтобы позволить диффузии уменьшить сегрегацию и гомогенизировать химию.

После обрезки термической обработки для облегчения стресса

Даже при лучших литейных практиках крупное литье инструментальной стали будет содержать значительные внутренние напряжения после затвердевания и охлаждения.Постлитежная термообработка необходима для снятия этих напряжений и разработки желаемых механических свойств и микроструктуры для предполагаемого применения.

Циклы отжига для оружейных сталей

Полное отжига является наиболее распространенной послеотливной термической обработкой инструментальных сталей. Отливка нагревается до температуры выше верхней критической точки (обычно 850-900°С для большинства инструментальных сталей) и проводится в течение достаточного времени для обеспечения полной аустенитизации и растворения карбидов. Затем она очень медленно охлаждается в печи (со скоростью 10-30°С в час) до комнатной температуры. Это создает мягкую, сфероидизированную карбидную микроструктуру, которая легко обрабатывается и минимизирует риск растрескивания при последующей обработке. Отожженная структура также имеет низкую твердость и высокую пластичность, что делает ее более устойчивой к растрескиванию во время обработки.

Примечание: Для высокоскоростных сталей и высокохромных холодных рабочих сталей цикл отжига может быть более сложным, включающим несколько удержания при разных температурах для оптимизации морфологии карбида.

Стресс снимается перед обработкой

Даже после отжига большие отливки могут сохранять значительные остаточные напряжения от дифференциального охлаждения. Перед грубой обработкой часто проводят снятия напряжения. Отливка нагревается до температуры ниже нижней точки трансформации (обычно 600-700°С для большинства инструментальных сталей) и удерживается в течение достаточного времени (обычно 1 час на 25 мм толщины сечения), чтобы обеспечить расслабление напряжения. Отливка затем медленно охлаждается в воздухе или в печи. Эта обработка снижает риск искажения во время обработки и обеспечивает стабильность размеров.

Умеренные и закаленные соображения

Если конечное применение требует высокой твердости и износостойкости, отливка будет затвердевать путем аустенизации, закалки и закалки. Это операция высокого риска для растрескивания и деформации. Ключевые соображения включают:

• Перегрев: Крупные стальные отливки из инструментальной стали должны медленно и равномерно нагреваться до температуры аустенизации, чтобы минимизировать тепловой удар. Обычно используется поэтапный график нагрева (например, 300°C, 600°C, затем до температуры аустенизации).
• Quenching Medium: Выбор кенчанта (масляная, полимерная или соляная ванна) зависит от сплава и требуемой скорости охлаждения. Для больших отливок полимерные кванты или соляные ванны обеспечивают более быструю и однородную скорость охлаждения, чем масло, снижая риск мягких пятен и искажений. Однако их необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать чрезмерных тепловых градиентов. Мартемперинг (прерывное тушение) часто используется для больших отливок инструментальной стали, чтобы снизить риск растрескивания.
• Температура Немедленно: Отливка должна быть закалена сразу после закалки для снятия хрупких мартенситных напряжений. Двойное или тройное закалка является общим для обеспечения полной трансформации и максимального снятия напряжения. Температура закалки должна быть выбрана для достижения желаемой твердости и вязкости.
• Температурные приспособления: Для предотвращения деформации при закалке на приспособлениях, соответствующих их контуру, должны поддерживаться большие отливки. Изделие должно быть изготовлено из материала с аналогичным коэффициентом теплового расширения к отливке, чтобы избежать генерирования напряжений при нагревании и охлаждении.

Контроль качества и неразрушающий контроль

Предотвращение растрескивания и деформации требует надежной программы контроля качества, которая контролирует процесс и проверяет литье на ключевых этапах. Раннее обнаружение зарождающихся дефектов позволяет провести корректирующие действия до того, как отливка будет полностью обработана.

Дисперсионная инспекция

Все крупные литья из инструментальной стали должны быть измерены после охлаждения и после каждого этапа термообработки. Для картирования литья и сравнения его с моделью конструкции могут использоваться координационные измерительные машины (CMM) или лазерное сканирование. Изгиб может быть количественно определен и, если он находится в приемлемых пределах, часто может быть исправлен путем выпрямления (например, механическое прессование или снятие теплового напряжения с помощью сдержанной фиксации).

Предупреждение: Операции по выпрямлению должны выполняться с особой осторожностью, чтобы избежать введения новых напряжений или трещин. Выпрямление тепла (с контролируемым нагревом и охлаждением) обычно предпочтительнее выпрямления холода для инструментальных сталей.

Методы NDT для внутренней звуковой обработки

Неразрушающее тестирование имеет важное значение для выявления внутренних дефектов, которые могут привести к растрескиванию в обслуживании.

• Ультразвуковое тестирование (UT): UT является основным методом обнаружения внутренних трещин, пористости и больших включений в больших отливках из инструментальной стали. Отливка должна иметь обработанную или грунтовую поверхность подходящей отделки. UT может обнаруживать дефекты на глубинах, недоступных другим методам.
• Magnetic Particle Inspection (MPI): MPI используется для обнаружения поверхностных и околоповерхностных трещин в ферромагнитных инструментальных сталях. Он чувствителен к тонким, плотным трещинам, которые невидимы невооруженным глазом. MPI следует выполнять после грубой обработки и после окончательной термической обработки.
• Инспекция проникающих красителей (DPI): DPI может использоваться в качестве дополнительного метода для обнаружения дефектов поверхностного разрушения, особенно в областях, где MPI не практичен (например, сложные геометрии).
• Радиографическое тестирование (RT): Для критических применений рентгеновская или гамма-радиография может использоваться для обнаружения внутренней пористости, усадочных полостей и включений. RT особенно полезен для оценки звука толстых секций и зон контакта стояка.

Заключительные соображения надежности и долголетия

Производство крупных отливок из инструментальной стали, которые не имеют трещин и деформации, требует систематического подхода, который начинается с проектирования и продолжается с помощью моделирования процессов, тщательной литейной практики, контролируемой термической обработки и тщательного контроля. Инвестиции в программное обеспечение для моделирования (например, моделирование литья для заполнения и затвердевания пресс-формы, анализ теплового напряжения) выплачивает дивиденды, позволяя инженерам прогнозировать и смягчать проблемы до того, как металл будет выливаться.

Сотрудничество между проектировщиком литейного производства, инженером литейного завода и термообработчиком имеет важное значение. Четкая связь о требованиях к сплавам, ожидаемых условиях обслуживания и приемлемых критериях дефектов гарантирует, что окончательное литье соответствует требовательным требованиям к производительности современного производства. Освоив термические и металлургические проблемы, описанные здесь, литейные заводы могут надежно производить крупные литья инструментальной стали, которые являются размерно стабильными, конструктивно звуком и построены для выполнения в самых требовательных условиях.

Для дальнейшего чтения по специфике инструментальной металлургии, проконсультируйтесь с ресурсами из ASM International. Для углубленной литейной практики и методов моделирования Американское литейное общество предлагает отличные технические публикации. Кроме того, руководства по термообработке для конкретных марок инструментальной стали можно найти через поставщиков материалов, таких как Uddeholm.