Viden

 

For korrekt at kunne betragte tilførsel og indløbsåbninger er det nødvendigt at forstå legeringsstørkning. Størkningsmekanismerne for forskellige legeringer kan variere betydeligt. Derfor er metoderne til fremstilling af tætte og defektfri støbegods også forskellige. Denne artikel undersøger nogle grundlæggende faktorer, der påvirker størkningsmønsteret, og diskuterer, hvordan disse faktorer påvirker designmetoderne for risers og gates.

 

Størkningsmekanismer

For at kunne betragte tilførsel korrekt er det først nødvendigt at forstå, hvordan legeringer størkner. Det er ikke tilstrækkeligt blot at skelne legeringer ved lignende generelle navne såsom bronze, stål eller aluminium og antage, at de tilføres på en lignende måde. Dette skyldes, at disse legeringer dækker hele spektret af størkningsmekanismer. Fra et praktisk perspektiv er det normalt tilstrækkeligt at klassificere dem i to brede kategorier baseret på krystallisationsområdet: legeringer med "langt" og "kort" krystallisationsinterval.

 

Størkning af legeringer med kort fryseområde

Når legeringer med kort fryseområde afkøles i en sandform, begynder de dele, der først når liquiduslinjen, at størkne. Dette sker typisk ved grænsefladen mellem støbegodset og formen, hvor varmeoverførslen er størst. Afkølingen af ​​formvæggen forårsager dannelse af et størknende lag af metal omkring væsken. Varme overføres yderligere gennem det størknende metal, og væsken begynder at størkne, og størknende lag begynder at blive tykkere. De faste og flydende faser er adskilt af en klar grænse. Efterhånden som mere varme overføres, bevæger størknende fronten sig støt mod midten af ​​støbegodset. Krystallisationsfronten bliver relativt kort, hvilket svarer til starten af ​​krystallisationen øverst og slutningen af ​​krystallisationen nederst. Legeringer med kort fryseområde kan størkne sekventielt selv ved relativt lave temperaturgradienter.

 

Størkning af legeringer med langt fryseområde

For legeringer med langt fryseområde er sekventiel størkning vanskeligere. Selvom et tyndt størkningslag i starten kan dannes ved formvæggen, fortsætter størkningen ikke straks mod støbegodsets varme centrum. I stedet begynder en "nukleationsbølge" af størkning svarende til liquidus-isosurfacen ved formvæggen og bevæger sig indad. Efter et stykke tid forlader en anden bølge, "termineringskrystallisationsbølgen", svarende til solidus-isosurfacen, formvæggen og følger kimdannelsesbølgen mod centrum af støbegodset. Når kimdannelsesbølgen passerer, begynder størkningen på hvert punkt i støbegodset, indtil den endelige termineringsbølge ankommer. Generelt størkner legeringer med langt fryseområde med tre forskellige områder: et fuldstændigt flydende område i støbegodsets varme centrum; et størknet metalområde ved formvæggen; og et delvist størknet område mellem de flydende og faste områder. For typiske legeringer med langt fryseområde, såsom tykke tinbronzelegeringer, resulterer det brede fryseområde og den lave afkølingshastighed i en lav temperaturgradient, hvor flydende og faste faser sameksisterer i hele støbegodsets tværsnit.

 

Faktorer der påvirker størkningsmekanismer

Der er mange faktorer, der påvirker størkningsmønsteret for en specifik legering. Størkningsområdet for en legering, målt i temperatur, er ikke en sand indikator. Tidsintervallet mellem starten og slutningen af ​​krystallisationen bestemmer dog, hvordan legeringen størkner. Intervallet mellem den flydende og faste fase bestemmes af følgende faktorer:

Legeringens krystallisationsområde:

Som vist i fasediagrammet er dette en fundamental egenskab ved en specifik legering. Krystallisationsområdet er temperaturforskellen mellem starten og slutningen af ​​størkningen. Ved en fast varmeoverføringshastighed gælder det, at jo bredere temperaturintervallet er, desto længere er den effektive tid for krystallisationsvækst, og dermed bliver tilførsel vanskeligere.

 

Termiske egenskaber af formen:

Formens varmeledningsevne påvirker støbegodsets varmeoverføringshastighed og dermed støbegodsets temperaturgradient. Jo højere støbegodsets varmeledningsevne og varmekapacitet er, desto større er støbegodsets varmeoverføringshastighed, og desto kortere er tidsintervallet mellem den flydende og den faste fase. Derfor, jo stejlere temperaturgradienten er, desto kortere er krystalvæksten, og desto mere gunstig er den til konstruktionsfremstilling. Sandformenes varmeledningsevne er relativt lav, hvilket resulterer i en lav temperaturgradient i støbegodset, især for tykke og store tværsnit. Støbematerialer som kromitsand eller zirkonsand har højere varmeledningsevne og varmekapacitet sammenlignet med kvartssand, hvilket hjælper med at øge temperaturgradienten og forbedre støbegodsets densitet, især for tynde tværsnit.

 

Varmeledningsevne af størknende legeringer:

Legeringer som kobberbaserede eller aluminiumbaserede har høj varmeledningsevne, hvilket reducerer temperaturgradienten under støbegodsets størkning, hvilket får temperaturen over hele støbegodsets tværsnit til hurtigt at udlignes. Som følge heraf bliver krystalvæksten længere, og tilsætningen bliver vanskeligere.

 

Størkningstemperatur:

Jo højere størkningstemperaturen for en legering er, desto større er varmeoverførselshastigheden og temperaturgradienten på tværs af støbegodsets tværsnit. På grund af den høje størkningstemperatur hæmmes krystalvæksten, og tilførslen bliver mere effektiv.

 

Størkningsmodul:

En stigning i størkningsmodulet eller størkningstiden reducerer temperaturgradienten på tværs af støbegodsets tværsnit. Krystalvækst og krystallisationsbredde øges, hvilket fører til en fladere temperaturgradient og en stigning i interne krympehulrum.

 

Indflydelsen af ​​størkningsmekanismen på krympningskavitetsfordelingen

Det brede udvalg af krystallisationsmønstre i støbelegeringer fører til forskellige krympehulrumsformer i støbegods og stigrør. Generelt viser legeringer med et kort krystallisationsområde dybe rørformede krympehulrum i stigrørene i det meste af størkningsintervallet. Intern porøsitet i støbegods viser sig som små krympehulrum i den sene fase af størkningen. På dette tidspunkt kommer de parallelle dele på størkningsfronten i kontakt, og metaltilførslen afbrydes således: dette kaldes normalt et centralt krympehulrum. En anden type krympehulrum i legeringer med kort krystallisationsområde forekommer i det varme center og isolerede "tykke og store tværsnit", der ikke tilføres korrekt.

 

For legeringer med et langt krystallisationsområde viser stigrørene normalt meget små krymperør. På grund af "slurry"-størkningstilstanden kan kun væske strømme i en del af størkningstiden. Fine og ensartede krympehulrum findes i hele støbegodsets tværsnit, koncentreret i de langsommere afkølende dele såsom samlinger og den nederste del af stigrøret. Under generelle støbeforhold er det for legeringer med ekstremt langt størkningsområde som tin eller fosforbronze umuligt at opnå fuldstændig tætte støbegods. Normalt kan ikke mere end 60 % af væskevolumenet størkne. Krympehulrummene i denne type metal er fordelt i hele støbegodsets tværsnit.

 

Fodring af støbegods​​​​​​​

Tilførsel af kortdistance størkningslegeringer:

Det har længe været anerkendt, at den nødvendige betingelse for at producere tætte støbegods af korttidsstørkningslegeringer er, at metallet størkner i formen væk fra stigrøret og bevæger sig mod det sidste størknende stigrør. Alle væske- og størkningskrympningshulrum forbliver i stigrøret, mens støbegodset er tæt. Denne kontinuerlige størkningsform, undertiden kaldet "sekventiel størkning", defineres som at sikre, at størkningsfronten danner en omtrent V-formet profil i længdesnittet, hvor den brede ende af V'et peger mod stigrøret. Denne teoretiske ordning er dog ikke altid opnåelig ved design af komplekse støbegods og ved etablering af tilstrækkelige temperaturgradienter på tværs af hele støbesektionen.

 

Generelt skal stigrøret placeres over støbegodsets termiske centrum for effektiv tilførsel af kortdistancelegeringer. Stigrøret skal størkne senere end den støbesektion, hvor det er placeret, og have tilstrækkeligt metal til at kompensere for legeringens flydende og faste krympning.

 

Tilførselsområdet for en specifik legering bør også tages i betragtning. Tilførselsområdet kan defineres, fordi stigrøret kan ændre temperaturgradienten for den samme støbesektion og fremme sekventiel størkning.

 

Tilførsel af langtrækkende størkningslegeringer:

Konceptet med sekventiel størkning er mindre relevant for langtrækkende størkningslegeringer. For sådanne legeringer resulterer forsøg på at implementere sekventiel størkning, især i tykke støbesektioner, ofte i den modsatte effekt med hensyn til densitet, idet krympehulrum blot koncentreres i lokale områder. Dette gælder især for langtrækkende størkningslegeringer baseret på kobber. I disse legeringer øger legeringens høje varmeledningsevne vanskeligheden ved tilførsel. Den høje varmeledningsevne i væskefasen hjælper med at opretholde en ensartet termisk gradient i det størknende støbegods. Den høje specifikke varme og latente varme i disse legeringer forværrer også denne situation.

 

Typisk er målet med at tilføre sådanne legeringer ikke at eliminere krympehulrum fuldstændigt, men at sikre, at de er så jævnt fordelt som muligt på tværs af støbesektionen. Et praktisk eksempel er blyholdige bronzebøsninger. Disse støbes normalt uden stigrør, så temperaturgradienten bør være så ensartet som muligt.

 

Det er bedst for stigrør kun at forsyne den termiske og delvise størkningssvind for at undgå at forlænge størkningstiden for meget.

 

Disse legeringer har grundlæggende intet tilførselsområde, så det er umuligt at opnå høj densitet under normale støbeforhold.

 

Konklusion

 

Støbelegeringer omfatter alle størkningsmekanismer og hældefølsomheder, hvoraf mange er mindre end ideelle med hensyn til procesdesign. Derfor kan støbearbejdere kun opnå de ønskede kontinuerlige succesfulde resultater ved at forstå legeringers termodynamik og fluidegenskaber med en problemløsende tankegang.

 

Vigor har mere end 20 års erfaring og et professionelt team inden for støbning og smedeprocesser. Hvis vi kan hjælpe med noget, eller hvis du har produkter, der skal udvikles, er du velkommen til at kontakte os på info@castings-forging.com