مواد ریخته گری سرمایه گذاری توضیح داده شده: از الگوهای مومی تا آلیاژهای فلزی

ریخته گری سرمایه گذاری ترکیبی از موم، سرامیک و آلیاژهای فلزی برای تولید قطعات نزدیک به شبکه با تلورانس های محکم و پرداخت سطح صاف. موم الگوی اولیه را تشکیل می دهد، پوسته سرامیکی به قالب تبدیل می شود و آلیاژ فلزی انتخاب شده خواص مکانیکی قسمت نهایی را تعیین می کند. درست کردن هر ماده بسیار مهم است - یک پوسته ناسازگار یا آلیاژ نامناسب می تواند باعث ایجاد عیوب شود که رفع آنها در پایین دست هزینه بالایی دارد.

این فرآیند در بخش‌های هوافضا، پزشکی و صنعتی دقیقاً به این دلیل است که پشته مواد به خوبی درک شده و قابل کنترل است. در زیر یک تفکیک عملی از هر ماده کلیدی درگیر، نقشی که ایفا می کند و چه چیزی باعث تصمیم گیری انتخاب می شود، آورده شده است.

مواد الگو: جایی که هر قسمت شروع می شود

الگوی هندسه دقیق ریخته گری نهایی را مشخص می کند. باید شکل مورد نظر را با دقت تکرار کند و سپس به طور کامل از پوسته سرامیکی بدون ترک خوردگی جدا شود.

موم (انتخاب استاندارد)

واکس در بیش از 90 درصد از عملیات ریخته گری سرمایه گذاری استفاده می شود. در یک قالب فلزی با فشار کم تزریق می شود، به سرعت جامد می شود و در طول موم زدایی به طور تمیز ذوب می شود - معمولاً در دمای 150 تا 175 درجه سانتی گراد در اتوکلاو. رایج ترین ترکیبات موم عبارتند از:

• موم بر پایه پارافین - مقرون به صرفه و به طور گسترده در دسترس؛ برای الگوهای همه منظوره استفاده می شود
• موم میکرو کریستالی - ساختار دانه ریزتر، پرداخت سطح بهتر، برای ویژگی های دقیق استفاده می شود
• موم پر شده - حاوی پرکننده های پلیمری یا رزینی متقاطع برای کاهش انقباض و بهبود پایداری ابعادی
• موم محلول در آب - برای هسته ها و گذرگاه های داخلی که موم استاندارد نمی تواند تشکیل دهد استفاده می شود

یک الگوی مومی معمولی کوچک می شود 0.5-2.0٪ از قالب تا قالب سرامیکی نهایی، بسته به نوع موم، دمای تزریق و هندسه قطعه. ریخته گری این را با ابعاد ابزار جبرانی به حساب می آورند.

الگوهای نمونه اولیه پلاستیکی و سریع

برای نمونه‌های اولیه یا دوره‌های کوتاه که در آن ابزارسازی موجه نیست، الگوهای چاپ سه بعدی در پلی استایرن یا رزین های فرسوده مشابه به جای موم استفاده می شود. اینها به جای ذوب شدن، در حین پخت می سوزند. زمان سرب از هفته ها به روزها کاهش می یابد، اما فرسودگی باید با دقت مدیریت شود تا از ترک خوردن پوسته سرامیکی در اثر فشار بیش از حد گاز در حین احتراق جلوگیری شود.

مواد پوسته سرامیکی: قالبی که فلز را نگه می دارد

پوسته سرامیکی لایه به لایه در اطراف الگوی موم از طریق غوطه ور کردن و گچ کاری مکرر ساخته می شود. باید در برابر شوک حرارتی، دمای ریزش بالا و وزن فلز مذاب بدون ترک مقاومت کند.

دوغاب بایندر

دوغاب ذرات نسوز را به یک لایه منسجم متصل می کند. دو نوع چسب غالب است:

• سیلیس کلوئیدی (اتیل سیلیکات) - رایج ترین چسب؛ استحکام سبز و پخت عالی را فراهم می کند که با اکثر آلیاژها سازگار است
• سیلیکات سدیم - هزینه کمتر اما از نظر ابعادی کمتر پایدار است. در برنامه های غیر بحرانی استفاده می شود

پرکننده ها و گچ های نسوز

هر پوشش از ترکیبی از ذرات ریز دوغاب (برای جزئیات) و گچ درشت تر (برای استحکام مکانیکی) استفاده می کند. مواد نسوز رایج عبارتند از:

یک پوسته تمام شده معمولاً از 5 تا 15 لایه طی 2 تا 5 روز ساخته می شود و به ضخامت دیواره 6 تا 12 میلی متر می رسد. تعداد دقیق به اندازه قطعه و آلیاژ ریخته شده بستگی دارد.

آلیاژهای فلزی مورد استفاده در قطعات ریخته گری سرمایه گذاری

ریخته‌گری سرمایه‌گذاری یکی از همه کاره‌ترین فرآیندهای ریخته‌گری است، دقیقاً به این دلیل که طیف گسترده‌ای از فلزات را در خود جای می‌دهد - از آلومینیوم با ذوب کم تا سوپرآلیاژهای عجیب و غریب بالای 1400 درجه سانتی‌گراد. انتخاب آلیاژ مستقیماً طراحی پوسته سرامیکی، دمای ریختن و الزامات پس از پردازش را شکل می دهد.

فولاد ضد زنگ و فولاد کربن

فولاد پرکاربردترین ماده ریخته گری در ریخته گری سرمایه گذاری است. فولادهای ضد زنگ 316L و 17-4 PH مخصوصاً برای قطعاتی که به مقاومت در برابر خوردگی نیاز دارند، مانند شیرها، محفظه پمپ و سخت افزار دریایی رایج هستند. فولادهای کربنی و کم آلیاژی برای قطعات ساختاری که به استحکام بالا با هزینه کمتر نیاز دارند استفاده می شود. دمای ریختن از 1550-1650 درجه سانتیگراد .

سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل

سوپرآلیاژهای نیکل مانند اینکونل 713، IN-738، و رنه 80 برای اجزای موتور جت - پره‌های توربین، پره‌ها و قطعات محفظه احتراق - که در آن دمای بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد در حال کار است، ریخته‌گری می‌شوند. این آلیاژها در دماهای بالا استحکام خود را حفظ می‌کنند، اما از جمله سخت‌ترین آلیاژها برای ریخته‌گری هستند و برای جلوگیری از اکسید شدن، به دماهای دقیق قالب و ذوب خلاء یا اتمسفر کنترل‌شده نیاز دارند.

آلیاژهای آلومینیوم

A356 و آلومینیوم 356.0 اغلب برای براکت‌های هوافضا، محفظه‌های الکترونیکی و قطعات خودرو سرمایه‌گذاری می‌شوند که وزن یک محدودیت اولیه است. دمای ریزش کم آلومینیوم (~720 درجه سانتیگراد) باعث می شود که روی پوسته های سرامیکی قابل قبول تر باشد، اما اطراف آن جمع شد. 3.5-6٪ نیاز به طراحی دقیق رایزر و دروازه دارد.

آلیاژهای تیتانیوم

Ti-6Al-4V آلیاژ غالب تیتانیوم در ریخته گری سرمایه گذاری است که برای ایمپلنت های ارتوپدی، فریم های هوافضا و کالاهای ورزشی با کارایی بالا استفاده می شود. تیتانیوم در حالت مذاب خود بسیار واکنش پذیر است و به پوسته های سیلیس استاندارد حمله می کند. این امر استفاده از کت های صورت ایتریا یا آلومینا و ذوب جمجمه القایی خلاء برای جلوگیری از آلودگی. ریخته گری تیتانیوم به نظم و انضباط فرآیندی قابل توجهی نیاز دارد اما قطعاتی با نسبت مقاومت به وزن استثنایی تولید می کند.

آلیاژهای مبتنی بر کبالت

آلیاژهای کبالت کروم (به عنوان مثال، CoCrMo ) سرمایه گذاری برای ترمیم های دندانی، ایمپلنت های جراحی و قطعات صنعتی مقاوم در برابر سایش هستند. این آلیاژها زیست سازگاری عالی، سختی و مقاومت در برابر خوردگی را ارائه می دهند و آنها را در ریخته گری پزشکی غیرقابل جایگزین می کند.

آلیاژهای مس و برنج

مس بریلیم، برنز سیلیکون و آلیاژهای مختلف برنج سرمایه گذاری برای اتصالات الکتریکی، شیرها و سخت افزارهای تزئینی هستند. آلیاژهای مس بازتولید جزئیات عالی را تولید می کنند و اغلب برای هندسه های پیچیده دیواره نازک در کاربردهای مصرفی یا دریایی انتخاب می شوند.

چگونه انتخاب آلیاژ تصمیمات مواد را در طول فرآیند هدایت می کند

آلیاژ فلزی که ریخته می شود یک متغیر مجزا نیست - تقریباً بر هر تصمیم دیگری در مورد مواد در فرآیند حاکم است. جدول زیر وابستگی مواد را در خانواده های آلیاژی کلیدی خلاصه می کند:

قطعات ریخته گری سرمایه گذاری معمولی بر اساس مواد

انتخاب مواد به ندرت آکادمیک است - از الزامات برنامه پیروی می کند. در اینجا نحوه رایج ترین آنها است قسمت ریخته گری سرمایه گذاری نقشه خانواده ها به آلیاژهای خاص در عمل:

• پره ها و پره های توربین - سوپرآلیاژهای نیکل (IN-713، René 80)؛ باید در دمای 900 تا 1100 درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ کند
• ایمپلنت های ارتوپدی (کاپ لگن، اجزای زانو) - Ti-6Al-4V یا CoCrMo؛ زیست سازگاری و مقاومت در برابر خستگی غیرقابل مذاکره است
• سوپاپ ها، بدنه پمپ ها و پروانه ها - فولاد ضد زنگ 316 لیتر؛ مقاومت در برابر خوردگی در محیط های جابجایی سیال
• براکت های ساختاری هوافضا - آلومینیوم A356 یا Ti-6Al-4V؛ حداقل وزن با یکپارچگی ساختاری
• اجزای سلاح گرم (ماشه، چکش، گیرنده) - فولاد ضد زنگ 17-4 PH؛ تحمل سختی و سختی پس از عملیات حرارتی
• تاج و بریج دندان - CoCrMo؛ تناسب دقیق، مقاومت در برابر سایش و زیست سازگاری
• سخت افزار دریایی و یراق آلات تزئینی - سیلیکون برنز یا برنج؛ مقاومت در برابر خوردگی و جزئیات ریز سطح

هنگام انتخاب مواد ریخته گری سرمایه گذاری چه مواردی را اولویت بندی کنیم

انتخاب مواد برای یک بخش ریخته گری سرمایه گذاری شامل متعادل کردن چندین محدودیت به طور همزمان است. در اینجا یک چک لیست عملی از ملاحظات کلیدی آمده است:

1. محیط خدمات - درجه حرارت، قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی و بار مکانیکی کلاس آلیاژ را تعیین می کند
2. الزامات نظارتی - قطعات پزشکی و هوافضا باید استانداردهای ASTM، AMS یا ISO را داشته باشند که شیمی آلیاژ را محدود می کند.
3. پیچیدگی هندسه - دیواره‌های نازک (کمتر از 1.5 میلی‌متر) و گذرگاه‌های داخلی، آلیاژهای با سیالیت بالا و هسته‌های مومی محلول در آب را ترجیح می‌دهند.
4. نیازهای پس از پردازش - قطعاتی که نیاز به ماشینکاری دارند به نفع آلیاژهای ماشینکاری آزاد هستند. قطعات عملیات حرارتی به آلیاژهایی با منحنی پاسخ قابل پیش بینی نیاز دارند
5. حجم و هزینه - آلیاژهای ممتاز (تیتانیوم، سوپرآلیاژها) هزینه مواد و فرآیند قابل توجهی را اضافه می کنند. تأیید کنید که برنامه آن را توجیه می کند

کار به عقب نسبت به الزامات مصرف نهایی - به جای پیش‌فرض به ارزان‌ترین یا در دسترس‌ترین مواد - به طور مداوم نتایج بهتری را در دقت ابعاد، پرداخت سطح و طول عمر بخشی ایجاد می‌کند.