Đúc: Quá trình tạo hình cơ bản trong sản xuất thép và ứng dụng

Table Of Content

Table Of Content

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Đúc là quá trình đổ kim loại nóng chảy vào khuôn để tạo ra một thành phần rắn có hình dạng cụ thể. Trong ngành công nghiệp thép, đúc là một phương pháp sản xuất cơ bản biến đổi thép lỏng thành các sản phẩm bán thành phẩm hoặc thành phẩm. Quá trình này bao gồm việc nấu chảy thép thành trạng thái lỏng, đổ vào khoang khuôn đã chuẩn bị, để thép đông lại, sau đó lấy thành phần đã đông lại ra khỏi khuôn.

Đúc là một trong những kỹ thuật tạo hình kim loại lâu đời nhất và linh hoạt nhất trong ngành luyện kim, có niên đại hàng ngàn năm. Nó cho phép sản xuất các hình dạng phức tạp mà các phương pháp sản xuất khác khó hoặc không thể đạt được. Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, đúc đóng vai trò là mắt xích quan trọng giữa quá trình chế biến nguyên liệu thô và sản xuất thành phẩm, cho phép biến đổi kim loại tinh chế thành các thành phần hữu ích với hình dạng và tính chất cụ thể.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi mô, đúc liên quan đến quá trình biến đổi thép từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn thông qua quá trình hình thành hạt nhân và phát triển tinh thể. Khi thép nóng chảy nguội xuống dưới điểm nóng chảy, các hạt nhân rắn nhỏ hình thành bên trong chất lỏng. Các hạt nhân này phát triển khi nhiều nguyên tử hơn từ chất lỏng bám vào bề mặt rắn, cuối cùng tạo thành các hạt hoặc tinh thể.

Quá trình đông đặc xảy ra theo hướng từ thành khuôn vào bên trong, tạo ra một cấu trúc vi mô đặc trưng. Các cơ chế truyền nhiệt—dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ—điều khiển tốc độ làm mát, ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô cuối cùng. Trong quá trình đông đặc, nhiều hiện tượng xảy ra bao gồm sự phân tách các nguyên tố hợp kim, sự thoát khí và sự co lại theo thể tích, tất cả đều ảnh hưởng đến các tính chất cuối cùng của thép đúc.

Mô hình lý thuyết

Quy tắc Chvorinov đóng vai trò là mô hình lý thuyết chính cho quá trình đông đặc của đúc, được biểu thị là $t_s = K(V/A)^2$, trong đó $t_s$ là thời gian đông đặc, $V$ là thể tích, $A$ là diện tích bề mặt và $K$ là hằng số khuôn. Mối quan hệ này chứng minh rằng thời gian đông đặc tỷ lệ thuận với bình phương của tỷ lệ thể tích trên diện tích bề mặt.

Hiểu biết lịch sử về đúc phát triển từ kiến ​​thức thủ công thực nghiệm thành các nguyên tắc khoa học. Công trình cơ bản của Chvorinov vào những năm 1940 đã thiết lập mối quan hệ định lượng giữa các thông số đúc. Các phát triển sau này bao gồm công trình của Flemings về sự phân tách vi mô và nghiên cứu của Campbell về màng bifilm oxit và tác động của chúng đến chất lượng đúc.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp động lực học chất lỏng tính toán (CFD) và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để mô hình hóa quá trình lấp đầy và đông đặc khuôn. Các phương pháp số này cho phép dự đoán các khuyết tật, ứng suất dư và sự phát triển của cấu trúc vi mô, tiến bộ đáng kể so với các mô hình phân tích trước đó.

Cơ sở khoa học vật liệu

Tính chất của thép đúc có liên quan mật thiết đến cấu trúc tinh thể của nó, thường bắt đầu là austenit (hình lập phương tâm mặt) trong quá trình đông đặc và có thể chuyển thành ferit (hình lập phương tâm khối) hoặc các pha khác trong quá trình làm nguội. Các ranh giới hạt hình thành ở nơi các tinh thể có hướng khác nhau gặp nhau, ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học.

Cấu trúc vi mô của thép đúc được đặc trưng bởi các nhánh cây—cấu trúc tinh thể giống cây hình thành trong quá trình đông đặc. Khoảng cách giữa các nhánh cây chính có liên quan nghịch với tốc độ làm mát, trong khi khoảng cách giữa các nhánh cây thứ cấp thường đóng vai trò là chỉ báo về thời gian đông đặc cục bộ. Các vùng liên nhánh cây thường chứa các thành phần tách biệt và có thể chứa các tạp chất hoặc độ xốp.

Các nguyên lý cơ bản của khoa học vật liệu như chuyển đổi pha, lý thuyết khuếch tán và lý thuyết hạt nhân chi phối sự phát triển của các cấu trúc vi mô đúc. Mối quan hệ giữa các thông số xử lý, cấu trúc vi mô kết quả và các tính chất cuối cùng tạo thành cơ sở cho các phương pháp tiếp cận khoa học vật liệu để tối ưu hóa đúc.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Công thức cơ bản chi phối thời gian đông đặc trong quá trình đúc là Quy tắc Chvorinov:

$$t_s = K\left(\frac{V}{A}\right)^2$$

Ở đâu:
- $t_s$ = thời gian đông đặc (giây)
- $K$ = hằng số khuôn (phụ thuộc vào vật liệu khuôn, tính chất kim loại và nhiệt độ rót)
- $V$ = thể tích của vật đúc (cm³)
- $A$ = diện tích bề mặt của vật đúc tiếp xúc với khuôn (cm²)

Công thức tính toán liên quan

Tốc độ làm mát trong quá trình đông đặc có thể được ước tính bằng:

$$R = \frac{G \cdot V}{T_L - T_S}$$

Ở đâu:
- $R$ = tốc độ làm mát (°C/giây)
- $G$ = độ dốc nhiệt độ (°C/cm)
- $V$ = vận tốc đông đặc (cm/s)
- $T_L$ = nhiệt độ chất lỏng (°C)
- $T_S$ = nhiệt độ đông đặc (°C)

Để tính toán độ co ngót trong đúc thép:

$$S = \rho_L / \rho_S - 1$$

Ở đâu:
- $S$ = độ co thể tích (phân số)
- $\rho_L$ = khối lượng riêng của thép lỏng (g/cm³)
- $\rho_S$ = khối lượng riêng của thép đặc (g/cm³)

Các công thức này được áp dụng để xác định kích thước ống đứng, dự đoán mô hình đông đặc và ước tính tốc độ làm nguội ở các phần khác nhau của vật đúc.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình toán học này giả định các đặc tính nhiệt đồng nhất trong toàn bộ quá trình đúc và khuôn. Trên thực tế, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng thay đổi theo nhiệt độ và thành phần. Các mô hình cũng giả định quá trình đổ khuôn hoàn hảo mà không có nhiễu loạn hoặc khí bị giữ lại.

Điều kiện biên giới trở nên phức tạp với hình học phức tạp, khiến các giải pháp phân tích trở nên không thực tế đối với các sản phẩm đúc phức tạp. Ngoài ra, các mô hình này thường không tính đến hiệu ứng dòng chảy chất lỏng trong quá trình rót hoặc đối lưu trong kim loại lỏng.

Hầu hết các mô hình đông đặc đều giả định các điều kiện cân bằng, trong khi đúc thực tế liên quan đến làm mát không cân bằng. Hạn chế này trở nên đặc biệt quan trọng khi dự đoán cấu trúc vi mô trong thép hợp kim với nhiều biến đổi pha.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

  • ASTM A781/A781M: Tiêu chuẩn kỹ thuật cho đúc, thép và hợp kim, yêu cầu chung
  • ASTM E446: Ảnh chụp X-quang tham chiếu tiêu chuẩn cho đúc thép có độ dày lên đến 2 in. (51 mm)
  • ISO 4990: Đúc thép — Yêu cầu chung về giao hàng kỹ thuật
  • ASTM A802/A802M: Tiêu chuẩn thực hành cho đúc thép, Tiêu chuẩn chấp nhận bề mặt, Kiểm tra trực quan

Mỗi tiêu chuẩn đề cập đến các khía cạnh cụ thể của chất lượng thép đúc. ASTM A781 bao gồm các yêu cầu chung đối với thép đúc, trong khi ASTM E446 cung cấp ảnh chụp X-quang tham chiếu để đánh giá các điểm không liên tục bên trong. ISO 4990 thiết lập các yêu cầu giao hàng quốc tế và ASTM A802 xác định các tiêu chí chấp nhận bề mặt.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Thiết bị phổ biến để đánh giá thép đúc bao gồm kính hiển vi điện tử quét và quang học để phân tích cấu trúc vi mô. Các thiết bị này cho thấy cấu trúc hạt, phân bố pha và khuyết tật ở nhiều mức độ phóng đại khác nhau. Thiết bị chụp X-quang và tia gamma phát hiện các điểm không liên tục bên trong bằng cách truyền bức xạ qua vật đúc và ghi lại các biến thể mật độ trên phim hoặc máy dò kỹ thuật số.

Thiết bị kiểm tra siêu âm sử dụng sóng âm tần số cao để phát hiện các lỗi bên trong dựa trên tín hiệu phản xạ. Thiết bị kiểm tra cơ học như máy kiểm tra độ bền kéo, máy kiểm tra va đập và máy kiểm tra độ cứng đánh giá các đặc tính cơ học của các thành phần đúc.

Các kỹ thuật phân tích đặc tính tiên tiến bao gồm quét cắt lớp vi tính (CT) để hình dung khuyết tật ba chiều và nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD) để lập bản đồ định hướng tinh thể.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kéo tiêu chuẩn từ thép đúc thường tuân theo thông số kỹ thuật ASTM E8/E8M, với kích thước tỷ lệ với chiều dài đo là 4D, trong đó D là đường kính. Để đánh giá chất lượng thép đúc, các mẫu phải được lấy từ các vị trí đại diện trong quá trình đúc hoặc từ các khối thử đúc riêng biệt.

Chuẩn bị bề mặt để kiểm tra kim loại học đòi hỏi phải mài bằng chất mài mòn mịn hơn sau đó đánh bóng đến khi có bề mặt gương. Khắc hóa học bằng thuốc thử thích hợp (thường là nital hoặc picral đối với thép) để lộ các đặc điểm cấu trúc vi mô.

Mẫu vật phải không bị hư hỏng do gia công hoặc tác động của nhiệt có thể làm thay đổi cấu trúc đúc ban đầu. Đối với thử nghiệm cơ học, hướng mẫu vật so với hướng đúc phải được ghi lại, vì các đặc tính thường thay đổi theo hướng.

Thông số thử nghiệm

Nhiệt độ thử nghiệm tiêu chuẩn thường dao động từ nhiệt độ phòng (20-25°C) đến nhiệt độ cao tùy thuộc vào ứng dụng. Điều kiện môi trường phải được kiểm soát để ngăn ngừa ô nhiễm hoặc oxy hóa trong quá trình thử nghiệm.

Tốc độ tải cho thử nghiệm kéo thép đúc thường tuân theo ASTM E8/E8M, với tốc độ biến dạng là 0,005 ± 0,002 in/in/phút trong quá trình chảy dẻo và 0,05 ± 0,01 in/in/phút sau khi chảy dẻo. Thử nghiệm va đập thường được tiến hành ở nhiệt độ quy định để đánh giá hành vi chuyển đổi từ dẻo sang giòn.

Các thông số quan trọng đối với thử nghiệm không phá hủy bao gồm năng lượng bức xạ để chụp X-quang, tần số và góc để thử nghiệm siêu âm và mức độ từ hóa để kiểm tra hạt từ.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm đo trực tiếp kích thước, tải trọng, độ dịch chuyển và chỉ báo lỗi. Hệ thống kỹ thuật số thu thập, lưu trữ và xử lý thông tin này theo các tiêu chuẩn có liên quan.

Các phương pháp thống kê bao gồm tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy cho các đặc tính cơ học. Thống kê Weibull thường được áp dụng để phân tích các đặc tính liên quan đến gãy xương của vật liệu đúc.

Giá trị cuối cùng được tính toán bằng cách áp dụng các công thức thích hợp cho các phép đo thô, với các hiệu chỉnh cho hình dạng mẫu, nhiệt độ và các yếu tố khác theo quy định trong các tiêu chuẩn thử nghiệm. Kết quả thường được báo cáo với các giá trị không chắc chắn và được so sánh với các tiêu chí chấp nhận.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép Phạm vi giá trị điển hình (UTS, MPa) Điều kiện thử nghiệm Tiêu chuẩn tham khảo
Đúc thép cacbon (0,2-0,3% C) 415-550 Tình trạng đúc, nhiệt độ phòng Tiêu chuẩn ASTM A27/A27M
Đúc thép hợp kim thấp 550-825 Xử lý nhiệt, nhiệt độ phòng Tiêu chuẩn ASTM A148/A148M
Đúc thép không gỉ (CF8M) 485-620 Dung dịch ủ, nhiệt độ phòng Tiêu chuẩn ASTM A743/A743M
Đúc thép mangan cao 620-825 Nước đã được làm nguội, nhiệt độ phòng Tiêu chuẩn ASTM A128/A128M

Sự khác biệt trong mỗi phân loại bắt nguồn từ sự khác biệt về độ dày của phần, tốc độ làm mát và các biến thể thành phần nhỏ. Các phần mỏng hơn thường có độ bền cao hơn do cấu trúc vi mô mịn hơn, trong khi các phần dày hơn nguội chậm hơn, dẫn đến cấu trúc thô hơn và giá trị độ bền thấp hơn.

Các giá trị này đóng vai trò là hướng dẫn cho việc lựa chọn vật liệu và tính toán thiết kế. Các kỹ sư nên cân nhắc rằng các thành phần đúc thường cho thấy sự thay đổi tính chất lớn hơn so với các sản phẩm rèn. Các tính chất cụ thể theo vị trí trong một lần đúc có thể thay đổi đáng kể dựa trên các điều kiện đông đặc cục bộ.

Xu hướng chung cho thấy việc tăng hàm lượng hợp kim và xử lý nhiệt thích hợp có thể cải thiện đáng kể các tính chất cơ học, mặc dù thường làm tăng chi phí và khả năng đúc có thể giảm.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư tính toán các đặc tính đúc bằng cách áp dụng các hệ số an toàn thích hợp để bù đắp cho sự thay đổi vốn có và các khuyết tật tiềm ẩn. Các hệ số an toàn thông thường dao động từ 1,5 đến 2,5 tùy thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng và mức độ kiểm soát chất lượng.

Tính toán thiết kế phải xem xét bản chất dị hướng của các cấu trúc đúc, với các đặc tính thường thay đổi giữa các vị trí và hướng khác nhau trong cùng một vật đúc. Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng các yêu cầu cơ học với khả năng đúc, xem xét các yếu tố như tính lưu động, phạm vi đông đặc và khả năng dễ bị khuyết tật.

Các phương pháp thiết kế hiện đại kết hợp phần mềm mô phỏng đúc để dự đoán các mẫu đông đặc, xác định vị trí khuyết tật tiềm ẩn và tối ưu hóa hệ thống gating và risering. Phương pháp tính toán này giúp giảm thiểu thử nghiệm và sai sót trong quá trình phát triển đúc.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Ngành đường sắt phụ thuộc rất nhiều vào các thành phần thép đúc cho toa tàu, khớp nối và khung bên, nơi mà độ bền cao kết hợp với khả năng chống va đập là điều cần thiết. Các thành phần này phải chịu được tải trọng tuần hoàn và điều kiện môi trường khắc nghiệt trong khi vẫn duy trì được tính toàn vẹn của cấu trúc.

Thiết bị phát điện kết hợp các thành phần thép đúc lớn như vỏ tuabin và thân van. Các ứng dụng này đòi hỏi khả năng chứa áp suất tuyệt vời, độ ổn định kích thước ở nhiệt độ cao và độ tin cậy lâu dài trong điều kiện dịch vụ đầy thách thức.

Thiết bị khai thác sử dụng thép đúc cho các bộ phận máy nghiền, lớp lót máy nghiền và gầu xúc, nơi đòi hỏi khả năng chống mài mòn cực cao kết hợp với độ bền. Các bộ phận này phải chịu tải trọng va đập mạnh và mài mòn trong môi trường hoạt động khắc nghiệt.

Đánh đổi hiệu suất

Độ bền và độ dẻo thường có các yêu cầu trái ngược nhau trong thép đúc. Hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn làm tăng độ bền nhưng thường làm giảm độ dẻo và khả năng chống va đập. Sự đánh đổi này đòi hỏi phải cân bằng cẩn thận dựa trên các yêu cầu ứng dụng.

Khả năng đúc so với hiệu suất là một sự đánh đổi phổ biến khác. Các hợp kim có đặc tính cơ học tuyệt vời thường có độ lưu động kém hoặc phạm vi đóng băng rộng, khiến chúng khó đúc mà không có khuyết tật. Ngược lại, các hợp kim dễ đúc có thể không đáp ứng được các yêu cầu cơ học khắt khe.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này thông qua việc lựa chọn hợp kim cẩn thận, thiết kế đúc tối ưu và xử lý sau đúc thích hợp. Các công cụ tính toán hiện đại giúp dự đoán kết quả hiệu suất của các kết hợp vật liệu và quy trình khác nhau, cho phép đưa ra quyết định đánh đổi sáng suốt hơn.

Phân tích lỗi

Độ xốp co ngót là một chế độ hỏng hóc phổ biến trong các thành phần thép đúc. Lỗi này xảy ra khi kim loại lỏng không có sẵn để bù cho sự co lại thể tích trong quá trình đông đặc. Các lỗ rỗng kết quả hoạt động như các bộ tập trung ứng suất, có khả năng gây ra các vết nứt mỏi dưới tải trọng tuần hoàn.

Các vết rách nóng phát triển khi ứng suất co nhiệt vượt quá độ bền vật liệu trong quá trình đông đặc. Các vết nứt liên hạt này thường hình thành ở các khu vực bị co hạn chế, thường ở các chuyển tiếp độ dày tiết diện hoặc các góc bên trong.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm thiết kế đúc phù hợp với các chuyển tiếp tiết diện dần dần, hệ thống gating và risering được tối ưu hóa để đảm bảo quá trình đông đặc theo hướng và mô phỏng máy tính để dự đoán các khu vực có vấn đề tiềm ẩn trước khi sản xuất. Kiểm tra sau khi đúc bằng các phương pháp thử nghiệm không phá hủy phù hợp giúp xác định các khiếm khuyết trước khi các thành phần đi vào sử dụng.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của thép đúc, với hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền và độ cứng trong khi làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. Mỗi 0,1% cacbon tăng thường làm tăng giới hạn chảy khoảng 60-80 MPa trong điều kiện đúc.

Các nguyên tố vi lượng như lưu huỳnh và phốt pho, ngay cả ở mức dưới 0,05%, có thể tác động đáng kể đến các tính chất cơ học bằng cách phân tách thành ranh giới hạt. Lưu huỳnh đặc biệt ảnh hưởng đến độ dẻo nóng và có thể dẫn đến rách nóng nếu không được kiểm soát.

Các phương pháp tối ưu hóa thành phần bao gồm hợp kim hóa vi mô với các nguyên tố như vanadi, niobi hoặc titan để tinh chỉnh cấu trúc hạt và thêm các nguyên tố đất hiếm để sửa đổi hình thái tạp chất. Đúc thép hiện đại thường sử dụng nhiệt động lực học tính toán để dự đoán thành phần tối ưu cho các kết hợp tính chất cụ thể.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ảnh hưởng mạnh đến các đặc tính cơ học, với các hạt mịn hơn thường cung cấp độ bền và độ dẻo dai cao hơn. Trong thép đúc, quá trình tinh chế hạt có thể đạt được thông qua quá trình tiêm chủng, tốc độ làm nguội được kiểm soát hoặc bổ sung hợp kim thích hợp.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, với tỷ lệ tương đối của ferit, peclit, bainit hoặc martensite quyết định sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo. Kiểm soát quá trình biến đổi pha thông qua thành phần và tốc độ làm nguội cho phép điều chỉnh các đặc tính cho các ứng dụng cụ thể.

Các tạp chất và khuyết tật, đặc biệt là tạp chất oxit góc và độ xốp co ngót, hoạt động như các chất tập trung ứng suất có thể gây ra các vết nứt dưới tải trọng. Kích thước, hình thái, phân bố và hướng của chúng ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính cơ học, đặc biệt là khả năng chống mỏi và độ bền gãy.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của thép đúc bằng cách kiểm soát các chuyển đổi pha. Chuẩn hóa đồng nhất cấu trúc vi mô và tinh chỉnh kích thước hạt, trong khi làm nguội và ram có thể làm tăng đáng kể độ bền và độ dẻo dai so với điều kiện đúc.

Các quy trình gia công cơ học như ép đẳng tĩnh nóng (HIP) có thể loại bỏ độ xốp bên trong trong các sản phẩm đúc cao cấp, cải thiện đáng kể các đặc tính chịu mỏi và giảm sự phân tán đặc tính. Các phương pháp xử lý bề mặt như phun bi tạo ra ứng suất nén có lợi giúp tăng cường khả năng chống mỏi.

Tốc độ làm mát trong quá trình đông đặc quyết định khoảng cách giữa các nhánh dendrite, kích thước hạt và kiểu phân tách. Làm mát nhanh hơn thường tạo ra các cấu trúc vi mô mịn hơn với các đặc tính cơ học được cải thiện nhưng có thể làm tăng ứng suất dư và khả năng nứt trong quá trình đông đặc.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của thép đúc, với độ bền kéo thường giảm và độ dẻo tăng ở nhiệt độ cao. Các ứng dụng nhiệt độ cao đòi hỏi phải lựa chọn hợp kim cẩn thận để duy trì các đặc tính phù hợp trong điều kiện sử dụng.

Môi trường ăn mòn đẩy nhanh quá trình phân hủy các thành phần thép đúc, đặc biệt là tại các vị trí có cấu trúc vi mô không đồng nhất như vùng tách biệt hoặc giao diện tạp chất. Lựa chọn hợp kim thích hợp và lớp phủ bảo vệ có thể làm giảm những tác động này.

Các hiệu ứng phụ thuộc thời gian bao gồm hiện tượng biến dạng ở nhiệt độ cao, khi các thành phần đúc dần biến dạng dưới tải trọng không đổi. Hiện tượng này trở nên đáng kể ở nhiệt độ nóng chảy trên khoảng 40% và phải được xem xét trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

Phương pháp cải tiến

Các phương pháp cải tiến luyện kim bao gồm xử lý canxi để thay đổi hình thái tạp chất từ ​​góc cạnh sang hình cầu, làm giảm hiệu ứng tập trung ứng suất của chúng. Việc bổ sung đất hiếm có thể tinh chế tạp chất hơn nữa và cải thiện độ sạch của thép đúc.

Cải tiến dựa trên quá trình xử lý bao gồm khử khí chân không để giảm khí hòa tan, khuấy điện từ để thúc đẩy tinh chỉnh cấu trúc và các kỹ thuật đông đặc có kiểm soát để giảm thiểu sự phân tách và độ xốp. Thiết kế khuôn tiên tiến với bộ phận làm lạnh và chất cách điện có thể tối ưu hóa tốc độ làm mát cục bộ.

Các cân nhắc về thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất thép đúc bao gồm cung cấp góc kéo thích hợp để loại bỏ mẫu, kết hợp các góc bo tròn có kích thước phù hợp để giảm sự tập trung ứng suất và thiết kế để đông đặc theo hướng nhằm giảm thiểu khuyết tật. Các công cụ kỹ thuật hỗ trợ máy tính cho phép tối ưu hóa ảo trước khi tạo mẫu vật lý.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Quá trình đông đặc là quá trình chuyển đổi pha từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn xảy ra trong quá trình đúc. Quá trình này bao gồm sự hình thành hạt nhân, sự phát triển và sự phát triển của các cấu trúc vi mô đặc trưng quyết định các tính chất cuối cùng của thành phần đúc.

Hệ thống gating mô tả mạng lưới các kênh được thiết kế để đưa kim loại nóng chảy vào khoang khuôn. Thiết kế gating phù hợp đảm bảo quá trình đổ đầy trơn tru, có kiểm soát đồng thời giảm thiểu nhiễu loạn, giữ khí và hình thành oxit.

Risering liên quan đến việc bố trí chiến lược các bể chứa cung cấp thêm kim loại nóng chảy để bù đắp cho sự co ngót do đông đặc. Risering hiệu quả ngăn ngừa các khuyết tật co ngót bằng cách duy trì đường dẫn kim loại lỏng đến các vùng đông đặc.

Các thuật ngữ này là những khía cạnh có mối liên hệ với nhau của quá trình đúc, trong đó cổng kiểm soát sự đi vào của kim loại, quá trình đông đặc quyết định sự phát triển của cấu trúc vi mô và quá trình tăng lên bù đắp cho những thay đổi về thể tích trong quá trình làm nguội.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A216/A216M là tiêu chuẩn quốc tế chính cho các sản phẩm đúc thép cacbon phù hợp với dịch vụ nhiệt độ cao. Tiêu chuẩn này xác định giới hạn thành phần hóa học, yêu cầu về tính chất cơ học và quy trình thử nghiệm cho các bộ phận chịu áp suất.

Tiêu chuẩn Châu Âu EN 10213 bao gồm các sản phẩm đúc thép cho mục đích chịu áp suất, với các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với thử nghiệm không phá hủy so với một số tiêu chuẩn ASTM. Tiêu chuẩn này bao gồm các điều khoản cụ thể cho các ứng dụng nhiệt độ thấp không được đề cập đầy đủ trong các tiêu chuẩn ASTM tương đương.

Sự khác biệt chính giữa các tiêu chuẩn bao gồm tiêu chí chấp nhận cho thử nghiệm không phá hủy, quy trình xử lý nhiệt bắt buộc và ngưỡng tính chất cơ học. Những nỗ lực hài hòa quốc tế tiếp tục giảm những khác biệt này, mặc dù các biến thể khu vực vẫn tồn tại dựa trên các thông lệ lịch sử và điều kiện vận hành tại địa phương.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mô hình tính toán các quy trình đúc với độ chính xác ngày càng tăng, kết hợp các hiện tượng như dòng chảy chất lỏng, truyền nhiệt, tiến hóa cấu trúc vi mô và hình thành khuyết tật. Các mô hình này nhằm mục đích dự đoán các đặc tính trực tiếp từ các thông số xử lý.

Các công nghệ mới nổi bao gồm in cát 3D để sản xuất khuôn phức tạp, cảm biến trong khuôn để theo dõi quy trình theo thời gian thực và hệ thống trí tuệ nhân tạo để dự đoán lỗi và tối ưu hóa quy trình. Những tiến bộ này cho phép sản xuất các thành phần đúc phức tạp hơn, chất lượng cao hơn.

Những phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc triển khai rộng rãi hơn công nghệ song sinh kỹ thuật số, liên kết dữ liệu đúc thời gian thực với các mô hình dự đoán để cho phép kiểm soát quy trình thích ứng. Những tiến bộ trong thiết kế hợp kim được tối ưu hóa cụ thể cho sản xuất lai ghép thông thường-phụ gia sẽ mở rộng phạm vi ứng dụng của các thành phần thép đúc trong các ngành công nghiệp quan trọng.

Quay lại blog

Để lại bình luận