鋳物の金属収縮

タイトな寸法を達成する 公差 キャスティングの生産において最大の懸念のままです.

溶融金属が冷えて固化するにつれて, それは必然的に契約します - 時には予想通りです, 他の場合は予測的には、合金化学に依存します, ジオメトリ, およびプロセスパラメーター.

適切な制御なし, 収縮は内部ボイドを導入する可能性があります, 歪み, パフォーマンスとコストの両方を損なう耐性のない機能.

この包括的な記事で, 金属収縮の力学を調べます, 鉄および非鉄合金に対するその実際的な意味, そして、戦略のファウンドリとデザイナーは、欠陥を緩和するために採用しています.

1. 導入

寸法精度は、すべての鋳造コンポーネントの機能を支えます, 自動車エンジンブロックから精密な航空宇宙ハウジングまで.

金属収縮 液体から周囲温度への合金遷移として発生する体積と線形の寸法の減少を指します.

さえ控えめです 2–3％ 鋼の線形収縮または 5–8％ アルミニウムでは、不適合につながる可能性があります, 反り, または、対処されていない場合の部品を拒否しました.

単純な幾何学と複雑なジオメトリと対照的な鉄と非鉄合金の縮小を調査することにより, ターゲットを絞った設計とプロセスコントロールの基礎を築きます.

2. 収縮の種類

鋳造プロセス中に発生する明確な種類の収縮を理解することは、次元の精度と構造的完全性を達成するために重要です.

収縮 金属鋳物 通常、3つの主要な段階で進行します。液体収縮, 凝固収縮, そして 固体 (パターンメーカー) 収縮 - それはデザインに異なる意味を持っています, カビの準備, および欠陥制御.

さらに, 収縮は、その物理的な症状によって分類できます マクロシュリンケージ, マイクロシュリンケージ, または 配管, キャスティング内のスケールと場所に応じて.

液体収縮

液体収縮とは、溶融金属が注ぎの温度からその固化点まで冷却するため、体積の減少を指します, 完全に流動的な状態にとどまっている間.

この収縮はからです 1% に 3% ボリュームによって, 合金タイプに応じて.

一般的に寸法制御の懸念ではありません, この段階でライザーからのオープンな給餌経路を維持することが重要です.

ライザーが十分な溶融金属を供給できない場合, キャスティングが発生する可能性があります 表面の鬱病 または 不完全な塗りつぶし.

例: アルミニウム合金は、の液体収縮を経験する場合があります 2.5%, 早期冷却中に一貫したカビの充填を維持するために慎重なライザー設計を必要とする.

凝固 (固体 - 液体) 収縮

これは、欠陥予防の観点からの縮小の最も重要な形式です.

金属が液体から固体に移行するように, それは重要です 体積収縮, 通常 3% に 7%.

この縮小は、いわゆる「どろどろのゾーン」内で発生します, 固体相と液相の両方が共存します.

この段階で溶融金属が適切に供給されない場合, マクロシュリンケージ などの欠陥 ボイド, センターラインの多孔性, またはキャビティ 形成できます.

凝固収縮は非常に敏感です:

• 冷却速度と熱勾配
• 固化モード (ユートテクティック, 方向, または同等)
• 合金凍結範囲

方向凝固, これは、ライザーに向かって一方向の熱流を促進します, これらの効果に対抗するための広く採用されている戦略です.

固体 (パターンメーカー) 収縮

完全に固化したら, 周囲温度に冷却するにつれて、キャスティングは縮小し続けます. これ 線形収縮 通常、範囲からです 1% に 2.5%, 合金に応じて. 例えば:

• 炭素鋼: 約2.0％
• 灰色の鉄: 〜1.0％
• アルミニウム合金: 〜1.3％に 1.6%

パターンメーカーは、標準化されたものを使用してパターンの寸法をスケーリングすることにより、この収縮に対応します 収縮手当.

この収縮は、比較的予測可能で均一であると考えられています, 複雑な幾何学または可変セクションの厚さを備えた鋳物には不均一な場合がありますが.

マイクロシュリンケージと. マクロシュリンケージと. 配管

タイプ	説明	典型的な場所	原因
マイクロシュリンケージ	大丈夫, 固体構造内の分散排出または多孔性	ランダムまたは孤立した領域	樹状突起凝固, 給餌が悪い
マクロシュリンケージ	大きい, 鋳物の中央または上部によく見られる目に見えるボイド	中央またはライザーネックエリア	不十分なライザーフィード
配管	ライザーからキャスティングに伸びる漏斗状の空洞	Riser -Casting Junctionに近い	ライザーボリュームが不十分または給餌の遅延

3. 固化モードとその効果

金属がどのように固まるか、つまり 固化モード - 収縮挙動に深い影響を及ぼします, 給餌要件, そして最終的なキャスティング品質.

固化は均一なプロセスではありません; 合金組成によって大きく異なります, 冷却速度, カビのデザイン.

3つの主要な固化モードを理解する - ユートテクティック, 方向, そして 同等 - 収縮を制御し、多孔性やボイドなどの内部欠陥を最小化するために不可欠です.

共晶凝固

reutectic凝固は、固定温度で金属または合金が液体から固体に移行すると発生します, 非常に細かい混合物で同時に2つ以上の固体相を形成する.

この変換は急速に起こります, 多くの場合、キャスティング断面全体に一度に, 収縮摂食の機会を最小限に抑えます.

• 一般的な合金: 灰色の鉄, アルミニウムシリコン合金 (例えば。, A356), そしていくつかのブロンズ
• 収縮特性: 低いマクロシュリンケージ, しかし、適切に制御されていなければ、微量が微妙になりやすい
• 摂食行動: 最小限のライザーボリュームが必要です, しかし、正確な熱管理が不可欠です

例: 灰色の鉄の鋳物は、グラファイトフレークを生成するユートクリック反応によって固化します.

グラファイト降水によって引き起こされる体積膨張は、縮小を相殺することがあります, 灰色の鉄を摂食に関して比較的寛容にします.

方向凝固

方向性凝固で, 金属は、キャスティングの一端から徐々に固化します (通常、カビの壁) 指定された熱リザーバーまたはライザーに向かって.

この制御された熱勾配により、溶融金属は固化領域を効果的に供給することができます, 収縮欠陥の減少.

• 一般的な合金: 炭素鋼, 低合金鋼, ニッケルベースの超合金
• 収縮特性: 適切に配置されたライザーで管理できる予測可能なマクロシュリンケージパス
• 摂食行動: 素晴らしい, 熱勾配が維持され、ホットスポットが避けられた場合

例: スチール鋳物, 方向性凝固は、悪寒を使用して意図的に設計されています (固化を促進します) 断熱されたライザー (それはそれを遅らせます).

これにより、薄いセクションから厚い状態に固化の前面が導かれます, 欠陥のない鋳造の支援.

同等の固化

等軸固化には、液体金属全体の穀物の同時核生成が含まれます.

固化は、予測可能な熱勾配に従うのではなく、ランダムに発生します. これにより、給餌と収縮制御がはるかに困難になります.

• 一般的な合金: アルミニウム 356 (いくつかの鋳造方法で), アルミニウムブロンズ
• 収縮特性: 内部収縮と微小多孔性のリスクが高い
• 摂食行動: 管理が難しい; 摂食経路が早すぎる閉塞が起こりやすい

例: 同等のアルミニウム鋳物, 穀物は、孤立した領域で予測不可能に固化する可能性があります, 金属飼料が以前の凝固によってブロックされている場合、内部ボイドを作成する. シミュレーションソフトウェアは、そのようなリスクを予測し、それに応じてゲーティングデザインを調整するためによく使用されます.

気孔率と摂食設計への影響

各凝固モードは、多孔性の発達方法と給餌システムの設計方法に影響を与えます:

固化モード	気孔率のリスク	摂食の複雑さ	ライザー効率
ユートテクティック	低マクロ, 可能なマイクロ	適度	高い
方向	うまく管理されている場合は低い	低から中程度	高い
同等	高い (マイクロとマクロ)	高い	低い

4. 重要な影響要因

鋳物の金属収縮は、単一の変数ではなく、冶金学の複雑な相互作用によって支配されています, 幾何学, およびプロセス駆動型要因.

これらの要因を理解することで、鋳造エンジニアは収縮欠陥を緩和する鋳物とプロセスを設計することができます, 寸法精度を向上させます, 全体的なキャスティングパフォーマンスを向上させます.

以下は、収縮行動に影響を与える主要な貢献者です:

合金の種類と組成

鋳造されている合金システムは、収縮特性を決定する上で基本的な役割を果たします.

凝固中の密度変化と熱収縮係数の違いにより、異なる金属とそれぞれの合金がさまざまな速度で縮小します.

• 鋼合金 通常、3〜4％の範囲で体積凝固収縮を示します.
• アルミニウム合金 6〜7％を縮小する可能性があります, シリコンのような追加 (例えば。, Al-iが告げます) 共同構造を形成することにより、収縮を減らします.
• 銅ベースの合金 さらに大きな収縮を示すことができます (まで 8%), スズの存在に応じて, 亜鉛, またはアルミニウム.

合金要素を含めることも、凝固経路を変えることができます (ユートテクティック対. 同等), それにより、摂食挙動と多孔性の傾向を変えます.

セクションの厚さと熱勾配

幾何学的特徴は、冷却速度と局所収縮挙動に大きな影響を及ぼします. 厚いセクションは熱をより長く保持し、よりゆっくりと固化します, より薄いセクションは急速に涼しくなります.

これにより、内部が作成されます 熱勾配, これは、鋳造を通じて固化がどのように進行するかを決定します.

• 厚いセクション ホットスポットや内部収縮の空白が生じる傾向があります.
• 突然のセクションの変更 (例えば。, 厚から薄い) ローカライズされたストレスゾーンを作成し、給餌パスをブロックする場合があります, 気孔の収縮につながります.

デザインベストプラクティスは、滑らかな移行と均一なセクションの厚さを促進し、熱散逸を均等に管理する.

カビの材料と剛性

カビの物理的特性 - 特にその 熱伝導率と剛性 - 溶融金属から熱が抽出される方法, 固化の速度と方向の両方に影響を与えます.

• 緑の砂型 柔軟性を提供し、軽微な収縮に対応できますが、強度が低いために反りを導入する可能性があります.
• エアセットまたは化学的に結合した砂型 より大きな寸法制御を提供しますが、熱収縮の寛容が少ない, 残留応力の増加.
• 永久型 (例えば。, キャスティングダイ) 熱伝導率が高いために厳密な冷却速度を強制しますが、より正確な収縮手当が必要です.

さらに, カビのコーティングと悪寒は、密着時間と摂食の有効性を局所的に制御するために適用できます.

注ぐ温度と速度

The 金属が注がれる温度 流動性と固化ウィンドウのサイズの両方に影響します.

より高い過熱は、核形成を遅らせ、等軸固化を促進する可能性があります, これは微小多孔性を増加させる可能性があります.

• 注ぎの温度が非常に高いと、乱流が生じる可能性があります, ガス閉じ込め, そして縮小ボイド.
• 逆に, 注ぎの温度が低いと、早期凝固やコールドシャットが発生する可能性があります, 収縮補償が発生する前の給餌経路をブロックします.

The 注入速度 また、凝固が始まる前に金型のすべての部分が満たされていることを確認するために最適化する必要があります, カビの侵食や乱流を避けながら.

ライザーのデザインとゲーティングシステム

適切なライザーとゲーティングデザインは、縮小と戦うための最も直接的な方法の1つです. ライザーは次のように機能します 溶融金属の貯水池 固化中に収縮する鋳造に供給します.

重要なデザインの原則には含まれます:

• ライザーボリューム 凝固収縮を補うのに十分でなければなりません.
• ライザーの場所 必要に応じて溶融金属が利用できるようにするために、ホットスポットの近くにある必要があります.
• 方向凝固 ライザーの配置とサイジングを通じて促進する必要があります, ゲート, そして悪寒.

高度なゲーティングデザイン (ボトムゲーティング, 加圧Vs. 非圧力システム) 金属が空洞と冷却をどのように満たすかに影響を与えます, 収縮形成に直接影響します.

5. 鋳物の金属収縮のための補償戦略

鋳物の金属収縮を効果的に緩和するには、正確なデザインの組み合わせが必要です, 予測モデリング, よく実行されたプロセス制御.

収縮は冷却と凝固に関連する避けられない物理的現象であるため, Foundriesは、次元の精度を確保し、ボイドや多孔性などの内部欠陥を防ぐための補償戦略に焦点を当てています.

このセクションでは、鉄と非鉄の両方の鋳造プロセスの収縮を管理するために使用される主要なエンジニアリング技術と技術革新の概要を説明します.

パターンスケーリングルールとCAD縮小係数

収縮を補うための最も基本的なアプローチの1つは、鋳造パターンのサイズを調整することです.

すべての金属が冷却時にさまざまな程度に収縮するため, パターンメーカーが応募します 収縮手当 特定の合金の予想される収縮率に基づいています.

• 例えば, 炭素鋼 パターンには通常、2.0％〜2.5％の線形収縮手当が含まれます.
• アルミニウム合金, 彼らのより高い収縮のため, 多くの場合、3.5％〜4.0％の手当が必要です.
• これらの値は、手動プロセスで「シュリンクルール」を使用して実装されています。 CADのスケーリング係数 デジタル設計中のモデル.

しかし, 収縮は均一に分布していません。複雑なジオメトリまたは不均一な質量を備えたエリアには、局所的な調整が必要になる場合があります.

最新のCADソフトウェアは、地域固有のスケーリングを可能にします, 複雑な鋳物の精度の向上.

ライザー配置とホットスポット制御

ライザーは次のように機能します 溶融金属の貯水池 凝固中に鋳造を養います, 体積収縮を補う.

効果的なライザーの設計は、方向性の固化を促進するために不可欠です, 厚いセクションの完全な給餌を確認してください, 収縮空洞を排除します.

主要なライザーの設計上の考慮事項が含まれます:

• サイズ: ライザーは、キャスティングが固化している間、溶けたままにするためにキャスティングよりも長く熱を保持する必要があります.
• 位置: ライザーは、ホットスポットの上または上に配置する必要があります。.
• 形: 円筒形または円錐形のライザーは、良好な音量と表面の面積比を提供します, 熱損失の減速.
• ライザー断熱: の使用 断熱袖または発熱材料 ライザー冷却時間を延長できます, 摂食効果の向上.

悪寒と断熱袖の使用

寒気 熱伝導率が高い材料です (多くの場合、鉄または銅) ターゲット領域の固化を加速するために金型に配置されています.

それらの使用は、固化の方向と速度を制御するのに役立ちます, 効果的に ライザーから離れて凝固前に描く 方向性給餌を促進する.

• 内部の悪寒 カビの虫歯に埋め込むことができます.
• 外部の悪寒 キャスティング面の外側に配置されます.
• 絶縁袖は、ライザーまたはカビの領域に適用されます 凝固を遅らせます, 重いセクションでの給餌を支援します.

この戦略的熱管理は、内部多孔性を減らし、一貫した構造的完全性を確保するのに役立ちます.

高度なシミュレーションと予測ソフトウェア

モダンファウンドリは大きく依存しています キャストシミュレーションソフトウェア 物理的な金型が生成される前に収縮制御を視覚化して最適化する.

などのソフトウェア マグソフト, Procast, そして ソリッドキャスト 流体の流れをシミュレートします, 熱伝達, カビの空洞内の凝固挙動.

利点には含まれます:

• 収縮の多孔性とホットスポットの場所の予測
• ライザーとゲーティングシステムの設計の検証
• 寒気の配置とカビの絶縁の最適化
• 代替合金またはカビ材料の評価

例えば, シミュレーションは、大きなアルミニウムハウジングが取り付けフランジの近くにリスクの高いホットゾーンを持っていることを明らかにすることができます.

その後、エンジニアは局所的なライザーと冷却を加えて摂食を改善し、歪みを最小限に抑えることができます.

鋳造プロセスの制御と監視

サウンドデザインとシミュレーションでも, プロセス変数が一貫して制御されていない場合、収縮欠陥が発生する可能性があります. 重要なプロセス制御には含まれます:

• 注ぐ温度: 高すぎると、乱流が増加し、気孔率が収縮する可能性があります; 低すぎると不完全な充填またはコールドシャットが発生する可能性があります.
• カビの予熱とコーティング: 初期の熱伝達と金属の相互作用に影響します.
• 冷却速度: カビ材料の影響を受けることができます, 周囲の条件, 型箱に鋳物を配置します.

リアルタイムのデータ収集を通じて 熱電対, ピロメトリー, および熱イメージング 注入段階と冷却段階でのプロアクティブな監視と調整をサポートします.

6. 合金収縮率 (近似)

包括的なリストは次のとおりです おおよその合金収縮率 一般的に使用されています 鋳造合金, 両方をカバーします 鉄および非鉄金属.

これらの線形収縮値は通常、パーセンテージとして表され、パターン設計に不可欠です, ツーリング補償, 鋳造業務における正確な寸法制御.

鉄合金

合金タイプ	約. 線形収縮 (%)	メモ
灰色の鋳鉄	0.6 - 1.0%	固化中のグラファイトの拡大に​​よる低収縮.
延性鉄 (SG鉄)	1.0 - 1.5%	中程度の収縮; 結節性は体積収縮に影響します.
白い鋳鉄	2.0 - 2.5%	より高い収縮; グラフ補償なし.
炭素鋼 (低い & 中くらい)	2.0 - 2.6%	高い収縮; 慎重なリサリングと給餌が必要です.
合金鋼 (例えば。, 4140, 4340)	2.1 - 2.8%	コンテンツの合金と冷却速度によって異なります.
ステンレス鋼 (304, 316)	2.0 - 2.5%	高い収縮; 適切に供給されていない場合、内部ボイドになりやすい.
工具鋼	1.8 - 2.4%	温度勾配とカビの設計に敏感です.
順応性のある鉄	1.2 - 1.5%	延性鉄に似ていますが、統合後のアニーリングがあります.

非鉄合金 - アルミニウムベース

合金タイプ	約. 線形収縮 (%)	メモ
アルミニウム 356 (熱処理可能)	1.3 - 1.6%	中程度の収縮; T6熱処理の影響を受けます.
アルミニウム 319 / A319 (高いsi-this)	1.0 - 1.3%	低い収縮; 良い鋳造特性.
アルミニウム 535 (mg-bearing)	1.5 - 1.8%	多孔性が発生しやすい; 悪寒の恩恵.
アルミニウム 6061 (鍛えた)	〜1.6％	T6プロパティが必要なときに鋳造で使用されます.
アルミニウム合金 (一般的な)	1.0 - 1.8%	構成と冷却戦略によって異なります.

銅ベース

合金タイプ	約. 線形収縮 (%)	メモ
黄色 真鍮 (例えば。, C85700)	1.5 - 2.0%	高い収縮; 強力な給餌システムが必要です.
赤い真鍮 (例えば。, C83450)	1.3 - 1.7%	良い流れ; 中程度の収縮.
シリコンブロンズ (C87300, C87600)	1.3 - 1.6%	アートキャスティングで広く使用されています; 中程度の収縮.
アルミブロンズ (C95400)	2.0 - 2.5%	高い収縮; 指向性固化が不可欠.
ティンブロンズ (C90300, C90500)	1.1 - 1.5%	スズの含有量による低い収縮.

非鉄合金 - ニッケルベース

合金タイプ	約. 線形収縮 (%)	メモ
インコネル 718	2.0 - 2.5%	高温合金; 精密キャスティング制御が必要です.
ハスロイ (Cシリーズ)	1.9 - 2.4%	耐腐食性アプリケーションで使用されます.
モネル (ニッケルコッパー)	1.8 - 2.3%	良い延性; 高い収縮.

マグネシウム合金

合金タイプ	約. 線形収縮 (%)	メモ
AZ91D (ダイカスト)	1.1 - 1.3%	軽量; 高速冷却エイズ次元制御.
ZE41 / ZE43 (砂鋳造)	1.2 - 1.5%	水素多孔性の制御が必要です.

チタン合金

合金タイプ	約. 線形収縮 (%)	メモ
TI-6AL-4V	1.3 - 1.8%	高性能合金; 投資キャスティングが必要です.

7. 寸法公差と標準

国際基準は、設計の期待をプロセス機能に合わせます:

• ISO 8062: casting耐性グレードを定義します (CT5 -CT15) そのスケールは名目上のサイズです.
• asme & ASTM: 業界固有の縮小手当を提供します (例えば。, スチール鋳物用のASTM A802).
• トレード・オフ: 緊密な許容範囲は、ツーリングコストとリードタイムを増加させます; デザイナーは、必要な精度と手頃な価格のバランスをとります.

8. 結論

Metal Shrinkageは、予測可能な課題と複雑な課題の両方を示しています 鋳造.

冶金理解 - 熱収縮を組み合わせることにより, 位相変更ダイナミクス, 固化モード - 堅牢な設計およびシミュレーションツール,

エンジニアとファウンドリーは、収縮の欠陥を軽減できます, 給餌戦略を最適化します, そして、最新のアプリケーションの需要が厳しい許容範囲を達成します.

最終的に, 成功は、デザインチームと制作チームの間の早期コラボレーションにかかっています, 溶融金属を精密成分に変換するための経験と技術の両方を活用する.

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鋳物の金属収縮のFAQ

鋳物の金属収縮とは何ですか?

金属収縮とは、注ぐ温度から周囲温度まで溶融金属が冷却されるにつれて発生する体積と線形寸法の減少を指します.

鋳造中に金属が収縮するのはなぜですか?

初め, 熱収縮 液体金属は凍結点に向かって冷却すると収縮します.

2番, 凝固収縮 金属が液体から固体に移行するときに発生します, 追加の体積収縮につながります.

ついに, 固相の収縮 完全に固体の金属が室温に冷却するにつれて続きます.

パターンメーカーの収縮は何ですか?

パターンメーカーの収縮は線形収縮です (通常、1〜2％) それは金属が完全に固化し、室温に冷却された後に発生します; ファウンドリは、パターンの寸法を拡大することにより、それを補います.

収縮の大きさと方向に影響する要因?

重要な要因には、合金組成が含まれます (例えば。, シリコンはアルミニウムの収縮を減らします), セクションの厚さ (厚い領域がゆっくりと涼しくなります),

カビの材料と剛性 (砂と. 永久型), 注ぐ温度/レート, ライザーとゲーティングシステムの設計.

Risers and Chillsが収縮制御においてどのような役割を果たしますか?

ライザー 凝集中に鋳造に供給するために溶融貯留層として機能する,

その間 寒気 (高伝導インサート) 対象地域の冷却を加速します, 方向性の固化を促進し、内部ボイドの防止.

収縮手当はパターンに対してどのように計算されますか?

収縮手当 (%) = (パターンディメンション - キャストディメンション) / キャスティングディメンション× 100%.

ファウンドリーは、各合金とプロセスについてこれらの手当を経験的に導き出します, 次に、それらをCADスケールファクターまたはパターン拡張として実装します.