金属材料の鋳造および成形欠陥の分析
Jul 26, 2024
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I 金属材料の鋳造欠陥
金属材料の鋳造欠陥とその防止対策
ガス多孔性
特徴:
ガス多孔性とは、溶融金属が凝固する前にガスが逃げることができなかったときに鋳物内に形成される空洞を指します。これらの欠陥は通常、滑らかで明るい内壁を持ち、わずかに酸化した色を帯びることもあります。
インパクト：
ガス多孔性により、鋳物の有効荷重支持面積が減少し、耐衝撃性および疲労強度が低下します。また、鋳物の耐食性および耐熱性にも悪影響を及ぼします。
予防策:
不合理なゲートおよびライザー システムを修正して、金属の流れをスムーズにし、ガスの閉じ込めを回避します。
コーティングを施す前に型とコアを予熱し、使用前に完全に乾燥させてください。
ガスを逃がすために適切な通気手段を備えた金型とコアを設計します。
収縮多孔度
収縮多孔度は集中収縮と分散収縮の 2 種類に分類されます。
特徴:
鋳造プロセス中に凝固中に液体金属が収縮することによって形成される空洞。
金属が凝固する過程で体積収縮が発生し、溶融金属がそれを補うことができないため、最後に凝固した部分に収縮空洞が発生します。収縮空洞は、集中収縮と分散収縮の 2 種類に分類できます。
インパクト：
鋳造品の機械的特性と強度が低下します。
予防策:
溶融品質を向上させ、ガス含有量を減らします。
注入温度を上げて凝固時間を遅らせます。
ゲート システムを最適化して、過度に長い注入経路を最小限に抑えます。
完全に凝固する前に干渉を防ぐために、鋳物を金型から取り出すのが早すぎることは避けてください。
含まれるもの
特徴:
鋳造工程中に存在する酸化物やケイ酸塩などの不純物や異物。
インパクト：
鋳造品の靭性と脆性が低下し、機械的特性が低下します。
予防策:
原材料の管理と清浄度を強化し、鋳造材料の溶融および注入温度を制御します。
炉とツールが清潔で、酸化物がなく、予熱されており、塗布後にコーティングが乾燥していることを確認します。
冷間閉鎖と不十分な注湯
特徴:
液体金属が十分に流れて鋳型を適切に充填できないために鋳型への充填が不完全または不十分になり、鋳物の部分的な充填または溶融が発生します。
インパクト：
鋳造形状が不完全で機械的特性が損なわれます。
予防策:
注入温度と速度を上げます。
スムーズな金属の流れを確保するために、ゲート システムの設計を最適化します。
ひび割れ
特徴:
鋳物の表面または内部にある直線状または不規則に湾曲した隙間。
インパクト：
鋳造品の強度と安定性を直接的に低下させます。
予防策:
実際のゲート システムでの局所的な過熱を避け、内部応力を軽減します。
金型とコアのドラフト角度が 2 度より大きいことを確認し、スプルーが固まったらコアを取り外して金型を開きます。
コーティングの厚さを制御して、鋳造物のすべての部分にわたって一貫した冷却速度を確保します。
サンドホール
鋳物の表面または内部に鋳型（中子）砂で満たされた小さな穴。これは一般的な鋳造欠陥であり、多くの場合、鋳造品の不合格につながります。
砂の混入
鋳物の表面は、金属（または金属酸化物）と砂（またはコーティング）の混合物、または焼き付けられた鋳型砂で部分的または全体的に覆われており、鋳物の表面は粗くなっています。
未充填、不完全充填、鋳型の漏れ、ランナーの火災など、さまざまな原因による鋳物の形状および形態の欠陥。
未充填（不完全な充填）
鋳物は不完全であるか、不完全な輪郭を持ち、特に湯口から離れた部分や薄い壁の部分では、エッジやコーナーが丸みを帯びて光沢があるように見えることがよくあります。鋳込みシステムは充填されています。鋳物の上部には肉が欠けており、エッジはわずかに丸みを帯びており、湯口の上面は鋳物と同じ高さになっています。
金属材料の鋳造欠陥にはさまざまな種類がありますが、そのほとんどは鋳造プロセスの最適化、原材料の品質の向上、設備メンテナンスの強化によって防止および軽減できます。鋳造企業は、市場と顧客の需要を満たすために鋳造品質を継続的に向上させるために、プロセスの革新と技術の進歩に重点を置く必要があります。
II 金属材料の加工および成形欠陥
金属材料の加工および成形中に、材料特性や製品品質に重大な影響を与えるさまざまな欠陥が発生する可能性があります。
過熱とバーンアウト
過熱：金属を高温で長時間加熱または加工すると、粗い結晶構造と大きな結晶粒が形成されます。過熱により、表面にざらつき、オレンジピール、結晶粒の拡大が生じる場合があります。過熱された合金の強度はわずかに低下しますが、室温での衝撃靭性と延性は大幅に低下し、材料が脆くなります。
（T10A鋼の過熱微細組織400X）
上の画像に示すように、焼入れされた T10A 鋼ワークピースの亀裂付近の微細構造は、粒界に沿った黒色のパーライト、炭素含有量の高い粗いマルテンサイトラス、白色の残留オーステナイト、および最小限の量の析出炭化物で構成されています。
燃え尽き症候群:金属が融点近くまたは融点付近で長時間または過度に加熱されると、低融点成分の局所的な溶融または粒界の弱化が起こり、バーンアウトと呼ばれます。バーンアウトにより、表面が荒れ、粒界が粗くなり、まっすぐになり、粒界がほつれ、ひび割れが生じることもあります。バーンアウトにより、金属の結合強度が大幅に低下します。
(W18Cr4V焼成微細組織400倍）
上の画像に示されている微細構造は、W18Cr4V 鋼の焼入れおよび過熱構造であり、灰白色の細針状のマルテンサイトと残留オーステナイト マトリックス、粒界に沿った明るい白色のネットワーク炭化物、および黒色のトルースタイトで構成されています。
過熱防止対策
適切な加熱方法と加熱速度: 材料の特性と形状に基づいて、適切な加熱方法と加熱速度を選択します。たとえば、局所的な高温を避けるために、均一加熱方法または段階的加熱を使用します。
機器パラメータの調整: 実際の生産条件と材料の特性に応じて、加熱装置の出力、加熱時の温度制御の精度、材料の移動速度などを調整し、均一な加熱と正確な温度制御を確保します。
炉ガス組成の制御：特にステンレス鋼の鍛造品を加熱する場合は、炉内の余分な空気を減らして弱酸化雰囲気を作ります。
加熱温度と保持時間の制御：過度の加熱や長時間の保持を防ぐために、さまざまな金属材料や処理要件に応じて適切な加熱温度と保持時間を設定します。
炎炉での加熱中は、ビレットとバーナーノズルの間に一定の距離を保ち、炎がビレットに直接接触するのを防ぎます。抵抗炉での加熱では、ビレットと抵抗線の間の距離を制御して、局所的な過熱を回避します。
材料の選択と拒否: 過熱しやすい高炭素鋼や低炭素合金鋼を加熱する場合は、過熱しないように注意してください。すでに過熱または局所的な過熱を経験した鋼材は、完成品の汚染を防ぎ、より大きな損失を避けるために、すぐに廃棄する必要があります。
熱処理設備制御：熱処理中の過熱を回避するために、高度な熱処理焼戻し炉を使用するなど、熱処理装置の構造と特性を変更します。
ひび割れや亀裂
加工割れ：不適切な加工方法や手順上の欠陥により、加工割れが発生する可能性があります。これらの割れは、熱割れと冷割れに分類され、縦割れ、横割れ、側面割れなどさまざまな形状があります。
（研削時の過度の温度による亀裂）
熱処理による亀裂：加熱によって生じる熱応力が金属の強度と一致してそれを超えるなど、合金内に大きな残留応力が存在する場合、亀裂が発生する可能性があります。さらに、加熱プロセス中に、合金は粒界に沿って第 2 相を析出させて二次応力を発生させたり、相転移によって大きな体積変化を起こしたりして、亀裂につながることもあります。
(焼入れ割れ
これらの欠陥を防止し、低減するには、金属材料の加工および成形プロセス中に、加熱温度、加工方法、合金組成などの要素を厳密に制御する必要があります。さらに、製品の品質検査と管理を強化することが重要です。さらに、産業用CTスキャンなどの高度な非破壊検査技術を採用することで、金属材料の内部欠陥を効果的に検出し、制御できます。