شفت فولادی ریخته گری: درجه ها، فرآیندها، عملیات حرارتی و کیفیت

a چیست شفت فولادی ریخته گری ?

شفت فولادی ریخته‌گری یک جزء استوانه‌ای دوار یا باربر است که از طریق فرآیند ریخته‌گری فولاد تولید می‌شود - فولاد مذاب در قالبی شکل‌دار ریخته می‌شود، جامد می‌شود و سپس تا حد تحمل ابعادی ماشینکاری می‌شود. بر خلاف شفت های آهنگری، که توسط نیروی فشاری از شمش های جامد شکل می گیرند، شفت های فولادی ریخته گری مستقیماً از فلز مایع تشکیل می شوند، که امکان هندسه های پیچیده، ویژگی های یکپارچه و مقاطع بزرگ را فراهم می کند که آهنگری یا ماشینکاری از استوک میله غیرعملی یا غیراقتصادی است.

شفت های فولادی ریخته گری در سراسر صنایع سنگین در هر کجا یافت می شود انتقال گشتاور بالا، بارهای شعاعی یا محوری قابل توجه و عمر طولانی باید به طور همزمان حاصل شود. بازارهای نهایی معمولی عبارتند از تجهیزات معدن، کارخانه های سیمان، کارخانه های نورد، سیستم های نیروی محرکه دریایی، توربین های بادی، و پمپ ها یا کمپرسورهای بزرگ.

نمرات فولادی که معمولاً برای شفت های ریخته گری استفاده می شود

انتخاب گرید فولاد بر عملکرد مکانیکی شفت، پاسخ عملیات حرارتی و ماشین‌کاری کنترل می‌کند. چندین خانواده آلیاژی به طور منظم مشخص می شوند:

برای شفت های سنگین بیش از 5 تن، فولادهای کم آلیاژ Cr-Mo گزینش گسترده‌ترین خانواده‌ها هستند، زیرا سختی‌پذیری عمیق - حیاتی برای مقاطع عرضی بزرگ - را با چقرمگی قابل اعتماد پس از عملیات حرارتی خاموش و تمپر ترکیب می‌کنند.

گزینه های فرآیند ریخته گری و مبادلات آنها

مسیر ریخته گری انتخاب شده بر سلامت داخلی، دقت ابعادی، پرداخت سطح و زمان تولید تاثیر می گذارد. به طور خاص برای شفت های فولادی، سه فرآیند مرتبط هستند:

ریخته گری شن و ماسه

ریخته گری شن و ماسه روش غالب برای شفت های فولادی بزرگ، به ویژه آنهایی با وزن صدها کیلوگرم تا ده ها تن است. قالب‌های چسبیده به رزین ماسه سبز یا فوران، تقریباً اندازه نامحدودی را در خود جای می‌دهند، و سیستم‌های افزایش‌دهنده را می‌توان برای تغذیه مؤثر انقباض انجماد طراحی کرد. مبادله یک سطح نسبتاً ناهموار مانند ریخته گری (Ra 12.5-25 میکرومتر) و تحمل ابعادی ± 1-3 میلی متر است که باید با ماشینکاری بعدی اصلاح شود.

ریخته گری گریز از مرکز

برای اشکال شفت توخالی یا لوله ای - مانند بدنه های رول یا میل های آستین - ریخته گری گریز از مرکز ترجیح داده می شود. قالب دوار، فلز متراکم‌تری را به دیواره بیرونی وارد می‌کند و اجزای غیرفلزی و تخلخل را به سمت سوراخ فشار می‌دهد، که سپس ماشین‌کاری می‌شود. نتیجه یک است پوست بیرونی تمیزتر و متراکم تر با مقاومت خستگی بالاتر در مقایسه با معادل های ریخته گری استاتیک. ریخته گری گریز از مرکز برای تقارن استوانه ای مقرون به صرفه است اما برای پروفیل های پلکانی پیچیده غیر عملی است.

ریخته گری سرمایه گذاری

ریخته‌گری سرمایه‌گذاری (موم گمشده) شفت‌های فولادی نزدیک به شبکه را با تلورانس‌های ابعادی محکم (CT4-CT6) و سطح ریز (Ra 1.6-6.3 میکرومتر) تولید می‌کند و اجازه ماشینکاری را به حداقل می‌رساند. برای شفت‌های دقیق سایز متوسط ​​که در حجم‌های متوسط ​​تولید می‌شوند مقرون به صرفه است، اگرچه هزینه‌های ابزار و محدودیت‌های اندازه (معمولاً کمتر از 200 کیلوگرم برای فولاد) استفاده از آن را در بزرگترین اجزای شفت محدود می‌کند.

عملیات حرارتی و مهندسی سطح برای شفت های فولادی ریخته گری

ریزساختارهای فولادی ریخته‌گری شده حاوی دانه‌های ستونی درشت، تفکیک و تنش‌های پسماند ریخته‌گری هستند که هیچ‌کدام در شفت تمام‌شده قابل قبول نیستند. بنابراین عملیات حرارتی اختیاری نیست. این یک مرحله اجباری است که ریزساختار ریخته گری را به یک شرایط همگن و با عملکرد بالا تبدیل می کند.

• عادی سازی اندازه دانه را اصلاح می کند و با حرارت دادن بالاتر از دمای بحرانی بالا و خنک کننده هوا، جداسازی را کاهش می دهد. اغلب اولین مرحله قبل از سخت شدن بیشتر است.
• خاموش کردن و طبع (Q&T) برای دستیابی به ترکیبات استحکام و چقرمگی مشخص، برای شفت های فولادی آلیاژی اعمال می شود. خاموش کردن آب یا روغن و سپس حرارت دادن در دمای 550-650 درجه سانتیگراد برای گریدهای Cr-Mo معمولی است.
• بازپخت تسکین استرس در دمای 550 تا 600 درجه سانتیگراد پس از ماشینکاری خشن، اعوجاج در برش های تکمیلی بعدی در شفت های بزرگ را کاهش می دهد.
• سخت شدن سطح -سخت شدن القایی صندلی‌ها و ژورنال‌های بلبرینگ، یا نیتریدینگ برای سطوح حساس به سایش، سختی مورد 50 تا 60 HRC را به دست می‌آورد و در عین حال هسته سختی را حفظ می‌کند و به طور قابل‌توجهی عمر مفید را در محیط‌های ساینده یا با تنش بالا افزایش می‌دهد.

تضمین کیفیت: روش های بازرسی برای شفت های فولادی ریخته گری

عیوب زیرسطحی - حفره‌های انقباض، تخلخل گاز، پارگی‌های داغ و خوشه‌های انکلوزیون - خطرات اولیه شکست در شفت‌های فولادی ریخته‌گری هستند. یک رژیم بازرسی دقیق قبل از ورود هر شفت، به ویژه در کاربردهای حیاتی یا با بار بالا ضروری است.

• تست اولتراسونیک (UT) روش بازرسی حجمی اولیه است که قادر به تشخیص ناپیوستگی های داخلی از قطر سوراخ ته تخت معادل 0.5 میلی متر در آهنگری ها و ریخته گری های بزرگ است. ASTM A609 و EN 12680 معیارهای پذیرش فولاد ریخته گری را تعریف می کنند.
• بازرسی ذرات مغناطیسی (MPI) ترک‌ها و درزهای نزدیک به سطح فولادهای فریتی را پس از ماشین‌کاری، به‌ویژه در ویژگی‌های تمرکز تنش مانند کلیدها و فیله‌ها، نشان می‌دهد.
• تست رادیوگرافی (RT) یک رکورد تصویر دائمی از سلامت داخلی ارائه می‌کند و اغلب برای ریخته‌گری‌های شفت بحرانی تحت فشار تجهیزات یا کدهای ساختاری مشخص می‌شود.
• تست مکانیکی از کوپن های آزمایشی پیوست شده - کشش، ضربه (Charpy) و سختی - تأیید می کند که عملیات حرارتی به محدوده خاصیت مشخص شده در سراسر ریخته گری دست یافته است.

خریدارانی که شفت‌های فولادی ریخته‌گری را برای درایوهای حیاتی مشخص می‌کنند، باید به گزارش آزمایش مواد کامل (MTR) قابل ردیابی با شماره حرارت خاص ریخته‌گری، در کنار بازرسی شاهد شخص ثالث توسط یک نهاد شناخته‌شده مانند Bureau Veritas، Lloyd's Register، یا TÜV نیاز داشته باشند.

بازیگران در مقابل شفت های فولادی آهنگری: چه زمانی ریخته گری برنده می شود؟

آهنگری مسیر ارجح برای شفت‌های با حجم بالا و اندازه متوسط ​​باقی می‌ماند که در آن ریزساختار هم‌تراز با جریان دانه‌ای مزیت خستگی مشخصی را فراهم می‌کند. با این حال، بازیگری مزایای قانع کننده ای در سناریوهای خاص ارائه می دهد:

• سایزهای بسیار بزرگ: تهیه و پردازش شمش های فولادی برای شفت های آهنگری بالای 30 تا 50 تن بسیار دشوار است. ریخته گری هیچ محدودیت ذاتی اندازه بالایی ندارد.
• هندسه یکپارچه پیچیده: فلنج‌ها، سوراخ‌های غیرعادی، بال‌های کلید و گیره‌های نصب را می‌توان ریخته‌کاری کرد که ساخت چند تکه و اتصالات جوش را از بین می‌برد.
• سرمایه گذاری ابزار کمتر برای نمونه های اولیه و دسته های کوچک: الگوهای ریخته گری شن و ماسه کسری از قالب های آهنگری را هزینه می کنند، که ریخته گری را برای مقادیر کمتر از 20 تا 50 واحد مقرون به صرفه تر می کند.
• استفاده از مواد: ریخته‌گری به شکل نزدیک به تور نسبت خرید به پرواز را در مقایسه با ماشینکاری شفت از یک شمش آهنگری بزرگ کاهش می‌دهد و هزینه مواد را در گریدهای آلیاژی گران قیمت کاهش می‌دهد.

هنگامی که به درستی با بالا آمدن، گاز زدایی و عملیات حرارتی پس از ریختگی به اندازه کافی طراحی شود، شفت های فولادی ریختگی مدرن می توانند به عملکرد خستگی آهنگرهای معادل نزدیک شوند - از بین بردن شکافی که زمانی انتخاب گزینه دوم را در برنامه‌های درایو پرتقاضا تبدیل می‌کرد.