في صب الاستثمار, غالبًا ما يتم التعامل مع إزالة الأكسدة كخطوة روتينية: إضافة مزيلات الأكسدة, اقشط الخبث, صب الحرارة, ونأمل أن يخرج الصب نظيفًا.
ولكن في الممارسة العملية, عند وجود عيوب مثل المسامية, الادراج, تفاعلات سطحية تشبه العروق, أو تظهر نقاط ساخنة محلية, عادة ما يكون إزالة الأكسدة هو المكان الأول الذي يبحث عنه المهندسون.
هذه الغريزة صحيحة, لكن المفهوم نفسه غالبا ما يُفهم بشكل ضيق للغاية.
إن إزالة الأكسدة ليست مجرد عملية "استهلاك الأكسجين". بالمعنى المعدني, إنها استراتيجية تحكم منهجية تهدف إلى تقليل كمية الأكسجين المذاب في الذوبان,
الحد من تكوين شوائب الأكسيد, وتحسين النظافة, سيولة, والسلوك السطحي للمعدن أثناء الصب والتصلب.
في صب الاستثمار, وهذا مهم أكثر من العديد من العمليات الأخرى, لأن القشرة الخزفية رقيقة, نشطة كيميائيا عند درجة حرارة عالية, وحساسة للغاية لحالة الأكسدة لتيار السبائك.
لا يؤدي الذوبان السيئ الأكسدة إلى خلق عيوب داخلية فقط; ويمكنه أيضًا تكثيف تفاعلات العفن المعدني في واجهة الصدفة.
لهذا السبب, من الأدق الحديث عن "الذوبان" بدلاً من "الصهر" في سياق صب الاستثمار.
لا يتم تكرير المعدن بالمعنى الكامل لصناعة الصلب; مع ذلك, لا تزال نفس المبادئ الفيزيائية والكيميائية للتحكم في الأكسجين سارية.
1. من أين يأتي الأكسجين في الذوبان؟?
يدخل الأكسجين إلى المعدن المنصهر عبر عدة طرق:
الأول هو التهمة نفسها. خردة, يعود, سبائك, وقد تحمل السبائك الحديدية أكاسيد سطحية, حجم, الصدأ, أو امتصاص الرطوبة.
والثاني هو الغلاف الجوي. أثناء الشحن, ذوبان, القشط, أخذ العينات, وصب, يتعرض سطح الذوبان للهواء ويتبادل الغازات بشكل مستمر مع البيئة.
والثالث هو الفرن أو نظام البوتقة. المواد المقاومة للحرارة, بقايا الخبث, وقد تساهم التدفقات في الأنواع الحاملة للأكسجين, خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة أو في ظل الدورات الحرارية المتكررة.
بعبارة أخرى, لا يتم عزل الذوبان أبدًا. الأكسجين ليس شوائب عرضية; إنه مشارك لا مفر منه تقريبًا في التاريخ الحراري للحرارة.
2. شكلان من الأكسجين في الفولاذ المنصهر
في الفولاذ المنصهر, الأكسجين موجود عموما في شكلين.
الأول هو الأكسجين المذاب. هذا هو الأكسجين الموجود في شكله الذري داخل المعدن السائل, يوصف أحيانًا بالأكسجين النشط لأنه يمكن أن يشارك بسهولة في تفاعلات الأكسدة.
وهو الشكل الأكثر خطورة من وجهة نظر إزالة الأكسدة لأنه متنقل كيميائيا ويؤثر بشكل مباشر على استهلاك السبائك, تشكيل الشمول, والعيوب المتعلقة بالغاز أثناء التصلب.
والثاني هو الأكسجين المشترك, والذي يوجد على شكل أكاسيد مستقرة أو شوائب كبريتيد أوكسي. في هذه المرحلة, الأكسجين لم يعد "مجانيا".,"لكنها لم تختف.
وقد تم نقله إلى جزيئات غير معدنية صلبة أو شبه صلبة معلقة في المصهور أو محاصرة في المعدن المتصلب.
قد تكون هذه الادراج خاملة نسبيا كيميائيا, ومع ذلك فهي تظل ضارة لأنها تقلل من النظافة, إضعاف الخواص الميكانيكية, وتكون بمثابة مواقع بدء الكراك.
لذلك عندما نتحدث عن محتوى الأكسجين, نحن نتحدث حقًا عن نظام يتكون من الأكسجين المذاب والأكسجين المدمج كيميائيًا. يجب أن تعالج عملية إزالة الأكسدة الفعالة كلا الأمرين.
3. لماذا الأكسجين ضار؟
غالبًا ما يتم الاستهانة بمخاطر الأكسجين لأنها موزعة عبر عدة مراحل من العملية بدلاً من الظهور كفشل دراماتيكي واحد.
ضرر أثناء الحالة السائلة
يعمل الأكسجين المذاب على أكسدة عناصر صناعة السبائك الموجودة في المصهور بقوة. وهذا لا يزيد من فقدان المعادن فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى إهدار إضافات السبائك الدقيقة باهظة الثمن مثل البورون, الزركونيوم, أو العناصر الأرضية النادرة.
في سبائك عالية الأداء, حتى الأكسجين النزر يمكن أن يغير الكيمياء الفعالة بما يكفي للإضرار بخصائص الهدف.
بنفس القدر من الأهمية, الأكسجين يعزز تكوين شوائب الأكسيد. هذه الادراج ليست مجرد عيوب بالمعنى التجميلي; إنهم صعبون, هش, والزاوي في كثير من الأحيان.
أنها تتداخل مع التغذية, زيادة مقاومة الآلات, تقليل عمر التعب, وصلابة الضرر.
في المسبوكات الدقيقة, حيث تعد دقة الأبعاد وسلامة السطح أمرًا بالغ الأهمية, فحتى الزيادة الطفيفة في عدد السكان المشمولين يمكن أن تؤدي إلى زيادة غير متناسبة في معدل الرفض.
الضرر أثناء التصلب
كما يبرد الذوبان, تقل قابلية ذوبان الأكسجين في الفولاذ السائل. الأكسجين الذي كان مستقرًا في الحالة السائلة يصبح غير مستقر من الناحية الديناميكية الحرارية ويبحث عن شكل جديد.
هذا التحول يخلق العديد من المشاكل.
أولاً
يمكن أن يتفاعل الأكسجين المذاب مع الكربون لتكوين أول أكسيد الكربون.
إذا حدث هذا التفاعل أثناء التصلب أو في المراحل النهائية للصب, والنتيجة هي مسامية الغاز, الانكماش الدقيق الذي يتفاقم بسبب تطور الغاز, أو تورم في كأس الذنب في الحالات الشديدة.
في صب الاستثمار, قد يُنظر إلى هذا على أنه نظام تشغيل يتصرف بشكل غير طبيعي, حوض صب ينتفخ بدلاً من أن يستقر, أو المسبوكات التي تظهر المسامية الداخلية حتى عندما تبدو التغذية كافية.
ثانية
قد يتحد الأكسجين مع عناصر مثل الألومنيوم, التيتانيوم, السيليكون, والمنجنيز لتكوين شوائب أكسيد جديدة مع انخفاض درجة الحرارة.
عادة ما تكون هذه الشوائب أكثر عددًا من الجسيمات الأصلية لأن جبهة التصلب تميل إلى احتجازها ويقوم التدفق المضطرب للصب بتوزيعها في جميع أنحاء الذوبان.
ثالث
يمكن أن تتفاعل الأكاسيد المشتقة من الأكسجين مع الكبريت لتكوين مواد سهلة الذوبان منخفضة عند حدود الحبوب.
هذا يعزز الضيق الساخن والضعف الحبيبي. والنتيجة ليست دائمًا صدعًا مرئيًا; في بعض الأحيان يظهر لاحقًا على أنه ضعف في القدرة على التصنيع, تمزق الحافة, أو تقليل عمر الخدمة.
الرابع
من وجهة نظر التفاعل العفن, يصبح الأكسجين خطيرًا بشكل خاص عندما يبلل المصهور القشرة الخزفية.
لا يؤدي ذوبان الفولاذ النظيف إلى تبليل الأسطح المقاومة للحرارة بسهولة, لكن المعدن الغني بالأكسجين يمكنه توليد FeO وأنواع أخرى من الأكسيد منخفضة الذوبان عند الواجهة.
يمكن أن تتفاعل هذه الأكاسيد مع المواد الصدفية الحاملة للسيليكا لتكوين سيليكات منخفضة الذوبان مثل مركبات من نوع الفايالايت.
بمجرد أن يحدث ذلك, يمكن أن يخترق الذوبان سطح القشرة, إنتاج اختراق المعادن, التصاق القشرة, الادراج السطحية, أو عيوب الترابط الكيميائي التي غالبًا ما يتم تشخيصها بشكل خاطئ على أنها تحتوي على خبث عادي.
هذه النقطة مهمة بشكل خاص في صب الاستثمار لأن العديد من أنظمة الصدفة تحتوي على مراحل السيليكا التفاعلية.
إذا كانت القشرة تحتوي على ما يكفي من SiO₂ أو cristobalite النشط, يمكن أن يتفاعل المصهور الغني بالأكسجين مع جدار القالب بطريقة تشبه إلى حد كبير آليات حرق صب الرمل الكلاسيكية أو آليات اختراق المعادن. المقياس مختلف, لكن الكيمياء متشابهة بشكل أساسي.
ضرر في المعدن الصلب
بعد التصلب, يبقى الأكسجين محتجزًا بشكل رئيسي على شكل شوائب من أكسيد وأوكسي كبريتيد. في هذه المرحلة, لم يعد الأمر يتعلق بتطور الغاز; يتعلق الأمر بالنظافة المعدنية.
الحجم, التشكل, كمية, ويحدد توزيع الادراج مدى الضرر الذي ستحدثه.
بخير, مدور, قد تكون الجسيمات الموزعة بشكل متناثر مقبولة في بعض التطبيقات, بينما كبيرة, متجمعة, أو يمكن أن تكون الادراج الزاوي كارثية.
أنها تقلل ليونة, إضعاف أداء التعب, مقاومة تأثير أقل, وإنشاء مواقع تركيز الإجهاد المحلية.
في المسبوكات الدقيقة, حيث هامش الخطأ ضيق, غالبًا ما يكون التحكم في التضمين هو المتغير الخفي وراء استقرار الجودة.
4. الغرض الحقيقي من إزالة الأكسدة
الغرض من إزالة الأكسدة ليس مجرد "قتل" الأكسجين المذاب. إنه نقل الأكسجين من الصهر بطريقة مضبوطة ومفيدة من الناحية المعدنية.
وهذا يعني أن شيئين يجب أن يحدثا في وقت واحد:
أولاً, يجب تقليل الأكسجين المذاب إلى مستوى منخفض بدرجة كافية لحماية عناصر صناعة السبائك, يتم قمع تفاعلات الغاز, ويتصرف الذوبان بشكل نظيف أثناء الصب.
ثانية, يجب إزالة منتجات الأكسيد الناتجة عن إزالة الأكسدة من المصهور بأكبر قدر ممكن من الكفاءة من خلال تعويم الخبث وممارسة المعادن النظيفة.
مزيل الأكسدة الذي يشكل كميات كبيرة من الشوائب العنيدة دون السماح لها بالهروب لم يحل سوى نصف المشكلة وقد يؤدي إلى تفاقم نتيجة الصب.
ولهذا السبب لا ينبغي أبدًا التعامل مع عملية إزالة الأكسدة وإزالة الخبث بشكل منفصل, عمليات لا علاقة لها.
في الممارسة العملية, فهي عملية واحدة مقترنة: كيمياء إزالة الأكسجين والنقل المادي لمنتجات التفاعل.
5. طرق إزالة الأكسدة
على نطاق واسع, يمكن تقسيم إزالة الأكسدة إلى فئتين: إزالة الأكسدة الكيميائية وإزالة الأكسدة الفراغية.
في صب الاستثمار, إزالة الأكسدة الكيميائية هي الأكثر شيوعًا إلى حد بعيد.
ضمن إزالة الأكسدة الكيميائية, الطرق العملية هي إزالة الأكسدة الانتشارية, إزالة الأكسدة هطول الأمطار, وإزالة الأكسدة مجتمعة.
إزالة الأكسدة الانتشار
تعمل عملية إزالة الأكسدة بالانتشار عن طريق تقليل الأنواع الحاملة للأكسجين في الخبث بحيث يهاجر الأكسجين من المعدن إلى مرحلة الخبث.
عادةً ما يتم تسخين جزيئات مزيل الأكسدة الدقيقة مسبقًا وإضافتها إلى سطح الذوبان, في كثير من الأحيان مع تغطية الخبث أو التدفق.
الفكرة الرئيسية هي التوازن. إذا انخفض تركيز الأكسيد في الخبث, ينقل الذوبان باستمرار المزيد من الأنواع الحاملة للأكسجين لاستعادة التوازن. متأخر , بعد فوات الوقت, يصبح المعدن أنظف.
هذه الطريقة أبطأ من إزالة الأكسدة بالترسيب المباشر, ولكن لديها ميزة مهمة: من غير المرجح أن يتم إعادة تقييد منتجات التفاعل في الذوبان.
لهذا السبب, يمكن أن تؤدي إزالة الأكسدة المنتشرة إلى إنتاج حمام معدني أنظف مع عدد أقل من الشوائب المتبقية.
في ذوبان التعريفي, يؤدي التحريك الكهرومغناطيسي إلى تعقيد الصورة المثالية ويساعد في الواقع على العملية.
المعدن في تداول مستمر, مما يزيد من الاتصال بين الذوبان, Deoxidizer, والخبث.
في ظل الظروف المناسبة, هذا الخلط يمكن أن يجعل إزالة الأكسدة المنتشرة أكثر فعالية مما تقترحه الكتب المدرسية.
إزالة الأكسدة هطول الأمطار
إزالة الأكسدة هطول الأمطار, يُطلق عليه أحيانًا إزالة الأكسدة المباشرة, يتضمن إضافة مزيلات الأكسدة مباشرة إلى المعدن المنصهر بحيث تتم إزالة الأكسجين من خلال تفاعل كيميائي فوري.
تشتمل مزيلات الأكسدة الشائعة على السيليكون, المنغنيز, الألومنيوم, ومزيلات الأكسدة المركبة التي تحتوي على مجموعات من هذه العناصر.
هذه الطريقة سريعة. وهذه هي قوتها الرئيسية. إنه مفيد بشكل خاص عندما يجب معالجة الذوبان بسرعة قبل صبه.
لكن, وسرعة رد الفعل هي أيضاً نقطة ضعفه. قد تتشكل منتجات إزالة الأكسدة على شكل جزيئات دقيقة جدًا لا يتوفر لها الوقت الكافي لتطفو قبل بدء الصب.
إذا كانت درجة حرارة الذوبان ليست عالية بما فيه الكفاية, أو إذا كان وقت الانتظار قصيرًا جدًا, تظل هذه الجزيئات معلقة ويتم محاصرةها في النهاية في القالب.
لذلك, تكون عملية إزالة الأكسدة عن طريق الترسيب فعالة فقط عندما تقترن بالوقت المناسب, درجة حرارة, وممارسة الخبث. ولا ينبغي النظر إليه كحل مستقل.
إزالة الأكسدة مجتمعة
في الإنتاج الحقيقي, النهج الأكثر منطقية عادة ما يكون عملية مشتركة: إزالة الأكسدة الأولية تليها إزالة الأكسدة النهائية.
هذا هو المنطق العملي الشائع في الاستثمار. تعمل المرحلة الأولية على تقليل محتوى الأكسجين تدريجيًا وتثبيت الذوبان.
تقوم المرحلة النهائية بضبط مستوى الأكسجين المتبقي مباشرة قبل الصب وتضمن أن يكون الحمام في حالة معدنية آمنة.
في الممارسة الفعلية لطابق المتجر, قد تشبه طريقة إزالة الأكسدة النهائية إما إزالة الأكسدة بالترسيب أو إزالة الأكسدة بالانتشار اعتمادًا على تقنية المشغل.
يضيف بعض علماء المعادن طبقة رقيقة جدًا من تدفق التغطية, ثم قم بتطبيق مزيل الأكسدة المركب, وأخيرًا، قم بإعادة تغطية السطح لإجبار التفاعل على السطح البيني الخبث المعدني. في هذه الحالة, تتصرف الطريقة بشكل أشبه بإزالة الأكسدة المنتشرة.
يقوم آخرون بإدخال مزيل الأكسدة بشكل أعمق في الحمام, وهو أقرب إلى إزالة الأكسدة هطول الأمطار. الحدود بين الاثنين ليست دائما جامدة.
ولهذا السبب فإن الجدال حول التصنيفات قد يكون أقل إنتاجية من التحكم في النتائج.
والسؤال الحقيقي ليس ما إذا كانت خطوة معينة هي "الانتشار" أو "الترسيب" بالمعنى التقليدي للكلمة, ولكن ما إذا كان الأكسجين منخفضًا بدرجة كافية وما إذا كان من الممكن إزالة المنتجات قبل صبها.
6. لا تكتمل عملية إزالة الأكسدة حتى تترك المنتجات الذوبان
هذه هي النقطة التي يتم التغاضي عنها في أغلب الأحيان.
يمكن إزالة الأكسدة من المصهور كيميائيًا ولا يزال متسخًا من الناحية المعدنية. لماذا? لأن منتجات إزالة الأكسدة هي في حد ذاتها شوائب. إذا ظلوا معلقين في الحمام, إنهم ببساطة مصدر عيب جديد.
لذلك, يجب أن تجيب ممارسة إزالة الأكسدة الجيدة على ثلاثة أسئلة في وقت واحد:
ما مقدار الأكسجين المتبقي في المحلول؟?
ما هو نوع شوائب الأكسيد التي يتم تشكيلها?
كيف سيتم إزالة تلك الادراج?
إن أفضل مزيل للأكسدة ليس بالضرورة هو الذي يتفاعل بشكل أسرع. إنه الذي ينتج شوائب ذات حجم مناسب, التشكل, والتعويم, والتي تعمل بشكل متناغم مع إزالة الخبث وممارسة الصب.
بهذا المعنى, يجب أن يُفهم إزالة الأكسدة على أنها هندسة التضمين, ليس فقط مسح الأكسجين.
7. رؤية حديثة: التحكم في الأكسجين كإدارة نظافة الذوبان
هناك طريقة أكثر تقدمًا للتفكير في إزالة الأكسدة وهي التوقف عن معالجة الأكسجين باعتباره مسألة ذات رقم واحد. محتوى الأكسجين مهم, لكنه ليس سوى بُعدًا واحدًا لنظافة الذوبان.
يجب على مهندس الصب الحديث أن يأخذ في الاعتبار أيضًا:
النشاط الديناميكي الحراري للأكسجين,
نوع وتكوين الادراج المشكلة,
حركية التعويم لتلك الادراج,
التفاعل بين الأكاسيد والأصداف الحرارية,
تأثير التحريك الكهرومغناطيسي على مسارات التفاعل,
وتوقيت إضافة مزيل الأكسدة بالنسبة للصب.
تعتبر هذه الرؤية الأوسع ذات قيمة خاصة في مجال الاستثمار, حيث تنشأ العيوب غالبًا من آليات متعددة مقترنة بدلاً من سبب واحد معزول.
قذيفة نشطة كيميائيا, ذوبان مفرط التأكسد قليلاً, ويمكن أن يؤدي مزيل الأكسدة الذي يتم إضافته بعد فوات الأوان إلى إنشاء عيب لن يتمكن أي إجراء تصحيحي واحد من حله بالكامل.
8. خاتمة
في الحقيقة, لقد عانيت ذات مرة من معرفة ما إذا كانت عملية إزالة الأكسدة النهائية هي إزالة الأكسدة بالترسيب أو إزالة الأكسدة بالانتشار, لكنني أدركت لاحقًا أن هذا مجرد تمييز مفاهيمي.
علاوة على ذلك, تختلف أشكال إزالة الأكسدة باختلاف أنواع الفولاذ: على سبيل المثال, يستخدم الفولاذ الكربوني إدخال أسلاك الألمنيوم لإزالة الأكسدة,
بينما يستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ مزيل الأكسدة المركب (مثل سبائك السيليكون والألومنيوم والباريوم والكالسيوم) لإزالة الأكسدة - بعضها إزالة الأكسدة هطول الأمطار, بعضها عبارة عن إزالة الأكسدة المنتشرة, بل إن البعض لديه ردتي الفعل في نفس الوقت.
ما رأيك في هذا? فضلاً عن ذلك, مع تطور تكنولوجيا صب الاستثمار, بعض مزيلات الأكسدة المركبة الجديدة (مثل سبائك الكالسيوم والسيليكون والمنغنيز) تتمتع بمزايا إزالة الأكسدة السريعة وسهولة تعويم المنتجات,
والذي أصبح تدريجياً الخيار السائد في إنتاج الصب الاستثماري عالي الجودة, مع إضافة مبلغ عموما 0.2%-0.4% من وزن الفولاذ المنصهر.
وينبغي التأكيد على أن إزالة الأكسدة فراغ, كطريقة أخرى لإزالة الأكسدة, يستخدم بشكل رئيسي في إنتاج المسبوكات الاستثمارية المتطورة (مثل مكونات محركات الطائرات والمزروعات الطبية).
ويستخدم مبدأ أن قابلية ذوبان الأكسجين في الفولاذ المنصهر تنخفض بشكل كبير في ظل ظروف الفراغ, مما يجعل الأكسجين المذاب في الفولاذ المنصهر يترسب ويخرج على شكل غاز.
يمكن أن يؤدي إزالة الأكسدة الفراغية إلى تجنب إدخال شوائب جديدة بواسطة مزيلات الأكسدة, وتأثير إزالة الأكسدة أكثر شمولاً,
لكن تكلفة الاستثمار في المعدات والتشغيل مرتفعة, لذلك لا يستخدم على نطاق واسع في إنتاج صب الاستثمار العادي.
في بعض خطوط الإنتاج المتقدمة, يتم دمج إزالة الأكسدة الفراغية مع إزالة الأكسدة المؤكسدة لتحقيق أفضل تأثير لإزالة الأكسدة, التأكد من تقليل إجمالي محتوى الأكسجين في الفولاذ المنصهر إلى أقل من ذلك 0.002%.
