V Investiční obsazení, deoxidace je často považována za rutinní krok: přidat dezoxidanty, sbírat strusku, nalít teplo, a doufám, že casting vyjde čistý.
Přesto v praxi, při defektech, jako je pórovitost, Inkluze, žilkovité povrchové reakce, nebo se objeví místní horká místa, deoxidace je obvykle prvním místem, kam se inženýři podívají.
Ten instinkt je správný, ale samotný pojem je často chápán příliš úzce.
Deoxidace není jen akt „spotřebování kyslíku“. V metalurgickém smyslu, jde o systematickou kontrolní strategii zaměřenou na snížení množství rozpuštěného kyslíku v tavenině,
omezení tvorby oxidových inkluzí, a zlepšení čistoty, tekutost, a mezifázové chování kovu během lití a tuhnutí.
V investičním odlévání, na tom záleží ještě více než v mnoha jiných procesech, protože keramický plášť je tenký, chemicky aktivní při vysoké teplotě, a vysoce citlivý na oxidační stav proudu slitiny.
Špatně deoxidovaná tavenina nevytváří pouze vnitřní defekty; může také zesílit reakce kov-forma na rozhraní skořepiny.
Z tohoto důvodu, je přesnější hovořit o „tavení“ spíše než o „tavení“ v kontextu investičního lití.
Kov se nezušlechťuje v plném smyslu pro výrobu oceli; nicméně, stále platí stejné fyzikální a chemické principy řízení kyslíku.
1. Odkud se bere kyslík v tavenině?
Kyslík vstupuje do roztaveného kovu několika cestami:
První je samotný náboj. Šrot, se vrací, slitiny, a feroslitiny mohou nést povrchové oxidy, měřítko, rez, nebo absorbovaná vlhkost.
Druhým je atmosféra. Během nabíjení, tání, skimming, Vzorkování, a nalévání, povrch taveniny je vystaven vzduchu a plynule si vyměňuje plyny s okolím.
Třetí je systém pece nebo kelímku. Žáruvzdorné materiály, zbytky strusky, a toky mohou přispívat druhy nesoucí kyslík, zejména při vysoké teplotě nebo při opakovaném tepelném cyklování.
Jinými slovy, tavenina není nikdy skutečně izolovaná. Kyslík není náhodná nečistota; je téměř nevyhnutelným účastníkem tepelné historie tepla.
2. Dvě formy kyslíku v roztavené oceli
V roztavené oceli, kyslík obecně existuje ve dvou formách.
První je rozpuštěný kyslík. To je kyslík přítomný v atomární formě v tekutém kovu, někdy popisován jako aktivní kyslík, protože se může snadno účastnit oxidačních reakcí.
Je to nejnebezpečnější forma z hlediska dezoxidace, protože je chemicky mobilní a přímo ovlivňuje spotřebu slitiny, formování inkluze, a defekty související s plynem během tuhnutí.
Druhým je kombinovaný kyslík, který existuje ve formě stabilních oxidů nebo oxy-sulfidových inkluzí. V této fázi, kyslík již není „zdarma“.,“ ale nezmizela.
Byl převeden do pevných nebo polotuhých nekovových částic suspendovaných v tavenině nebo zachycených ve ztuhlém kovu.
Tyto inkluze mohou být chemicky relativně inertní, přesto zůstávají škodlivé, protože snižují čistotu, oslabit mechanické vlastnosti, a působí jako místa iniciace trhlin.
Takže když mluvíme o obsahu kyslíku, skutečně mluvíme o systému složeném jak z rozpuštěného kyslíku, tak z chemicky vázaného kyslíku. Účinná deoxidace musí řešit obojí.
3. Proč je kyslík škodlivý
Rizika kyslíku jsou často podceňována, protože jsou distribuována v několika fázích procesu, spíše než aby se jevila jako jediná dramatická porucha..
Škody v kapalném stavu
Rozpuštěný kyslík agresivně oxiduje legující prvky v tavenině. To nejen zvyšuje ztráty kovu, ale také plýtvá drahými mikrolegovacími přísadami, jako je bor, zirkonium, nebo prvky vzácných zemin.
Ve vysoce výkonných slitinách, dokonce i stopový kyslík může změnit účinnou chemii natolik, že ohrozí vlastnosti cíle.
Stejně důležité, kyslík podporuje tvorbu oxidových inkluzí. Tyto inkluze nejsou pouze defekty v kosmetickém smyslu; jsou těžké, křehký, a často hranatý.
Zasahují do krmení, zvýšit odolnost proti obrábění, snížit únavovou životnost, a houževnatost poškození.
V přesných odlitcích, kde je rozhodující jak rozměrová přesnost, tak integrita povrchu, i malý nárůst inkluzní populace může způsobit neúměrné zvýšení míry odmítnutí.
Poškození během tuhnutí
Jak tavenina chladne, rozpustnost kyslíku v tekuté oceli klesá. Kyslík, který byl stabilní v kapalném stavu, se stává termodynamicky nestabilním a hledá novou formu.
Tato transformace přináší několik problémů.
První
Rozpuštěný kyslík může reagovat s uhlíkem za vzniku oxidu uhelnatého.
Pokud k této reakci dojde během tuhnutí nebo v závěrečných fázích lití, výsledkem je poréznost plynu, mikrosmrštění zhoršené vývojem plynu, nebo v těžkých případech otok v oblasti sprue cup.
V investičním odlévání, toto může být viděno jako běžecký systém, který se chová abnormálně, vylévací nádrž, která se místo toho, aby se usadila, vyboulí, nebo odlitky, které vykazují vnitřní pórovitost, i když se krmení zdá dostatečné.
Druhý
Kyslík se může kombinovat s prvky, jako je hliník, titan, křemík, a mangan za vzniku nových oxidových inkluzí při poklesu teploty.
Tyto inkluze jsou obvykle početnější než původní částice, protože čelo tuhnutí má tendenci je zachycovat a turbulentní proudění je rozptyluje v tavenině..
Třetí
Oxidy odvozené od kyslíku mohou reagovat se sírou za vzniku eutektik s nízkou teplotou tání na hranicích zrn.
To podporuje horkost a intergranulární slabost. Výsledkem není vždy viditelná prasklina; někdy se později projeví jako špatná obrobitelnost, trhání okraje, nebo snížená životnost.
Čtvrtý
Z hlediska interakce plísní, kyslík se stává zvláště nebezpečným, když tavenina smáčí keramický plášť.
Čistá ocelová tavenina nesmáčí snadno žáruvzdorné povrchy, ale kov bohatý na kyslík může generovat FeO a další nízkotavné oxidy na rozhraní.
Tyto oxidy mohou reagovat s skořepinovými materiály obsahujícími oxid křemičitý za vzniku nízkotavných silikátů, jako jsou sloučeniny fayalitového typu.
Jakmile se to stane, tavenina může proniknout povrchem pláště, produkující penetraci kovu, lepení skořápky, povrchové inkluze, nebo defekty chemické vazby, které jsou často mylně diagnostikovány jako běžné struskové inkluze.
Tento bod je zvláště důležitý u vytavitelného lití, protože mnoho skořepinových systémů obsahuje reaktivní fáze oxidu křemičitého.
Pokud plášť obsahuje dostatek aktivního SiO₂ nebo cristobalitu, tavenina bohatá na kyslík může reagovat se stěnou formy způsobem, který se velmi podobá klasickému vypalování při lití do písku nebo mechanismu pronikání kovu. Měřítko je jiné, ale chemie je v zásadě podobná.
Harm in the Solid Metal
Po ztuhnutí, kyslík zůstává zachycen hlavně jako oxidové a oxysulfidové inkluze. V této fázi, už nejde o vývoj plynu; jde o metalurgickou čistotu.
Velikost, morfologie, množství, a distribuce inkluzí určuje, jak škodlivé budou.
Dobře, zaoblený, řídce rozptýlené částice mohou být v některých aplikacích tolerovatelné, zatímco velký, shlukovaný, nebo hranaté inkluze mohou být katastrofální.
Snižují tažnost, zhoršit únavový výkon, nižší odolnost proti nárazu, a vytvořit lokální místa koncentrace stresu.
V přesných odlitcích, kde je prostor pro chyby úzký, kontrola inkluze je často skrytou proměnnou za stabilitou kvality.
4. Skutečný účel deoxidace
Účelem deoxidace není pouze „zabít“ rozpuštěný kyslík. Jde o přesun kyslíku z taveniny řízeným a metalurgicky užitečným způsobem.
To znamená, že se musí stát dvě věci současně:
První, rozpuštěný kyslík musí být snížen na dostatečně nízkou úroveň, aby byly legující prvky chráněny, reakce plynu jsou potlačeny, a tavenina se při lití chová čistě.
Druhý, oxidové produkty dezoxidace musí být co nejúčinněji odstraněny z taveniny pomocí flotace strusky a čistého kovu.
Deoxidátor, který vytváří velké množství odolných inkluzí, aniž by jim umožnil uniknout, vyřešil jen polovinu problému a může dokonce zhoršit výsledek lití..
To je důvod, proč by se s dezoxidací a odstraňováním strusky nikdy nemělo zacházet odděleně, nesouvisející operace.
V praxi, jsou jedním spojeným procesem: chemie odstraňování kyslíku a fyzikální transport reakčních produktů.
5. Metody deoxidace
Obecně řečeno, deoxidaci lze rozdělit do dvou kategorií: chemická dezoxidace a vakuová dezoxidace.
V investičním odlévání, Chemická deoxidace je zdaleka nejběžnější.
V rámci chemické deoxidace, praktickými cestami jsou difúzní deoxidace, srážecí deoxidace, a kombinovaná dezoxidace.
Difúzní deoxidace
Difúzní dezoxidace funguje tak, že se redukuje kyslík ve strusce, takže kyslík migruje z kovu do struskové fáze..
Jemné částice deoxidačního činidla se typicky předehřívají a přidávají na povrch taveniny, často spolu s krycí struskou nebo tavidlem.
Klíčovou myšlenkou je rovnováha. Pokud se koncentrace oxidu ve strusce sníží, tavenina nepřetržitě přenáší více látek obsahujících kyslík, aby se obnovila rovnováha. V průběhu času, the metal becomes cleaner.
This method is slower than direct precipitation deoxidation, but it has an important advantage: the reaction products are less likely to be re-entrained into the melt.
Z tohoto důvodu, diffusion deoxidation can produce a cleaner metal bath with fewer residual inclusions.
In induction melting, electromagnetic stirring complicates the idealized picture and actually helps the process.
The metal is in continuous circulation, which increases contact between the melt, deoxidizer, and slag.
Under the right conditions, this mixing can make diffusion deoxidation more effective than textbooks suggest.
Srážení Deoxidace
Precipitation deoxidation, sometimes called direct deoxidation, involves adding deoxidizers directly into the molten metal so that oxygen is removed through immediate chemical reaction.
Common deoxidizers include silicon, mangan, hliník, a kompozitní deoxidační činidla obsahující kombinace těchto prvků.
Tato metoda je rychlá. To je jeho hlavní síla. Je zvláště užitečné, když je třeba taveninu před litím rychle zpracovat.
Však, rychlost reakce je také jeho slabinou. Produkty dezoxidace se mohou tvořit jako velmi jemné částice, které nemají dostatek času na vyplavení před začátkem lití.
Pokud teplota taveniny není dostatečně vysoká, nebo pokud je doba držení příliš krátká, tyto částice zůstávají suspendovány a nakonec jsou zachyceny v odlitku.
Proto, srážecí deoxidace je účinná pouze tehdy, když je spojena s náležitým časem, teplota, a škvárová praxe. Nemělo by to být považováno za samostatné řešení.
Kombinovaná deoxidace
V reálné výrobě, nejrozumnějším přístupem je obvykle kombinovaný proces: předběžná dezoxidace následovaná konečnou dezoxidací.
Toto je běžná praktická logika v investičním lití. Předstupeň postupně snižuje obsah kyslíku a stabilizuje taveninu.
Konečný stupeň upravuje hladinu zbytkového kyslíku bezprostředně před naléváním a zajišťuje, že lázeň je v bezpečném metalurgickém stavu.
Ve skutečné dílenské praxi, konečný způsob dezoxidace může připomínat buď srážecí deoxidaci nebo difúzní deoxidaci v závislosti na technice operátora.
Někteří metalurgové přidávají velmi tenkou vrstvu krycího tavidla, poté aplikujte kompozitní deoxidátor, a nakonec znovu pokrýt povrch, aby se vyvolala reakce na rozhraní struska-kov. V tom případě, metoda se chová spíše jako difúzní dezoxidace.
Jiní vkládají dezoxidátor hlouběji do vany, která se blíží srážecí deoxidaci. Hranice mezi nimi není vždy pevná.
To je důvod, proč může být dohadování se o etiketách méně produktivní než kontrola výsledků.
Skutečnou otázkou není, zda je konkrétní krok „difúze“ nebo „srážení“ v učebnicovém smyslu, ale zda je kyslík dostatečně snížen a zda lze produkty před naléváním odstranit.
6. Deoxidace není dokončena, dokud produkty neopustí taveninu
To je bod, který je nejčastěji přehlížen.
Tavenina může být chemicky deoxidována a přesto může být metalurgicky znečištěná. Proč? Protože produkty deoxidace jsou samy o sobě inkluze. Pokud zůstanou ve vaně zavěšené, jsou prostě novým zdrojem závad.
Proto, správná dezoxidační praxe musí odpovědět na tři otázky najednou:
Kolik kyslíku zůstává v roztoku?
Jaké druhy oxidových inkluzí se tvoří?
Jak budou tyto inkluze odstraněny?
Nejlepší dezoxidátor nemusí být nutně ten, který reaguje nejrychleji. Je to ten, který produkuje inkluze s příznivou velikostí, morfologie, a plovoucí, a takový, který funguje v souladu s praxí odstraňování strusky a lití.
V tomto smyslu, deoxidace by měla být chápána jako inkluzní inženýrství, nejen pohlcování kyslíku.
7. Moderní pohled: Řízení kyslíku jako řízení čistoty taveniny
Pokročilejší způsob, jak přemýšlet o deoxidaci, je přestat považovat kyslík za problém s jedním číslem. Důležitý je obsah kyslíku, ale to je jen jeden rozměr čistoty taveniny.
Moderní slévač by měl také zvážit:
termodynamickou aktivitu kyslíku,
druh a složení vytvořených vměstků,
kinetika flotace těchto inkluzí,
interakce mezi oxidy a žáruvzdornými obaly,
vliv elektromagnetického míchání na reakční dráhy,
a načasování přidání deoxidačního činidla vzhledem k nalévání.
Tento širší pohled je zvláště cenný u investičního lití, kde defekty často vznikají z více spojených mechanismů spíše než z jedné izolované příčiny.
Skořápka, která je chemicky aktivní, tavenina, která je mírně přeoxidovaná, a deoxidační činidlo, které je přidáno příliš pozdě, může společně vytvořit defekt, který žádné jediné nápravné opatření plně nevyřeší.
8. Závěr
Ve skutečnosti, Kdysi jsem se potýkal s tím, zda finální dezoxidace je srážecí deoxidace nebo difúzní deoxidace, ale později jsem si uvědomil, že jde jen o pojmové rozlišení.
Navíc, formy dezoxidace jsou různé pro různé typy oceli: například, uhlíková ocel používá k dezoxidaci vložení hliníkového drátu,
zatímco nerezová ocel používá kompozitní deoxidační činidlo (jako je slitina křemík-hliník-baryum-vápník) pro dezoxidaci — některé jsou srážecí deoxidace, některé jsou difúzní deoxidace, a někteří mají dokonce obě reakce současně.
co si o tom myslíš?? Navíc, s rozvojem technologie vytavitelného lití, některé nové kompozitní dezoxidanty (jako je slitina vápníku, křemíku a manganu) mají výhody jak rychlé deoxidace, tak snadného plovoucího produktu,
který se postupně stal hlavní volbou ve výrobě vysoce kvalitních vytavitelných odlitků, s přídavným množstvím obecně 0.2%-0.4% hmotnosti roztavené oceli.
Je třeba zdůraznit, že vakuová dezoxidace, jako další způsob dezoxidace, se používá především při výrobě vysoce kvalitních přesných odlitků (jako jsou součásti leteckých motorů a lékařské implantáty).
Využívá principu, že rozpustnost kyslíku v roztavené oceli za podmínek vakua výrazně klesá, rozpuštění kyslíku v roztavené oceli se sráží a uniká ve formě plynu.
Vakuová deoxidace může zabránit vnášení nových inkluzí pomocí deoxidačních činidel, a dezoxidační účinek je důkladnější,
ale jeho investice do vybavení a provozní náklady jsou vysoké, takže se v běžné výrobě vytavitelných odlitků příliš nepoužívá.
V některých vyspělých výrobních linkách, vakuová dezoxidace je kombinována s dezoxidací dezoxidátorem pro dosažení nejlepšího dezoxidačního účinku, zajištění snížení celkového obsahu kyslíku v roztavené oceli pod hodnotu 0.002%.
