Faktory ovlivňující kvalitu povrchu odlitků

Kvalita povrchu odlitků je funkcí každého kroku, který se dotkne vzoru, forma a kov — od stavu matrice/vzoru a reologie materiálu vzoru až po přípravu skořepiny/obličeje, odparafínování a vypalování granátů, k tání, nalévání, chlazení a konečná manipulace.

Řízení drsnosti povrchu (Ra) a vyhýbání se nepravidelnostem v malém měřítku vyžaduje pečlivou pozornost věnovanou nástrojům, materiály, parametry procesu a manipulace po odlévání.

Tento článek analyzuje hlavní faktory, kvantifikuje praktické kontrolní rozsahy, kde je to možné, a poskytuje proveditelná doporučení pro proces a kontrolu.

1. Faktory související s plísněmi

Forma slouží jako základ Investiční obsazení, protože jeho kvalita přímo určuje tvar a stav povrchu voskového vzoru, který se nakonec přenese do finálního odlitku.

Vliv forem na kvalitu povrchu voskového vzoru lze rozvést ze tří hledisek:

Návrh struktury formy a kvalita povrchu

Nerozumný návrh struktury formy často vede k škrábance a oděr při demontáži voskového vzoru. Opravené povrchy s voskovým vzorem jsou nevyhnutelně horší než originál, a tyto vady budou přímo replikovány na povrchu odlitku.

Například, ostré rohy (bez filetů R<0.3mm), nedostatečné úhly ponoru (<1° pro složité dutiny), nebo nerovné dělicí plochy ve struktuře formy zvyšují tření mezi voskovým vzorem a dutinou formy, způsobit poškození povrchu při demontáži.

Drsnost povrchu formy je rozhodujícím faktorem pro kvalitu povrchu voskového vzoru. Pokud je drsnost povrchu formy pouze Ra3,2μm, výsledný voskový vzor bude mít ještě nižší kvalitu povrchu (Ra4,0–5,0μm), který se přímo přenáší na odlitek.

Praktické zkušenosti ukazují, že optimální drsnost povrchu formy by měla být kontrolována v Ra0,8μm; nadměrná hladkost (NAPŘ., Ra0,2μm) výrazně nezlepšuje kvalitu voskového vzoru, ale zvyšuje náklady na zpracování forem o 30–50 %.

Kontrola teploty formy

Teplota formy má významný vliv na tekutost vosku a přesnost replikace. Pro středněteplotní voskové systémy, optimální teplota formy je 45-55 ℃.

Když je teplota formy příliš nízká (<35℃), tekutost voskového materiálu prudce klesá, což má za následek špatnou povrchovou replikaci voskového vzoru, doprovázené značkami průtoku a studenými uzávěry.

Kritičtěji, pokud teplota formy klesne pod rosný bod vody (obvykle 15–20 ℃ v dílnách), na povrchu formy se vytvoří četné vodní kapky.

Tyto kapičky zabírají prostor voskového materiálu během vstřikování, což vede k nerovnému povrchu voskového vzoru – závadě způsobené také nadměrným množstvím separačního činidla (tloušťka nástřiku >5μm).

Udržování vhodné teploty formy je nezbytné. Správné zvýšení teploty formy (na 50-55 ℃) a vstřikovacím tlakem (na 0,3–0,5 MPa) může účinně zlepšit tekutost voskového materiálu, zvýšit schopnost replikace voskového vzoru na povrchu formy, a tím nepřímo zlepšit kvalitu povrchu odlitku.

Však, příliš vysoká teplota formy (>60℃) může způsobit příliš pomalé ochlazení a tuhnutí voskového materiálu, což vede k deformaci voskového vzoru (rozměrová odchylka >0.5mm) a prodloužení doby výrobního cyklu, vyžadující rovnováhu mezi kvalitou a účinností.

Velikost brány pro vstřikování vosku

Velikost vstřikovací brány vosku přímo ovlivňuje vstřikovací tlak a rychlost plnění vosku.

Pro malé odlitky (hmotnost <500G), optimální průměr brány je **φ8–φ10mm**; pro velké odlitky (hmotnost >500G), průměr brány lze zvětšit na φ10–φ12 mm.

Vhodné zvětšení velikosti brány pomáhá zvýšit tlak vstřikování vosku, zajistit plné vyplnění dutiny formy, a redukuje povrchové defekty, jako je nedostatečné plnění a stopy toku na voskovém vzoru.

Pro složité odlitky s tenkými stěnami (<2mm), vícebránový design (2– 4 brány) se doporučuje pro další zlepšení rovnoměrnosti plnění.

2. Vliv voskového materiálu

Typ a výkon voskového materiálu jsou základními faktory určujícími kvalitu povrchu voskového vzoru, protože různé voskové materiály vykazují odlišné chování při krystalizaci a tuhnutí.

Tabulka 1 shrnuje klíčové výkonnostní parametry a vlivy na kvalitu povrchu běžných voskových materiálů pro investiční lití.

Tabulka 1: Porovnání výkonu běžných voskových materiálů pro zatavovací lití

Nízkoteplotní vosk (Parafin-stearová kyselina)

Nízkoteplotní vosk, složený z parafínu (60%–70%) a kyselina stearová (30%–40%), vytváří voskové vzory s nejhorší kvalitou povrchu.

Jako krystalický vosk, má úzký rozsah krystalizačních teplot a hrubá zrna kyseliny stearové (velikost zrn >50μm).

Během tuhnutí, není dostatek tekutého vosku k vyplnění mezer mezi zrny, výsledkem je hrubý voskový povrch.

I zvýšením vstřikovacího tlaku nebo úpravou parametrů procesu, kvalitu povrchu voskových vzorů vyrobených z nízkoteplotního vosku nelze výrazně zlepšit, omezující jeho použití ve vysoce přesném lití.

Středně teplotní vosk

Středně teplotní vosk, vícesložková směs obsahující mikrokrystalický vosk, pryskyřice, a změkčovadla, nemá pevný bod tání a širší rozsah teplot tuhnutí ve srovnání s nízkoteplotním voskem.

Během tuhnutí, v důsledku rozdílných teplot tuhnutí jeho složek, kapalná fáze může plně vyplnit mezery mezi pevnými fázemi, výsledkem jsou voskové vzory s výrazně vyšší kvalitou povrchu.

Však, výkonnost středněteplotního vosku se u různých výrobců liší; vosk s obsahem pryskyřice 5 %–8 % vykazuje nejlepší rovnováhu mezi tekutostí a hladkostí povrchu.

Plněný vosk

Plněný vosk, vyztužený keramickým práškem (5%–10%) nebo skleněné vlákno (3%–5%), vytváří voskové vzory s nejvyšší kvalitou povrchu.

Přídavek plniv optimalizuje krystalizační chování voskové matrice, snižuje smršťování tuhnutím (z 2.0% na 0,8 %–1,2 %), a zvyšuje tvrdost povrchu a odolnost proti opotřebení voskového vzoru.

To nejen zlepšuje hladkost povrchu voskového vzoru, ale také snižuje deformaci během skladování a přepravy (rychlost deformace <0.2% do 24h), zajišťující stabilní přenos kvality povrchu na odlitek.

Čištění voskových vzorů a leptání povrchu

Čištění voskových vzorů je často mylně chápáno jako pouhé odstranění separačních činidel z povrchu, ale jeho nejdůležitější funkcí je povrchové leptání.

Pro středněteplotní voskové vzory, optimální proces čištění využívá neutrální leptací prostředek (koncentrace 5%–8%) s hodnotou pH 6,5–7,5, doba namáčení 1–2 minuty, následuje opláchnutí deionizovanou vodou a sušení při 40–50 °C po dobu 10–15 minut.

Během procesu čištění, na povrchu voskového vzoru se vytvoří mírný leptací efekt, což zvyšuje drsnost povrchu voskového vzoru v mikroměřítku (Ra od 1,6μm do 2,0–2,5μm) a zlepšuje smáčivost a přilnavost následného povrchového nátěru.

Správné leptání vytváří „mikrodrsný“ povrch, který umožňuje povlaku pevněji přilnout, zamezení odlupování povlaku nebo nerovnoměrné tloušťky během sušení a pražení.

To je zvláště důležité pro zlepšení hladkosti povrchu odlitků, jako dobře přilnavý nátěr může účinně replikovat povrch voskového vzoru a zabránit defektům při pronikání písku.

4. Faktory povrchové úpravy

Povrchová úprava (primární nátěr) je v přímém kontaktu s voskovým vzorem, a jeho výkonové a aplikační parametry mají rozhodující vliv na kvalitu povrchu odlitku.

Vlastnosti materiálu povrchové úpravy

Zatímco vliv povrchového prášku a písku na kvalitu povrchu je široce uznáván, vliv solu oxidu křemičitého – důležité složky nátěru – na kvalitu povrchu je méně pochopen.

Vysoce kvalitní křemičitý sol (ať už dovezené nebo vyrobené v tuzemsku) s jednotnou velikostí koloidních částic (10-20 nm) a nízkou viskozitou (2–5 mPa·s při 25 °C) vykazuje vynikající výkon.

Při stejné viskozitě průtokového pohárku (Ford Cup #4: 20-25s), takový sol oxidu křemičitého může dosáhnout vyššího poměru prášek-kapalina (2.5:1–3.0:1 pro kaši zirkonového prášku), výsledkem je hustší primární povlak.

Hustší povlak snižuje poréznost povrchu (pórovitost <5%) a zlepšuje schopnost replikovat povrch voskového vzoru, což vede k hladšímu povrchu odlitku (Ra snížena o 0,4–0,8μm ve srovnání s použitím nekvalitního křemičitého solu).

Tloušťka povrchové vrstvy

Pro kaše zirkonového prášku (velikost částic zirkonového prášku 325–400 mesh), optimální tloušťka primárního nátěru je 0.08-0,1 mm. Jak nadměrná, tak nedostatečná tloušťka nepříznivě ovlivňuje kvalitu povrchu odlitku:

• Nedostatečná tloušťka (<0.08mm): Snadno vede k defektům „okurkového trnu“ – ostrým, jehlovité výběžky (výška 0,1–0,3 mm) na povrchu odlitku způsobené pronikáním písku nebo nerovnoměrným povlakem.
• Nadměrná tloušťka (>0.1mm): Výsledkem jsou různé formy defektů.
  Kvůli smrštění při sušení a pražení (míra smrštění 3%–5%), silný povlak se může částečně oddělit od povrchu voskového vzoru, tváření hrubé, zaoblené konvexní částice (průměr 0,2–0,5 mm) na odlévací ploše.

Kontrola tloušťky povlaku vyžaduje přesné nastavení viskozity suspenze (Ford Cup #4: 20-25s), doba máčení (5– 10s), a podmínky sušení (teplota 25-30 ℃, vlhkost 40%–60%, doba sušení 2-4h) aby byla zajištěna rovnoměrná tloušťka a dobrá přilnavost.

5. Proces odparafínování

Cílem odparafínování je úplné odstranění vosku z formy skořepiny.

Pro středně teplotní vosk, optimální proces odparafinování využívá parní odparafinovací kotlík o tlaku 0.6-0,8 MPa a teplotu 120-130 ℃, doba odparafinování 15– 25 minut (upraveno podle velikosti skořepiny).

Zbytkový vosk ve skořápce (hmotnostní zlomek >0.5%), pokud se během pražení zcela nespálí, budou produkovat saze a další nečistoty, které ulpívají na povrchu odlitku a zhoršují kvalitu povrchu – bod dále diskutovaný v části o pražení.

Však, úplné odparafinování neznamená prodlouženou dobu odparafinování. Za předpokladu zajištění úplného odstranění vosku (zbytkový vosk <0.5%), doba odparafinování by měla být minimalizována.

Teplota v odparafinovací kotli převyšuje teplotu běžného zařízení pro rychlou dehydrataci, a dlouhodobé vystavení vosku vysokým teplotám (>130℃ pro >30 zápis) urychluje stárnutí vosku.

Zestárlý vosk vykazuje sníženou tekutost (zvýšení viskozity o 20-30%) a zvýšená křehkost, což může ovlivnit následnou recyklaci vosku a zvýšit riziko defektů v nových voskových vzorech.

6. Skladování forem Shell

Způsob skladování skořepinových forem závisí na čistotě dílny, s hlavním cílem minimalizovat nebo zabránit vstupu cizích předmětů do dutiny pláště.

Tabulka 2 uvádí optimální skladovací parametry pro skořepinové formy po odparafínování.

Tabulka 2: Optimální skladovací parametry pro odvoskované skořepinové formy

Mnoho výrobců se mylně domnívá, že umístění skořepiny tak, aby vtokový pohárek směřoval dolů, zajišťuje bezpečnost, ale není tomu tak vždy.

Pokud jsou skořápky umístěny přímo na zemi nebo železné rámy znečištěné částicemi písku a jiných nečistot, při manipulaci mohou do dutiny vniknout cizí předměty, způsobující inkluze v odlitcích.

Takové vměstky vyžadují broušení a opravu svařováním, což vážně poškozuje kvalitu povrchu odlitku (Ra se po opravě zvýšilo o 2,0–3,0 μm).

7. Pečení ve skořápkové formě

Zbytkový vosk ve skořepinové formě musí být během pražení zcela spálen, aby se zabránilo uhlíkatým zbytkům. Optimální proces pražení mušlí na bázi zirkonu je následující:

1. Zahřívací stupeň: Zahřejte z pokojové teploty na 500 ℃ rychlostí 5-10 ℃/min (pomalé zahřívání, aby nedošlo k prasknutí skořápky).
2. Fáze izolace 1: Udržujte na 500 ℃ 30 minut k vypálení zbytkového vosku.
3. Zahřívací stupeň 2: Zahřejte z 500 ℃ na 900-1100 ℃ rychlostí 10-15°C/min.
4. Fáze izolace 2: Udržujte na 900–1100 ℃ 2– 3 hodiny pro zlepšení pevnosti skořepiny a odstranění zbytkové vlhkosti.

Pro zajištění úplného spálení zbytkového vosku, obsah kyslíku v pražící peci by měl dosáhnout 12% (monitorovány kyslíkovými senzory ve špičkových zařízeních).

Když je obsah kyslíku jen kolem 6%, hustý černý kouř se objeví při teplotě přibližně 800 ℃, kterému je třeba se vyhnout.

Pro zařízení bez funkce přívodu kyslíku, částečné otevření dvířek pece (mezera 5-10 cm) zvýšit příjem vzduchu může zlepšit hladinu kyslíku a podpořit úplné spalování vosku.

Správné pražení také zvyšuje pevnost skořápky (síla tlaku >20MPA) a snižuje poréznost povrchu, další optimalizace kvality povrchu odlitku.

8. Tání, čistota a lití kovů

Postup tavení a lití ovlivňuje povrchovou oxidaci, reaktivita a tvorba filmů na povrchu.

Klíčové vlivy

• Řízení nabíjení a strusky: kontaminované materiály vsázky a špatné tavení poskytují vyšší inkluze na povrchu nebo oxidové filmy, které zachycují drsnost blízkého povrchu.
• Teplota a rychlost lití: příliš vysoké teploty lití mohou zvýšit oxidaci nebo nadměrnou reakci se skořápkou; příliš nízká teplota může způsobit neúplné naplnění a drsnost v důsledku předčasného zmrznutí.
• Metoda chlazení po nalití: řízení rychlosti ochlazování a zamezení reoxidace povrchu (NAPŘ., použití vylévacích boxů/krytů) pomáhají minimalizovat povrchové střídání.

Praktické ovládání

• Přísná kontrola vsázky pece, efektivní dezoxidace a postupy čistého tavidla/strusky.
• Definujte okna teploty lití a schémata vtoků, která podporují laminární, neturbulentní plnění pro snížení zachycování plynu a tvorby povrchového filmu.
• Minimalizujte vystavení oxidační atmosféře během časného tuhnutí (NAPŘ., použití zakrytých forem, je-li to vhodné).

9. Fáze po dokončení

Mnoho odlitků vykazuje přijatelnou kvalitu povrchu ihned po nalití, ale po konečné úpravě se vážně poškodí, což z této fáze dělá u mnoha výrobců primární vinu za zhoršení kvality povrchu..

Vynikají dva klíčové problémy: poškození kolizí a odstřely.

Prevence poškození při kolizi

Implementujte a klasifikovaný skladovací a přepravní systém: používejte plastové podnosy s měkkým polstrováním (Tloušťka EVA pěny 5–10 mm) pro malé odlitky; pro velké odlitky používejte speciální přípravky, abyste se vyhnuli přímému kontaktu mezi odlitky. To může snížit míru poškození kolize o více než 80%.

Optimalizace procesu tryskání

Tryskání se používá k odstranění povrchových oxidů a písku, a jeho procesní parametry přímo ovlivňují kvalitu povrchu odlitku. Optimální parametry tryskání pro odlitky z nerezové oceli jsou následující:

• Specifikace ocelových broků: Broky z lité oceli, průměr 0,3–0,5 mm, tvrdost HRC 40–50.
• Tryskací tlak: 0.4-0,6 MPa.
• Doba odstřelu: 10– 15 minut na cyklus (ne více než 15 zápis).
• Požadavky na vybavení: Používejte brokové blastery s jednotnými projekčními systémy (rovnoměrnost projekce ≥90 %) a stabilní řízení proudu (kolísání proudu <5%).

Doba tryskání by měla být přísně kontrolována – ne více než 15 minut za cyklus. Pokud není povrch dostatečně vyčištěn, více krátkých cyklů je upřednostňováno před prodlouženým jednocyklovým tryskáním, aby se zabránilo nadměrné povrchové erozi (Ra se po přetryskání zvýšilo o 1,0–2,0 μm).

10. Závěr

Kvalita povrchu odlitků je multidisciplinární výsledek: hutnictví, keramické zpracování, tepelná technika a mechanická manipulace, to vše přispívá.

Zacházením s povrchovou úpravou jako s procesně kritickým atributem kvality – definováním číselných cílů, sledování kritických parametrů (nástroj Ra, viskozita kaše, tloušťka obličejového pláště, hladiny kyslíku odvoskovat, roztavit/ nalít okna) a zabudování kontrolních bodů – slévárny mohou vyrábět trvale hladce, vysoce kvalitní odlitky s předvídatelnou vyrobitelností a nižšími náklady na přepracování.