I Investeringsstøbning, deoxidation behandles ofte som et rutinetrin: tilsæt deoxidationsmidler, skumme slaggen, hæld varmen, og håber støbningen kommer ren ud.
Alligevel i praksis, når defekter såsom porøsitet, indeslutninger, vene-lignende overfladereaktioner, eller lokale hot spots vises, deoxidation er normalt det første sted, ingeniører kigger efter.
Det instinkt er korrekt, men selve begrebet forstås ofte for snævert.
Deoxidation er ikke blot handlingen at "forbruge ilt." I metallurgisk forstand, det er en systematisk kontrolstrategi, der har til formål at reducere mængden af opløst ilt i smelten,
begrænser dannelsen af oxidindeslutninger, og forbedring af renligheden, Fluiditet, og metalets grænsefladeadfærd under hældning og størkning.
I investeringsstøbning, dette betyder endnu mere end i mange andre processer, fordi den keramiske skal er tynd, kemisk aktiv ved høj temperatur, og meget følsom over for oxidationstilstanden af legeringsstrømmen.
En dårligt deoxideret smelte skaber ikke blot interne defekter; det kan også intensivere metal-skimmelreaktioner ved skalgrænsefladen.
Af denne grund, det er mere præcist at tale om "smeltning" i stedet for "smeltning" i investeringsstøbningssammenhæng.
Metallet bliver ikke raffineret i fuld stålfremstilling; Ikke desto mindre, de samme fysiske og kemiske principper for iltkontrol gælder stadig.
1. Hvor kommer ilt i smelten fra?
Ilt kommer ind i det smeltede metal gennem flere ruter:
Den første er selve opladningen. Skrot, returnerer, legeringer, og ferrolegeringer kan bære overfladeoxider, skala, rust, eller absorberet fugt.
Det andet er atmosfæren. Under opladning, smeltning, skimme, sampling, og hældning, smelteoverfladen udsættes for luft og udveksler løbende gasser med omgivelserne.
Det tredje er ovnen eller digelsystemet. Ildfaste materialer, slaggerester, og fluxer kan bidrage med oxygen-bærende arter, især ved høj temperatur eller under gentagne termiske cyklusser.
Med andre ord, smelten er aldrig rigtig isoleret. Ilt er ikke en tilfældig urenhed; det er en næsten uundgåelig deltager i varmens termiske historie.
2. To former for ilt i smeltet stål
I smeltet stål, oxygen findes generelt i to former.
Den første er opløst ilt. Dette er oxygen, der er til stede i atomform i det flydende metal, undertiden beskrevet som aktivt oxygen, fordi det let kan deltage i oxidationsreaktioner.
Det er den farligste form ud fra et deoxidationssynspunkt, fordi det er kemisk mobilt og direkte påvirker legeringsforbruget, inklusionsdannelse, og gasrelaterede defekter under størkning.
Den anden er kombineret ilt, som eksisterer i form af stabile oxider eller oxy-sulfid indeslutninger. På dette trin, ilt er ikke længere "gratis,” men den er ikke forsvundet.
Det er blevet overført til faste eller halvfaste ikke-metalliske partikler suspenderet i smelten eller fanget i det størknede metal.
Disse indeslutninger kan være relativt inerte kemisk, alligevel forbliver de skadelige, fordi de reducerer renligheden, svække mekaniske egenskaber, og fungerer som revneinitieringssteder.
Så når vi taler om iltindhold, vi taler i virkeligheden om et system bestående af både opløst ilt og kemisk kombineret ilt. Effektiv deoxidation skal behandle begge dele.
3. Hvorfor ilt er skadeligt
Farerne ved ilt er ofte undervurderet, fordi de er fordelt over flere faser af processen i stedet for at fremstå som en enkelt dramatisk fejl.
Skade under den flydende tilstand
Opløst ilt oxiderer aggressivt legeringselementer i smelten. Dette øger ikke kun metaltab, men spilder også dyre mikrolegeringstilsætninger såsom bor, zirconium, eller sjældne jordarters grundstoffer.
I højtydende legeringer, selv spor oxygen kan ændre den effektive kemi nok til at kompromittere målegenskaberne.
Lige så vigtigt, oxygen fremmer dannelsen af oxidindeslutninger. Disse indeslutninger er ikke blot defekter i kosmetisk forstand; de er svære, skør, og ofte kantet.
De forstyrrer fodring, øge bearbejdningsmodstanden, reducere træthed liv, og skader sejhed.
I præcisionsstøbninger, hvor dimensionsnøjagtighed og overfladeintegritet begge er kritiske, selv en lille stigning i inklusionspopulationen kan give en uforholdsmæssig stigning i afvisningsprocenten.
Skader under størkning
Efterhånden som smelten afkøles, opløseligheden af ilt i flydende stål falder. Ilt, der var stabilt i flydende tilstand, bliver termodynamisk ustabilt og søger en ny form.
Denne transformation skaber flere problemer.
Først
Opløst oxygen kan reagere med kulstof og danne kulilte.
Hvis denne reaktion sker under størkning eller i de sidste trin af hældning, resultatet er gasporøsitet, mikrosvind forværret af gasudvikling, eller hævelse ved indløbskoppen i alvorlige tilfælde.
I investeringsstøbning, dette kan ses som et løbersystem, der opfører sig unormalt, et hellebassin, der buler i stedet for at sætte sig, eller afstøbninger, der viser indre porøsitet, selv når fodring synes tilstrækkeligt.
Anden
Ilt kan kombineres med elementer som aluminium, Titanium, silicium, og mangan for at danne nye oxidindeslutninger, når temperaturen falder.
Disse indeslutninger er normalt flere end de oprindelige partikler, fordi størkningsfronten har en tendens til at fange dem, og den turbulente strøm af hældning spreder dem gennem smelten.
Tredje
Ilt-afledte oxider kan reagere med svovl og danne lavtsmeltende eutektika ved korngrænser.
Dette fremmer varm korthed og intergranulær svaghed. Resultatet er ikke altid en synlig revne; nogle gange viser det sig senere som dårlig bearbejdelighed, kantrivning, eller reduceret levetid.
Fjerde
Fra synspunktet om skimmelinteraktion, ilt bliver særligt farligt, når smelten fugter den keramiske skal.
En ren stålsmelte befugter ikke let ildfaste overflader, men oxygenrigt metal kan generere FeO og andre lavtsmeltende oxidarter ved grænsefladen.
Disse oxider kan reagere med silica-bærende skalmaterialer for at danne lavtsmeltende silikater såsom fayalit-type forbindelser.
Når det først sker, smelten kan trænge ind i skaloverfladen, producerer metalgennemtrængning, skal klæber, overflade indeslutninger, eller kemiske bindingsdefekter, der ofte fejldiagnosticeres som almindelig slaggeinklusion.
Dette punkt er særligt vigtigt ved investeringsstøbning, fordi mange skalsystemer indeholder reaktive silicafaser.
Hvis skallen indeholder nok aktivt SiO₂ eller cristobalit, den iltrige smelte kan reagere med formvæggen på en måde, der ligner klassiske sandstøbnings-påbrændings- eller metalgennemtrængningsmekanismer. Skalaen er anderledes, men kemien er grundlæggende ens.
Skader i det faste metal
Efter størkning, oxygen forbliver hovedsageligt fanget som oxid- og oxysulfid-indeslutninger. På dette trin, det handler ikke længere om gasudvikling; det handler om metallurgisk renlighed.
Størrelsen, morfologi, mængde, og fordeling af inklusioner bestemmer, hvor skadelige de vil være.
Bøde, afrundet, tyndt fordelte partikler kan være tolerable i nogle applikationer, mens store, klyngede, eller kantede indeslutninger kan være katastrofale.
De reducerer duktiliteten, forringe træthedsydelsen, lavere slagfasthed, og skabe lokale stresskoncentrationssteder.
I præcisionsstøbninger, hvor fejlmarginen er snæver, inklusionskontrol er ofte den skjulte variabel bag kvalitetsstabilitet.
4. Det egentlige formål med deoxidation
Formålet med deoxidation er ikke blot at "dræbe" opløst ilt. Det er at flytte ilt ud af smelten på en kontrolleret og metallurgisk brugbar måde.
Det betyder, at to ting skal ske samtidigt:
Først, opløst ilt skal reduceres til et tilstrækkeligt lavt niveau til, at legeringselementer er beskyttet, gasreaktioner undertrykkes, og smelten opfører sig rent under hældning.
Anden, oxidprodukterne fra deoxidation skal fjernes fra smelten så effektivt som muligt gennem slaggeflotation og rent metalpraksis.
Et deoxideringsmiddel, der danner store mængder genstridige indeslutninger uden at lade dem slippe ud, har kun løst halvdelen af problemet og kan endda forværre støberesultatet.
Dette er grunden til, at deoxidation og slaggefjernelse aldrig bør behandles som adskilt, ikke-relaterede operationer.
I praksis, de er én koblet proces: kemien i iltfjernelse og den fysiske transport af reaktionsprodukter.
5. Deoxidationsmetoder
I store træk, deoxidation kan opdeles i to kategorier: kemisk deoxidation og vakuumdeoxidation.
I investeringsstøbning, kemisk deoxidation er langt den mest almindelige.
Inden for kemisk deoxidation, de praktiske veje er diffusionsdeoxidation, udfældningsdeoxidation, og kombineret deoxidation.
Diffusion Deoxidation
Diffusionsdeoxidation virker ved at reducere de iltbærende arter i slaggen, så ilt migrerer fra metallet til slaggefasen.
Fine deoxiderende partikler forvarmes typisk og tilsættes til smelteoverfladen, ofte sammen med en dækkende slagge eller flusmiddel.
Nøgletanken er ligevægt. Hvis oxidkoncentrationen i slaggen sænkes, smelten overfører løbende flere iltbærende arter for at genoprette balancen. Over tid, metallet bliver renere.
Denne metode er langsommere end direkte udfældningsdeoxidation, men det har en vigtig fordel: reaktionsprodukterne er mindre tilbøjelige til at blive medført igen i smelten.
Af denne grund, diffusionsdeoxidation kan give et renere metalbad med færre resterende indeslutninger.
Ved induktionssmeltning, elektromagnetisk omrøring komplicerer det idealiserede billede og hjælper faktisk processen.
Metallet er i kontinuerlig cirkulation, hvilket øger kontakten mellem smelten, Deoxidizer, og slagger.
Under de rigtige forhold, denne blanding kan gøre diffusionsdeoxidation mere effektiv end lærebøger antyder.
Udfældning Deoxidation
Udfældningsdeoxidation, undertiden kaldet direkte deoxidation, involverer tilsætning af deoxidationsmidler direkte i det smeltede metal, så ilt fjernes gennem øjeblikkelig kemisk reaktion.
Almindelige deoxidationsmidler omfatter silicium, Mangan, aluminium, og sammensatte deoxidationsmidler indeholdende kombinationer af disse elementer.
Denne metode er hurtig. Det er dens største styrke. Det er især nyttigt, når smelten skal behandles hurtigt, før den hældes.
Imidlertid, reaktionens hastighed er også dens svaghed. Deoxidationsprodukterne kan dannes som meget fine partikler, der ikke har tid nok til at flyde ud, før hældningen begynder.
Hvis smeltetemperaturen ikke er tilstrækkelig høj, eller hvis holdetiden er for kort, disse partikler forbliver suspenderet og bliver til sidst fanget i støbegodset.
Derfor, udfældningsdeoxidation er kun effektiv, når den kombineres med passende tid, temperatur, og slaggepraksis. Det skal ikke ses som en selvstændig løsning.
Kombineret deoxidation
I rigtig produktion, den mest fornuftige tilgang er normalt en kombineret proces: foreløbig deoxidation efterfulgt af endelig deoxidation.
Dette er den almindelige praktiske logik i investeringsstøbning. Det indledende trin reducerer iltindholdet gradvist og stabiliserer smelten.
Det sidste trin justerer det resterende iltniveau umiddelbart før hældning og sikrer, at badet er i en sikker metallurgisk tilstand.
I praksis på butiksgulvet, den endelige deoxidationsmetode kan ligne enten præcipitationsdeoxidation eller diffusionsdeoxidation afhængigt af operatørens teknik.
Nogle metallurger tilføjer et meget tyndt lag af dækkende flux, påfør derefter sammensat deoxideringsmiddel, og til sidst dække overfladen igen for at fremtvinge reaktion ved slagge-metal-grænsefladen. I så fald, metoden opfører sig mere som diffusionsdeoxidation.
Andre sætter deoxidationsmiddel dybere ned i badet, hvilket er tættere på nedbørsdeoxidation. Grænsen mellem de to er ikke altid stiv.
Det er derfor, at skænderier om etiketter kan være mindre produktive end at kontrollere resultater.
Det egentlige spørgsmål er ikke, om et bestemt trin er "diffusion" eller "udfældning" i en lærebogsforstand, men om ilten er tilstrækkeligt sænket, og om produkterne kan fjernes inden hældning.
6. Deoxidation er ikke fuldstændig, før produkterne forlader smelten
Det er det punkt, der oftest bliver overset.
En smelte kan deoxideres kemisk og stadig være metallurgisk snavset. Hvorfor? Fordi deoxidationsprodukter i sig selv er indeslutninger. Hvis de forbliver suspenderet i badet, de er simpelthen en ny defektkilde.
Derfor, en god deoxidationspraksis skal besvare tre spørgsmål på én gang:
Hvor meget ilt er der tilbage i opløsning?
Hvilken slags oxidindeslutninger dannes?
Hvordan vil disse indeslutninger blive fjernet?
Den bedste deoxidator er ikke nødvendigvis den, der reagerer hurtigst. Det er den, der producerer indeslutninger med gunstig størrelse, morfologi, og flydeevne, og en, der fungerer i harmoni med slaggefjernelse og hældepraksis.
I denne forstand, deoxidation skal forstås som inklusionsteknik, ikke kun iltopfangning.
7. En moderne udsigt: Iltkontrol som smelterenhedsstyring
En mere avanceret måde at tænke deoxidation på er at stoppe med at behandle ilt som et enkelttalsproblem. Iltindhold har betydning, men det er kun én dimension af smelterenhed.
En moderne støbeingeniør bør også overveje:
oxygens termodynamiske aktivitet,
typen og sammensætningen af dannede indeslutninger,
flydekinetikken af disse indeslutninger,
samspillet mellem oxider og ildfaste skaller,
effekten af elektromagnetisk omrøring på reaktionsveje,
og tidspunktet for tilsætning af deoxidationsmiddel i forhold til udhældning.
Denne bredere opfattelse er særlig værdifuld i investeringsstøbning, hvor defekter ofte opstår fra flere koblede mekanismer snarere end én isoleret årsag.
En skal, der er kemisk aktiv, en smelte, der er let overoxideret, og et deoxidationsmiddel, der tilsættes for sent, kan tilsammen skabe en defekt, som ingen enkelt korrigerende handling vil løse fuldt ud.
8. Konklusion
Faktisk, Jeg har engang kæmpet med, om den endelige deoxidation er udfældningsdeoxidation eller diffusionsdeoxidation, men senere indså jeg, at dette kun er en begrebsmæssig skelnen.
Desuden, deoxidationsformerne er forskellige for forskellige ståltyper: f.eks, kulstofstål bruger aluminiumtrådsindføring til deoxidation,
mens rustfrit stål bruger sammensat deoxideringsmiddel (såsom silicium-aluminium-barium-calcium legering) til deoxidation - nogle er udfældningsdeoxidation, nogle er diffusionsdeoxidation, og nogle har endda begge reaktioner på samme tid.
Hvad synes du om dette? Derudover, med udvikling af investeringsstøbeteknologi, nogle nye sammensatte deoxidationsmidler (såsom calcium-silicium-mangan legering) har fordelene ved både hurtig deoxidation og let flydende af produkter,
som efterhånden er blevet mainstream-valget inden for investeringsstøbeproduktion af høj kvalitet, med et tillægsbeløb på generelt 0.2%-0.4% af vægten af smeltet stål.
Det skal understreges, at vakuum deoxidation, som en anden deoxidationsmetode, bruges hovedsageligt til produktion af avancerede investeringsstøbegods (såsom flymotorkomponenter og medicinske implantater).
Den bruger princippet om, at opløseligheden af ilt i smeltet stål falder betydeligt under vakuumforhold, får den opløste ilt i smeltet stål til at udfælde og undslippe i form af gas.
Vakuum deoxidation kan undgå indførelsen af nye indeslutninger af deoxidationsmidler, og deoxidationseffekten er mere grundig,
men dets udstyrsinvestering og driftsomkostninger er høje, så det er ikke meget brugt i almindelig investeringsstøbeproduktion.
I nogle avancerede produktionslinjer, vakuumdeoxidation kombineres med deoxidationsdeoxidation for at opnå den bedste deoxidationseffekt, sikre, at det samlede iltindhold i det smeltede stål reduceres til under 0.002%.
