En casting de inversión, La desoxidación a menudo se trata como un paso de rutina.: agregar desoxidantes, desnatar la escoria, vierte el calor, y espero que el casting salga limpio.
Sin embargo, en la práctica, cuando defectos como la porosidad, inclusiones, reacciones superficiales similares a vetas, o aparecen puntos calientes locales, La desoxidación suele ser el primer lugar donde miran los ingenieros..
Ese instinto es correcto., pero el concepto en sí a menudo se entiende de manera demasiado estricta..
La desoxidación no es simplemente el acto de "consumir oxígeno". En un sentido metalúrgico, Es una estrategia de control sistemática destinada a reducir la cantidad de oxígeno disuelto en la masa fundida.,
limitar la formación de inclusiones de óxido, y mejorar la limpieza, fluidez, y comportamiento interfacial del metal durante el vertido y la solidificación..
En microcasting, Esto importa incluso más que en muchos otros procesos., porque la cáscara de cerámica es delgada, químicamente activo a alta temperatura, y altamente sensible al estado de oxidación de la corriente de aleación.
Una masa fundida mal desoxidada no sólo crea defectos internos; También puede intensificar las reacciones metal-molde en la interfaz de la carcasa..
Por esta razón, Es más preciso hablar de “fundir” que de “fundir” en el contexto del microcasting..
El metal no se está refinando en el sentido completo de fabricación de acero.; sin embargo, Se siguen aplicando los mismos principios físicos y químicos del control del oxígeno..
1. ¿De dónde viene el oxígeno en el derretimiento??
El oxígeno ingresa al metal fundido a través de varias rutas.:
El primero es el cargo en sí.. Chatarra, regresa, aleaciones, y las ferroaleaciones pueden transportar óxidos superficiales, escala, óxido, o humedad absorbida.
El segundo es la atmósfera.. Durante la carga, fusión, hojeando, muestreo, y vertiendo, La superficie fundida está expuesta al aire e intercambia continuamente gases con el medio ambiente..
El tercero es el sistema de horno o crisol.. Materiales refractarios, restos de escoria, y los flujos pueden contribuir con especies portadoras de oxígeno, especialmente a altas temperaturas o bajo ciclos térmicos repetidos.
En otras palabras, el derretimiento nunca está realmente aislado. El oxígeno no es una impureza accidental.; Es un participante casi inevitable en la historia térmica del calor..
2. Dos formas de oxígeno en el acero fundido
En acero fundido, El oxígeno generalmente existe en dos formas..
El primero es el oxígeno disuelto.. Este es el oxígeno presente en forma atómica dentro del metal líquido., A veces se describe como oxígeno activo porque puede participar fácilmente en reacciones de oxidación..
Es la forma más peligrosa desde el punto de vista de la desoxidación porque es químicamente móvil y afecta directamente al consumo de aleación., formación de inclusión, y defectos relacionados con el gas durante la solidificación.
El segundo es el oxígeno combinado., que existe en forma de óxidos estables o inclusiones de oxisulfuro. En esta etapa, El oxígeno ya no es “libre”.,"pero no ha desaparecido.
Se ha transferido a partículas no metálicas sólidas o semisólidas suspendidas en la masa fundida o atrapadas en el metal solidificado..
Estas inclusiones pueden ser relativamente inertes químicamente., sin embargo, siguen siendo perjudiciales porque reducen la limpieza., debilitar las propiedades mecánicas, y actúan como sitios de iniciación de crack.
Entonces cuando hablamos de contenido de oxígeno, En realidad estamos hablando de un sistema compuesto tanto de oxígeno disuelto como de oxígeno químicamente combinado.. Una desoxidación efectiva debe abordar ambos.
3. Por qué el oxígeno es perjudicial
Los peligros del oxígeno a menudo se subestiman porque se distribuyen en varias etapas del proceso en lugar de aparecer como una sola falla dramática..
Daño durante el estado líquido
El oxígeno disuelto oxida agresivamente los elementos de aleación en la masa fundida.. Esto no sólo aumenta la pérdida de metal sino que también desperdicia costosas adiciones de microaleaciones como el boro., circonio, o elementos de tierras raras.
En aleaciones de alto rendimiento, Incluso trazas de oxígeno pueden alterar la química efectiva lo suficiente como para comprometer las propiedades del objetivo..
Igual de importante, El oxígeno promueve la formación de inclusiones de óxido.. Estas inclusiones no son meros defectos en un sentido cosmético.; son duros, frágil, y a menudo angular.
Interfieren con la alimentación, aumentar la resistencia al mecanizado, reducir la vida de fatiga, y resistencia al daño.
En fundiciones de precisión, donde la precisión dimensional y la integridad de la superficie son críticas, Incluso un pequeño aumento en la población de inclusión puede producir un aumento desproporcionado en la tasa de rechazo..
Daño durante la solidificación
A medida que el derretimiento se enfría, La solubilidad del oxígeno en el acero líquido disminuye.. El oxígeno que era estable en estado líquido se vuelve termodinámicamente inestable y busca una nueva forma..
Esta transformación crea varios problemas..
Primero
El oxígeno disuelto puede reaccionar con el carbono para formar monóxido de carbono..
Si esta reacción ocurre durante la solidificación o en las etapas finales del vertido, el resultado es la porosidad del gas, microcontracción agravada por la evolución de gas, o hinchazón en la copa del bebedero en casos severos.
En microcasting, Esto puede verse como un sistema de corredor que se comporta de manera anormal., una cuenca vertida que se hincha en lugar de asentarse, o piezas fundidas que muestran porosidad interna incluso cuando la alimentación parece adecuada.
Segundo
El oxígeno puede combinarse con elementos como el aluminio., titanio, silicio, y manganeso para formar nuevas inclusiones de óxido a medida que baja la temperatura..
Estas inclusiones suelen ser más numerosas que las partículas originales porque el frente de solidificación tiende a atraparlas y el flujo turbulento del vertido las dispersa por toda la masa fundida..
Tercero
Los óxidos derivados del oxígeno pueden reaccionar con el azufre para formar eutécticos de bajo punto de fusión en los límites de los granos..
Esto promueve la falta de calor y la debilidad intergranular.. El resultado no siempre es una grieta visible.; A veces aparece más tarde como una mala maquinabilidad., desgarro del borde, o vida útil reducida.
Cuatro
Desde el punto de vista de la interacción del molde., El oxígeno se vuelve especialmente peligroso cuando la masa fundida moja la carcasa cerámica..
Una masa fundida de acero limpia no moja fácilmente las superficies refractarias., pero el metal rico en oxígeno puede generar FeO y otras especies de óxidos de bajo punto de fusión en la interfaz.
Estos óxidos pueden reaccionar con materiales de cubierta que contienen sílice para formar silicatos de bajo punto de fusión, como compuestos de tipo fayalita..
Una vez que eso suceda, la masa fundida puede penetrar la superficie de la cáscara, produciendo penetración de metal, cáscara pegada, inclusiones superficiales, o defectos de enlace químico que a menudo se diagnostican erróneamente como inclusión de escoria ordinaria.
Este punto es particularmente importante en la fundición a la cera perdida porque muchos sistemas de carcasa contienen fases reactivas de sílice..
Si la cáscara incluye suficiente SiO₂ o cristobalita activa, La masa fundida rica en oxígeno puede reaccionar con la pared del molde de una manera que se asemeja mucho a los mecanismos clásicos de fundición en arena o de penetración de metal.. La escala es diferente, pero la química es fundamentalmente similar.
Daño en el metal sólido
Después de la solidificación, El oxígeno permanece atrapado principalmente en forma de inclusiones de óxido y oxisulfuro.. En esta etapa, ya no se trata de evolución de gas; se trata de limpieza metalúrgica.
el tamaño, morfología, cantidad, y la distribución de las inclusiones determinan qué tan dañinas serán.
Bien, redondeado, Las partículas escasamente distribuidas pueden ser tolerables en algunas aplicaciones., mientras grande, agrupado, o inclusiones angulares pueden ser desastrosas.
Reducen la ductilidad, perjudicar el rendimiento ante la fatiga, menor resistencia al impacto, y crear sitios locales de concentración de estrés.
En fundiciones de precisión, donde el margen de error es estrecho, El control de inclusión es a menudo la variable oculta detrás de la estabilidad de la calidad..
4. El verdadero propósito de la desoxidación
El propósito de la desoxidación no es simplemente "matar" el oxígeno disuelto.. Consiste en sacar el oxígeno de la masa fundida de forma controlada y metalúrgicamente útil..
Eso significa que dos cosas deben suceder simultáneamente.:
Primero, El oxígeno disuelto debe reducirse a un nivel lo suficientemente bajo como para proteger los elementos de aleación., Se suprimen las reacciones del gas., y la masa fundida se comporta limpiamente durante el vertido.
Segundo, Los productos de óxido de la desoxidación deben eliminarse de la masa fundida de la manera más eficiente posible mediante flotación de escoria y prácticas de limpieza de metales..
Un desoxidante que forma grandes cantidades de inclusiones rebeldes sin permitirles escapar solo ha resuelto la mitad del problema y puede incluso empeorar el resultado del moldeado..
Esta es la razón por la que la desoxidación y la eliminación de escoria nunca deben tratarse como procesos separados., operaciones no relacionadas.
En la práctica, son un proceso acoplado: La química de la eliminación de oxígeno y el transporte físico de los productos de reacción..
5. Métodos de desoxidación
Hablando en general, La desoxidación se puede dividir en dos categorías.: Desoxidación química y desoxidación al vacío..
En microcasting, La desoxidación química es, con diferencia, la más común..
Dentro de la desoxidación química, Las rutas prácticas son la desoxidación por difusión., desoxidación por precipitación, y desoxidación combinada.
Desoxidación por difusión
La desoxidación por difusión funciona reduciendo las especies que contienen oxígeno en la escoria para que el oxígeno migre del metal a la fase de escoria..
Las partículas finas de desoxidante generalmente se precalientan y se agregan a la superficie fundida., a menudo junto con una escoria o fundente de cobertura.
La idea clave es el equilibrio.. Si se reduce la concentración de óxido en la escoria., el derretimiento transfiere continuamente más especies portadoras de oxígeno para restablecer el equilibrio. Con el tiempo, el metal se vuelve más limpio.
Este método es más lento que la desoxidación por precipitación directa., pero tiene una ventaja importante: Es menos probable que los productos de la reacción vuelvan a ser arrastrados a la masa fundida..
Por esta razón, La desoxidación por difusión puede producir un baño de metal más limpio con menos inclusiones residuales..
En fusión por inducción, La agitación electromagnética complica la imagen idealizada y en realidad ayuda al proceso..
El metal está en circulación continua., lo que aumenta el contacto entre la masa fundida, desoxidizador, y escoria.
En las condiciones adecuadas, Esta mezcla puede hacer que la desoxidación por difusión sea más efectiva de lo que sugieren los libros de texto..
Desoxidación por precipitación
Desoxidación por precipitación, A veces se llama desoxidación directa., Implica agregar desoxidantes directamente al metal fundido para que el oxígeno se elimine mediante una reacción química inmediata..
Los desoxidantes comunes incluyen el silicio., manganeso, aluminio, y desoxidantes compuestos que contienen combinaciones de estos elementos..
Este método es rápido. Esa es su mayor fortaleza. Es especialmente útil cuando la masa fundida debe tratarse rápidamente antes de verterla..
Sin embargo, la velocidad de la reacción es también su debilidad. Los productos de desoxidación pueden formarse como partículas muy finas que no tienen tiempo suficiente para flotar antes de que comience el vertido..
Si la temperatura de fusión no es lo suficientemente alta, o si el tiempo de espera es demasiado corto, esas partículas permanecen suspendidas y eventualmente quedan atrapadas en la fundición..
Por lo tanto, La desoxidación por precipitación es efectiva sólo cuando se combina con el tiempo adecuado., temperatura, y práctica de escoria. No debe verse como una solución independiente..
Desoxidación combinada
En producción real, El enfoque más sensato suele ser un proceso combinado.: desoxidación preliminar seguida de desoxidación final.
Esta es la lógica práctica común en la fundición a la cera perdida.. La etapa preliminar reduce gradualmente el contenido de oxígeno y estabiliza la masa fundida..
La etapa final ajusta el nivel de oxígeno residual inmediatamente antes del vertido y garantiza que el baño esté en condiciones metalúrgicas seguras..
En la práctica real en el taller, El método de desoxidación final puede parecerse a la desoxidación por precipitación o a la desoxidación por difusión, dependiendo de la técnica del operador..
Algunos metalúrgicos añaden una capa muy fina de fundente de cobertura., luego aplique desoxidante compuesto, y finalmente volver a cubrir la superficie para forzar la reacción en la interfaz escoria-metal.. en ese caso, el método se comporta más como desoxidación por difusión.
Otros introducen el desoxidante más profundamente en el baño., que está más cerca de la desoxidación por precipitación. El límite entre los dos no siempre es rígido.
Por eso discutir sobre etiquetas puede ser menos productivo que controlar los resultados..
La verdadera pregunta no es si un paso en particular es “difusión” o “precipitación” en el sentido de un libro de texto., pero si el oxígeno se reduce lo suficiente y si los productos se pueden eliminar antes de verter.
6. La desoxidación no está completa hasta que los productos abandonan la masa fundida
Este es el punto que más a menudo se pasa por alto..
Una masa fundida puede desoxidarse químicamente y aún estar metalúrgicamente sucia.. Por qué? Porque los productos de desoxidación son en sí mismos inclusiones.. Si quedan suspendidos en el baño, son simplemente una nueva fuente de defectos.
Por lo tanto, una buena práctica de desoxidación debe responder a tres preguntas a la vez:
¿Cuánto oxígeno queda en solución??
¿Qué tipo de inclusiones de óxido se están formando??
¿Cómo se eliminarán esas inclusiones??
El mejor desoxidante no es necesariamente el que reacciona más rápido.. Es el que produce inclusiones con tamaño favorable., morfología, y flotabilidad, y uno que funcione en armonía con la eliminación de escoria y la práctica de vertido..
En este sentido, La desoxidación debe entenderse como ingeniería de inclusión., no sólo captación de oxígeno.
7. Una visión moderna: Control de oxígeno como gestión de limpieza del fundido
Una forma más avanzada de pensar en la desoxidación es dejar de tratar el oxígeno como un problema de un solo número.. El contenido de oxígeno importa, pero es sólo una dimensión de la limpieza del fundido.
Un ingeniero de fundición moderno también debería considerar:
la actividad termodinámica del oxígeno,
el tipo y composición de las inclusiones formadas,
la cinética de flotación de esas inclusiones,
la interacción entre óxidos y capas refractarias,
El efecto de la agitación electromagnética en las vías de reacción.,
y el momento de la adición del desoxidante en relación con el vertido.
Esta visión más amplia es particularmente valiosa en el casting de inversión., donde los defectos a menudo surgen de múltiples mecanismos acoplados en lugar de una causa aislada.
Un caparazón que es químicamente activo., una masa fundida ligeramente sobreoxidada, y un desoxidante que se agrega demasiado tarde pueden crear en conjunto un defecto que ninguna acción correctiva por sí sola resolverá por completo..
8. Conclusión
De hecho, Una vez tuve problemas con si la desoxidación final es desoxidación por precipitación o desoxidación por difusión., pero luego me di cuenta de que esto es solo una distinción conceptual.
Además, Las formas de desoxidación son diferentes para diferentes tipos de acero.: Por ejemplo, El acero al carbono utiliza inserción de alambre de aluminio para la desoxidación.,
mientras que el acero inoxidable utiliza un desoxidante compuesto (como la aleación de silicio-aluminio-bario-calcio) para desoxidación: algunos son desoxidación por precipitación, algunos son desoxidación por difusión, y algunos incluso tienen ambas reacciones al mismo tiempo.
¿Qué piensas sobre esto?? Además, con el desarrollo de la tecnología de fundición a la cera perdida, algunos nuevos desoxidantes compuestos (como la aleación de calcio-silicio-manganeso) Tienen las ventajas de una rápida desoxidación y una fácil flotación de los productos.,
que gradualmente se ha convertido en la opción principal en la producción de fundición a la cera perdida de alta calidad., con una cantidad adicional de generalmente 0.2%-0.4% del peso del acero fundido.
Cabe destacar que la desoxidación al vacío, como otro método de desoxidación, se utiliza principalmente en la producción de piezas de fundición de inversión de alta gama. (como componentes de motores aeroespaciales e implantes médicos).
Utiliza el principio de que la solubilidad del oxígeno en el acero fundido disminuye significativamente en condiciones de vacío., hacer que el oxígeno disuelto en el acero fundido precipite y escape en forma de gas.
La desoxidación al vacío puede evitar la introducción de nuevas inclusiones por parte de los desoxidantes., Y el efecto de desoxidación es más completo.,
pero su inversión en equipos y costos de operación son altos, por lo que no se utiliza ampliamente en la producción ordinaria de fundición a la cera perdida.
En algunas líneas de producción avanzadas, La desoxidación al vacío se combina con la desoxidación del desoxidante para lograr el mejor efecto de desoxidación., asegurar que el contenido total de oxígeno del acero fundido se reduzca por debajo 0.002%.
