ریخته گری سرمایه گذاری: فرآیند ذوب - اکسیداسیون

در سرمایه گذاری سرمایه گذاری, اکسید زدایی اغلب به عنوان یک مرحله معمول در نظر گرفته می شود: اکسید کننده ها را اضافه کنید, سرباره را از بین ببرید, حرارت را بریزید, و امیدوارم کستینگ تمیز بیرون بیاید.

با این حال در عمل, هنگامی که عیوب مانند تخلخل, اجزاء, واکنش های سطحی رگ مانند, یا نقاط داغ محلی ظاهر می شود, اکسید زدایی معمولاً اولین جایی است که مهندسان به آن نگاه می کنند.

این غریزه صحیح است, اما خود این مفهوم اغلب بسیار محدود درک می شود.

اکسیداسیون صرفاً عمل «مصرف اکسیژن» نیست. در مفهوم متالورژیکی, این یک استراتژی کنترل سیستماتیک با هدف کاهش میزان اکسیژن محلول در مذاب است.,

محدود کردن تشکیل اجزاء اکسید, و بهبود پاکیزگی, سیالیت, و رفتار سطحی فلز در هنگام ریختن و انجماد.

در ریخته گری سرمایه گذاری, این حتی بیشتر از بسیاری از فرآیندهای دیگر اهمیت دارد, زیرا پوسته سرامیکی نازک است, فعال شیمیایی در دمای بالا, و نسبت به حالت اکسیداسیون جریان آلیاژ بسیار حساس است.

مذاب با اکسید زدایی ضعیف صرفاً نقص داخلی ایجاد نمی کند; همچنین می تواند واکنش های فلز- قالب را در سطح مشترک پوسته تشدید کند.

به همین دلیل, صحبت از "ذوب" به جای "ذوب" در زمینه ریخته گری سرمایه گذاری دقیق تر است.

این فلز به معنای کامل فولادسازی پالایش نمی شود; با این وجود, همان اصول فیزیکی و شیمیایی کنترل اکسیژن همچنان اعمال می شود.

1. اکسیژن در مذاب از کجا می آید?

اکسیژن از چندین مسیر وارد فلز مذاب می شود:

اولین مورد خود شارژ است. قراضه, برمی گرداند, آلیاژ, و فروآلیاژها ممکن است حامل اکسیدهای سطحی باشند, اندازه, زنگ زدن, یا رطوبت جذب می کند.

دومی جو است. در حین شارژ, ذوب شدن, نگاه سطحی, نمونه گیری, و ریختن, سطح مذاب در معرض هوا قرار می گیرد و به طور مداوم گازها را با محیط مبادله می کند.

سومین سیستم کوره یا بوته است. مواد نسوز, بقایای سرباره, و شارها ممکن است به گونه های حامل اکسیژن کمک کنند, به خصوص در دمای بالا یا تحت چرخه حرارتی مکرر.

به عبارت دیگر, مذاب هرگز واقعاً جدا نمی شود. اکسیژن یک ناخالصی تصادفی نیست; این یک شرکت کننده تقریباً اجتناب ناپذیر در تاریخ حرارتی گرما است.

2. دو شکل اکسیژن در فولاد مذاب

در فولاد مذاب, اکسیژن به طور کلی به دو شکل وجود دارد.

اولین مورد اکسیژن محلول است. این اکسیژن به شکل اتمی در داخل فلز مایع وجود دارد, گاهی اوقات به عنوان اکسیژن فعال توصیف می شود زیرا می تواند به راحتی در واکنش های اکسیداسیون شرکت کند.

این خطرناک ترین شکل از نقطه نظر اکسیداسیون است زیرا از نظر شیمیایی متحرک است و مستقیماً بر مصرف آلیاژ تأثیر می گذارد., تشکیل شمول, و عیوب مربوط به گاز در طول انجماد.

دومی اکسیژن ترکیبی است, که به صورت اکسیدهای پایدار یا آخال های اکسی سولفید وجود دارد. در این مرحله, اکسیژن دیگر «رایگان» نیست,” اما ناپدید نشده است.

به ذرات غیرفلزی جامد یا نیمه جامد معلق در مذاب یا به دام افتاده در فلز جامد شده منتقل شده است..

این اجزاء ممکن است از نظر شیمیایی نسبتاً بی اثر باشند, با این حال مضر باقی می مانند زیرا پاکیزگی را کاهش می دهند, تضعیف خواص مکانیکی, و به عنوان سایت های شروع کرک عمل می کنند.

بنابراین وقتی از محتوای اکسیژن صحبت می کنیم, ما واقعاً در مورد سیستمی صحبت می کنیم که هم از اکسیژن محلول و هم از اکسیژن ترکیب شده شیمیایی تشکیل شده است.. اکسید زدایی موثر باید هر دو را برطرف کند.

3. چرا اکسیژن مضر است

خطرات اکسیژن اغلب دست کم گرفته می شود زیرا آنها در چندین مرحله از فرآیند توزیع می شوند نه اینکه به عنوان یک شکست چشمگیر ظاهر شوند..

آسیب در طول حالت مایع

اکسیژن محلول به طور تهاجمی عناصر آلیاژی را در مذاب اکسید می کند. این نه تنها اتلاف فلز را افزایش می دهد، بلکه افزودنی های میکروآلیاژی گران قیمت مانند بور را نیز هدر می دهد, زیرکونیوم, یا عناصر کمیاب خاکی.

در آلیاژهای با کارایی بالا, حتی مقدار کمی اکسیژن نیز می تواند شیمی موثر را به اندازه کافی تغییر دهد تا خواص هدف را به خطر بیندازد.

به همان اندازه مهم است, اکسیژن باعث تشکیل اجزاء اکسید می شود. این اجزاء صرفاً نقص در مفهوم زیبایی نیستند; آنها سخت هستند, شکننده, و اغلب زاویه ای است.

آنها در تغذیه اختلال ایجاد می کنند, افزایش مقاومت ماشینکاری, کاهش عمر خستگی, و چقرمگی آسیب.

در ریخته گری های دقیق, که در آن دقت ابعاد و یکپارچگی سطح هر دو بسیار مهم هستند, حتی افزایش اندک در جمعیت شامل می تواند افزایش نامتناسبی در نرخ رد ایجاد کند.

آسیب در هنگام انجماد

همانطور که مذاب سرد می شود, حلالیت اکسیژن در فولاد مایع کاهش می یابد. اکسیژنی که در حالت مایع پایدار بود از نظر ترمودینامیکی ناپایدار می شود و به دنبال شکل جدیدی است..

این تحول مشکلات متعددی را ایجاد می کند.

اولی

اکسیژن محلول می تواند با کربن واکنش داده و مونوکسید کربن تشکیل دهد.

اگر این واکنش در زمان انجماد یا در مراحل پایانی ریختن رخ دهد, نتیجه تخلخل گاز است, ریز انقباض با تکامل گاز تشدید می شود, یا تورم در فنجان اسپرو در موارد شدید.

در ریخته گری سرمایه گذاری, این ممکن است به عنوان یک سیستم دونده در نظر گرفته شود که غیرعادی رفتار می کند, حوضچه ای که به جای ته نشین شدن برآمده می شود, یا ریخته گری هایی که تخلخل داخلی را نشان می دهند حتی زمانی که تغذیه کافی به نظر می رسد.

دوم

اکسیژن ممکن است با عناصری مانند آلومینیوم ترکیب شود, تیتانیوم, سیلیکون, و منگنز با کاهش دما، ترکیبات اکسید جدیدی تشکیل می دهند.

این آخال‌ها معمولاً بیشتر از ذرات اصلی هستند زیرا جبهه انجماد تمایل دارد آنها را به دام بیاندازد و جریان آشفته ریختن آنها را در سراسر مذاب پراکنده می‌کند..

سوم

اکسیدهای مشتق شده از اکسیژن می توانند با گوگرد واکنش دهند تا یوتکتیک با ذوب کم در مرزهای دانه تشکیل دهند..

این باعث کوتاهی گرم و ضعف بین دانه ای می شود. نتیجه همیشه یک ترک قابل مشاهده نیست; گاهی اوقات بعداً به عنوان ماشینکاری ضعیف ظاهر می شود, پارگی لبه, یا کاهش عمر مفید.

چهارم

From the standpoint of mold interaction, oxygen becomes especially dangerous when the melt wets the ceramic shell.

A clean steel melt does not readily wet refractory surfaces, but oxygen-rich metal can generate FeO and other low-melting oxide species at the interface.

These oxides can react with silica-bearing shell materials to form low-melting silicates such as fayalite-type compounds.

Once that happens, the melt can penetrate the shell surface, producing metal penetration, shell sticking, surface inclusions, or chemical bonding defects that are often misdiagnosed as ordinary slag inclusion.

This point is particularly important in investment casting because many shell systems contain reactive silica phases.

If the shell includes enough active SiO₂ or cristobalite, مذاب غنی از اکسیژن می تواند با دیواره قالب به گونه ای واکنش نشان دهد که شبیه سازوکارهای کلاسیک سوختگی ریخته گری شن یا نفوذ فلز باشد.. مقیاس متفاوت است, اما شیمی اساسا مشابه است.

آسیب در فلز جامد

پس از استحکام, اکسیژن عمدتاً به عنوان اجزاء اکسید و اکسی سولفید به دام می افتد. در این مرحله, دیگر در مورد تکامل گاز نیست; این در مورد تمیزی متالورژیکی است.

اندازه, مورفولوژی, مقدار, و توزیع اجزاء تعیین می کند که چقدر آسیب خواهند داشت.

خوب, گرد شده, ذرات پراکنده ممکن است در برخی کاربردها قابل تحمل باشند, در حالی که بزرگ است, خوشه ای, یا آخال های زاویه ای می توانند فاجعه بار باشند.

شکل پذیری را کاهش می دهند, عملکرد خستگی را مختل می کند, مقاومت در برابر ضربه کمتر, و مکان های تمرکز استرس محلی ایجاد کنید.

در ریخته گری های دقیق, جایی که حاشیه خطا باریک است, کنترل شمول اغلب متغیر پنهان پشت ثبات کیفیت است.

4. هدف واقعی از اکسیداسیون

هدف از اکسیداسیون صرفاً "کشتن" اکسیژن محلول نیست. انتقال اکسیژن از مذاب به روشی کنترل شده و مفید از نظر متالورژی است.

یعنی دو چیز باید همزمان اتفاق بیفتد:

اولی, اکسیژن محلول باید به حد کافی کاهش یابد که عناصر آلیاژی محافظت شوند, واکنش های گازی سرکوب می شوند, و مذاب در هنگام ریختن رفتار تمیزی دارد.

دوم, محصولات اکسید اکسید زدایی باید از مذاب تا حد امکان از طریق شناورسازی سرباره و تمرین فلزات تمیز حذف شوند..

یک اکسید زدا که مقادیر زیادی ادخال های سرسخت را تشکیل می دهد بدون اینکه به آنها اجازه فرار دهد فقط نیمی از مشکل را حل کرده و حتی ممکن است نتیجه ریخته گری را بدتر کند..

به همین دلیل است که اکسید زدایی و حذف سرباره هرگز نباید جدا از هم در نظر گرفته شوند, عملیات غیر مرتبط.

در عمل, آنها یک فرآیند جفت شده هستند: شیمی حذف اکسیژن و حمل و نقل فیزیکی محصولات واکنش.

5. روش های اکسیداسیون

به طور کلی, اکسید زدایی را می توان به دو دسته تقسیم کرد: اکسید زدایی شیمیایی و اکسید زدایی در خلاء.

در ریخته گری سرمایه گذاری, اکسید زدایی شیمیایی بسیار رایج ترین است.

در اکسید زدایی شیمیایی, مسیرهای عملی اکسیداسیون انتشار هستند, اکسید زدایی بارش, و اکسید زدایی ترکیبی.

دی اکسیداسیون دیفیوژن

اکسید زدایی انتشار با کاهش گونه های اکسیژن دار در سرباره عمل می کند به طوری که اکسیژن از فلز به فاز سرباره مهاجرت می کند..

ذرات ریز دی اکسید کننده معمولاً از قبل گرم می شوند و به سطح مذاب اضافه می شوند, اغلب همراه با سرباره یا شار پوششی.

ایده اصلی تعادل است. اگر غلظت اکسید در سرباره کاهش یابد, مذاب به طور مداوم گونه های حاوی اکسیژن بیشتری را برای بازگرداندن تعادل منتقل می کند. با گذشت زمان, فلز تمیزتر می شود.

این روش کندتر از اکسید زدایی با بارش مستقیم است, اما یک مزیت مهم دارد: احتمال کمتری وجود دارد که محصولات واکنش دوباره به درون مذاب وارد شوند.

به همین دلیل, اکسید زدایی با انتشار می تواند یک حمام فلزی تمیزتر با آخال های باقیمانده کمتر ایجاد کند.

در ذوب القایی, هم زدن الکترومغناطیسی تصویر ایده آل را پیچیده می کند و در واقع به فرآیند کمک می کند.

این فلز در گردش مداوم است, که باعث افزایش تماس بین مذاب می شود, اکسید کننده, و سرباره.

تحت شرایط مناسب, این اختلاط می تواند دی اکسید زدایی را مؤثرتر از آنچه کتاب های درسی پیشنهاد می کنند، کند.

رسوب زدایی اکسیداسیون

اکسید زدایی بارش, گاهی اوقات اکسید زدایی مستقیم نامیده می شود, شامل افزودن دی اکسید کننده ها به طور مستقیم به فلز مذاب به طوری که اکسیژن از طریق واکنش شیمیایی فوری حذف شود..

اکسید کننده های رایج شامل سیلیکون است, منگنز, الومینیوم, و اکسیدزدای کامپوزیت حاوی ترکیبی از این عناصر.

این روش سریع است. این نقطه قوت اصلی آن است. به ویژه زمانی مفید است که مذاب قبل از ریختن باید سریعاً تصفیه شود.

هر چند, سرعت واکنش نیز نقطه ضعف آن است. محصولات اکسید زدایی ممکن است به صورت ذرات بسیار ریز تشکیل شوند که قبل از شروع ریختن زمان کافی برای شناور شدن ندارند..

اگر دمای مذاب به اندازه کافی بالا نباشد, یا اگر زمان برگزاری خیلی کوتاه باشد, آن ذرات معلق می مانند و در نهایت در قالب ریخته گری به دام می افتند.

از این رو, اکسید زدایی بارش تنها زمانی موثر است که با زمان مناسب همراه باشد, درجه حرارت, و تمرین سرباره. نباید به عنوان یک راه حل مستقل در نظر گرفته شود.

اکسیداسیون ترکیبی

در تولید واقعی, معقول ترین رویکرد معمولاً یک فرآیند ترکیبی است: اکسید زدایی اولیه و به دنبال آن اکسید زدایی نهایی.

این منطق عملی رایج در ریخته گری سرمایه گذاری است. مرحله مقدماتی باعث کاهش تدریجی اکسیژن و تثبیت مذاب می شود.

مرحله آخر سطح اکسیژن باقیمانده را بلافاصله قبل از ریختن تنظیم می کند و اطمینان حاصل می کند که حمام در شرایط متالورژیکی ایمن قرار دارد..

در عمل واقعی مغازه, بسته به تکنیک اپراتور، روش اکسیدزدایی نهایی ممکن است شبیه اکسیدزدایی بارشی یا اکسید زدایی انتشار باشد..

برخی متالورژیست ها یک لایه بسیار نازک از شار پوششی اضافه می کنند, سپس از اکسید کننده کامپوزیت استفاده کنید, و در نهایت سطح را مجدداً بپوشانید تا وادار به واکنش در سطح مشترک سرباره و فلز شود. در آن صورت, این روش بیشتر شبیه اکسیدزدایی با انتشار عمل می کند.

برخی دیگر اکسید زدا را عمیق تر در حمام وارد می کنند, که به اکسید زدایی بارش نزدیکتر است. مرز بین این دو همیشه سفت و سخت نیست.

به همین دلیل است که بحث بر سر برچسب ها می تواند کمتر از کنترل نتایج موثر باشد.

سوال واقعی این نیست که آیا یک گام خاص به معنای کتاب درسی، "نشر" است یا "بارش", اما اینکه آیا اکسیژن به اندازه کافی پایین آمده است و آیا می توان محصولات را قبل از ریختن خارج کرد.

6. تا زمانی که محصولات از ذوب خارج نشوند، اکسید زدایی کامل نمی شود

این نکته ای است که اغلب نادیده گرفته می شود.

مذاب می تواند از نظر شیمیایی اکسیدزدایی شود و همچنان از نظر متالورژی کثیف باشد. چرا? زیرا محصولات دی اکسیداسیون خود شامل اجزاء هستند. اگر در حمام معلق بمانند, آنها به سادگی یک منبع نقص جدید هستند.

از این رو, یک عمل اکسید زدایی خوب باید به سه سوال به طور همزمان پاسخ دهد:

چه مقدار اکسیژن در محلول باقی می ماند?

چه نوع آخال های اکسیدی در حال تشکیل هستند?

چگونه این موارد حذف خواهند شد?

بهترین اکسیدزدا لزوماً آنی نیست که سریع‌ترین واکنش را نشان دهد. این است که اجزاء با اندازه مطلوب تولید می کند, مورفولوژی, و شناور بودن, و یکی که هماهنگ با عمل حذف سرباره و ریختن آن عمل می کند.

به این معنا, اکسید زدایی باید به عنوان مهندسی گنجاندن درک شود, نه فقط اکسیژن زدایی.

7. یک نمای مدرن: کنترل اکسیژن به عنوان مدیریت تمیزی مذاب

یک راه پیشرفته تر برای فکر کردن در مورد اکسیداسیون این است که اکسیژن را به عنوان یک مشکل تک عددی تلقی نکنید. محتوای اکسیژن مهم است, اما این تنها یک بعد از تمیزی مذاب است.

یک مهندس ریخته گری مدرن نیز باید در نظر داشته باشد:

فعالیت ترمودینامیکی اکسیژن,

نوع و ترکیب اجزای تشکیل شده,

سینتیک شناور بودن آن اجزاء,

برهمکنش بین اکسیدها و پوسته های نسوز,

اثر هم زدن الکترومغناطیسی در مسیرهای واکنش,

و زمان افزودن اکسید کننده نسبت به ریختن.

این دیدگاه گسترده تر به ویژه در ریخته گری سرمایه گذاری ارزشمند است, که در آن نقایص اغلب از مکانیسم‌های همراه متعدد به جای یک علت مجزا ناشی می‌شوند.

پوسته ای که از نظر شیمیایی فعال است, مذابی که کمی بیش از حد اکسید شده است, و یک اکسید زدا که خیلی دیر اضافه می شود با هم می توانند نقصی ایجاد کنند که هیچ اقدام اصلاحی به طور کامل آن را برطرف نمی کند..

8. پایان

در واقع, من زمانی درگیر این بودم که آیا اکسید زدایی نهایی، اکسید زدایی بارشی است یا اکسیدزدایی انتشاری, اما بعداً متوجه شدم که این فقط یک تمایز مفهومی است.

علاوه بر این, اشکال اکسید زدایی برای انواع مختلف فولاد متفاوت است: به عنوان مثال, فولاد کربنی از درج سیم آلومینیومی برای اکسیداسیون استفاده می کند,

در حالی که فولاد ضد زنگ از اکسید کننده کامپوزیت استفاده می کند (مانند آلیاژ سیلیکون-آلومینیوم-باریم-کلسیم) برای اکسیداسیون - برخی از آنها اکسید زدایی بارش هستند, برخی از آنها اکسید زدایی انتشاری هستند, و برخی حتی هر دو واکنش را همزمان دارند.

نظر شما در این مورد چیست؟? علاوه بر این, با توسعه فناوری ریخته گری سرمایه گذاری, برخی از اکسید زداهای کامپوزیت جدید (مانند آلیاژ کلسیم-سیلیکون-منگنز) دارای مزایای اکسیدزدایی سریع و شناورسازی آسان محصولات است,

که به تدریج به انتخاب اصلی در تولید ریخته گری سرمایه گذاری با کیفیت بالا تبدیل شده است, با مقدار اضافه به طور کلی 0.2%-0.4% وزن فولاد مذاب.

باید تاکید کرد که اکسید زدایی در خلاء, به عنوان یک روش دیگر اکسیداسیون, عمدتاً در تولید ریخته گری های سرمایه گذاری بالا استفاده می شود (مانند قطعات موتور هوافضا و ایمپلنت های پزشکی).

از این اصل استفاده می کند که حلالیت اکسیژن در فولاد مذاب به طور قابل توجهی در شرایط خلاء کاهش می یابد., باعث می شود اکسیژن محلول در فولاد مذاب رسوب کرده و به شکل گاز خارج شود.

اکسید زدایی خلاء می تواند از ورود مواد جدید توسط اکسید کننده ها جلوگیری کند, و اثر اکسیداسیون کامل تر است,

اما سرمایه گذاری تجهیزات و هزینه عملیات آن بالا است, بنابراین به طور گسترده در تولید ریخته گری سرمایه گذاری معمولی استفاده نمی شود.

در برخی از خطوط تولید پیشرفته, اکسید زدایی در خلاء با اکسید زدایی اکسید کننده ترکیب می شود تا به بهترین اثر اکسیداسیون دست یابد, اطمینان حاصل شود که میزان اکسیژن کل فولاد مذاب به زیر کاهش می یابد 0.002%.