عوامل موثر بر کیفیت سطح ریخته گری

کیفیت سطح ریخته گری تابعی از هر مرحله ای است که الگو را لمس می کند, قالب و فلز - از شرایط قالب/الگو و رئولوژی مواد الگو تا آماده سازی پوسته/روکش, موم زدایی و شلیک پوسته, به ذوب شدن, ریختن, خنک کننده و جابجایی نهایی.

کنترل ناهمواری سطح (رگ) و اجتناب از بی نظمی در مقیاس خرد مستلزم توجه جدی به ابزار است, مواد, پارامترهای فرآیند و مدیریت پس از ریخته گری.

این مقاله به تحلیل عوامل اصلی می پردازد, محدوده های کنترل عملی را در صورت امکان کمیت می کند, و توصیه های بازرسی و فرآیند قابل اجرا را ارائه می دهد.

1. عوامل مرتبط با قالب

قالب به عنوان پایه و اساس عمل می کند سرمایه گذاری سرمایه گذاری, زیرا کیفیت آن به طور مستقیم شکل و وضعیت سطح الگوی موم را تعیین می کند, که در نهایت به بازیگری نهایی منتقل می شود.

تأثیر قالب ها بر کیفیت سطح الگوی مومی را می توان از سه جنبه تشریح کرد:

طراحی ساختار قالب و کیفیت سطح

طراحی نامعقول ساختار قالب اغلب منجر به خراش و سوزش در طول قالب گیری الگوی مومی. سطوح الگوی مومی تعمیر شده به ناچار از سطح اصلی پایین تر هستند, و این عیوب مستقیماً روی سطح ریخته گری تکرار خواهند شد.

به عنوان مثال, گوشه های تیز (بدون فیله R<0.3میلی متر), زوایای پیش نویس ناکافی (<1° برای حفره های پیچیده), یا سطوح جداکننده ناهموار در ساختار قالب باعث افزایش اصطکاک بین الگوی موم و حفره قالب می شود., باعث آسیب سطحی در هنگام قالب گیری می شود.

زبری سطح قالب یک عامل تعیین کننده برای کیفیت سطح الگوی مومی است. اگر زبری سطح قالب فقط Ra3.2μm باشد, الگوی موم حاصله حتی کیفیت سطح پایین تری خواهد داشت (Ra4.0-5.0μm), که به طور مستقیم به ریخته گری منتقل می شود.

تجربه عملی نشان می دهد که زبری سطح بهینه قالب باید کنترل شود در Ra0.8μm; صافی بیش از حد (به عنوان مثال, Ra0.2μm) کیفیت الگوی موم را به طور قابل توجهی بهبود نمی بخشد، اما هزینه های پردازش قالب را 30٪ تا 50٪ افزایش می دهد..

کنترل دمای قالب

دمای قالب تاثیر قابل توجهی بر سیالیت موم و دقت تکرار دارد. برای سیستم های واکس با دمای متوسط, دمای بهینه قالب است 45-55 درجه سانتیگراد.

زمانی که دمای قالب خیلی پایین است (<35℃), سیالیت مواد موم به شدت کاهش می یابد, منجر به تکرار ضعیف الگوی مومی در سطح می شود, همراه با علائم جریان و بسته های سرد.

انتقادی تر, اگر دمای قالب به زیر نقطه شبنم آب برسد (معمولاً 15 تا 20 درجه در کارگاه ها), قطرات آب متعددی روی سطح قالب تشکیل می شود.

این قطرات در حین تزریق فضای ماده موم را اشغال می کنند, منجر به یک سطح الگوی مومی ناهموار - نقصی که توسط عامل آزاد کننده بیش از حد ایجاد می شود (ضخامت پاشش >5μM).

حفظ دمای مناسب قالب ضروری است. دمای قالب را به درستی افزایش دهید (تا 50-55 ℃) و فشار تزریق (به 0.3-0.5MPa) می تواند به طور موثر سیالیت مواد موم را بهبود بخشد, افزایش توانایی تکرار الگوی موم روی سطح قالب, و بنابراین به طور غیر مستقیم کیفیت سطح ریخته گری را بهبود می بخشد.

هر چند, دمای قالب بیش از حد بالا (>60℃) ممکن است باعث سرد شدن و سفت شدن خیلی آهسته مواد موم شود, منجر به تغییر شکل الگوی مومی می شود (انحراف ابعادی >0.5میلی متر) و افزایش زمان چرخه تولید, نیاز به تعادل بین کیفیت و کارایی.

اندازه گیت تزریق موم

اندازه گیت تزریق موم به طور مستقیم بر فشار تزریق و سرعت پر شدن موم تأثیر می گذارد.

برای ریخته گری های کوچک (وزن <500جف), قطر دروازه بهینه **φ8–φ10mm** است; برای ریخته گری های بزرگ (وزن >500جف), قطر دروازه را می توان افزایش داد φ10–φ12 میلی متر.

افزایش مناسب اندازه دروازه به افزایش فشار تزریق موم کمک می کند, از پر شدن کامل حفره قالب اطمینان حاصل کنید, و عیوب سطحی مانند کم پر شدن و علائم جریان روی الگوی واکس را کاهش دهید.

برای ریخته گری های پیچیده با دیواره های نازک (<2میلی متر), طراحی چند دروازه (2-4 دروازه) برای بهبود بیشتر یکنواختی پر کردن توصیه می شود.

2. تاثیر مواد موم

نوع و عملکرد مواد موم عوامل اصلی تعیین کننده کیفیت سطح الگوی موم هستند, از آنجایی که مواد موم مختلف رفتارهای متمایزی از تبلور و انجماد از خود نشان می دهند.

جدول 1 پارامترهای کلیدی عملکرد و اثرات کیفیت سطح مواد مومی رایج برای ریخته‌گری سرمایه‌گذاری را خلاصه می‌کند.

جدول 1: مقایسه عملکرد مواد موم رایج برای ریخته گری سرمایه گذاری

واکس با دمای پایین (موم پارافین-استئاریک اسید)

واکس با دمای پایین, متشکل از پارافین (60%-70 ٪) و اسید استئاریک (30%-40 ٪), الگوهای مومی با پایین ترین کیفیت سطح تولید می کند.

به عنوان یک موم کریستالی, دارای محدوده دمایی کریستالیزاسیون باریک و دانه های درشت اسید استئاریک است (اندازه دانه >50μM).

در طول انجماد, موم مایع کافی برای پر کردن شکاف بین دانه ها وجود ندارد, در نتیجه یک سطح الگوی مومی خشن ایجاد می شود.

حتی با افزایش فشار تزریق یا تنظیم پارامترهای فرآیند, کیفیت سطح الگوهای موم ساخته شده از موم با دمای پایین را نمی توان به طور قابل توجهی بهبود بخشید, محدود کردن کاربرد آن در ریخته گری با دقت بالا.

واکس با دمای متوسط

موم با دمای متوسط, یک مخلوط چند جزئی حاوی موم میکروکریستالی, رزین, و نرم کننده ها, نقطه ذوب ثابتی ندارد و محدوده دمایی انجماد گسترده‌تری در مقایسه با موم با دمای پایین دارد.

در طول انجماد, به دلیل دمای انجماد متفاوت اجزای آن, فاز مایع می تواند به طور کامل شکاف بین فازهای جامد را پر کند, منجر به الگوهای مومی با کیفیت سطحی به طور قابل توجهی بالاتر می شود.

هر چند, عملکرد موم با دمای متوسط ​​در بین تولید کنندگان مختلف متفاوت است; موم با محتوای رزین 5٪ - 8٪ بهترین تعادل بین سیالیت و صافی سطح را نشان می دهد..

موم پر شده

موم پر شده, تقویت شده با پودر سرامیک (5%-10 ٪) یا الیاف شیشه (3%-5 ٪), الگوهای مومی را با بالاترین کیفیت سطح تولید می کند.

افزودن پرکننده ها رفتار تبلور ماتریس موم را بهینه می کند, انقباض انجماد را کاهش می دهد (از 2.0% به 0.8٪ - 1.2٪), و سختی سطح و مقاومت در برابر سایش الگوی واکس را افزایش می دهد.

این نه تنها صافی سطح الگوی موم را بهبود می بخشد، بلکه تغییر شکل در حین ذخیره سازی و حمل و نقل را کاهش می دهد (نرخ تغییر شکل <0.2% در عرض 24 ساعت), حصول اطمینان از انتقال پایدار کیفیت سطح به ریخته گری.

تمیز کردن الگوی موم و اچ کردن سطح

تمیز کردن الگوی موم اغلب به عنوان صرفاً حذف عوامل آزاد کننده از سطح اشتباه درک می شود, اما مهمترین عملکرد آن است حکاکی سطح.

برای الگوهای واکس با دمای متوسط, فرآیند تمیز کردن بهینه از یک عامل اچ خنثی استفاده می کند (غلظت 5٪ - 8٪) با مقدار pH 6.5-7.5, زمان خیساندن 1-2 دقیقه, سپس با آب دیونیزه شستشو داده و در دمای 40 تا 50 درجه سانتیگراد به مدت 10 تا 15 دقیقه خشک کنید..

در طول فرآیند تمیز کردن, یک اثر اچینگ ملایم روی سطح الگوی مومی ایجاد می شود, که زبری سطح الگوی مومی را در مقیاس میکرو افزایش می دهد (Ra از 1.6μm تا 2.0-2.5μm) و ترشوندگی و چسبندگی پوشش سطح بعدی را بهبود می بخشد.

اچینگ مناسب سطحی "ریز خشن" ایجاد می کند که به پوشش اجازه می دهد محکم تر بچسبد, اجتناب از پوسته شدن پوشش یا ضخامت ناهموار در هنگام خشک کردن و برشته کردن.

این امر به ویژه برای بهبود صافی سطح قطعات ریخته گری بسیار مهم است, به عنوان یک پوشش خوب می تواند به طور موثر سطح الگوی موم را تکرار کند و از نقص نفوذ شن و ماسه جلوگیری کند..

4. فاکتورهای پوشش سطحی

پوشش سطح (پوشش اولیه) در تماس مستقیم با الگوی مومی است, و عملکرد و پارامترهای کاربردی آن تأثیر تعیین کننده ای بر کیفیت سطح ریخته گری دارد.

خواص مواد پوشش سطحی

در حالی که تأثیر پودر سطح و ماسه بر کیفیت سطح به طور گسترده ای شناخته شده است, اثر سل سیلیس - یکی از اجزای مهم پوشش - بر کیفیت سطح کمتر شناخته شده است.

سل سیلیس با کیفیت بالا (چه وارداتی و چه تولید داخل) با اندازه ذرات کلوئیدی یکنواخت (10-20 نانومتر) و ویسکوزیته کم (2-5 mPa·s در 25 درجه سانتیگراد) عملکرد برتر را از خود نشان می دهد.

تحت همان ویسکوزیته فنجان جریان (جام فورد #4: 20-25 ثانیه), چنین سل سیلیکا می تواند به نسبت پودر به مایع بالاتری دست یابد (2.5:1-3.0:1 برای دوغاب پودر زیرکون), منجر به ایجاد یک پوشش اولیه متراکم تر می شود.

پوشش متراکم تر تخلخل سطح را کاهش می دهد (تخلخل <5%) و توانایی تکثیر سطح الگوی مومی را بهبود می بخشد, منجر به سطح ریخته گری صاف تر می شود (Ra 0.4-0.8μm در مقایسه با استفاده از سل سیلیس با کیفیت پایین کاهش یافت).

ضخامت پوشش سطحی

برای دوغاب پودر زیرکون (اندازه ذرات پودر زیرکون 325-400 مش), ضخامت بهینه پوشش اولیه است 0.08-0.1 میلی متر. ضخامت بیش از حد و ناکافی هر دو بر کیفیت سطح ریخته گری تأثیر منفی می گذارد:

• ضخامت ناکافی (<0.08میلی متر): به راحتی منجر به نقص "خار خیار" می شود - تیز, برآمدگی های سوزنی مانند (ارتفاع 0.1-0.3 میلی متر) روی سطح ریخته گری ناشی از نفوذ ماسه یا پوشش ناهموار.
• ضخامت بیش از حد (>0.1میلی متر): منجر به اشکال مختلف نقص می شود.
  به دلیل انقباض در هنگام خشک کردن و برشته کردن (نرخ انقباض 3٪ - 5٪), پوشش ضخیم ممکن است تا حدی از سطح الگوی مومی جدا شود, درشت تشکیل می دهند, ذرات محدب گرد (قطر 0.2-0.5 میلی متر) روی سطح ریخته گری.

کنترل ضخامت پوشش نیاز به تنظیم دقیق ویسکوزیته دوغاب دارد (جام فورد #4: 20-25 ثانیه), زمان غوطه ور شدن (5-10s), و شرایط خشک شدن (دما 25-30 درجه سانتیگراد, رطوبت 40٪ - 60٪, زمان خشک شدن 2-4 ساعت) برای اطمینان از ضخامت یکنواخت و چسبندگی خوب.

5. فرآیند موم زدایی

هدف از موم زدایی حذف کامل موم از قالب پوسته است.

برای موم با دمای متوسط, فرآیند اپیلاسیون بهینه از یک کتری موم زدایی با بخار با فشار استفاده می کند 0.6-0.8 مگاپاسکال و دمای 120-130℃, زمان موم زدایی از 15-25 دقیقه (با توجه به اندازه پوسته تنظیم می شود).

موم باقی مانده در پوسته (کسر جرمی >0.5%), اگر در حین سرخ کردن کاملا نسوخته باشد, کربن سیاه و سایر ناخالصی ها را تولید خواهد کرد, که به سطح ریخته‌گری می‌چسبند و کیفیت سطح را کاهش می‌دهند - نکته‌ای که بیشتر در بخش سرخ کردن مورد بحث قرار می‌گیرد.

هر چند, اپیلاسیون کامل به معنای طولانی شدن زمان موم زدایی نیست. با فرض اطمینان از حذف کامل موم (موم باقی مانده <0.5%), زمان موم زدایی باید به حداقل برسد.

دما در کتری موم زدایی از دمای تجهیزات عمومی آبگیری سریع بیشتر است, و قرار گرفتن طولانی مدت موم در دمای بالا (>130℃ برای >30 دقایقی) پیری موم را تسریع می کند.

موم کهنه سیالیت کاهش یافته را نشان می دهد (افزایش ویسکوزیته 20٪ - 30٪) و افزایش شکنندگی, که ممکن است بر بازیافت موم بعدی تأثیر بگذارد و خطر نقص در الگوهای موم جدید را افزایش دهد.

6. ذخیره سازی پوسته قالب

نحوه نگهداری قالب های صدفی به تمیزی کارگاه بستگی دارد, با هدف اصلی به حداقل رساندن یا جلوگیری از ورود اجسام خارجی به حفره پوسته.

جدول 2 پارامترهای ذخیره سازی بهینه برای قالب های پوسته پس از موم زدایی را فهرست می کند.

جدول 2: پارامترهای ذخیره سازی بهینه برای قالب های پوسته موم زدایی شده

بسیاری از تولیدکنندگان به اشتباه معتقدند که قرار دادن پوسته با فنجان اسپرو رو به پایین، ایمنی را تضمین می کند, اما همیشه اینطور نیست.

اگر پوسته ها مستقیماً روی زمین یا قاب های آهنی آلوده به ذرات ماسه و سایر زباله ها قرار داده شوند., اجسام خارجی ممکن است در حین جابجایی وارد حفره شوند, باعث ایجاد آخال در ریخته گری می شود.

چنین اجزایی نیاز به سنگ زنی و تعمیر جوش دارند, که به شدت به کیفیت سطح ریخته گری آسیب می رساند (Ra 2.0-3.0μm پس از تعمیر افزایش یافته است).

7. برشته کردن قالب پوسته

موم باقیمانده در قالب پوسته باید در حین برشته کردن کاملاً بسوزد تا از باقی مانده کربن جلوگیری شود.. فرآیند برشته کردن بهینه برای پوسته های زیرکون به شرح زیر است:

1. مرحله گرمایش: از دمای اتاق تا 500 درجه سانتیگراد با سرعت گرم کنید 5– 10℃ در دقیقه (حرارت آهسته برای جلوگیری از ترک پوسته).
2. مرحله عایق کاری 1: برای 500 درجه نگه دارید 30 دقیقه برای سوزاندن موم باقی مانده.
3. مرحله گرمایش 2: حرارت از 500 ℃ تا 900-1100℃ با سرعت 10-15 درجه سانتیگراد در دقیقه.
4. مرحله عایق کاری 2: برای 900–1100 درجه سانتیگراد نگه دارید 2-3 ساعت برای بهبود استحکام پوسته و حذف رطوبت باقیمانده.

برای اطمینان از احتراق کامل موم باقیمانده, محتوای اکسیژن در کوره بو دادن باید به آن برسد 12% (توسط سنسورهای اکسیژن در تجهیزات پیشرفته نظارت می شود).

هنگامی که محتوای اکسیژن فقط در اطراف است 6%, دود سیاه غلیظ در حدود 800 درجه سانتیگراد ظاهر می شود, که باید از آن اجتناب کرد.

برای تجهیزات بدون عملکرد تامین اکسیژن, نیمه باز کردن درب کوره (شکاف 5-10 سانتی متر) افزایش جذب هوا می تواند سطح اکسیژن را بهبود بخشد و باعث احتراق کامل موم شود.

برشته کردن مناسب نیز استحکام پوسته را افزایش می دهد (قدرت فشاری >20MPA) و تخلخل سطح را کاهش می دهد, بهینه سازی بیشتر کیفیت سطح ریخته گری.

8. ذوب شدن, تمیزی و ریختن فلز

عمل ذوب و ریختن بر اکسیداسیون سطح تأثیر می گذارد, واکنش پذیری و تشکیل فیلم روی سطح.

تاثیرات کلیدی

• کنترل شارژ و سرباره: مواد باردار آلوده و شار ضعیف باعث ایجاد آخال های بالاتر در سطح یا لایه های اکسیدی می شود که زبری نزدیک به سطح را به دام می اندازد..
• دما و سرعت ریختن: دمای ریختن بیش از حد بالا می تواند اکسیداسیون یا واکنش بیش از حد با پوسته را افزایش دهد; دمای بسیار پایین ممکن است باعث پر شدن ناقص و ناهمواری ناشی از انجماد زودرس شود.
• روش خنک سازی پس از ریزش: کنترل سرعت سرمایش و جلوگیری از اکسیداسیون مجدد سطح (به عنوان مثال, استفاده از جعبه های ریختن / پوشش) کمک به به حداقل رساندن درگیری سطحی.

کنترل های عملی

• کنترل شدید شارژ کوره, روش های اکسید زدایی موثر و شار/سرباره تمیز.
• پنجره‌های دمای ریختن و طرح‌های دروازه‌ای را تعریف کنید که به آرامی کمک می‌کنند, پر کردن غیر متلاطم برای کاهش گیر افتادن گاز و تشکیل لایه سطحی.
• در طول انجماد اولیه، قرار گرفتن در معرض جو اکسید کننده را به حداقل برسانید (به عنوان مثال, استفاده از قالب های سرپوشیده در صورت لزوم).

9. مرحله پس از پایان

بسیاری از قطعات ریخته گری کیفیت سطح قابل قبولی را بلافاصله پس از ریختن نشان می دهند، اما پس از اتمام پس از اتمام به شدت آسیب می بینند - که این مرحله را مقصر اصلی کاهش کیفیت سطح در بسیاری از تولید کنندگان می کند..

دو موضوع کلیدی برجسته است: آسیب برخورد و انفجار شات.

پیشگیری از آسیب تصادف

الف را اجرا کنید سیستم ذخیره سازی و حمل و نقل طبقه بندی شده: از سینی های پلاستیکی با لایه های نرم استفاده کنید (ضخامت فوم EVA 5-10 میلی متر) برای ریخته گری های کوچک; برای جلوگیری از تماس مستقیم بین قطعات ریخته گری از وسایل اختصاصی برای ریخته گری های بزرگ استفاده کنید. این می تواند میزان آسیب ناشی از برخورد را تا بیش از یک کاهش دهد 80%.

بهینه سازی فرآیند شات بلاست

شات بلاست برای حذف اکسیدهای سطحی و شن و ماسه استفاده می شود, و پارامترهای فرآیند آن به طور مستقیم بر کیفیت سطح ریخته گری تأثیر می گذارد. پارامترهای بهینه شات بلاست برای ریخته گری فولاد ضد زنگ به شرح زیر است:

• مشخصات شات فولادی: گلوله فولادی ریخته گری, قطر 0.3-0.5 میلی متر, سختی HRC 40-50.
• فشار شات بلاست: 0.4-0.6 مگاپاسکال.
• زمان انفجار شات: 10– 15 دقیقه در هر چرخه (نه بیشتر از 15 دقایقی).
• الزامات تجهیزات: از شات بلسترها با سیستم های یکنواخت طرح ریزی استفاده کنید (یکنواختی طرح ریزی ≥90%) و کنترل جریان پایدار (نوسان فعلی <5%).

زمان شات بلاست باید به شدت کنترل شود – نه بیشتر از 15 دقیقه در هر چرخه. اگر سطح به اندازه کافی تمیز نشده باشد, برای جلوگیری از فرسایش بیش از حد سطح، چرخه های کوتاه چندگانه نسبت به انفجار طولانی مدت یک چرخه ترجیح داده می شود. (Ra توسط 1.0-2.0μm پس از بیش از انفجار افزایش یافته است).

10. پایان

کیفیت سطح ریخته گری یک نتیجه چند رشته ای است: متالورژی, پردازش سرامیک, مهندسی حرارتی و جابجایی مکانیکی همگی نقش دارند.

با در نظر گرفتن پرداخت سطح به عنوان یک ویژگی کیفیت حیاتی فرآیند - تعریف اهداف عددی, نظارت بر پارامترهای حیاتی (ابزار Ra, ویسکوزیته دوغم, ضخامت کت صورت, سطح اکسیژن موم زدایی, ذوب / ریختن پنجره ها) و تعبیه پست های بازرسی - ریخته گری می تواند به طور مداوم صاف تولید کند, ریخته گری با کیفیت بالا با قابلیت ساخت قابل پیش بینی و هزینه های مجدد کمتر.