U casting, deoksidacija se često tretira kao rutinski korak: dodati deoksidanse, skidati trosku, uliti toplinu, i nadam se da će odljev biti čist.
Ipak u praksi, kada defekti kao što su poroznost, inkluzije, veining-like površinske reakcije, ili se pojavljuju lokalna žarišta, deoksidacija je obično prvo mjesto na koje inženjeri gledaju.
Taj instinkt je ispravan, ali se sam pojam često shvaća preusko.
Deoksidacija nije samo čin "konzumacije kisika". U metalurškom smislu, to je strategija sustavne kontrole čiji je cilj smanjenje količine otopljenog kisika u talini,
ograničavajući stvaranje oksidnih inkluzija, i poboljšanje čistoće, fluidnost, i ponašanje metala na površini tijekom lijevanja i skrućivanja.
U investicijskom lijevanju, ovo je čak važnije nego u mnogim drugim procesima, jer je keramička ljuska tanka, kemijski aktivan na visokoj temperaturi, i vrlo osjetljiv na oksidacijsko stanje struje legure.
Loše deoksidirana talina ne stvara samo unutarnje nedostatke; također može intenzivirati reakcije metala i kalupa na sučelju ljuske.
Iz tog razloga, točnije je govoriti o "taljenju" nego o "taljenju" u kontekstu lijevanja za ulaganje.
Metal se ne rafinira u potpunom smislu proizvodnje čelika; ipak, i dalje vrijede ista fizikalna i kemijska načela kontrole kisika.
1. Odakle dolazi kisik u talini?
Kisik ulazi u rastaljeni metal kroz nekoliko puteva:
Prvi je sam naboj. otpad, vraća, legure, a feroslitine mogu nositi površinske okside, ljestvica, hrđa, ili apsorbirane vlage.
Drugo je atmosfera. Tijekom punjenja, topljenje, skiming, uzorkovanje, i nalijevanje, površina taline je izložena zraku i kontinuirano izmjenjuje plinove s okolinom.
Treći je sustav peći ili lončića. Vatrostalni materijali, ostaci troske, a tokovi mogu pridonijeti vrstama koje nose kisik, posebno na visokoj temperaturi ili pod ponovljenim toplinskim ciklusima.
Drugim riječima, talina nikada nije istinski izolirana. Kisik nije slučajna nečistoća; gotovo je neizbježan sudionik toplinske povijesti topline.
2. Dva oblika kisika u rastaljenom čeliku
U rastaljenom čeliku, kisik općenito postoji u dva oblika.
Prvi je otopljeni kisik. To je kisik prisutan u atomskom obliku unutar tekućeg metala, ponekad se opisuje kao aktivni kisik jer može lako sudjelovati u reakcijama oksidacije.
To je najopasniji oblik sa stajališta deoksidacije jer je kemijski pokretan i izravno utječe na potrošnju legure., formiranje inkluzije, i greške povezane s plinom tijekom skrućivanja.
Drugi je kombinirani kisik, koji postoji u obliku stabilnih oksida ili oksi-sulfidnih inkluzija. U ovoj fazi, kisik više nije „besplatan,”, ali nije nestao.
Preneseno je u čvrste ili polučvrste nemetalne čestice suspendirane u talini ili zarobljene u skrutnutom metalu.
Ove inkluzije mogu biti kemijski relativno inertne, ipak ostaju štetni jer smanjuju čistoću, oslabiti mehanička svojstva, i djeluju kao mjesta inicijacije pukotina.
Dakle, kada govorimo o sadržaju kisika, zapravo govorimo o sustavu sastavljenom od otopljenog kisika i kemijski spojenog kisika. Učinkovita dezoksidacija mora obuhvatiti oboje.
3. Zašto je kisik štetan
Opasnosti od kisika često se podcjenjuju jer su raspoređene u nekoliko faza procesa umjesto da se pojavljuju kao pojedinačni dramatični kvar.
Šteta tijekom tekućeg stanja
Otopljeni kisik agresivno oksidira legirajuće elemente u talini. Ovo ne samo da povećava gubitak metala, već također troši skupe dodatke mikrolegiranja kao što je bor, cirkonij, ili elemente rijetke zemlje.
U legurama visokih svojstava, čak i kisik u tragovima može promijeniti učinkovitu kemiju dovoljno da ugrozi ciljna svojstva.
Jednako važno, kisik potiče stvaranje oksidnih inkluzija. Ove inkluzije nisu samo nedostaci u kozmetičkom smislu; tvrdi su, krhki, a često i uglata.
Ometaju hranjenje, povećati otpornost obrade, smanjiti vijek trajanja od umora, i oštetiti žilavost.
U preciznim odljevcima, gdje su dimenzionalna točnost i cjelovitost površine ključni, čak i malo povećanje inkluzivne populacije može proizvesti neproporcionalno povećanje stope odbijanja.
Šteta tijekom skrućivanja
Dok se talina hladi, smanjuje se topljivost kisika u tekućem čeliku. Kisik koji je bio stabilan u tekućem stanju postaje termodinamički nestabilan i traži novi oblik.
Ova transformacija stvara nekoliko problema.
Prvi
Otopljeni kisik može reagirati s ugljikom u ugljični monoksid.
Ako se ova reakcija dogodi tijekom skrućivanja ili u završnim fazama lijevanja, rezultat je plinska poroznost, mikroskupljanje pogoršano razvijanjem plina, ili oteklina na čašici sprue u teškim slučajevima.
U investicijskom lijevanju, ovo se može smatrati sustavom pokretača koji se nenormalno ponaša, bazen za izlijevanje koji se izboči umjesto da se taloži, ili odljevci koji pokazuju unutarnju poroznost čak i kada se hranjenje čini odgovarajućim.
Drugi
Kisik se može spajati s elementima kao što je aluminij, titanijum, silicij, i mangan za stvaranje novih oksidnih inkluzija kako temperatura pada.
Te su inkluzije obično brojnije od izvornih čestica jer ih fronta skrućivanja nastoji uhvatiti, a turbulentni tok izlijevanja ih raspršuje po talini.
Treći
Oksidi dobiveni iz kisika mogu reagirati sa sumporom i formirati eutektiku niskog tališta na granicama zrna.
To potiče vruću kratkoću i intergranularnu slabost. Rezultat nije uvijek vidljiva pukotina; ponekad se kasnije pojavljuje kao loša obradivost, trganje ruba, ili smanjen radni vijek.
Četvrti
Sa stajališta interakcije kalupa, kisik postaje posebno opasan kada talina smoči keramičku ljusku.
Čista talina čelika ne smoči lako vatrostalne površine, ali metal bogat kisikom može generirati FeO i druge vrste oksida niskog tališta na međupovršini.
Ovi oksidi mogu reagirati s materijalima ljuske koji sadrže silicij i formirati silikate niskog tališta kao što su spojevi tipa fajalita.
Kad se to jednom dogodi, talina može prodrijeti kroz površinu ljuske, stvaranje metalnog prodora, lijepljenje školjke, površinske inkluzije, ili nedostatke kemijskog vezivanja koji se često krivo dijagnosticiraju kao obične inkluzije troske.
Ova točka je posebno važna u lijevanju po ulošku jer mnogi sustavi ljuski sadrže reaktivne faze silicija.
Ako ljuska sadrži dovoljno aktivnog SiO₂ ili kristobalita, talina bogata kisikom može reagirati sa stijenkom kalupa na način koji je vrlo sličan klasičnim mehanizmima pečenja ili prodiranja metala u lijevanju u pijesak. Razmjer je drugačiji, ali kemija je u osnovi slična.
Šteta u čvrstom metalu
Nakon učvršćivanja, kisik ostaje zarobljen uglavnom kao oksidne i oksisulfidne inkluzije. U ovoj fazi, više se ne radi o razvoju plina; radi se o metalurškoj čistoći.
Veličina, morfologija, količina, i distribucija inkluzija određuju koliko će one biti štetne.
Fino, zaobljena, rijetko raspoređene čestice mogu biti podnošljive u nekim primjenama, dok je velika, grozdasti, ili kutne inkluzije mogu biti katastrofalne.
Smanjuju duktilnost, pogoršati performanse umora, manja otpornost na udarce, i stvoriti lokalna mjesta koncentracije naprezanja.
U preciznim odljevcima, gdje je granica pogreške uska, kontrola uključivanja često je skrivena varijabla iza stabilnosti kvalitete.
4. Prava svrha deoksidacije
Svrha deoksidacije nije samo "ubiti" otopljeni kisik. To je premještanje kisika iz taline na kontroliran i metalurški koristan način.
To znači da se dvije stvari moraju dogoditi istovremeno:
Prvi, otopljeni kisik mora se smanjiti na dovoljno nisku razinu da legirajući elementi budu zaštićeni, plinske reakcije su potisnute, a talina se pri izlijevanju ponaša čisto.
Drugi, oksidni produkti dezoksidacije moraju se ukloniti iz taline što je učinkovitije moguće flotacijom troske i praksom čistih metala.
Dezoksidant koji stvara velike količine tvrdoglavih inkluzija ne dopuštajući im da pobjegnu riješio je samo pola problema i može čak pogoršati ishod lijevanja.
Zbog toga se dezoksidacija i uklanjanje troske nikada ne bi smjeli tretirati odvojeno, nepovezane operacije.
U praksi, oni su jedan spregnuti proces: kemija uklanjanja kisika i fizički transport produkata reakcije.
5. Metode deoksidacije
Općenito govoreći, deoksidacija se može podijeliti u dvije kategorije: kemijska deoksidacija i vakuumska deoksidacija.
U investicijskom lijevanju, kemijska deoksidacija daleko je najčešća.
U okviru kemijske deoksidacije, praktični putovi su difuzijska deoksidacija, deoksidacija taloženjem, i kombinirana deoksidacija.
Difuzijska deoksidacija
Difuzijska deoksidacija djeluje redukcijom vrsta koje nose kisik u troski tako da kisik migrira iz metala u fazu troske.
Fine čestice deoksidansa obično se prethodno zagrijavaju i dodaju na površinu taline, često zajedno s pokrivnom troskom ili topilom.
Ključna ideja je ravnoteža. Ako se koncentracija oksida u troski snizi, talina neprestano prenosi više vrsta koje nose kisik kako bi se uspostavila ravnoteža. S vremenom, metal postaje čišći.
Ova metoda je sporija od izravne deoksidacije taloženjem, ali ima važnu prednost: manja je vjerojatnost da će produkti reakcije biti ponovno uvučeni u talinu.
Iz tog razloga, difuzijska deoksidacija može proizvesti čišću metalnu kupku s manje zaostalih inkluzija.
Kod indukcijskog taljenja, elektromagnetsko miješanje komplicira idealiziranu sliku i zapravo pomaže procesu.
Metal je u neprekidnoj cirkulaciji, što povećava kontakt između taline, deoksidizer, i troske.
Pod pravim uvjetima, ovo miješanje može učiniti difuzijsku deoksidaciju učinkovitijom nego što to predlažu udžbenici.
Deoksidacija taloženjem
Deoksidacija taloženjem, ponekad se naziva izravna deoksidacija, uključuje dodavanje deoksidansa izravno u rastaljeni metal tako da se kisik ukloni trenutnom kemijskom reakcijom.
Uobičajeni deoksidansi uključuju silicij, mangan, aluminij, i kompozitni deoksidansi koji sadrže kombinacije ovih elemenata.
Ova metoda je brza. To je njegova glavna snaga. Posebno je korisno kada se talina mora brzo obraditi prije izlijevanja.
Međutim, brzina reakcije je i njegova slabost. Produkti deoksidacije mogu se formirati kao vrlo fine čestice koje nemaju dovoljno vremena da isplivaju prije nego što počne izlijevanje.
Ako temperatura taline nije dovoljno visoka, ili ako je vrijeme držanja prekratko, te čestice ostaju suspendirane i na kraju se zarobe u odljevku.
Stoga, deoksidacija taloženjem učinkovita je samo ako je povezana s odgovarajućim vremenom, temperatura, i šljaka praksa. Ne treba ga promatrati kao samostalno rješenje.
Kombinirana deoksidacija
U stvarnoj proizvodnji, najrazumniji pristup je obično kombinirani proces: preliminarna deoksidacija nakon koje slijedi završna deoksidacija.
Ovo je uobičajena praktična logika u lijevanju uloškom. Preliminarni stupanj postupno smanjuje sadržaj kisika i stabilizira talinu.
Posljednji stupanj prilagođava razinu preostalog kisika neposredno prije izlijevanja i osigurava da je kupka u metalurški sigurnim uvjetima.
U stvarnoj trgovačkoj praksi, konačna metoda deoksidacije može nalikovati deoksidaciji taloženjem ili deoksidaciji difuzijom, ovisno o tehnici operatera.
Neki metalurzi dodaju vrlo tanak sloj pokrivnog topitelja, zatim nanesite kompozitni dezoksidant, i na kraju ponovno pokriti površinu kako bi se potaknula reakcija na granici troske i metala. U tom slučaju, metoda se više ponaša kao difuzijska deoksidacija.
Drugi ubacuju deoksidans dublje u kadu, što je bliže taložnoj deoksidaciji. Granica između to dvoje nije uvijek čvrsta.
Zato prepiranje oko etiketa može biti manje produktivno od kontroliranja ishoda.
Pravo pitanje nije je li određeni korak "difuzija" ili "taloženje" u udžbeničkom smislu, ali je li kisik dovoljno snižen i mogu li se proizvodi ukloniti prije izlijevanja.
6. Dezoksidacija nije potpuna dok proizvodi ne napuste talinu
Ovo je točka koja se najčešće zanemaruje.
Talina se može kemijski deoksidirati i još uvijek biti metalurški prljava. Zašto? Budući da su produkti deoksidacije sami po sebi inkluzije. Ako ostanu lebdjeti u kadi, oni su jednostavno novi izvor kvara.
Stoga, dobra praksa deoksidacije mora odgovoriti na tri pitanja odjednom:
Koliko kisika ostaje u otopini?
Kakve vrste oksidnih uključaka nastaju?
Kako će se te inkluzije ukloniti?
Najbolji dezoksidant nije nužno onaj koji najbrže reagira. To je onaj koji proizvodi uključke povoljne veličine, morfologija, i plovnost, i onaj koji radi u skladu s praksom uklanjanja troske i izlijevanja.
U ovom smislu, deoksidaciju treba shvatiti kao inkluzijsko inženjerstvo, ne samo uzimanje kisika.
7. Moderan pogled: Kontrola kisika kao upravljanje čistoćom taline
Napredniji način razmišljanja o deoksidaciji je prestati tretirati kisik kao problem s jednim brojem. Sadržaj kisika je bitan, ali to je samo jedna dimenzija čistoće taline.
Moderni inženjer lijevanja također bi trebao razmisliti:
termodinamička aktivnost kisika,
vrsta i sastav formiranih uključaka,
kinetika plutanja tih inkluzija,
interakcija između oksida i vatrostalnih ljuski,
učinak elektromagnetskog miješanja na reakcijske putove,
i vrijeme dodavanja deoksidansa u odnosu na izlijevanje.
Ovaj širi pogled posebno je vrijedan kod livenja za ulaganje, gdje nedostaci često proizlaze iz više povezanih mehanizama, a ne iz jednog izoliranog uzroka.
Školjka koja je kemijski aktivna, talina koja je malo preoksidirana, a deoksidans koji je dodan prekasno mogu zajedno stvoriti kvar koji nijedna korektivna radnja neće u potpunosti riješiti.
8. Zaključak
Zapravo, Jednom sam se mučio s pitanjem je li konačna deoksidacija taložna deoksidacija ili difuzijska deoksidacija, ali kasnije sam shvatio da je to samo konceptualna razlika.
Štoviše, deoksidacijski oblici su različiti za različite vrste čelika: na primjer, ugljični čelik koristi umetanje aluminijske žice za deoksidaciju,
dok nehrđajući čelik koristi kompozitni dezoksidant (kao što je legura silicij-aluminij-barij-kalcij) za dezoksidaciju — neki su dezoksidacija taloženjem, neki su difuzijska deoksidacija, a neki čak imaju obje reakcije u isto vrijeme.
Što mislite o ovome? Uz to, s razvojem tehnologije investicijskog lijevanja, neki novi kompozitni deoksidansi (kao što je legura kalcij-silicij-mangan) imaju prednosti i brze deoksidacije i lakog plutanja proizvoda,
koji je postupno postao glavni izbor u proizvodnji visokokvalitetnih odljevaka za ulaganje, uz dodatnu količinu općenito 0.2%-0.4% težine rastaljenog čelika.
Treba naglasiti da vakuumska deoksidacija, kao druga metoda deoksidacije, uglavnom se koristi u proizvodnji vrhunskih odljevaka za ulaganje (kao što su komponente zrakoplovnih motora i medicinski implantati).
Koristi se načelom da se topljivost kisika u rastaljenom čeliku značajno smanjuje u uvjetima vakuuma, čime se otopljeni kisik u rastaljenom čeliku taloži i izlazi u obliku plina.
Vakuumska dezoksidacija može izbjeći uvođenje novih inkluzija dezoksidansima, a učinak deoksidacije je temeljitiji,
ali su njegova ulaganja u opremu i operativni troškovi visoki, tako da se ne koristi široko u običnoj proizvodnji livenih lijevaka.
U nekim naprednim proizvodnim linijama, vakuumska deoksidacija kombinira se s dezoksidacijom dezoksidacijom kako bi se postigao najbolji učinak deoksidacije, osiguravajući da se ukupni sadržaj kisika u rastaljenom čeliku smanji na ispod 0.002%.
