Čimbenici koji utječu na kvalitetu površine odljevaka

Kvaliteta površine odljevaka je funkcija svakog koraka koji dodiruje uzorak, kalup i metal — od stanja kalupa/šara i reologije uzorka-materijala do pripreme ljuske/prevlake, deparafinizacija i granatiranje, do topljenja, ulijevanje, hlađenje i završna obrada.

Kontrola hrapavosti površine (Ram) a izbjegavanje mikro nepravilnosti zahtijeva rigoroznu pozornost na alate, materijal, procesni parametri i rukovanje nakon lijevanja.

Ovaj članak analizira glavne čimbenike, kvantificira praktične kontrolne raspone gdje je to moguće, te daje djelotvorne preporuke za proces i inspekciju.

1. Čimbenici povezani s plijesni

Kalup služi kao temelj za casting, jer njegova kvaliteta izravno određuje oblik i stanje površine voštanog uzorka, koji se u konačnici prenosi na završni odljev.

Utjecaj kalupa na kvalitetu površine voštanog uzorka može se elaborirati s tri aspekta:

Dizajn strukture kalupa i kvaliteta površine

Nerazuman dizajn strukture kalupa često dovodi do ogrebotine i žučenje tijekom vađenja voštanog uzorka. Popravljene površine voštanog uzorka neizbježno su inferiornije od originala, a ti će se nedostaci izravno preslikati na površinu odljevka.

Na primjer, Oštri uglovi (bez fileta R<0.3mm), nedovoljni kutovi gaza (<1° za složene šupljine), ili neravne rastavne površine u strukturi kalupa povećavaju trenje između voštanog uzorka i šupljine kalupa, uzrokujući oštećenje površine tijekom vađenja iz kalupa.

Hrapavost površine kalupa je odlučujući faktor za kvalitetu površine voštanog uzorka. Ako je hrapavost površine kalupa samo Ra3.2μm, dobiveni voštani uzorak imat će još nižu kvalitetu površine (Ra4,0–5,0 μm), koji se izravno prenosi na odljevak.

Praktična iskustva pokazuju da treba kontrolirati optimalnu hrapavost površine kalupa unutar Ra0.8μm; pretjerana glatkoća (Npr., Ra0,2 μm) ne poboljšava značajno kvalitetu voštanog uzorka, ali povećava troškove obrade kalupa za 30%–50%.

Kontrola temperature kalupa

Temperatura kalupa ima značajan utjecaj na fluidnost voska i točnost replikacije. Za sustave s voskom srednje temperature, optimalna temperatura kalupa je 45–55 ℃.

Kada je temperatura kalupa preniska (<35℃), fluidnost voštanog materijala naglo se smanjuje, što rezultira lošom površinskom replikacijom voštanog uzorka, praćena oznakama toka i hladnim zatvaranjima.

Kritičnije, ako temperatura kalupa padne ispod točke rosišta vode (obično 15–20 ℃ u radionicama), na površini kalupa stvorit će se brojne kapljice vode.

Ove kapljice zauzimaju prostor voštanog materijala tijekom ubrizgavanja, što dovodi do neravne površine uzorka od voska—greška također uzrokovana prekomjernom količinom sredstva za odvajanje (debljina prskanja >5µm).

Održavanje odgovarajuće temperature kalupa je bitno. Pravilno povećanje temperature kalupa (do 50-55 ℃) i tlak ubrizgavanja (na 0,3–0,5 MPa) može učinkovito poboljšati fluidnost voštanog materijala, povećati sposobnost replikacije voštanog uzorka na površini kalupa, a time neizravno poboljšati kvalitetu površine odljevka.

Međutim, previsoka temperatura kalupa (>60℃) može uzrokovati presporo hlađenje i skrućivanje voštanog materijala, što dovodi do deformacije voštanog uzorka (dimenzionalno odstupanje >0.5mm) i povećanje vremena proizvodnog ciklusa, zahtijeva ravnotežu između kvalitete i učinkovitosti.

Veličina otvora za ubrizgavanje voska

Veličina otvora za ubrizgavanje voska izravno utječe na tlak ubrizgavanja i brzinu punjenja voskom.

Za male odljevke (težina <500g), optimalni promjer vrata je **φ8–φ10mm**; za velike odljevke (težina >500g), promjer vrata se može povećati na φ10–φ12 mm.

Odgovarajuće povećanje veličine vrata pomaže povećati tlak ubrizgavanja voska, osigurati potpuno punjenje šupljine kalupa, i smanjiti površinske nedostatke kao što su ispunjavanje i tragovi tečenja na voštanom uzorku.

Za složene odljevke s tankim stijenkama (<2mm), dizajn s više vrata (2– 4 vrata) preporučuje se za daljnje poboljšanje ujednačenosti punjenja.

2. Utjecaj voštanog materijala

Vrsta i učinak voštanog materijala ključni su čimbenici koji određuju kvalitetu površine voštanog uzorka, budući da različiti voštani materijali pokazuju različita ponašanja kristalizacije i skrućivanja.

Stol 1 sažima ključne parametre izvedbe i učinke kvalitete površine uobičajenih voštanih materijala za livenje u ulošku.

Stol 1: Usporedba performansi uobičajenih voštanih materijala za livenje u kalupe

Vosak niske temperature (Parafin-vosak stearinske kiseline)

Vosak niske temperature, sastavljen od parafina (60%–70%) i stearinske kiseline (30%–40%), proizvodi voštane uzorke s najlošijom kvalitetom površine.

Kao kristalni vosak, ima usko temperaturno područje kristalizacije i gruba zrnca stearinske kiseline (Veličina zrna >50µm).

Tijekom skrućivanja, nema dovoljno tekućeg voska za popunjavanje praznina između zrna, što rezultira grubom površinom uzorka od voska.

Čak i povećanjem tlaka ubrizgavanja ili prilagodbom procesnih parametara, kvaliteta površine voštanih uzoraka izrađenih od niskotemperaturnog voska ne može se značajno poboljšati, ograničavajući njegovu primjenu u visokopreciznom lijevanju.

Vosak srednje temperature

Vosak srednje temperature, višekomponentna smjesa koja sadrži mikrokristalni vosak, smola, i plastifikatori, nema fiksno talište i širi raspon temperature skrućivanja u usporedbi s niskotemperaturnim voskom.

Tijekom skrućivanja, zbog različitih temperatura skrućivanja njegovih komponenti, tekuća faza može u potpunosti ispuniti praznine između čvrstih faza, što rezultira voštanim uzorcima sa znatno većom kvalitetom površine.

Međutim, performanse voska srednje temperature razlikuju se među različitim proizvođačima; vosak s udjelom smole od 5%–8% pokazuje najbolju ravnotežu između fluidnosti i glatkoće površine.

Punjeni vosak

Punjeni vosak, ojačan keramičkim prahom (5%–10%) ili staklenih vlakana (3%–5%), proizvodi voštane uzorke s najvišom kvalitetom površine.

Dodavanje punila optimizira ponašanje kristalizacije voštane matrice, smanjuje skrućivanje skupljanja (iz 2.0% na 0,8%–1,2%), i povećava površinsku tvrdoću i otpornost na habanje voštanog uzorka.

Ovo ne samo da poboljšava glatkoću površine voštanog uzorka, već također smanjuje deformacije tijekom skladištenja i transporta (brzina deformacije <0.2% unutar 24h), osiguravajući stabilan prijenos kvalitete površine na odljevak.

Čišćenje voštanog uzorka i jetkanje površine

Čišćenje voštanog uzorka često se pogrešno shvaća kao puko uklanjanje sredstava za odvajanje s površine, ali njegova najvažnija funkcija je površinsko jetkanje.

Za uzorke voska srednje temperature, optimalan postupak čišćenja koristi neutralno sredstvo za jetkanje (koncentracija 5%–8%) uz pH vrijednost 6,5–7,5, vrijeme namakanja 1-2 minute, nakon čega slijedi ispiranje deioniziranom vodom i sušenje na 40–50 ℃ 10–15 minuta.

Tijekom procesa čišćenja, stvara se blagi efekt jetkanja na površini voštanog uzorka, što povećava hrapavost površine voštanog uzorka na mikroskali (Ra od 1,6 μm do 2,0–2,5 μm) i poboljšava sposobnost vlaženja i prianjanja naknadnog površinskog premaza.

Ispravno jetkanje stvara "mikro-hrapavu" površinu koja omogućuje čvršće prianjanje premaza, izbjegavanje ljuštenja premaza ili nejednake debljine tijekom sušenja i prženja.

Ovo je osobito kritično za poboljšanje glatkoće površine odljevaka, budući da dobro prianjajući premaz može učinkovito replicirati površinu voštanog uzorka i spriječiti defekte prodiranja pijeska.

4. Čimbenici površinskog premaza

Površinski premaz (primarni premaz) je u izravnom kontaktu s voštanim uzorkom, a njegova izvedba i parametri primjene imaju odlučujući utjecaj na kvalitetu površine odljevka.

Svojstva materijala za površinski premaz

Dok je utjecaj površinskog praha i pijeska na kvalitetu površine široko poznat, učinak silicijevog sola—važne komponente premaza—na kvalitetu površine je manje shvaćen.

Visokokvalitetni silika sol (bilo iz uvoza ili domaće proizvodnje) s ujednačenom koloidnom veličinom čestica (10-20 nm) i niske viskoznosti (2–5 mPa·s na 25 ℃) pokazuje vrhunske performanse.

Pod istom viskoznošću šalice protoka (Ford kup #4: 20-25s), takav silika sol može postići viši omjer praha i tekućine (2.5:1–3.0:1 za kašu cirkonskog praha), što rezultira gušćom primarnom prevlakom.

Gušći premaz smanjuje površinsku poroznost (poroznost <5%) i poboljšava sposobnost repliciranja površine voštanog uzorka, što dovodi do glatke površine lijevanja (Ra smanjen za 0,4–0,8 μm u usporedbi s upotrebom niskokvalitetnog silicijevog dioksida).

Debljina površinskog premaza

Za kaše cirkonskog praha (veličina čestica cirkonskog praha 325–400 mesh), optimalna debljina primarnog premaza je 0.08–0,1 mm. I prevelika i nedovoljna debljina nepovoljno utječu na kvalitetu površine odljevka:

• Nedovoljna debljina (<0.08mm): Lako dovodi do defekata "bodlje krastavca"—oštro, igličaste izbočine (visine 0,1–0,3 mm) na površini odljevka uzrokovano prodorom pijeska ili neravnomjernim premazom.
• Pretjerana debljina (>0.1mm): Posljedice u različitim oblicima nedostataka.
  Zbog skupljanja tijekom sušenja i prženja (stopa skupljanja 3%–5%), debeli premaz može se djelomično odvojiti od površine voštanog uzorka, formiranje grubih, zaobljene konveksne čestice (promjera 0,2–0,5 mm) na površini odljevka.

Kontrola debljine premaza zahtijeva precizno podešavanje viskoznosti kaše (Ford kup #4: 20-25s), vrijeme uranjanja (5–10s), i uvjetima sušenja (temperatura 25-30℃, vlažnost 40%–60%, vrijeme sušenja 2–4h) kako bi se osigurala jednolika debljina i dobro prianjanje.

5. Proces deparafinacije

Cilj deparafinizacije je potpuno uklanjanje voska iz kalupa ljuske.

Za vosak srednje temperature, optimalni postupak deparafinizacije koristi parni kotlić za deparafinaciju pod pritiskom od 0.6-0,8 MPa i temperatura od 120–130 ℃, vrijeme deparafinacije od 15– 25 minuta (prilagođen prema veličini školjke).

Ostaci voska u ljusci (maseni udio >0.5%), ako nije do kraja izgorjela tijekom pečenja, proizvest će čađu i druge nečistoće, koji prianjaju na površinu odljevka i pogoršavaju kvalitetu površine—o čemu se dalje govori u odjeljku o pečenju.

Međutim, potpuna deparafinacija ne znači produljeno vrijeme deparafinacije. Pod pretpostavkom da se osigura potpuno uklanjanje voska (zaostali vosak <0.5%), vrijeme deparafinacije treba svesti na minimum.

Temperatura u kotlu za deparafinaciju premašuje onu u općoj opremi za brzu dehidraciju, te dugotrajno izlaganje voska visokim temperaturama (>130℃ za >30 minute) ubrzava starenje voska.

Stariji vosak pokazuje smanjenu fluidnost (povećanje viskoznosti za 20%–30%) i povećana krhkost, što može utjecati na naknadno recikliranje voska i povećati rizik od nedostataka u novim uzorcima voska.

6. Skladištenje kalupa za školjke

Način skladištenja kalupa za školjke ovisi o čistoći radionice, s glavnim ciljem smanjenja ili sprječavanja ulaska stranih tijela u šupljinu školjke.

Stol 2 navodi optimalne parametre skladištenja kalupa za ljuske nakon deparafinacije.

Stol 2: Optimalni parametri skladištenja za deparafinizirane kalupe s ljuskama

Mnogi proizvođači pogrešno vjeruju da postavljanje školjke tako da je čašica lijevca okrenuta prema dolje osigurava sigurnost, ali to nije uvijek slučaj.

Ako su granate postavljene izravno na tlo ili željezne okvire onečišćene česticama pijeska i drugim ostacima, strani predmeti mogu ući u šupljinu tijekom rukovanja, uzrokujući inkluzije u odljevcima.

Takvi uključci zahtijevaju popravak brušenjem i zavarivanjem, što ozbiljno narušava kvalitetu površine odljevka (Ra se povećao za 2,0–3,0 μm nakon popravka).

7. Pečenje kalupa za školjke

Preostali vosak u kalupu za ljusku mora biti u potpunosti sagorjen tijekom pečenja kako bi se izbjegli ostaci ugljika. Optimalni postupak prženja školjki na bazi cirkona je sljedeći:

1. Faza grijanja: Zagrijati od sobne temperature do 500 ℃ brzinom od 5–10 ℃/min (sporo zagrijavanje kako bi se izbjeglo pucanje ljuske).
2. Faza izolacije 1: Držite na 500 ℃ za 30 minuta za spaljivanje zaostalog voska.
3. Faza grijanja 2: Zagrijte od 500 ℃ do 900–1100 ℃ brzinom od 10–15 ℃/min.
4. Faza izolacije 2: Držite na 900–1100 ℃ za 2–3 sata za poboljšanje čvrstoće ljuske i uklanjanje zaostale vlage.

Kako bi se osiguralo potpuno izgaranje zaostalog voska, sadržaj kisika u peći za pečenje trebao bi doseći 12% (nadziru senzori za kisik u vrhunskoj opremi).

Kad je sadržaj kisika samo oko 6%, gusti crni dim pojavit će se na otprilike 800 ℃, koje treba izbjegavati.

Za opremu bez funkcije opskrbe kisikom, djelomično otvaranje vrata peći (razmak 5–10cm) za povećanje unosa zraka može poboljšati razinu kisika i pospješiti potpuno izgaranje voska.

Pravilno pečenje također povećava čvrstoću ljuske (tlačna čvrstoća >20MPA) i smanjuje površinsku poroznost, daljnje optimiziranje kvalitete površine lijevanja.

8. Topljenje, čistoća metala i izlijevanje

Praksa taljenja i lijevanja utječe na površinsku oksidaciju, reaktivnost i stvaranje filmova na površini.

Ključni utjecaji

• Kontrola punjenja i troske: kontaminirani materijali punjenja i slabo fluksiranje daju veće inkluzije na površini ili oksidne filmove koji hvataju hrapavost blizu površine.
• Temperatura i brzina izlijevanja: previsoke temperature izlijevanja mogu povećati oksidaciju ili pretjeranu reakciju s ljuskom; preniska temperatura može uzrokovati nepotpuno punjenje i hrapavost zbog preranog smrzavanja.
• Metoda hlađenja nakon izlijevanja: kontrola brzine hlađenja i izbjegavanje reoksidacije površine (Npr., korištenje kutija/pokrivača za izlijevanje) pomoći minimizirati površinske prepirke.

Praktične kontrole

• Čvrsta kontrola punjenja peći, učinkovita deoksidacija i čiste prakse fluksa/šljake.
• Definirajte temperaturne prozore izlijevanja i sheme zatvaranja koje promiču laminarno, neturbulentno punjenje kako bi se smanjilo zadržavanje plina i stvaranje površinskog filma.
• Smanjite izlaganje oksidirajućoj atmosferi tijekom ranog skrućivanja (Npr., korištenje prekrivenih kalupa kada je to prikladno).

9. Postzavršna faza

Mnogi odljevci pokazuju prihvatljivu kvalitetu površine odmah nakon izlijevanja, ali se ozbiljno oštećuju nakon naknadne završne obrade—što ovu fazu čini glavnim krivcem za degradaciju kvalitete površine kod mnogih proizvođača.

Ističu se dva ključna problema: šteta od sudara i sačmarenje.

Prevencija štete od sudara

Provedba a klasificirani sustav skladištenja i transporta: koristite plastične posude s mekom podstavom (Debljina EVA pjene 5–10 mm) za male odljevke; koristite namjenske učvršćivače za velike odljevke kako biste izbjegli izravan kontakt između odljevaka. To može smanjiti stopu štete od sudara za više od 80%.

Optimizacija procesa pjeskarenja

Sačmarenje se koristi za uklanjanje površinskih oksida i pijeska, a njegovi procesni parametri izravno utječu na kvalitetu površine lijevanja. Optimalni parametri pjeskarenja za odljevke od nehrđajućeg čelika su sljedeći:

• Specifikacije čelične sačme: Sačma od lijevanog čelika, promjera 0,3–0,5 mm, tvrdoća HRC 40–50.
• Pritisak pjeskarenja: 0.4–0,6 MPa.
• Vrijeme pjeskarenja: 10– 15 minuta po ciklusu (ne više od 15 minute).
• Zahtjevi za opremu: Koristite sačmare s jednoobraznim sustavima projekcije (jednolikost projekcije ≥90%) i kontrolu stabilne struje (strujna fluktuacija <5%).

Vrijeme pjeskarenja treba biti strogo kontrolirano—ne više od 15 minuta po ciklusu. Ako površina nije dovoljno očišćena, višestruki kratki ciklusi su poželjniji od dugotrajnog pjeskarenja u jednom ciklusu kako bi se izbjegla prekomjerna površinska erozija (Ra se povećao za 1,0–2,0 μm nakon pretjeranog miniranja).

10. Zaključak

Kvaliteta površine odljevaka je multidisciplinarni ishod: metalurgija, obrada keramike, toplinsko inženjerstvo i mehaničko rukovanje doprinose.

Tretiranjem završne obrade površine kao atributa kvalitete koji je kritičan za proces — definiranje numeričkih ciljeva, praćenje kritičnih parametara (alat Ra, viskoznost kaše, debljina sloja lica, razine kisika za deparafinaciju, topiti/ liti prozore) i ugradnju kontrolnih točaka za inspekciju — ljevaonice mogu proizvoditi dosljedno glatke, visokokvalitetni odljevci s predvidljivom mogućnošću izrade i nižim troškovima prerade.