-Ben befektetési casting, a deoxidációt gyakran rutin lépésként kezelik: adjunk hozzá dezoxidálószereket, lefölözzük a salakot, felöntjük a hőt, és remélem, hogy az öntvény tiszta lesz.
Mégis a gyakorlatban, amikor hibák, például porozitás, zárvány, vénásodásszerű felszíni reakciók, vagy helyi forró pontok jelennek meg, A deoxidációt általában a mérnökök először nézik meg.
Ez az ösztön helyes, de magát a fogalmat gyakran túl szűken értelmezik.
A deoxidáció nem egyszerűen „oxigénfogyasztás” aktusa. Kohászati értelemben, ez egy szisztematikus szabályozási stratégia, amelynek célja az oldott oxigén mennyiségének csökkentése az olvadékban,
az oxidzárványok képződésének korlátozása, és a tisztaság javítása, folyékonyság, és a fém határfelületi viselkedése öntés és megszilárdulás során.
A befektetési öntésben, ez még többet számít, mint sok más folyamatban, mert a kerámiahéj vékony, magas hőmérsékleten kémiailag aktív, és nagyon érzékeny az ötvözetáram oxidációs állapotára.
A rosszul deoxidált olvadék nem csupán belső hibákat okoz; felerősítheti a fém-penész reakciókat is a héj határfelületén.
Ezért, a befektetési öntés kapcsán pontosabb „olvadásról” beszélni, mint „olvasztásról”..
A fémet nem finomítják teljes acélgyártási értelemben; azonban, továbbra is ugyanazok az oxigénszabályozás fizikai és kémiai elvei érvényesek.
1. Honnan származik az olvadékban lévő oxigén??
Az oxigén többféle úton jut be az olvadt fémbe:
Az első maga a töltés. Selejt, visszatér, ötvözetek, a vasötvözetek pedig felületi oxidokat hordozhatnak, skála, rozsda, vagy felszívott nedvességet.
A második a légkör. Töltés közben, olvasztó, lefölözés, mintavétel, és kiöntve, az olvadék felülete levegőnek van kitéve, és folyamatosan gázcserét folytat a környezettel.
A harmadik a kemence vagy tégelyrendszer. Tűzálló anyagok, salakmaradványok, és a fluxusok hozzájárulhatnak oxigéntartalmú fajokhoz, különösen magas hőmérsékleten vagy ismételt hőciklus esetén.
Más szavakkal, az olvadék soha nem izolálható igazán. Az oxigén nem véletlen szennyeződés; szinte elkerülhetetlen résztvevője a hőség hőtörténetének.
2. Az oxigén két formája olvadt acélban
Olvadt acélban, Az oxigén általában két formában létezik.
Az első az oldott oxigén. Ez a folyékony fémben atomi formában jelen lévő oxigén, néha aktív oxigénnek nevezik, mert könnyen részt vehet az oxidációs reakciókban.
Deoxidáció szempontjából ez a legveszélyesebb forma, mivel kémiailag mozgékony és közvetlenül befolyásolja az ötvözetfogyasztást, zárványképzés, és a gázzal kapcsolatos hibák a megszilárdulás során.
A második a kombinált oxigén, amely stabil oxidok vagy oxi-szulfid zárványok formájában létezik. Ebben a szakaszban, az oxigén már nem „szabad,” de nem tűnt el.
Az olvadékban szuszpendált vagy a megszilárdult fémben megrekedt szilárd vagy félszilárd nemfémes részecskékké.
Ezek a zárványok kémiailag viszonylag inertek lehetnek, mégis károsak maradnak, mert csökkentik a tisztaságot, gyengítik a mechanikai tulajdonságokat, és repedésképző helyként működnek.
Tehát ha oxigéntartalomról beszélünk, valójában egy olyan rendszerről beszélünk, amely oldott oxigénből és kémiailag kombinált oxigénből áll. A hatékony deoxidációnak mindkettőt meg kell oldania.
3. Miért káros az oxigén?
Az oxigén veszélyeit gyakran alábecsülik, mert a folyamat több szakaszában oszlanak meg, nem pedig egyetlen drámai hibaként..
Ártalom folyékony állapotban
Az oldott oxigén agresszíven oxidálja az olvadékban lévő ötvözőelemeket. Ez nemcsak növeli a fémveszteséget, hanem a drága mikroötvöző adalékanyagokat, például a bórt is pazarolja, cirkónium, vagy ritkaföldfém elemek.
Nagy teljesítményű ötvözetekben, még az oxigén nyomai is eléggé megváltoztathatják a hatékony kémiát ahhoz, hogy a cél tulajdonságait rontsa.
Ugyanolyan fontos, az oxigén elősegíti az oxidzárványok képződését. Ezek a zárványok nem pusztán kozmetikai értelemben vett hibák; kemények, törékeny, és gyakran szögletes.
Zavarják az etetést, növeli a megmunkálási ellenállást, csökkenti a fáradtság élettartamát, és sérülési szívósság.
Precíziós öntvényekben, ahol a méretpontosság és a felület integritása egyaránt kritikus, a befogadó populáció kismértékű növekedése is aránytalanul megnövelheti az elutasítási arányt.
Kár a megszilárdulás során
Ahogy az olvadék lehűl, csökken az oxigén oldhatósága a folyékony acélban. Az oxigén, amely folyékony állapotban volt stabil, termodinamikailag instabillá válik, és új formát keres.
Ez az átalakulás több problémát is felvet.
Első
Az oldott oxigén reakcióba léphet a szénnel szén-monoxidot képezve.
Ha ez a reakció a megszilárdulás során vagy az öntés végső szakaszában következik be, az eredmény a gáz porozitása, mikrozsugorodás, amelyet a gázfejlődés súlyosbít, vagy súlyos esetekben duzzanat a spru csészénél.
A befektetési öntésben, ez abnormálisan viselkedő futórendszernek tekinthető, egy kiöntő medence, amely kiülepedés helyett kidudorodik, vagy olyan öntvények, amelyek belső porozitást mutatnak még akkor is, ha az etetés megfelelőnek tűnik.
Második
Az oxigén egyesülhet olyan elemekkel, mint az alumínium, titán, szilícium, a mangán pedig a hőmérséklet csökkenésével új oxidzárványokat képez.
Ezek a zárványok általában többen vannak, mint az eredeti részecskék, mivel a megszilárdulási front hajlamos befogni őket, és a kiöntés turbulens áramlása szétszórja őket az olvadékban..
Harmadik
Az oxigénből származó oxidok reakcióba léphetnek a kénnel, és alacsony olvadáspontú eutektikumot képezhetnek a szemcsehatárokon.
Ez elősegíti a forró rövidséget és a szemcsék közötti gyengeséget. Az eredmény nem mindig látható repedés; néha később rossz megmunkálhatóságként jelenik meg, élszakadás, vagy csökkentett élettartam.
Negyedik
A penész kölcsönhatás szempontjából, az oxigén különösen veszélyessé válik, ha az olvadék megnedvesíti a kerámiahéjat.
A tiszta acélolvadék nem nedvesíti könnyen a tűzálló felületeket, de oxigénben gazdag fém FeO-t és más alacsony olvadáspontú oxidfajtákat generálhat a határfelületen.
Ezek az oxidok reakcióba léphetnek szilícium-dioxid tartalmú héjanyagokkal, és alacsony olvadáspontú szilikátokat, például fayalit típusú vegyületeket képezhetnek..
Ha egyszer ez megtörténik, az olvadék áthatolhat a héj felületén, fém behatolást eredményez, héj ragad, felszíni zárványok, vagy kémiai kötési hibák, amelyeket gyakran tévesen közönséges salakzárványként diagnosztizálnak.
Ez a pont különösen fontos a befektetett öntésnél, mivel sok héjrendszer tartalmaz reaktív szilícium-dioxid fázisokat.
Ha a héj elegendő aktív SiO₂-t vagy krisztobalitot tartalmaz, az oxigénben gazdag olvadék úgy reagálhat a formafalra, hogy nagyon hasonlít a klasszikus homoköntéses ráégetéshez vagy fémbehatolási mechanizmusokhoz. Más a lépték, de a kémia alapvetően hasonló.
Kár a tömör fémben
Megszilárdulás után, Az oxigén főleg oxid- és oxi-szulfid-zárványok formájában marad csapdában. Ebben a szakaszban, már nem a gázfejlődésről van szó; a kohászati tisztaságról van szó.
A méret, morfológia, mennyiség, és a zárványok eloszlása határozza meg, hogy mennyire lesznek károsak.
Finom, lekerekített, a ritkán eloszló részecskék bizonyos alkalmazásokban tolerálhatóak lehetnek, míg nagy, fürtözött, vagy a szögletes zárványok katasztrofálisak lehetnek.
Csökkentik a rugalmasságot, rontja a fáradtsági teljesítményt, alacsonyabb ütésállóság, és helyi stresszkoncentrációs helyeket hozzon létre.
Precíziós öntvényekben, ahol szűk a hibahatár, Az inklúziókontroll gyakran a minőségi stabilitás mögött rejtett változó.
4. A deoxidáció valódi célja
A deoxidáció célja nem pusztán az oldott oxigén „megölése”.. Ez az oxigén szabályozott és kohászatilag hasznos módon történő eltávolítása az olvadékból.
Ez azt jelenti, hogy két dolognak egyszerre kell történnie:
Első, az oldott oxigént elég alacsony szintre kell csökkenteni ahhoz, hogy az ötvözőelemek védve legyenek, a gázreakciókat elnyomják, és az olvadék tisztán viselkedik öntés közben.
Második, a dezoxidáció oxidos termékeit a lehető leghatékonyabban kell eltávolítani az olvadékból salak flotációval és tiszta fém gyakorlattal.
Egy deoxidálószer, amely nagy mennyiségű makacs zárványt képez anélkül, hogy lehetővé tenné azok kiszabadulását, csak a probléma felét oldotta meg, és még ronthatja is az öntési eredményt.
Ez az oka annak, hogy a dezoxidációt és a salakeltávolítást soha nem szabad külön kezelni, nem kapcsolódó műveletek.
Gyakorlatban, ezek egy kapcsolt folyamat: az oxigén eltávolítás kémiája és a reakciótermékek fizikai szállítása.
5. Deoxidációs módszerek
Nagy vonalakban, A dezoxidáció két csoportra osztható: kémiai deoxidáció és vákuumdeoxidáció.
A befektetési öntésben, A kémiai deoxidáció messze a leggyakoribb.
A kémiai deoxidáción belül, a gyakorlati út a diffúziós deoxidáció, csapadék deoxidáció, és kombinált dezoxidáció.
Diffúziós deoxidáció
A diffúziós dezoxidáció úgy működik, hogy csökkenti az oxigéntartalmú anyagokat a salakban, így az oxigén a fémből a salakfázisba vándorol.
A finom deoxidálószer részecskéket általában előmelegítik, és hozzáadják az olvadék felületéhez, gyakran fedősalakkal vagy folyasztószerrel együtt.
A kulcsgondolat az egyensúly. Ha a salak oxidkoncentrációját csökkentjük, az olvadék folyamatosan több oxigéntartalmú anyagot ad át az egyensúly helyreállítása érdekében. Idővel, a fém tisztább lesz.
Ez a módszer lassabb, mint a közvetlen csapadékos deoxidáció, de van egy fontos előnye: a reakciótermékek kisebb valószínűséggel kerülnek vissza az olvadékba.
Ezért, diffúziós deoxidációval tisztább fémfürdőt lehet előállítani kevesebb maradék zárványokkal.
Indukciós olvasztásban, Az elektromágneses keverés bonyolítja az idealizált képet, és valójában segíti a folyamatot.
A fém folyamatos keringésben van, ami növeli az olvadék közötti érintkezést, deoxidizátor, és salak.
Megfelelő körülmények között, ez a keverés hatékonyabbá teheti a diffúziós deoxidációt, mint azt a tankönyvek javasolják.
Csapadék Deoxidáció
Csapadék deoxidáció, néha közvetlen deoxidációnak nevezik, Ez magában foglalja a dezoxidálószerek közvetlen hozzáadását az olvadt fémhez, így az oxigén azonnali kémiai reakcióval távozik.
A szokásos dezoxidálószerek közé tartozik a szilícium, mangán, alumínium, és ezen elemek kombinációit tartalmazó kompozit dezoxidálószerek.
Ez a módszer gyors. Ez a fő erőssége. Különösen akkor hasznos, ha az olvadékot öntés előtt gyorsan kell kezelni.
Viszont, a reakció sebessége egyben a gyengesége is. A dezoxidációs termékek nagyon finom részecskék formájában képződhetnek, amelyeknek nincs elég idejük kiúszni az öntés megkezdése előtt.
Ha az olvadék hőmérséklete nem elég magas, vagy ha a tartási idő túl rövid, ezek a részecskék szuszpendálva maradnak, és végül csapdába esnek az öntvényben.
Ezért, A csapadék deoxidációja csak megfelelő idő mellett hatékony, hőmérséklet, és salakos gyakorlat. Nem szabad önálló megoldásnak tekinteni.
Kombinált deoxidáció
Valódi gyártásban, a legésszerűbb megközelítés általában egy kombinált folyamat: előzetes deoxidáció, majd a végső deoxidáció.
Ez az általános gyakorlati logika a befektetési öntésben. Az előfokozat fokozatosan csökkenti az oxigéntartalmat és stabilizálja az olvadékot.
Az utolsó lépés közvetlenül az öntés előtt állítja be a maradék oxigén szintjét, és biztosítja a fürdő biztonságos metallurgiai állapotát.
A tényleges bolti gyakorlatban, a végső dezoxidációs módszer a kezelő technikájától függően akár csapadékos deoxidációra, akár diffúziós deoxidációra hasonlíthat.
Egyes kohászok nagyon vékony réteg fedőfolyasztószert adnak hozzá, majd alkalmazzon kompozit dezoxidálószert, és végül fedje le újra a felületet, hogy reakciót kényszerítsen ki a salak-fém határfelületen. Abban az esetben, a módszer inkább diffúziós deoxidációként viselkedik.
Mások deoxidálószert helyeznek mélyebbre a fürdőbe, amely közelebb áll a csapadék deoxidációjához. A kettő közötti határ nem mindig merev.
Ezért lehet kevésbé produktív a címkéken folytatott vita, mint az eredmények ellenőrzése.
Az igazi kérdés nem az, hogy egy adott lépés „diffúzió” vagy „csapadék” a tankönyvi értelemben, de kellően le van-e csökkentve az oxigén, és hogy a termékek eltávolíthatók-e öntés előtt.
6. A deoxidáció nem fejeződik be, amíg a termékek ki nem hagyják az olvadékot
Ez az a pont, amelyet legtöbbször figyelmen kívül hagynak.
Az olvadék kémiailag deoxidálható, de kohászatilag szennyezett lehet. Miért? Mivel a dezoxidációs termékek maguk is zárványok. Ha a fürdőben felfüggesztve maradnak, ezek egyszerűen egy új hibaforrás.
Ezért, egy jó deoxidációs gyakorlatnak három kérdésre kell egyszerre válaszolnia:
Mennyi oxigén marad az oldatban?
Milyen oxidzárványok képződnek?
Hogyan távolítják el ezeket a zárványokat?
The best deoxidizer is not necessarily the one that reacts fastest. It is the one that produces inclusions with favorable size, morfológia, and floatability, and one that works in harmony with slag removal and pouring practice.
Ebben az értelemben, deoxidation should be understood as inclusion engineering, not just oxygen scavenging.
7. Modern kilátás: Oxigénszabályozás, mint olvadéktisztaság-kezelés
A more advanced way to think about deoxidation is to stop treating oxygen as a single-number problem. Oxygen content matters, but it is only one dimension of melt cleanliness.
A modern casting engineer should also consider:
the thermodynamic activity of oxygen,
the type and composition of inclusions formed,
the floatation kinetics of those inclusions,
the interaction between oxides and refractory shells,
the effect of electromagnetic stirring on reaction paths,
and the timing of deoxidizer addition relative to pouring.
Ez a tágabb nézet különösen értékes a befektetési öntésben, ahol a hibák gyakran több összekapcsolt mechanizmusból erednek, nem pedig egyetlen elszigetelt okból.
Kémiailag aktív héj, enyhén túloxidált olvadék, és a túl későn hozzáadott dezoxidálószer együttesen olyan hibát okozhat, amelyet egyetlen korrekciós intézkedés sem old meg teljesen.
8. Következtetés
Valójában, Egyszer azon küszködtem, hogy a végső deoxidáció csapadék-deoxidáció vagy diffúziós dezoxidáció, de később rájöttem, hogy ez csak fogalmi megkülönböztetés.
Ráadásul, a deoxidációs formák a különböző acéltípusoknál eltérőek: például, a szénacél alumíniumhuzal beillesztést használ a deoxidációhoz,
míg a rozsdamentes acél kompozit dezoxidálószert használ (mint például a szilícium-alumínium-bárium-kalcium ötvözet) dezoxidációhoz – egyesek csapadék-deoxidációt, néhány diffúziós deoxidáció, és egyeseknél mindkét reakció egyszerre jelentkezik.
mit gondolsz erről? Emellett, a befektetési öntés technológia fejlődésével, néhány új kompozit dezoxidálószer (mint például a kalcium-szilícium-mangán ötvözet) Előnyök a gyors deoxidáció és a termékek könnyű lebegtetése,
amely fokozatosan a mainstream választássá vált a kiváló minőségű befektetési öntvénygyártásban, általában hozzáadott mennyiséggel 0.2%-0.4% az olvadt acél tömegéből.
Hangsúlyozni kell, hogy a vákuum-deoxidáció, mint egy másik deoxidációs módszer, főként csúcsminőségű befektetési öntvények gyártásához használják (mint például a repülőgép-hajtóművek alkatrészei és az orvosi implantátumok).
Azt az elvet alkalmazza, hogy az oxigén oldhatósága az olvadt acélban jelentősen csökken vákuum körülmények között, így az olvadt acélban oldott oxigén kicsapódik és gáz formájában távozik.
Vákuumos dezoxidációval elkerülhető az új zárványok deoxidálószerek általi bevezetése, és a dezoxidáló hatás alaposabb,
de a berendezés beruházási és üzemeltetési költsége magas, így a szokásos befektetési öntvénygyártásban nem használják széles körben.
Néhány fejlett gyártósoron, a vákuum-deoxidációt deoxidálószeres deoxidációval kombinálják a legjobb deoxidációs hatás elérése érdekében, biztosítva, hogy az olvadt acél összes oxigéntartalma alá csökkenjen 0.002%.
