Produzione di conchiglie per fusione di investimento: Fattori che influenzano la qualità della shell

Introduzione

La qualità del guscio è la variabile determinante in Casting per investimenti che determina la finitura superficiale, precisione dimensionale, incidenza dei difetti e sforzo di pulizia a valle.

Una shell ad alte prestazioni deve soddisfare contemporaneamente molteplici, talvolta contrastanti, Requisiti: resistenza adeguata in tutte le fasi del processo, permeabilità controllata, cambiamento dimensionale prevedibile, resistenza allo shock termico, stabilità chimica contro il metallo fuso, e pronto al collasso al momento del knock-out.

Questo articolo sintetizza i principi tecnici alla base di ciascun indice di prestazione, identifica i materiali e le leve di processo che li controllano, e fornisce prescrizioni pratiche per la progettazione e il controllo delle operazioni di produzione del guscio per robustezza, Risultati ripetibili.

1. Perché la qualità della calotta è importante

Il guscio ceramico si interfaccia direttamente con il modello e con il metallo fuso durante la colata.

Qualsiasi difetto nelle proprietà del guscio si propaga al getto finito sotto forma di rugosità superficiale, inclusioni, misruns, crepe o pulizia eccessiva.

Perché le sei proprietà principali elencate di seguito interagiscono, una progettazione efficace dell'involucro è un esercizio di sistema: l'ottimizzazione di una proprietà (PER ESEMPIO., densità superficiale) spesso colpisce gli altri (PER ESEMPIO., permeabilità).

L'ingegnere della fonderia deve quindi bilanciare i requisiti con la lega, geometria della fusione e vincoli di produzione.

2. Sei indici di prestazione fondamentali (e la loro interpretazione)

Forza

La robustezza è la garanzia fondamentale delle prestazioni delle conchiglie da fusione, poiché le conchiglie subiscono molteplici stress meccanici e termici durante la fabbricazione delle conchiglie, Dewaxing, torrefazione, versare, e pulizia.

Tre indicatori chiave di forza devono essere bilanciati:

• Forza verde: Questo si riferisce alla resistenza del guscio quando contiene umidità residua (dopo l'essiccazione ma prima della tostatura).
  È determinato principalmente dalla forza legante dei leganti (PER ESEMPIO., silica sol, silicato di etile) e il grado di essiccazione del guscio.
  Per gusci di sol di silice, la resistenza del verde dovrebbe essere ≥0,8 MPa (testato con il metodo di flessione a tre punti).
  Una forza verde insufficiente causerà la deformazione del guscio, cracking, o addirittura crollare durante la deparaffinazione a vapore (120–130℃, 0.6–0,8MPa), poiché l'evaporazione dell'umidità e l'espansione della cera generano pressione interna.
• Resistenza ad alta temperatura: Generato dalla reazione chimica e sinterizzazione di leganti e materiali refrattari durante la tostatura (900–1100℃), resiste all'impatto e alla pressione idrostatica del metallo fuso durante la colata.
  La resistenza alle alte temperature (a 1000 ℃) dei gusci di sol di silice a base di zircone dovrebbe essere 2,5–4,0 MPa.
  Una resistenza alle alte temperature eccessivamente bassa porta alla deformazione o alla rottura del guscio, con conseguente perdita di metallo fuso; una resistenza eccessivamente elevata aumenta lo stress residuo.
• Forza residua: La resistenza del guscio dopo il versamento e il raffreddamento, che influisce direttamente sulla proprietà di eliminazione e sull'efficienza della pulizia.
  È necessario che sia ≤1,0 MPa (temperatura ambiente) per facilitare la pulizia meccanica o idraulica senza danneggiare la superficie della fusione.
  Indici di forza sbilanciati (PER ESEMPIO., perseguire un’elevata resistenza verde a scapito di un’eccessiva resistenza residua) comporterà una maggiore difficoltà di pulizia e graffi sulla superficie della fusione.

L'equilibrio delle forze è regolato principalmente dal tipo di legante, contenuto solido, e sistema di tostatura.

Per esempio, l'aggiunta del 5%–8% di allumina colloidale al sol di silice può migliorare la resistenza allo stato verde senza aumentare significativamente la resistenza residua.

Permeabilità

La permeabilità è la capacità dei gas di passare attraverso la parete del guscio, un indice cruciale per i getti di investimento, in particolare i gusci di sol di silice, che sono sottili (3–5 mm) e denso, senza prese d'aria aggiuntive.

Gas (aria nel guscio, materia volatile dalla cera residua, e prodotti di ossidazione) deve essere scaricato attraverso i micropori e le fessure del guscio durante il versamento.

Una scarsa permeabilità provoca l’intrappolamento del gas, portando a difetti come errori di esecuzione, Il freddo si chiude, e porosità.

La permeabilità dei gusci di sol di silice è tipicamente 1,5×10⁻¹²–3,0×10⁻¹² m² (testato con il metodo della permeabilità ai gas).

I fattori chiave che influenzano includono:

• Dimensione delle particelle del materiale refrattario: Particelle grossolane (325 maglia) formare pori più grandi, migliorando la permeabilità ma riducendo la levigatezza della superficie; particelle fini (400–500 maglie) ridurre la permeabilità ma migliorarla Qualità della superficie.
  Una gradazione di particelle ragionevole (PER ESEMPIO., 325 rete per gli strati posteriori, 400 mesh per gli strati superficiali) bilancia i due.
• Rapporto solido-liquido dell'impasto liquido: Rapporto solido-liquido eccessivamente elevato (≥3,0:1) aumenta la densità del guscio, riducendo la permeabilità; rapporto eccessivamente basso (≤2,2:1) provoca un legame insufficiente e una maggiore porosità, ma può portare alla penetrazione della sabbia.
• Essiccazione e Torrefazione: L'asciugatura incompleta lascia umidità residua, bloccando i pori; tostatura eccessiva (≥1200℃) provoca la sinterizzazione delle particelle refrattarie, riducendo la connettività dei pori.

Cambiamento lineare (Stabilità dimensionale)

Il cambiamento lineare si riferisce alla proprietà fisica termica della modifica delle dimensioni del guscio (espansione o contrazione) con aumento della temperatura, determinato principalmente dalla composizione di fase dei materiali refrattari e dal comportamento termico dei leganti.
Influisce direttamente sulla precisione dimensionale della fusione (La tolleranza dimensionale della fusione a cera persa è solitamente IT5–IT7) e resistenza agli shock termici.

• Meccanismo di espansione: Dilatazione termica dei materiali refrattari (PER ESEMPIO., la sabbia di zirconio ha un coefficiente di espansione lineare di 4,5×10⁻⁶/℃ a 20–1000℃) e trasformazione di fase (PER ESEMPIO., la sabbia di quarzo subisce una trasformazione α→β a 573 ℃, con un'improvvisa espansione di 1.6%) causare l'espansione della shell.
• Meccanismo di contrazione: Prime fasi di riscaldamento (≤500℃) comportano la disidratazione dei leganti (il sol di silice perde l'acqua adsorbita e l'acqua legata),
  decomposizione termica dei componenti organici, e riempimento in fase liquida dei pori, portando alla densificazione del guscio e ad una leggera contrazione (tasso di contrazione ≤0,2%).

Cambiamento lineare incontrollato (variazione lineare totale >± 0,5%) provoca deviazioni dimensionali del getto o fessurazioni del guscio.

Per ottimizzarlo: selezionare materiali refrattari a bassa dilatazione termica (PER ESEMPIO., sabbia di zirconio invece di sabbia di quarzo per gli strati superficiali), controllare la velocità di aumento della temperatura di tostatura (5–10℃/min),

ed evitare zone di temperatura di trasformazione di fase (PER ESEMPIO., mantenere a 600 ℃ per 30 minuti quando si utilizza sabbia di quarzo per completare in anticipo la trasformazione di fase).

Resistenza agli shock termici

Resistenza agli shock termici (stabilità allo shock termico) è la capacità del guscio di resistere a sbalzi termici improvvisi senza rompersi.

I gusci subiscono forti sbalzi di temperatura durante il processo: riscaldamento rapido durante la tostatura, raffreddamento all'uscita dal forno, e impatto termico improvviso quando si entra in contatto con metallo fuso ad alta temperatura (1500–1600℃ per acciaio inossidabile).

Una differenza di temperatura di 300–500 ℃ o più si forma lungo la parete del guscio dall'interno verso l'esterno nella fase iniziale di colata, generando stress termico.

Quando lo stress termico supera il limite di resistenza del guscio a quella temperatura, si formano delle crepe: gravi crepe portano alla rottura del guscio e alla fuoriuscita di metallo fuso se si verificano prima che la fusione formi un guscio solido.

I fattori chiave che influenzano includono:

• Proprietà dei materiali refrattari: Materiali con elevata conducibilità termica (PER ESEMPIO., Alumina, conducibilità termica 20 Con/(M · k) a 1000 ℃) e il basso coefficiente di dilatazione termica riducono i gradienti di temperatura e lo stress termico.
• Struttura del guscio: Gusci sottili (3–4 mm) hanno una migliore resistenza agli shock termici rispetto ai gusci spessi; lo spessore uniforme e la struttura densa evitano la concentrazione dello stress.
• Sistema di tostatura: Il riscaldamento e il raffreddamento lenti riducono l’accumulo di stress termico; tostatura sufficiente (mantenendo a 1000 ℃ per 2 ore) elimina l'umidità residua e la materia organica, miglioramento della stabilità strutturale.

La resistenza allo shock termico dei gusci viene valutata dal numero di cicli termici (20℃ ↔ 1000 ℃) senza crepe: i gusci di sol di silice di alta qualità dovrebbero resistere a ≥10 cicli.

Stabilità termochimica

La stabilità termochimica si riferisce alla resistenza del guscio alle reazioni termochimiche con il metallo fuso.

Le interazioni tra il metallo fuso e la superficie del guscio influiscono direttamente sulla ruvidità della superficie della fusione e sui difetti termochimici (PER ESEMPIO., penetrazione chimica, Accorciamento).

Il grado di reazione dipende dalle proprietà fisico-chimiche sia della lega che del guscio, così come i parametri di processo:

• Compatibilità lega-guscio: Fuso acciaio inossidabile (PER ESEMPIO., 1.4841) reagisce con gusci a base di silice per formare silicati a basso punto di fusione (Fe₂SiO₄), causando penetrazione chimica; utilizzando conchiglie a base di zircone (ZrSiO₄) riduce questa reazione, poiché lo zircone ha un'elevata inerzia chimica.
• Versamento e temperatura del guscio: Alta temperatura di versamento (superiore a 1600 ℃) accelera le reazioni; il preriscaldamento del guscio a 900–1000 ℃ riduce la differenza di temperatura tra il metallo fuso e il guscio, rallentando la velocità di reazione.
• Atmosfera della cavità: Atmosfere ossidanti (alto contenuto di ossigeno) favorire la formazione di pellicole di ossido sulla superficie del metallo fuso, reazioni inibenti;
  atmosfere riducenti (PER ESEMPIO., residui carboniosi) può causare la carburazione del guscio e della fusione.

Per migliorare la stabilità termochimica, selezionare materiali refrattari compatibili (zircone per acciaio inossidabile, allumina per leghe di alluminio), controllare la temperatura di versamento, e garantire una tostatura sufficiente ad eliminare le sostanze carboniose residue.

Proprietà knock-out

La proprietà Knock-Out si riferisce alla facilità di rimozione del guscio dalla superficie della fusione dopo il raffreddamento, che è fondamentale per garantire la qualità della superficie della fusione, riducendo il lavoro di pulizia, e riducendo i costi.

La scarsa proprietà di estrazione richiede una pulizia meccanica violenta (PER ESEMPIO., granigliatura ad alta pressione), portando a graffi sulla superficie della fusione, deformazione, o maggiore rugosità.

I fattori chiave che influenzano sono strettamente correlati alla resistenza residua e alla stabilità termochimica:

• Forza residua: Come accennato in precedenza, minore resistenza residua (≤1,0MPa) facilita la rimozione del guscio;
  regolazione del rapporto del legante (PER ESEMPIO., aggiungendo il 3%–5% di fibre organiche al guscio, che bruciano durante la tostatura per ridurre la forza legante) può ridurre la resistenza residua.
• Reazione termochimica: Reazioni gravi (PER ESEMPIO., penetrazione chimica) fare in modo che il guscio aderisca saldamente al getto, riducendo significativamente la proprietà di knock-out;
  l’utilizzo di materiali refrattari inerti e l’ottimizzazione della tostatura per evitare residui carboniosi mitigano questo fenomeno.
• Temperatura della lega e del guscio: Aumentando adeguatamente la velocità di raffreddamento del getto si riduce il tempo di contatto tra il metallo fuso e il guscio, indebolimento dell'adesione.

3. Fattori generali che influenzano la qualità del guscio

Fattori materiali

• Leganti: Silica sol (dimensione delle particelle colloidali 10-20 nm, contenuto solido 30%–35%) è ampiamente utilizzato per proiettili ad alta precisione, offrendo forza verde equilibrata e proprietà knock-out;
  i leganti di silicato di etile forniscono una maggiore resistenza alle alte temperature ma una minore resistenza allo stato verde, che richiedono un rigoroso controllo dell'essiccazione (umidità 40%–60%).
• Materiali refrattari: Gli strati superficiali utilizzano sabbia di zirconio a grana fine (400 maglia) per un'elevata qualità della superficie e stabilità chimica; gli strati posteriori utilizzano sabbia di mullite a grana grossa (325 maglia) per migliorare la permeabilità e ridurre i costi.
  Impurezze nei materiali refrattari (PER ESEMPIO., Fe₂O₃ >1%) accelerare le reazioni con il metallo fuso, riducendo la stabilità del guscio.

Fattori di processo

• Preparazione del liquame: Il rapporto solido-liquido del liquame dello strato superficiale (polvere di zirconio + silica sol) È 2.5:1–3.0:1, e la viscosità (Coppa Ford #4) è di 20–25 secondi per garantire un rivestimento uniforme; l'impasto liquido dello strato posteriore ha un rapporto solido-liquido inferiore (2.2:1–2.5:1) per migliorare la permeabilità.
• Asciugatura: L'asciugatura dello strato superficiale richiede una temperatura compresa tra 25 e 30 ℃, umidità 40%–60%, e tempo 2–4 ore per formare una pellicola densa;
  l'asciugatura dello strato posteriore può essere accelerata (temperatura 30–35 ℃) per migliorare l'efficienza, ma evitare una rapida asciugatura (velocità del vento >2SM) che provoca la rottura del guscio.
• Torrefazione: Il sistema di tostatura standard per i gusci di sol di silice è: temperatura ambiente → 500 ℃ (velocità di riscaldamento 5–10 ℃/min, tenere premuto 30 minuti) → 1000℃ (velocità di riscaldamento 10–15 ℃/min, tenere 2h).
  Una tostatura insufficiente lascia umidità residua e materia organica; la tostatura eccessiva riduce la permeabilità e la resistenza agli shock termici.

4. Strategie di controllo della qualità per la produzione di conchiglie

Il controllo di qualità delle conchiglie per microfusione deve essere sistematico, basato sui dati e integrato nel flusso di produzione.

L'obiettivo è garantire che le shell soddisfino i sei requisiti prestazionali principali (forza, permeabilità, cambiamento lineare, resistenza agli shock termici, stabilità termochimica e comportamento al knock-out) costantemente, riducendo al minimo gli scarti, rilavorazioni e difetti a valle.

Controllo materiale in entrata (prima linea di difesa)

Test e cancelli di accettazione delle materie prime:

• Leganti (silica sol / silicato di etile): verificare i solidi %, dimensione delle particelle / potenziale zeta, Certificato di pH e durata di conservazione (campionare ogni lotto in arrivo).
• Faccia refrattaria (zircone): controlla PSD (laser/setaccio), densità apparente, peso specifico, e purezza chimica (ZrSiO₄ ≥ 98%, Fe₂O₃ < 1%).
• Stucco di riserva (mullite/allumina): PSD e controlli delle impurità.
• Additivi (sol di allumina, fibre organiche): certificato di analisi e profilo di combustione.

Pratica di accettazione: ciascun lotto del fornitore riceve una decisione documentata di accettazione o quarantena. Per fornitori critici, effettuare le prime prove di qualificazione (gusci pilota) prima del pieno utilizzo.

Monitoraggio in-process: cosa misurare, quante volte

Di seguito è riportata una serie consigliata di controlli di controllo, la loro frequenza e gli intervalli di accettazione target (adattarsi al vostro prodotto e alla vostra produttività).

Nota: la frequenza dovrebbe riflettere il rischio: a basso volume, i lavori di alto valore richiedono campionamenti più frequenti rispetto ai getti di materie prime di volume elevato.

Piani di campionamento e definizione del lotto

• Dimensione del lotto: definire per turno, calore del forno o lotto di gusci prodotti tra gli eventi di manutenzione del processo.
• Schema di campionamento: Per esempio, Base AQL: da ogni lotto di ≤1000 conchiglie prelevare 5 gusci casuali per test distruttivi (forza verde, permeabilità), E 20 ispezioni visive.
  Aumentare la dimensione del campione in base alla dimensione e alla criticità del lotto. Utilizzare le tabelle di campionamento ANSI/ASQ per piani statisticamente difendibili.
• Conservazione: conservare almeno tre tagliandi rappresentativi (rivestito in faccia, licenziato, e bruciato) per lotto per 12 mesi o per periodo di garanzia.

Tecniche di controllo del processo

1. Spc (controllo statistico del processo): mantenere i grafici X-bar e R per la viscosità dei liquami, spessore del mantello, forza verde. Definire i limiti di controllo superiore/inferiore (UCL/LCL) come ±3σ; impostare i limiti di avviso a ±2σ.
2. Piano di controllo: documentare ogni punto di controllo, Metodo di misurazione, frequenza, ruolo responsabile e reazione consentita.
3. Registrazione automatizzata: integrare i viscosimetri, termocoppie, Sensori O₂ e contatori di immersione/rotazione a un sistema MES o SCADA per allarmi in tempo reale e analisi storica.
4. Programma di calibrazione: calibrare i viscosimetri, Saluti, micrometri, e termocoppie su base programmata; certificati di registro.

5. Conclusione

La qualità del guscio nella fusione a cera persa è il risultato completo delle proprietà del materiale e dei parametri di processo, con i sei indicatori chiave di performance (forza, permeabilità, cambiamento lineare, resistenza allo shock termico, stabilità termochimica, proprietà ad eliminazione diretta) si limitano e si influenzano a vicenda.

L’ottimizzazione cieca di un singolo indicatore può portare, ad esempio, al deterioramento di altre proprietà, l'aumento del contenuto solido del liquame per migliorare la qualità della superficie riduce la permeabilità, aumentando il rischio di difetti del gas.

Nella pratica industriale, i produttori dovrebbero adattare i processi di produzione del guscio al tipo di lega (PER ESEMPIO., acciaio inossidabile, lega di alluminio) e requisiti di precisione di fusione.

Selezionando leganti e materiali refrattari compatibili, ottimizzazione della preparazione del liquame, asciugatura, e processi di tostatura, e bilanciare i sei indicatori di performance, si possono ottenere gusci stabili e di alta qualità.

Ciò non solo garantisce la precisione dimensionale della fusione e l’integrità della superficie, ma migliora anche l’efficienza produttiva e riduce i costi, gettare solide basi per lo sviluppo di alta qualità della fusione a cera persa.