Faktorene som påvirker overflatekvaliteten til støpegods

Overflatekvaliteten til støpegods er en funksjon av hvert trinn som berører mønsteret, mugg og metall - fra form/mønstertilstand og mønstermaterialreologi til forberedelse av skall/ansiktslakk, avvoksing og skallavfyring, å smelte, Helling, kjøling og slutthåndtering.

Kontrollere overflateruhet (Ra) og unngå mikroskala uregelmessigheter krever streng oppmerksomhet til verktøy, materialer, prosessparametere og post-casting håndtering.

Denne artikkelen analyserer de viktigste faktorene, kvantifiserer praktiske kontrollområder der det er mulig, og gir handlingsanbefalinger for prosess og inspeksjon.

1. Muggrelaterte faktorer

Formen fungerer som grunnlaget for Investeringsstøping, ettersom kvaliteten direkte bestemmer formen og overflatetilstanden til voksmønsteret, som til slutt overføres til den endelige avstøpningen.

Virkningen av muggsopp på voksmønsterets overflatekvalitet kan utdypes fra tre aspekter:

Formstrukturdesign og overflatekvalitet

Urimelig mold struktur design fører ofte til riper og gnaging under fjerning av voksmønster. Reparerte voksmønsteroverflater er uunngåelig dårligere enn originalen, og disse defektene vil bli direkte replikert på støpeoverflaten.

For eksempel, Skarpe hjørner (uten fileter R<0.3mm), utilstrekkelige trekkvinkler (<1° for komplekse hulrom), eller ujevne skilleflater i formstrukturen øker friksjonen mellom voksmønsteret og formhulen, forårsaker overflateskader under avforming.

Formoverflatens ruhet er en avgjørende faktor for overflatekvaliteten i voksmønsteret. Hvis formens overflateruhet bare er Ra3,2μm, det resulterende voksmønsteret vil ha enda lavere overflatekvalitet (Ra4,0–5,0μm), som overføres direkte til støpingen.

Praktisk erfaring viser at den optimale overflateruheten til formen bør kontrolleres innenfor Ra0,8μm; overdreven glatthet (F.eks., Ra0,2μm) forbedrer ikke kvaliteten på voksmønsteret betydelig, men øker kostnadene for muggbehandling med 30–50 %.

Muggtemperaturkontroll

Muggtemperatur har en betydelig innvirkning på voksflytbarhet og replikeringsnøyaktighet. For middels temperatur vokssystemer, den optimale formtemperaturen er 45–55℃.

Når formtemperaturen er for lav (<35℃), flyteevnen til voksmaterialet avtar kraftig, resulterer i dårlig overflatereplikering av voksmønsteret, ledsaget av flytemerker og kalde stenger.

Mer kritisk, hvis formtemperaturen synker under duggpunktet for vann (typisk 15–20 ℃ i verksteder), det vil dannes mange vanndråper på formoverflaten.

Disse dråpene opptar plassen til voksmaterialet under injeksjon, fører til en ujevn voksmønsteroverflate – en defekt som også forårsakes av for mye slippmiddel (sprøytetykkelse >5μm).

Det er viktig å opprettholde en passende formtemperatur. Øk formtemperaturen riktig (til 50–55 ℃) og injeksjonstrykk (til 0,3–0,5 MPa) kan effektivt forbedre voksmaterialets flytbarhet, forbedre replikasjonsevnen til voksmønsteret på formoverflaten, og dermed indirekte forbedre støpeoverflatens kvalitet.

Imidlertid, for høy formtemperatur (>60℃) kan føre til at voksmaterialet avkjøles og stivner for sakte, fører til deformasjon av voksmønster (dimensjonsavvik >0.5mm) og øke produksjonssyklustiden, krever en balanse mellom kvalitet og effektivitet.

Voksinjeksjonsport Størrelse

Størrelsen på voksinjeksjonsporten påvirker direkte injeksjonstrykket og voksfyllingshastigheten.

For små avstøpninger (vekt <500g), den optimale portdiameteren er **φ8–φ10mm**; for store støpegods (vekt >500g), portdiameteren kan økes til φ10–φ12 mm.

En passende økning av portstørrelsen bidrar til å øke voksinjeksjonstrykket, sikre full fylling av formhulen, og redusere overflatedefekter som underfylling og flytemerker på voksmønsteret.

For komplekse støpegods med tynne vegger (<2mm), design med flere porter (2–4 porter) anbefales for ytterligere å forbedre fyllingsensartetheten.

2. Påvirkning av voksmateriale

Voksmaterialets type og ytelse er kjernefaktorer som bestemmer voksmønsterets overflatekvalitet, ettersom forskjellige voksmaterialer viser distinkte krystalliserings- og størkningsegenskaper.

Bord 1 oppsummerer de viktigste ytelsesparametrene og overflatekvalitetseffektene til vanlige voksmaterialer for investeringsstøping.

Bord 1: Ytelsessammenligning av vanlige voksmaterialer for investeringsstøping

Lavtemperatur voks (Parafin-stearinsyrevoks)

Lav temperatur voks, sammensatt av parafin (60%–70%) og stearinsyre (30%–40%), produserer voksmønstre med den dårligste overflatekvaliteten.

Som en krystallinsk voks, den har et smalt krystalliseringstemperaturområde og grove stearinsyrekorn (kornstørrelse >50μm).

Under størkning, det er ikke nok flytende voks til å fylle hullene mellom kornene, resulterer i en grov voksmønsteroverflate.

Selv ved å øke injeksjonstrykket eller justere prosessparametere, overflatekvaliteten til voksmønstre laget av lavtemperaturvoks kan ikke forbedres vesentlig, begrenser bruken i høypresisjonsstøping.

Middels temperatur voks

Middels temperatur voks, en flerkomponentblanding som inneholder mikrokrystallinsk voks, harpiks, og myknere, har ikke noe fast smeltepunkt og et bredere størkningstemperaturområde sammenlignet med lavtemperaturvoks.

Under størkning, på grunn av de forskjellige størkningstemperaturene til komponentene, væskefasen kan fylle hullene mellom faste faser fullt ut, resulterer i voksmønstre med betydelig høyere overflatekvalitet.

Imidlertid, ytelsen til middels temperatur voks varierer mellom ulike produsenter; voks med et harpiksinnhold på 5%–8% viser den beste balansen mellom flyt og overflateglatthet.

Fylt voks

Fylt voks, forsterket med keramisk pulver (5%–10%) eller glassfiber (3%–5%), produserer voksmønstre med høyeste overflatekvalitet.

Tilsetning av fyllstoffer optimerer krystalliseringsadferden til voksmatrisen, reduserer størkningskrymping (fra 2.0% til 0,8 %–1,2 %), og forbedrer overflatehardheten og slitestyrken til voksmønsteret.

Dette forbedrer ikke bare overflateglattheten til voksmønsteret, men reduserer også deformasjon under lagring og transport (deformasjonshastighet <0.2% innen 24 timer), sikre stabil overføring av overflatekvalitet til støpegodset.

Voksmønsterrengjøring og overflateetsing

Rengjøring av voksmønster blir ofte misforstått som bare å fjerne slippmidler fra overflaten, men dens viktigste funksjon er overflateetsing.

For middels temperatur voksmønstre, den optimale rengjøringsprosessen bruker et nøytralt etsemiddel (konsentrasjon 5 %–8 %) med en pH-verdi på 6,5–7,5, bløtleggingstid på 1–2 minutter, etterfulgt av skylling med avionisert vann og tørking ved 40–50 ℃ i 10–15 minutter.

Under renseprosessen, en mild etsende effekt dannes på voksmønsteroverflaten, som øker overflateruheten til voksmønsteret på mikroskala (Ra fra 1,6μm til 2,0–2,5μm) og forbedrer fuktbarheten og adhesjonen til det etterfølgende overflatebelegget.

Riktig etsing skaper en "mikro-ru" overflate som lar belegget feste seg mer fast, unngå avskalling av belegg eller ujevn tykkelse under tørking og steking.

Dette er spesielt kritisk for å forbedre overflateglattheten til støpegods, som et godt vedheftet belegg effektivt kan gjenskape voksmønsteroverflaten og forhindre inntrengningsdefekter.

4. Overflatebeleggsfaktorer

Overflatebelegget (primærbelegg) er i direkte kontakt med voksmønsteret, og dens ytelse og påføringsparametere har en avgjørende innvirkning på kvaliteten på støpeoverflaten.

Egenskaper for overflatebelegg

Mens påvirkningen av overflatepulver og sand på overflatekvaliteten er allment anerkjent, effekten av silikasol - en viktig komponent i belegget - på overflatekvaliteten er mindre forstått.

Høykvalitets silikasol (enten det er importert eller innenlandsk produsert) med jevn kolloidal partikkelstørrelse (10-20 nm) og lav viskositet (2–5 mPa·s ved 25 ℃) viser overlegen ytelse.

Under samme flytkoppviskositet (Ford Cup #4: 20-25s), slik silikasol kan oppnå et høyere pulver-væske-forhold (2.5:1–3.0:1 for zirkonpulverslurry), resulterer i et tettere primærbelegg.

Et tettere belegg reduserer overflateporøsiteten (porøsitet <5%) og forbedrer evnen til å gjenskape voksmønsteroverflaten, fører til en jevnere støpeoverflate (Ra redusert med 0,4–0,8μm sammenlignet med bruk av lavkvalitets silikasol).

Tykkelse av overflatebelegg

For zirkonpulveroppslemminger (zirkonpulver partikkelstørrelse 325–400 mesh), den optimale tykkelsen på primærbelegget er 0.08–0,1 mm. Både overdreven og utilstrekkelig tykkelse påvirker støpeoverflatens kvalitet negativt:

• Utilstrekkelig tykkelse (<0.08mm): Fører lett til "agurktorn"-defekter - skarpe, nållignende fremspring (høyde 0,1–0,3 mm) på støpeoverflaten forårsaket av sandinntrengning eller ujevnt belegg.
• For stor tykkelse (>0.1mm): Resulterer i ulike former for defekter.
  På grunn av krymping under tørking og steking (svinnhastighet 3 %–5 %), det tykke belegget kan delvis løsne fra voksmønsteroverflaten, danner grove, avrundede konvekse partikler (diameter 0,2–0,5 mm) på støpeoverflaten.

Kontroll av beleggtykkelse krever nøyaktig justering av slurryens viskositet (Ford Cup #4: 20-25s), dyppetid (5–10s), og tørkeforhold (temperatur 25–30 ℃, fuktighet 40%–60%, tørketid 2–4 timer) for å sikre jevn tykkelse og god vedheft.

5. Avvoksingsprosess

Målet med avvoksing er å fjerne voks fullstendig fra skallformen.

For middels temperatur voks, den optimale avvoksingsprosessen bruker en dampavvoksingkjele med et trykk på 0.6-0,8 MPa og en temperatur på 120–130℃, avvoksingstid på 15–25 minutter (justeres etter skallstørrelse).

Rester av voks i skallet (massefraksjon >0.5%), hvis ikke helt brent under steking, vil produsere carbon black og andre urenheter, som fester seg til støpeoverflaten og forringer overflatekvaliteten - et punkt som diskuteres videre i stekedelen.

Imidlertid, fullstendig avvoksing betyr ikke forlenget avvoksingstid. Under forutsetningen om å sikre fullstendig voksfjerning (restvoks <0.5%), avvoksingstiden bør minimeres.

Temperaturen i avvoksingskjelen overstiger temperaturen i generelt hurtigdehydreringsutstyr, og langvarig eksponering av voks for høye temperaturer (>130℃ for >30 minutter) akselererer aldring av voks.

Eldret voks viser redusert flyt (viskositetsøkning med 20 %–30 %) og økt sprøhet, som kan påvirke senere voksresirkulering og øke risikoen for feil i nye voksmønstre.

6. Shell Mold Lagring

Oppbevaringsmetoden for skallformer avhenger av rensligheten til verkstedet, med kjernemålet å minimere eller hindre fremmedlegemer i å komme inn i skallhulen.

Bord 2 viser de optimale lagringsparametrene for skallformer etter avvoksing.

Bord 2: Optimale lagringsparametre for avvoksede skallformer

Mange produsenter tror feilaktig at å plassere skallet med innløpskoppen vendt nedover sikrer sikkerhet, men dette er ikke alltid tilfelle.

Hvis skjell plasseres direkte på bakken eller jernrammer som er forurenset med sandpartikler og annet rusk, fremmedlegemer kan komme inn i hulrommet under håndtering, forårsaker inneslutninger i støpegods.

Slike inneslutninger krever sliping og sveisereparasjon, som skader støpeoverflatens kvalitet alvorlig (Ra økte med 2,0–3,0 μm etter reparasjon).

7. Skallformsteking

Rester av voks i skallformen må brennes helt under steking for å unngå karbonholdige rester. Den optimale stekeprosessen for zirkonbaserte skjell er som følger:

1. Oppvarmingstrinn: Varm opp fra romtemperatur til 500 ℃ med en hastighet på 5–10 ℃/min (langsom oppvarming for å unngå at skallet sprekker).
2. Isolasjonsstadiet 1: Hold på 500 ℃ for 30 minutter for å brenne gjenværende voks.
3. Oppvarmingstrinn 2: Varm fra 500 ℃ til 900–1100℃ med en hastighet på 10–15 ℃/min.
4. Isolasjonsstadiet 2: Hold på 900–1100 ℃ for 2–3 timer for å forbedre skallstyrken og fjerne gjenværende fuktighet.

For å sikre fullstendig forbrenning av restvoks, oksygeninnholdet i stekeovnen skal nå 12% (overvåkes av oksygensensorer i avansert utstyr).

Når oksygeninnholdet bare er rundt 6%, tykk svart røyk vises ved omtrent 800 ℃, som bør unngås.

For utstyr uten oksygentilførselsfunksjonalitet, delvis åpne ovnsdøren (avstand 5–10 cm) å øke luftinntaket kan forbedre oksygennivået og fremme fullstendig voksforbrenning.

Riktig steking forbedrer også skallstyrken (Trykkstyrke >20MPA) og reduserer overflateporøsiteten, ytterligere optimalisering av støpeoverflatekvaliteten.

8. Smelting, metall renslighet og helle

Smelte- og hellepraksisen påvirker overflateoksidasjonen, reaktivitet og dannelse av filmer på overflaten.

Viktige påvirkninger

• Ladning og slaggkontroll: forurensede ladningsmaterialer og dårlig flussing gir høyere inneslutninger på overflaten eller oksidfilmer som fanger opp ruhet nær overflaten.
• Hellingstemperatur og hastighet: for høye helletemperaturer kan øke oksidasjon eller overdreven reaksjon med skallet; for lav temperatur kan forårsake ufullstendig fylling og ruhet fra for tidlig frysing.
• Post-pour kjølemetode: kontroll av kjølehastighet og unngåelse av overflatereoksidasjon (F.eks., bruk av hellekasser/overtrekk) bidra til å minimere overflatevariasjoner.

Praktiske kontroller

• Tett kontroll av ovnsladning, effektiv deoksidering og ren fluss/slaggpraksis.
• Definer helletemperaturvinduer og portskjemaer som fremmer laminar, ikke-turbulent fylling for å redusere gassoppfanging og overflatefilmdannelse.
• Minimer eksponering for oksiderende atmosfære under tidlig størkning (F.eks., bruk av tildekkede former når det er hensiktsmessig).

9. Etterbehandlingsstadiet

Mange støpegods viser akseptabel overflatekvalitet umiddelbart etter helling, men blir alvorlig skadet etter etterbehandling – noe som gjør dette stadiet til den primære årsaken til forringelse av overflatekvaliteten hos mange produsenter.

To hovedsaker skiller seg ut: kollisjonsskader og skuddsprengning.

Forebygging av kollisjonsskader

Implementer a klassifisert lagrings- og transportsystem: bruk plastbrett med myk polstring (EVA-skum tykkelse 5–10 mm) for små støpegods; bruk dedikerte armaturer for store støpegods for å unngå direkte kontakt mellom støpegods. Dette kan redusere antallet kollisjonsskader med mer enn 80%.

Optimalisering av kulesprengningsprosess

Kuleblåsing brukes til å fjerne overflateoksider og sand, og prosessparametrene påvirker støpeoverflatens kvalitet direkte. De optimale kuleblåsingsparametrene for støpegods i rustfritt stål er som følger:

• Spesifikasjoner for stålhagl: Støpt stålhagl, diameter 0,3–0,5 mm, hardhet HRC 40–50.
• Sprengningstrykk: 0.4–0,6 MPa.
• Sprengningstid: 10–15 minutter per syklus (ikke mer enn 15 minutter).
• Krav til utstyr: Bruk haglesprengere med enhetlige projeksjonssystemer (projeksjonsuniformitet ≥90 %) og stabil strømkontroll (dagens svingning <5%).

Sprengningstiden bør kontrolleres strengt – ikke mer enn 15 minutter per syklus. Hvis overflaten ikke er tilstrekkelig rengjort, flere korte sykluser er å foretrekke fremfor langvarig en-syklus sprengning for å unngå overdreven overflateerosjon (Ra økte med 1,0–2,0 μm etter oversprengning).

10. Konklusjon

Overflatekvalitet på støpegods er et tverrfaglig resultat: metallurgi, keramisk behandling, termisk teknikk og mekanisk håndtering bidrar alle.

Ved å behandle overflatefinish som et prosesskritisk kvalitetsattributt – definere numeriske mål, overvåking av kritiske parametere (verktøy Ra, Slurry viskositet, ansiktslags tykkelse, avvoks oksygennivåer, smelte/ helle vinduer) og innbygging av inspeksjonssjekkpunkter - støperier kan produsere jevnt, støpegods av høy kvalitet med forutsigbar produksjonsevne og lavere etterarbeidskostnader.