Czynniki wpływające na jakość powierzchni odlewów

Jakość powierzchni odlewów jest funkcją każdego kroku, który dotyka wzoru, forma i metal — od stanu matrycy/modelu i reologii materiału modelu, po przygotowanie powłoki/powłoki wierzchniej, odparafinowanie i wypalanie pocisków, do stopienia, zsyp, chłodzenie i obróbka końcowa.

Kontrolowanie chropowatości powierzchni (Ra) a unikanie nieprawidłowości w mikroskali wymaga szczególnej uwagi przy oprzyrządowaniu, przybory, parametry procesu i postępowanie po odlewaniu.

W tym artykule dokonano analizy głównych czynników, tam, gdzie to możliwe, określa ilościowo praktyczne zakresy kontroli, oraz podaje praktyczne zalecenia dotyczące procesów i inspekcji.

1. Czynniki związane z pleśnią

Forma służy jako podstawa Casting inwestycyjny, ponieważ jego jakość bezpośrednio determinuje kształt i stan powierzchni wzoru woskowego, który ostatecznie trafia do końcowego odlewu.

Wpływ pleśni na jakość powierzchni wzoru woskowego można rozpatrywać w trzech aspektach:

Projekt struktury formy i jakość powierzchni

Często prowadzi do nierozsądnego projektowania konstrukcji formy zadrapania i zatarcia podczas wyjmowania wzoru woskowego. Naprawione powierzchnie z wzorem wosku są nieuchronnie gorsze od oryginału, a defekty te zostaną bezpośrednio odtworzone na powierzchni odlewu.

Na przykład, ostre zakątki (bez filetów R<0.3mm), niewystarczające kąty pochylenia (<1° do skomplikowanych ubytków), lub nierówne powierzchnie podziału w strukturze formy zwiększają tarcie pomiędzy wzorem woskowym a wnęką formy, powodując uszkodzenie powierzchni podczas rozformowywania.

Chropowatość powierzchni formy jest decydującym czynnikiem wpływającym na jakość powierzchni wzoru woskowego. Jeśli chropowatość powierzchni formy wynosi tylko Ra3,2 μm, powstały wzór wosku będzie miał jeszcze niższą jakość powierzchni (Ra4,0–5,0 μm), który jest bezpośrednio przekazywany do odlewu.

Praktyka pokazuje, że należy kontrolować optymalną chropowatość powierzchni formy w granicach Ra0,8 μm; nadmierna gładkość (NP., Ra0,2μm) nie poprawia znacząco jakości wzoru woskowego, ale zwiększa koszty obróbki form o 30%–50%.

Kontrola temperatury formy

Temperatura formy ma istotny wpływ na płynność wosku i dokładność replikacji. Do średniotemperaturowych systemów woskowych, optymalna temperatura formy wynosi 45–55 ℃.

Gdy temperatura formy jest zbyt niska (<35℃), płynność materiału woskowego gwałtownie spada, co powoduje słabą replikację powierzchniową wzoru wosku, towarzyszą znaki przepływu i zimne zamknięcia.

Bardziej krytycznie, jeśli temperatura formy spadnie poniżej punktu rosy wody (zazwyczaj 15–20 ℃ w warsztatach), na powierzchni formy utworzą się liczne kropelki wody.

Krople te zajmują przestrzeń materiału woskowego podczas wstrzykiwania, co prowadzi do nierównej powierzchni wzoru wosku – defektu również spowodowanego nadmierną ilością środka antyadhezyjnego (grubość natrysku >5μm).

Niezbędne jest utrzymanie odpowiedniej temperatury formy. Prawidłowe zwiększenie temperatury formy (do 50–55 ℃) i ciśnienie wtrysku (do 0,3–0,5 MPa) może skutecznie poprawić płynność materiału woskowego, zwiększyć zdolność replikacji wzoru wosku na powierzchni formy, i w ten sposób pośrednio poprawiają jakość powierzchni odlewów.

Jednakże, zbyt wysoka temperatura formy (>60℃) może spowodować zbyt wolne ochłodzenie i stwardnienie materiału woskowego, co prowadzi do deformacji wzoru woskowego (odchylenie wymiarowe >0.5mm) i wydłużenie czasu cyklu produkcyjnego, wymagające równowagi pomiędzy jakością i wydajnością.

Rozmiar bramki wtrysku wosku

Rozmiar bramki wtrysku wosku wpływa bezpośrednio na ciśnienie wtrysku i prędkość napełniania woskiem.

Do małych odlewów (waga <500G), optymalna średnica bramy to **φ8–φ10mm**; do dużych odlewów (waga >500G), średnicę bramy można zwiększyć do φ10–φ12mm.

Odpowiednie zwiększenie rozmiaru bramki pozwala zwiększyć ciśnienie wtrysku wosku, zapewnić pełne wypełnienie gniazda formy, i redukują defekty powierzchni, takie jak niedopełnienie i ślady zacieków na wzorze woskowym.

Do skomplikowanych odlewów o cienkich ściankach (<2mm), konstrukcja wielobramowa (2–4 bramy) zaleca się dalszą poprawę jednorodności wypełnienia.

2. Wpływ materiału woskowego

Rodzaj i właściwości materiału woskowego to podstawowe czynniki determinujące jakość powierzchni wzoru woskowego, ponieważ różne materiały woskowe wykazują odmienne właściwości w zakresie krystalizacji i zestalania.

Tabela 1 podsumowuje kluczowe parametry wydajności i wpływ na jakość powierzchni popularnych materiałów woskowych do odlewów metodą traconego wosku.

Tabela 1: Porównanie wydajności popularnych materiałów woskowych do odlewania metodą traconego tłuszczu

Wosk niskotemperaturowy (Wosk parafinowo-stearynowy)

Wosk niskotemperaturowy, składa się z parafiny (60%–70%) i kwas stearynowy (30%–40%), produkuje wzory woskowe o najniższej jakości powierzchni.

Jako krystaliczny wosk, ma wąski zakres temperatur krystalizacji i grube ziarna kwasu stearynowego (wielkość ziarna >50μm).

Podczas zestalania, nie ma wystarczającej ilości płynnego wosku, aby wypełnić szczeliny między ziarnami, w wyniku czego powierzchnia ma szorstki wzór wosku.

Nawet poprzez zwiększenie ciśnienia wtrysku lub dostosowanie parametrów procesu, jakości powierzchni wzorów woskowych wykonanych z wosku niskotemperaturowego nie można znacząco poprawić, ograniczające jego zastosowanie w odlewaniu precyzyjnym.

Wosk średniotemperaturowy

Wosk średniotemperaturowy, wieloskładnikowa mieszanina zawierająca wosk mikrokrystaliczny, żywica, i plastyfikatory, nie ma ustalonej temperatury topnienia i szerszy zakres temperatur krzepnięcia w porównaniu do wosku niskotemperaturowego.

Podczas zestalania, ze względu na różną temperaturę krzepnięcia jego składników, faza ciekła może całkowicie wypełnić szczeliny pomiędzy fazami stałymi, co skutkuje wzorami woskowymi o znacznie wyższej jakości powierzchni.

Jednakże, wydajność wosku średniotemperaturowego różni się w zależności od producenta; wosk o zawartości żywicy 5–8% charakteryzuje się najlepszą równowagą pomiędzy płynnością a gładkością powierzchni.

Wypełniony wosk

Wypełniony wosk, wzmocniony proszkiem ceramicznym (5%–10%) lub włókno szklane (3%–5%), produkuje wzory woskowe o najwyższej jakości powierzchni.

Dodatek wypełniaczy optymalizuje zachowanie krystalizacji matrycy woskowej, zmniejsza skurcz krzepnięcia (z 2.0% do 0,8%–1,2%), i zwiększa twardość powierzchni i odporność na zużycie wzoru woskowego.

To nie tylko poprawia gładkość powierzchni wzoru woskowego, ale także zmniejsza odkształcenia podczas przechowywania i transportu (szybkość deformacji <0.2% w ciągu 24 godzin), zapewniający stabilne przeniesienie jakości powierzchni na odlew.

Czyszczenie wzoru woskiem i trawienie powierzchni

Czyszczenie wzoru woskiem jest często błędnie rozumiane jako zwykłe usuwanie środków antyadhezyjnych z powierzchni, ale jego najważniejszą funkcją jest trawienie powierzchniowe.

Do średniotemperaturowych wzorów woskowych, optymalny proces czyszczenia wykorzystuje neutralny środek trawiący (stężenie 5%–8%) o wartości pH 6,5–7,5, czas namaczania 1–2 minuty, następnie płukanie wodą dejonizowaną i suszenie w temperaturze 40–50℃ przez 10–15 minut.

Podczas procesu czyszczenia, na powierzchni woskowego wzoru powstaje delikatny efekt trawienia, co zwiększa chropowatość powierzchni wzoru woskowego w mikroskali (Ra od 1,6 μm do 2,0–2,5 μm) oraz poprawia zwilżalność i przyczepność kolejnej powłoki powierzchniowej.

Prawidłowe wytrawienie tworzy „mikroszorstką” powierzchnię, która pozwala na mocniejsze przyleganie powłoki, unikanie łuszczenia się powłoki lub nierównej grubości podczas suszenia i pieczenia.

Jest to szczególnie istotne dla poprawy gładkości powierzchni odlewów, jako dobrze przylegająca powłoka może skutecznie odwzorowywać powierzchnię wzoru wosku i zapobiegać defektom wnikania piasku.

4. Czynniki powłoki powierzchniowej

Powłoka powierzchniowa (powłoka pierwotna) ma bezpośredni kontakt z wzorem woskowym, a jego parametry użytkowe i aplikacyjne mają decydujący wpływ na jakość powierzchni odlewów.

Właściwości materiału powłoki powierzchniowej

Powszechnie uznawany jest wpływ proszku i piasku na jakość powierzchni, wpływ zolu krzemionkowego – ważnego składnika powłoki – na jakość powierzchni jest mniej poznany.

Wysokiej jakości zol krzemionkowy (niezależnie od tego, czy są importowane, czy produkowane w kraju) o jednolitej wielkości cząstek koloidalnych (10-20 nm) i niską lepkość (2–5 mPa·s przy 25℃) wykazuje doskonałą wydajność.

Przy tej samej lepkości kubka przepływowego (Puchar Forda #4: 20-25 s), taki zol krzemionkowy może osiągnąć wyższy stosunek proszku do cieczy (2.5:1–3.0:1 do zawiesiny proszku cyrkonowego), w wyniku czego powstaje gęstsza powłoka podstawowa.

Gęstsza powłoka zmniejsza porowatość powierzchni (porowatość <5%) i poprawia zdolność do odwzorowywania powierzchni wzoru wosku, co prowadzi do gładszej powierzchni odlewu (Ra zmniejszone o 0,4–0,8 μm w porównaniu do stosowania zolu krzemionkowego niskiej jakości).

Grubość powłoki powierzchniowej

Do zawiesin proszku cyrkonowego (proszek cyrkonowy o wielkości cząstek 325–400 mesh), optymalna grubość powłoki podstawowej wynosi 0.08–0,1 mm. Zarówno nadmierna, jak i niewystarczająca grubość niekorzystnie wpływają na jakość powierzchni odlewu:

• Niewystarczająca grubość (<0.08mm): Łatwo prowadzi do ubytków typu „kolce ogórka” – ostre, wypustki przypominające igły (wysokość 0,1–0,3 mm) na powierzchni odlewu spowodowane wnikaniem piasku lub nierówną powłoką.
• Nadmierna grubość (>0.1mm): Powoduje różne formy defektów.
  Ze względu na skurcz podczas suszenia i prażenia (stopień skurczu 3%–5%), gruba powłoka może częściowo odłączyć się od powierzchni wzoru wosku, tworząc grubo, zaokrąglone wypukłe cząstki (średnica 0,2–0,5 mm) na powierzchni odlewu.

Kontrolowanie grubości powłoki wymaga precyzyjnej regulacji lepkości zaczynu (Puchar Forda #4: 20-25 s), czas zanurzenia (5–10 s), i warunki suszenia (temperatura 25–30℃, wilgotność 40%–60%, czas schnięcia 2–4h) aby zapewnić jednolitą grubość i dobrą przyczepność.

5. Proces odwoskowania

Celem odparafinowania jest całkowite usunięcie wosku z formy skorupy.

Do wosków średniotemperaturowych, w optymalnym procesie odparafinowania wykorzystuje się kocioł parowy o ciśnieniu ok 0.6-0,8 MPa i temperatura 120–130℃, czas odparafinowania 15–25 minut (dostosowane do rozmiaru skorupy).

Pozostałości wosku w skorupie (ułamek masowy >0.5%), jeśli nie zostanie całkowicie spalony podczas pieczenia, będzie wytwarzać sadzę i inne zanieczyszczenia, które przylegają do powierzchni odlewu i pogarszają jakość powierzchni – kwestia omówiona szerzej w części dotyczącej prażenia.

Jednakże, całkowite odparafinowanie nie oznacza przedłużenia czasu odwoskowania. W założeniu zapewnienia całkowitego usunięcia wosku (pozostałości wosku <0.5%), czas odwoskowania należy zminimalizować.

Temperatura w kotle do odparafinowania jest wyższa od temperatury panującej w ogólnym sprzęcie do szybkiego odwadniania, i długotrwałe narażenie wosku na działanie wysokich temperatur (>130℃ za >30 protokół) przyspiesza starzenie się wosku.

Postarzany wosk wykazuje zmniejszoną płynność (wzrost lepkości o 20%–30%) i zwiększona kruchość, co może mieć wpływ na późniejszy recykling wosku i zwiększać ryzyko wystąpienia wad w nowych wzorach woskowych.

6. Przechowywanie form skorupowych

Sposób przechowywania form skorupowych zależy od czystości warsztatu, którego głównym celem jest minimalizacja lub zapobieganie przedostawaniu się ciał obcych do wnęki skorupy.

Tabela 2 podaje optymalne parametry przechowywania form skorupowych po odparafinowaniu.

Tabela 2: Optymalne parametry przechowywania odparafinowanych form skorupowych

Wielu producentów błędnie uważa, że ​​umieszczenie muszli wlewem wlewowym skierowanym w dół zapewnia bezpieczeństwo, ale nie zawsze tak jest.

Jeśli muszle są umieszczone bezpośrednio na ziemi lub żelaznych ramach zanieczyszczonych cząstkami piasku i innymi odpadami, Podczas manipulacji do wnęki mogą dostać się ciała obce, powodując wtrącenia w odlewach.

Wtrącenia takie wymagają naprawy szlifierskiej i spawalniczej, co poważnie pogarsza jakość powierzchni odlewu (Po naprawie Ra wzrosło o 2,0–3,0 μm).

7. Pieczenie w formie skorupek

Pozostałości wosku w skorupce muszą zostać całkowicie spalone podczas pieczenia, aby uniknąć pozostałości węglowych. Optymalny proces prażenia muszli na bazie cyrkonu jest następujący:

1. Etap ogrzewania: Ogrzewaj od temperatury pokojowej do 500 ℃ z szybkością 5–10 ℃/min (powolne ogrzewanie, aby uniknąć pękania skorupy).
2. Etap izolacji 1: Trzymaj w temperaturze 500 ℃ przez 30 minut, aby spalić resztki wosku.
3. Etap ogrzewania 2: Ciepło od 500 ℃ do 900–1100 ℃ z szybkością 10–15 ℃/min.
4. Etap izolacji 2: Trzymaj w temperaturze 900–1100 ℃ przez 2–3 godziny aby poprawić wytrzymałość skorupy i usunąć resztkową wilgoć.

Aby zapewnić całkowite spalenie resztek wosku, powinna osiągnąć zawartość tlenu w piecu do prażenia 12% (monitorowane przez czujniki tlenu w sprzęcie najwyższej klasy).

Gdy zawartość tlenu jest tylko w pobliżu 6%, gęsty czarny dym pojawi się w temperaturze około 800 ℃, czego należy unikać.

Do sprzętu bez funkcji dostarczania tlenu, częściowe otwarcie drzwi pieca (odstęp 5–10 cm) zwiększenie wlotu powietrza może poprawić poziom tlenu i promować całkowite spalanie wosku.

Właściwe pieczenie zwiększa również wytrzymałość skorupy (siła ściskająca >20MPA) i zmniejsza porowatość powierzchni, dalsza optymalizacja jakości powierzchni odlewu.

8. Topienie, czystość metalu i zalewanie

Praktyka topienia i zalewania wpływa na utlenianie powierzchni, reaktywność i tworzenie się filmów na powierzchni.

Kluczowe wpływy

• Kontrola ładowania i żużla: zanieczyszczone materiały wsadowe i słaby topnik dają większe wtrącenia na powierzchni lub warstwy tlenkowe, które zatrzymują chropowatość przy powierzchni.
• Temperatura i prędkość zalewania: zbyt wysokie temperatury zalewania mogą zwiększyć utlenianie lub nadmierną reakcję z otoczką; zbyt niska temperatura może spowodować niepełne wypełnienie i szorstkość na skutek przedwczesnego zamarzania.
• Metoda chłodzenia po wlaniu: kontrola szybkości chłodzenia i unikanie ponownego utleniania powierzchni (NP., użycie skrzynek/pokryć do zalewania) pomagają zminimalizować konflikty powierzchniowe.

Praktyczne sterowanie

• Ścisła kontrola wsadu pieca, skuteczne praktyki odtleniania i czystego topnika/żużla.
• Zdefiniuj okna temperatur zalewania i schematy bramkowania promujące laminarność, nieturbulentne wypełnienie w celu ograniczenia zatrzymywania gazu i tworzenia się filmu na powierzchni.
• Minimalizować narażenie na atmosferę utleniającą podczas wczesnego krzepnięcia (NP., w stosownych przypadkach stosowanie zakrytych pleśni).

9. Etap po zakończeniu

Wiele odlewów wykazuje akceptowalną jakość powierzchni natychmiast po odlaniu, ale ulega poważnym uszkodzeniom po wykończeniu, co czyni ten etap głównym winowajcą degradacji jakości powierzchni u wielu producentów.

Wyróżniają się dwie kluczowe kwestie: uszkodzenia kolizyjne i wystrzały.

Zapobieganie uszkodzeniom kolizyjnym

Wdrażaj a sklasyfikowany system przechowywania i transportu: używaj plastikowych tacek z miękką wyściółką (Grubość pianki EVA 5–10 mm) do małych odlewów; stosować dedykowane uchwyty do dużych odlewów, aby uniknąć bezpośredniego kontaktu pomiędzy odlewami. Może to zmniejszyć wskaźnik uszkodzeń spowodowanych kolizjami o ponad 80%.

Optymalizacja procesu śrutowania

Śrutowanie służy do usuwania tlenków powierzchniowych i piasku, a parametry procesu bezpośrednio wpływają na jakość powierzchni odlewu. Optymalne parametry śrutowania odlewów ze stali nierdzewnej są następujące:

• Specyfikacje śrutu stalowego: Strzał ze staliwa, średnica 0,3–0,5 mm, twardość HRC 40–50.
• Ciśnienie śrutowania: 0.4–0,6 MPa.
• Czas wystrzału: 10–15 minut na cykl (nie więcej niż 15 protokół).
• Wymagania sprzętowe: Używaj blasterów z jednolitymi systemami projekcji (jednorodność projekcji ≥90%) i stabilna kontrola prądu (wahania prądu <5%).

Czas śrutowania powinien być ściśle kontrolowany – nie więcej niż 15 minut na cykl. Jeśli powierzchnia nie jest wystarczająco oczyszczona, Aby uniknąć nadmiernej erozji powierzchni, preferuje się wielokrotne krótkie cykle zamiast długotrwałego, jednocyklowego czyszczenia strumieniowego (Ra wzrósł o 1,0–2,0 μm po nadmiernym piaskowaniu).

10. Wniosek

Jakość powierzchni odlewów jest wynikiem wielodyscyplinarnym: metalurgia, obróbka ceramiki, Przyczyniają się do tego inżynieria cieplna i obsługa mechaniczna.

Traktując wykończenie powierzchni jako krytyczny atrybut jakości procesu – definiując cele numeryczne, monitorowanie parametrów krytycznych (narzędzie Ra, Lepkość zawiesiny, grubość płaszcza twarzy, poziom tlenu w procesie usuwania wosku, stopić/zalać okna) i osadzanie punktów kontrolnych kontroli — odlewnie mogą produkować niezmiennie gładko, wysokiej jakości odlewy o przewidywalnej możliwości produkcyjnej i niższych kosztach przeróbek.