В инвестиционный кастинг, раскисление часто рассматривается как рутинный этап: добавить раскислители, снимать шлак, налить тепла, и надеюсь, что кастинг пройдет чисто.
И все же на практике, когда такие дефекты, как пористость, включения, жилкоподобные поверхностные реакции, или появляются локальные горячие точки, раскисление обычно первое, на что смотрят инженеры.
Этот инстинкт верен, но само понятие зачастую понимается слишком узко.
Раскисление — это не просто «потребление кислорода». В металлургическом смысле, это систематическая стратегия контроля, направленная на снижение количества растворенного кислорода в расплаве.,
ограничение образования оксидных включений, и улучшение чистоты, текучесть, и межфазное поведение металла при разливке и затвердевании.
В инвестиционном литье, это имеет даже большее значение, чем во многих других процессах, потому что керамическая оболочка тонкая, химически активен при высокой температуре, и очень чувствителен к степени окисления потока сплава.
Плохо раскисленный расплав не просто создает внутренние дефекты.; он также может интенсифицировать реакции металл-форма на границе раздела оболочек..
По этой причине, в контексте литья по выплавляемым моделям точнее говорить о «плавке», а не о «выплавке»..
Металл не рафинируется в полноценном сталеплавильном смысле.; тем не менее, те же физические и химические принципы контроля кислорода все еще применяются.
1. Откуда берется кислород в расплаве?
Кислород поступает в расплавленный металл несколькими путями.:
Во-первых, это сама плата.. Лом, возвращает, сплавы, и ферросплавы могут содержать поверхностные оксиды, шкала, ржавчина, или впитанная влага.
Во-вторых, это атмосфера. Во время зарядки, таяние, скимминг, выборка, и наливание, поверхность расплава контактирует с воздухом и непрерывно обменивается газами с окружающей средой.
Третий — печь или тигельная система.. Огнеупорные материалы, остатки шлака, и потоки могут способствовать появлению кислородсодержащих видов, особенно при высокой температуре или при повторяющихся термоциклированиях.
Другими словами, расплав никогда не бывает по-настоящему изолированным. Кислород – не случайная примесь; это почти неизбежный участник термической истории жары..
2. Две формы кислорода в расплавленной стали
В расплавленной стали, кислород обычно существует в двух формах.
Первый – растворенный кислород.. Это кислород, присутствующий в атомарной форме в жидком металле., иногда называют активным кислородом, поскольку он может легко участвовать в реакциях окисления..
Это наиболее опасная форма с точки зрения раскисления, поскольку она химически подвижна и напрямую влияет на расход сплава., образование включений, и газовые дефекты при затвердевании.
Второй – связанный кислород., который существует в виде устойчивых оксидов или оксисульфидных включений. На этом этапе, кислород больше не является «бесплатным»,» но оно не исчезло.
Он перешел в твердые или полутвердые неметаллические частицы, взвешенные в расплаве или захваченные в затвердевшем металле..
Эти включения могут быть относительно химически инертными., но они остаются вредными, поскольку снижают чистоту, ослабить механические свойства, и действуют как места возникновения трещин.
Итак, когда мы говорим о содержании кислорода, на самом деле мы говорим о системе, состоящей как из растворенного кислорода, так и из химически связанного кислорода.. Эффективное раскисление должно учитывать как.
3. Почему кислород вреден
Опасности, связанные с кислородом, часто недооцениваются, поскольку они распределяются по нескольким стадиям процесса, а не проявляются как один драматический сбой..
Вред во время жидкого состояния
Растворенный кислород агрессивно окисляет легирующие элементы в расплаве.. Это не только увеличивает потери металла, но и приводит к перерасходу дорогостоящих микролегирующих добавок, таких как бор., цирконий, или редкоземельные элементы.
В высокопроизводительных сплавах, даже следы кислорода могут изменить эффективный химический состав настолько, что могут поставить под угрозу целевые свойства..
Так же важно, кислород способствует образованию оксидных включений. Эти включения являются не просто дефектами в косметическом смысле.; они тяжелые, хрупкий, и часто угловатый.
Они мешают кормлению, увеличить сопротивление механической обработке, уменьшить усталостную долговечность, и устойчивость к повреждениям.
В точном литье, где точность размеров и целостность поверхности имеют решающее значение, даже небольшое увеличение включенной популяции может привести к непропорциональному увеличению процента отказов.
Вред во время затвердевания
По мере остывания расплава, растворимость кислорода в жидкой стали снижается. Кислород, который был стабилен в жидком состоянии, становится термодинамически нестабильным и ищет новую форму..
Это преобразование создает несколько проблем..
Первый
Растворенный кислород может вступать в реакцию с углеродом с образованием угарного газа..
Если эта реакция происходит во время затвердевания или на заключительных стадиях заливки, результат - газовая пористость, микроусадка, усугубляемая выделением газа, or swelling at the sprue cup in severe cases.
В инвестиционном литье, this may be seen as a runner system that behaves abnormally, a pouring basin that bulges instead of settling, or castings that show internal porosity even when feeding seems adequate.
Второй
Oxygen may combine with elements such as aluminum, титан, кремний, and manganese to form new oxide inclusions as temperature drops.
These inclusions are usually more numerous than the original particles because the solidification front tends to trap them and the turbulent flow of pouring disperses them throughout the melt.
Третий
Oxygen-derived oxides can react with sulfur to form low-melting eutectics at grain boundaries.
This promotes hot shortness and intergranular weakness. The result is not always a visible crack; sometimes it appears later as poor machinability, edge tearing, or reduced service life.
Четвертый
From the standpoint of mold interaction, oxygen becomes especially dangerous when the melt wets the ceramic shell.
A clean steel melt does not readily wet refractory surfaces, but oxygen-rich metal can generate FeO and other low-melting oxide species at the interface.
These oxides can react with silica-bearing shell materials to form low-melting silicates such as fayalite-type compounds.
Once that happens, the melt can penetrate the shell surface, producing metal penetration, shell sticking, surface inclusions, or chemical bonding defects that are often misdiagnosed as ordinary slag inclusion.
This point is particularly important in investment casting because many shell systems contain reactive silica phases.
If the shell includes enough active SiO₂ or cristobalite, богатый кислородом расплав может реагировать со стенками формы способом, очень напоминающим классические механизмы прижига или проникновения металла при литье в песчаные формы.. Масштаб другой, но химия принципиально похожа.
Вред от твердого металла
После затвердевания, кислород остается в основном в виде оксидных и оксисульфидных включений. На этом этапе, речь уже не идет об выделении газа; речь идет о металлургической чистоте.
Размер, морфология, количество, и распределение включений определяют, насколько они будут разрушительны.
Отлично, округлый, редко распределенные частицы могут быть допустимы в некоторых приложениях, пока большой, сгруппированный, или угловатые включения могут иметь катастрофические последствия.
Они снижают пластичность, ухудшать усталостные характеристики, более низкая ударопрочность, и создавать локальные места концентрации напряжений.
В точном литье, где вероятность ошибки узка, Контроль включения часто является скрытой переменной, обеспечивающей стабильность качества..
4. Настоящая цель раскисления
Целью раскисления является не просто «уничтожение» растворенного кислорода.. Это удаление кислорода из расплава контролируемым и полезным с металлургической точки зрения способом..
Это означает, что две вещи должны произойти одновременно:
Первый, растворенный кислород должен быть уменьшен до достаточно низкого уровня, чтобы защитить легирующие элементы., газовые реакции подавляются, и расплав ведет себя чисто во время разливки.
Второй, оксидные продукты раскисления должны быть максимально эффективно удалены из расплава путем шлаковой флотации и очистки металла..
Раскислитель, образующий большое количество стойких включений, не допуская их выхода, решил только половину проблемы и может даже ухудшить результат отливки..
Вот почему раскисление и удаление шлака никогда не следует рассматривать как отдельные процессы., несвязанные операции.
На практике, это один связанный процесс: химия удаления кислорода и физический транспорт продуктов реакции.
5. Методы раскисления
В общих чертах, раскисление можно разделить на две категории: химическое раскисление и вакуумное раскисление.
В инвестиционном литье, Химическое раскисление является наиболее распространенным.
В рамках химического раскисления, практические пути - диффузионное раскисление., раскисление осадков, и комбинированное раскисление.
Диффузионное раскисление
Диффузионное раскисление происходит за счет уменьшения содержания кислородсодержащих веществ в шлаке, в результате чего кислород мигрирует из металла в фазу шлака..
Мелкие частицы раскислителя обычно предварительно нагревают и добавляют на поверхность расплава., часто вместе с покровным шлаком или флюсом.
Основная идея – равновесие. Если концентрация оксидов в шлаке снижена, расплав постоянно переносит больше кислородсодержащих веществ для восстановления баланса. Через некоторое время, металл становится чище.
Этот метод медленнее, чем прямое осаждение раскисления., но у него есть важное преимущество: продукты реакции с меньшей вероятностью будут повторно уноситься в расплав.
По этой причине, диффузионное раскисление позволяет получить более чистую металлическую ванну с меньшим количеством остаточных включений..
При индукционной плавке, электромагнитное перемешивание усложняет идеализированную картину и фактически помогает процессу.
Металл находится в непрерывном обращении., что увеличивает контакт между расплавом, Разоксидийзер, и шлак.
В правильных условиях, такое смешивание может сделать диффузионное раскисление более эффективным, чем предполагают учебники..
Раскисление осадков
Раскисление осадков, иногда называемое прямым раскислением, включает добавление раскислителей непосредственно в расплавленный металл, чтобы кислород удалялся посредством немедленной химической реакции..
Обычные раскислители включают кремний., марганец, алюминий, и композиционные раскислители, содержащие комбинации этих элементов.
Этот метод быстрый. В этом его главная сила. Это особенно полезно, когда расплав необходимо быстро обработать перед разливкой..
Однако, скорость реакции также является его слабостью. Продукты раскисления могут образовываться в виде очень мелких частиц, не успевающих всплывать до начала разливки..
Если температура плавления недостаточно высока, или если время выдержки слишком короткое, эти частицы остаются во взвешенном состоянии и в конечном итоге задерживаются в отливке..
Поэтому, раскисление осадков эффективно только при условии своевременного проведения, температура, и шлаковая практика. Его не следует рассматривать как отдельное решение..
Комбинированное раскисление
В реальном производстве, наиболее разумным подходом обычно является комбинированный процесс: предварительное раскисление с последующим окончательным раскислением.
Это общая практическая логика в литье по выплавляемым моделям.. Предварительный этап постепенно снижает содержание кислорода и стабилизирует расплав..
На заключительном этапе регулируется уровень остаточного кислорода непосредственно перед разливкой и обеспечивается безопасное металлургическое состояние ванны..
В реальной практике цеха, метод окончательного раскисления может напоминать либо осаждающее, либо диффузионное раскисление в зависимости от техники оператора..
Некоторые металлурги добавляют очень тонкий слой покровного флюса., затем нанесите композитный раскислитель, и, наконец, повторно покройте поверхность, чтобы вызвать реакцию на границе шлак-металл.. В этом случае, метод больше похож на диффузионное раскисление.
Другие закапывают раскислитель поглубже в ванну, что ближе к раскислению осадков. Граница между ними не всегда жесткая.
Вот почему споры по поводу ярлыков могут быть менее продуктивными, чем контроль результатов..
Реальный вопрос не в том, является ли конкретный этап «диффузией» или «осаждением» в учебниковом смысле., но достаточно ли понижен кислород и можно ли удалять продукты перед разливом.
6. Раскисление не завершено до тех пор, пока продукты не покинут расплав.
Это момент, который чаще всего упускают из виду.
Расплав может быть химически раскислен и при этом оставаться металлургически загрязненным.. Почему? Потому что продукты раскисления сами являются включениями. Если они остаются подвешенными в ванне, они просто новый источник дефектов.
Поэтому, хорошая практика раскисления должна отвечать сразу на три вопроса:
Сколько кислорода осталось в растворе?
Какие оксидные включения образуются?
Как будут удаляться эти включения?
Лучший раскислитель не обязательно тот, который реагирует быстрее всего.. Именно он производит включения подходящего размера., морфология, и плавучесть, и тот, который работает в гармонии с практикой удаления шлака и заливки.
В этом смысле, раскисление следует понимать как инженерию включения, не только поглощение кислорода.
7. Современный взгляд: Контроль кислорода как контроль чистоты расплава
Более продвинутый способ подумать о раскислении — перестать рассматривать кислород как однозначную проблему.. Содержание кислорода имеет значение, но это только один из показателей чистоты расплава..
Современный инженер-литейщик также должен учитывать:
термодинамическая активность кислорода,
тип и состав образующихся включений,
кинетика флотации этих включений,
взаимодействие оксидов и тугоплавких оболочек,
влияние электромагнитного перемешивания на пути реакции,
и время добавления раскислителя относительно заливки.
Этот более широкий взгляд особенно ценен при литье по выплавляемым моделям., где дефекты часто возникают из-за нескольких связанных механизмов, а не из-за одной изолированной причины.
Оболочка, химически активная, расплав, который слегка переокислен, и раскислитель, добавленный слишком поздно, вместе могут создать дефект, который полностью не решит ни одно корректирующее действие..
8. Заключение
Фактически, Однажды я задался вопросом, является ли окончательное раскисление осаждаемым или диффузионным., но позже я понял, что это всего лишь концептуальное различие.
Более того, формы раскисления различны для разных марок стали: например, в углеродистой стали для раскисления используется вставка из алюминиевой проволоки,
в то время как в нержавеющей стали используется композитный раскислитель (такие как кремний-алюминий-барий-кальциевый сплав) для раскисления — некоторые являются осадками раскисления, некоторые из них являются диффузионным раскислением, а у некоторых даже обе реакции наблюдаются одновременно.
Что вы думаете об этом? Кроме того, с развитием технологии литья по выплавляемым моделям, некоторые новые композитные раскислители (например, сплав кальция, кремния и марганца) имеют преимущества как быстрого раскисления, так и легкого всплытия продуктов,
который постепенно стал основным выбором в производстве высококачественного литья по выплавляемым моделям., с добавленной суммой обычно 0.2%-0.4% веса расплавленной стали.
Следует подчеркнуть, что вакуумное раскисление, как еще один метод раскисления, в основном используется в производстве высококачественного литья по выплавляемым моделям. (такие как компоненты аэрокосмических двигателей и медицинские имплантаты).
В нем используется принцип, согласно которому растворимость кислорода в расплавленной стали значительно снижается в условиях вакуума., заставляя растворенный кислород в расплавленной стали выпадать в осадок и выходить в виде газа.
Вакуумное раскисление позволяет избежать появления новых включений раскислителями., и эффект раскисления более тщательный,
но инвестиции в оборудование и стоимость эксплуатации высоки, поэтому он не широко используется в обычном производстве литья по выплавляемым моделям..
В некоторых передовых производственных линиях, вакуумное раскисление сочетается с раскислением раскислителем для достижения наилучшего эффекта раскисления., обеспечение того, чтобы общее содержание кислорода в расплавленной стали снизилось до уровня ниже 0.002%.
