Факторы, влияющие на качество поверхности отливок

Качество поверхности отливок зависит от каждого шага, касающегося рисунка., пресс-форма и металл — от состояния матрицы/модели и реологии материала модели до подготовки оболочки/лицевого покрытия., депарафинизация и обжиг снарядов, плавить, залив, охлаждение и окончательная обработка.

Контроль шероховатости поверхности (Раствор) и избежание микро-неровностей требует пристального внимания к инструментам., материалы, параметры процесса и обработка после литья.

В данной статье анализируются основные факторы, количественно определяет практические диапазоны регулирования, где это возможно, и дает действенные рекомендации по процессам и проверкам.

1. Факторы, связанные с плесенью

Форма служит основой инвестиционный кастинг, так как от его качества напрямую зависит форма и состояние поверхности восковой модели., что в конечном итоге передается на финальный кастинг.

Влияние форм на качество поверхности восковой модели можно оценить по трем аспектам.:

Проектирование структуры пресс-формы и качество поверхности

Необоснованная конструкция конструкции пресс-формы часто приводит к царапины и потертости при расформовке восковой модели. Отремонтированные поверхности восковых моделей неизбежно уступают оригиналу., и эти дефекты будут непосредственно воспроизведены на поверхности отливки..

Например, Острые углы (без галтелей Р<0.3мм), недостаточные углы уклона (<1° для сложных полостей), или неровные разделительные поверхности в конструкции формы увеличивают трение между восковой моделью и полостью формы., вызывая повреждение поверхности во время извлечения из формы.

Шероховатость поверхности формы является решающим фактором для качества поверхности восковой модели.. Если шероховатость поверхности формы составляет всего Ra3,2 мкм., полученная восковая модель будет иметь еще более низкое качество поверхности (Ra4,0–5,0 мкм), который напрямую передается на отливку.

Практический опыт показывает, что необходимо контролировать оптимальную шероховатость поверхности формы. в пределах Ra0,8 мкм; чрезмерная гладкость (НАПРИМЕР., Ра0,2 мкм) существенно не улучшает качество восковой модели, но увеличивает затраты на обработку формы на 30–50 %..

Контроль температуры пресс-формы

Температура формы оказывает существенное влияние на текучесть воска и точность репликации.. Для среднетемпературных восковых систем, оптимальная температура формы 45–55℃.

Когда температура формы слишком низкая (<35℃), текучесть воскового материала резко снижается, что приводит к плохой репликации поверхности воскового рисунка., сопровождается следами потока и холодными закрытиями.

Более критично, если температура формы падает ниже точки росы воды (обычно 15–20 ℃ в мастерских), на поверхности формы образуются многочисленные капли воды.

Эти капли занимают пространство воскового материала во время инъекции., приводит к неровной поверхности воскового рисунка — дефект, также вызванный избытком разделительного средства. (толщина распыления >5мкм).

Очень важно поддерживать соответствующую температуру пресс-формы.. Правильное повышение температуры формы (до 50–55℃) и давление впрыска (до 0,3–0,5 МПа) может эффективно улучшить текучесть воскового материала, повысить способность к воспроизведению воскового рисунка на поверхности формы, и, таким образом, косвенно улучшить качество поверхности отливки.

Однако, слишком высокая температура формы (>60℃) может привести к слишком медленному охлаждению и затвердеванию воскового материала., приводящие к деформации восковой модели (отклонение размеров >0.5мм) и увеличение времени производственного цикла, требующий баланса между качеством и эффективностью.

Размер ворот для инъекций воска

Размер отверстия для впрыска воска напрямую влияет на давление впрыска и скорость наполнения воском..

Для небольших отливок (масса <500глин), оптимальный диаметр ворот **φ8–φ10 мм**; для крупных отливок (масса >500глин), диаметр ворот может быть увеличен до φ10–φ12 мм.

Соответствующее увеличение размера литника помогает увеличить давление впрыска парафина., обеспечить полное заполнение полости формы, и уменьшить поверхностные дефекты, такие как недостаточное заполнение и следы текучести на восковой модели..

Для сложных отливок с тонкими стенками (<2мм), конструкция с несколькими воротами (2–4 ворот) рекомендуется для дальнейшего улучшения однородности наполнения.

2. Воздействие воскового материала

Тип и характеристики воскового материала являются основными факторами, определяющими качество поверхности восковой модели., поскольку разные восковые материалы демонстрируют различное поведение при кристаллизации и затвердевании.

Стол 1 обобщает ключевые параметры производительности и влияние на качество поверхности обычных восковых материалов для литья по выплавляемым моделям..

Стол 1: Сравнение характеристик обычных восковых материалов для литья по выплавляемым моделям

Низкотемпературный воск (Воск парафин-стеариновая кислота)

Низкотемпературный воск, состоит из парафина (60%–70%) и стеариновая кислота (30%–40%), производит восковые модели с самым плохим качеством поверхности.

В виде кристаллического воска, имеет узкий диапазон температур кристаллизации и крупные зерна стеариновой кислоты. (размер зерна >50мкм).

Во время затвердевания, жидкого воска недостаточно для заполнения промежутков между зернами, в результате получается шероховатая поверхность воскового рисунка.

Даже за счет увеличения давления впрыска или корректировки параметров процесса., качество поверхности восковых моделей, изготовленных из низкотемпературного воска, невозможно существенно улучшить, ограничение его применения при высокоточном литье.

Среднетемпературный воск

Среднетемпературный воск, многокомпонентная смесь, содержащая микрокристаллический воск, смола, и пластификаторы, не имеет фиксированной температуры плавления и более широкий диапазон температур затвердевания по сравнению с низкотемпературным воском.

Во время затвердевания, из-за разной температуры затвердевания его компонентов, жидкая фаза может полностью заполнить промежутки между твердыми фазами, в результате получаются восковые модели со значительно более высоким качеством поверхности..

Однако, Характеристики среднетемпературного воска различаются у разных производителей.; воск с содержанием смолы 5–8% демонстрирует наилучший баланс между текучестью и гладкостью поверхности..

Заполненный воск

Заполненный воск, армированный керамическим порошком (5%–10%) или стекловолокно (3%–5%), производит восковые модели с высочайшим качеством поверхности.

Добавление наполнителей оптимизирует кристаллизационные характеристики восковой матрицы., уменьшает усадку при затвердевании (от 2.0% до 0,8%–1,2%), повышает твердость поверхности и износостойкость воскового рисунка..

Это не только улучшает гладкость поверхности восковой модели, но и снижает деформацию при хранении и транспортировке. (скорость деформации <0.2% в течение 24 часов), обеспечение стабильной передачи качества поверхности отливке.

Очистка восковой модели и травление поверхности.

Очистку воскового рисунка часто ошибочно понимают как простое удаление разделительного состава с поверхности., но его важнейшая функция травление поверхности.

Для восковых моделей средней температуры., оптимальный процесс очистки использует нейтральный травильный агент (концентрация 5–8%) со значением pH 6,5–7,5, время замачивания 1–2 минуты, с последующим ополаскиванием деионизированной водой и сушкой при 40–50 ℃ в течение 10–15 минут..

В процессе очистки, на поверхности восковой модели формируется легкий эффект травления, что увеличивает шероховатость поверхности воскового рисунка на микроуровне. (Ra от 1,6 мкм до 2,0–2,5 мкм) и улучшает смачиваемость и адгезию последующего поверхностного покрытия..

Правильное травление создает «микрошероховатую» поверхность, которая обеспечивает более прочное прилегание покрытия., избежание отслаивания покрытия или неравномерной толщины во время сушки и обжарки.

Это особенно важно для улучшения гладкости поверхности отливок., как хорошо прилипающее покрытие может эффективно имитировать поверхность воскового рисунка и предотвращать дефекты проникновения песка..

4. Факторы покрытия поверхности

Поверхностное покрытие (первичное покрытие) находится в прямом контакте с восковой моделью, а его эксплуатационные характеристики и параметры применения оказывают решающее влияние на качество поверхности отливки..

Свойства материала поверхностного покрытия

Хотя влияние поверхностного порошка и песка на качество поверхности широко признано., влияние золя кремнезема — важного компонента покрытия — на качество поверхности менее изучено..

Высококачественный силиказоль (независимо от того, импортированы они или произведены внутри страны) с равномерным размером коллоидных частиц (10-20 морских миль) и низкая вязкость (2–5 мПа·с при 25℃) демонстрирует превосходную производительность.

При той же вязкости в чаше расходомера (Кубок Форда #4: 20-25 с), такой золь кремнезема может обеспечить более высокое соотношение порошка и жидкости. (2.5:1–3.0:1 для суспензии циркониевого порошка), в результате получается более плотное первичное покрытие.

Более плотное покрытие уменьшает пористость поверхности. (пористость <5%) и улучшает способность воспроизводить поверхность воскового рисунка., что приводит к более гладкой поверхности отливки (Ra снижается на 0,4–0,8 мкм по сравнению с использованием некачественного силиказоля.).

Толщина поверхностного покрытия

Для суспензий цирконового порошка (порошок циркона размером частиц 325–400 меш), оптимальная толщина первичного покрытия составляет 0.08–0,1 мм. Как чрезмерная, так и недостаточная толщина отрицательно влияют на качество поверхности отливки.:

• Недостаточная толщина (<0.08мм): Легко приводит к появлению дефектов «огуречных шипов» — острых, игольчатые выступы (высота 0,1–0,3 мм) на поверхности отливки из-за проникновения песка или неравномерного покрытия.
• Чрезмерная толщина (>0.1мм): Приводит к различным формам дефектов.
  Из-за усадки при сушке и обжарке. (степень усадки 3–5%), толстый слой может частично отслоиться от поверхности восковой модели, образуя грубый, округлые выпуклые частицы (диаметр 0,2–0,5 мм) на поверхности отливки.

Контроль толщины покрытия требует точной регулировки вязкости раствора. (Кубок Форда #4: 20-25 с), время погружения (5–10 с), и условия сушки (температура 25–30℃, влажность 40–60 %, время высыхания 2–4 часа) для обеспечения равномерной толщины и хорошей адгезии.

5. Процесс депарафинизации

Цель депарафинизации – полное удаление воска из ракушечной формы..

Для среднетемпературного воска, Для оптимального процесса депарафинизации используется паровой котел для депарафинизации с давлением 0.6-0,8 МПа и температура 120–130℃, время депарафинизации 15–25 минут (регулируется в зависимости от размера корпуса).

Остаточный воск в скорлупе (массовая доля >0.5%), если не полностью сгорел во время запекания, будет производить технический углерод и другие примеси, которые прилипают к поверхности отливки и ухудшают качество поверхности — этот вопрос далее обсуждается в разделе обжига..

Однако, Полная депарафинизация не означает продление времени депарафинизации. При условии обеспечения полного удаления воска (остаточный воск <0.5%), время депарафинизации должно быть сведено к минимуму.

Температура в котле для депарафинизации превышает температуру обычного оборудования для быстрой дегидратации., и длительное воздействие воска на высокие температуры (>130℃ для >30 минуты) ускоряет старение воска.

Состаренный воск имеет пониженную текучесть. (увеличение вязкости на 20–30%) и повышенная хрупкость, что может повлиять на последующую переработку воска и увеличить риск появления дефектов в новых восковых моделях..

6. Хранение пресс-форм

Способ хранения ракушечных форм зависит от чистоты цеха., с основной целью минимизировать или предотвратить попадание посторонних предметов в полость корпуса.

Стол 2 приведены оптимальные параметры хранения оболочковых форм после депарафинизации..

Стол 2: Оптимальные параметры хранения депарафинированных оболочковых форм

Многие производители ошибочно полагают, что размещение корпуса литником вниз обеспечивает безопасность., но это не всегда так.

Если снаряды уложены прямо на землю или железные рамы, загрязненные частицами песка и другим мусором, во время манипуляций в полость могут попасть посторонние предметы, появление включений в отливках.

Такие включения требуют шлифовки и сварочного ремонта., что серьезно ухудшает качество поверхности отливки (После ремонта Ra увеличился на 2,0–3,0 мкм.).

7. Обжиг в форме оболочки

Остатки воска в форме-скорлупе должны полностью сгореть во время обжарки во избежание образования углеродистых остатков.. Оптимальный процесс обжига ракушек на основе циркона выглядит следующим образом.:

1. Этап нагрева: Нагрейте от комнатной температуры до 500 ℃ со скоростью 5–10℃/мин (медленный нагрев, чтобы избежать растрескивания скорлупы).
2. Этап изоляции 1: Удерживайте при 500 ℃ в течение 30 минут, чтобы сжечь остатки воска.
3. Этап нагрева 2: Нагрев от 500 ℃ до 900–1100℃ со скоростью 10–15℃/мин..
4. Этап изоляции 2: Поддерживайте температуру 900–1100 ℃ в течение 2–3 часа для повышения прочности скорлупы и удаления остаточной влаги.

Для обеспечения полного сгорания остаточного воска, содержание кислорода в обжиговой печи должно достигать 12% (контролируется кислородными датчиками в высокотехнологичном оборудовании).

Когда содержание кислорода составляет всего около 6%, густой черный дым появится примерно при 800 ℃., чего следует избегать.

Для оборудования без функции подачи кислорода, частично открыть дверцу топки (зазор 5–10 см) Увеличение поступления воздуха может улучшить уровень кислорода и способствовать полному сгоранию воска..

Правильная обжарка также повышает прочность скорлупы. (прочность на сжатие >20МПА) и уменьшает поверхностную пористость, дальнейшая оптимизация качества поверхности отливки.

8. Таяние, чистота металла и заливка

Практика плавки и разливки влияет на окисление поверхности., реакционная способность и образование пленок на поверхности.

Ключевые влияния

• Контроль шихты и шлака: загрязненные шихтовые материалы и плохое флюсование приводят к образованию большего количества включений на поверхности или оксидных пленок, которые улавливают приповерхностные шероховатости..
• Температура и скорость заливки: слишком высокие температуры заливки могут усилить окисление или чрезмерную реакцию с оболочкой.; слишком низкая температура может привести к неполному заполнению и шероховатостям из-за преждевременного замерзания..
• Метод охлаждения после заливки: контроль скорости охлаждения и предотвращение повторного окисления поверхности (НАПРИМЕР., использование заливочных коробок/покрытий) помогают минимизировать поверхностные конфликты.

Практичное управление

• Жесткий контроль за шихтой, эффективные методы раскисления и очистки флюсов/шлаков.
• Определить температурные окна заливки и схемы литников, способствующие ламинарному режиму., нетурбулентное наполнение для уменьшения захвата газа и образования поверхностной пленки.
• Минимизируйте воздействие окислительной атмосферы во время раннего затвердевания. (НАПРИМЕР., использование закрытых форм, когда это необходимо).

9. Послефинишный этап

Многие отливки демонстрируют приемлемое качество поверхности сразу после заливки, но серьезно повреждаются после последующей обработки, что делает этот этап основным виновником ухудшения качества поверхности у многих производителей..

Выделяются две ключевые проблемы: повреждение при столкновении и дробеструйная обработка.

Предотвращение повреждений при столкновении

Внедрить секретная система хранения и транспортировки: используйте пластиковые подносы с мягкой набивкой (Толщина пены ЭВА 5–10 мм.) для небольших отливок; используйте специальные приспособления для больших отливок, чтобы избежать прямого контакта между отливками. Это может снизить вероятность повреждения при столкновении более чем 80%.

Оптимизация процесса дробеструйной обработки

Дробеструйная очистка используется для удаления поверхностных оксидов и песка., и параметры его процесса напрямую влияют на качество поверхности отливки. Оптимальные параметры дробеструйной обработки отливок из нержавеющей стали следующие::

• Характеристики стальной дроби: Литая стальная дробь, диаметр 0,3–0,5 мм, твердость HRC 40–50.
• Давление дробеструйной обработки: 0.4–0,6 МПа.
• Время дробеструйной обработки: 10–15 минут за цикл (не более чем 15 минуты).
• Требования к оборудованию: Используйте дробеструйные аппараты с унифицированными проекционными системами. (однородность проекции ≥90%) и стабильный контроль тока (текущие колебания <5%).

Время дробеструйной обработки должно строго контролироваться — не более 15 минут за цикл. Если поверхность недостаточно очищена, несколько коротких циклов предпочтительнее длительной одноцикловой струйной обработки, чтобы избежать чрезмерной эрозии поверхности. (Ra увеличился на 1,0–2,0 мкм после чрезструйной обработки.).

10. Заключение

Качество поверхности отливок – результат междисциплинарного анализа.: металлургия, обработка керамики, тепловая инженерия и механическая обработка способствуют.

Рассматривая качество поверхности как критически важный для процесса атрибут качества – определяя числовые цели, мониторинг критических параметров (инструмент Ра, Вязкость в суспензии, толщина лицевого слоя, уровень кислорода депарафина, расплавить/залить окна) и внедрение контрольно-пропускных пунктов — литейные заводы могут производить стабильно гладкие, высококачественные отливки с предсказуемой технологичностью и меньшими затратами на доработку.