V odlievanie investícií, deoxidácia sa často považuje za rutinný krok: pridať dezoxidanty, škvaru zožrať, naliať teplo, a dúfam, že casting vyjde čistý.
No predsa v praxi, pri poruchách, ako je pórovitosť, inklúzia, žilkovité povrchové reakcie, alebo sa objavia lokálne horúce miesta, deoxidácia je zvyčajne prvé miesto, na ktoré sa inžinieri pozerajú.
Ten inštinkt je správny, ale samotný pojem je často chápaný príliš úzko.
Deoxidácia nie je len akt „spotreby kyslíka“. V metalurgickom zmysle, ide o systematickú kontrolnú stratégiu zameranú na zníženie množstva rozpusteného kyslíka v tavenine,
obmedzenie tvorby oxidových inklúzií, a zlepšenie čistoty, plynulosť, a medzifázové správanie kovu počas liatia a tuhnutia.
V investičnom castingu, na tom záleží ešte viac ako v mnohých iných procesoch, pretože keramická škrupina je tenká, chemicky aktívny pri vysokej teplote, a vysoko citlivý na oxidačný stav prúdu zliatiny.
Zle deoxidovaná tavenina nevytvára len vnútorné defekty; môže tiež zintenzívniť reakcie kov-forma na rozhraní plášťa.
Z tohto dôvodu, v kontexte investičného liatia je presnejšie hovoriť o „tavení“ ako o „tavení“..
Kov sa nezušľachťuje v plnom zmysle pre výrobu ocele; napriek tomu, stále platia rovnaké fyzikálne a chemické princípy kontroly kyslíka.
1. Odkiaľ pochádza kyslík v tavenine?
Kyslík vstupuje do roztaveného kovu niekoľkými cestami:
Prvým je samotný náboj. šrot, sa vracia, zliatiny, a ferozliatiny môžu niesť povrchové oxidy, mierka, hrdzavenie, alebo absorbovanej vlhkosti.
Druhým je atmosféra. Počas nabíjania, taviace sa, skimming, vzorkovanie, a nalievanie, povrch taveniny je vystavený vzduchu a neustále si vymieňa plyny s okolím.
Tretím je systém pece alebo téglika. Žiaruvzdorné materiály, zvyšky trosky, a toky môžu prispievať druhmi nesúcimi kyslík, najmä pri vysokej teplote alebo pri opakovanom tepelnom cyklovaní.
Inými slovami, tavenina nie je nikdy skutočne izolovaná. Kyslík nie je náhodná nečistota; je takmer nevyhnutným účastníkom tepelnej histórie tepla.
2. Dve formy kyslíka v roztavenej oceli
V roztavenej oceli, kyslík vo všeobecnosti existuje v dvoch formách.
Prvým je rozpustený kyslík. Toto je kyslík prítomný v atómovej forme v tekutom kove, niekedy sa označuje ako aktívny kyslík, pretože sa môže ľahko podieľať na oxidačných reakciách.
Je to najnebezpečnejšia forma z hľadiska dezoxidácie, pretože je chemicky mobilná a priamo ovplyvňuje spotrebu zliatiny, formovanie inklúzie, a defekty súvisiace s plynom počas tuhnutia.
Druhým je kombinovaný kyslík, ktorý existuje vo forme stabilných oxidov alebo oxysulfidových inklúzií. V tejto fáze, kyslík už nie je „zadarmo“.,“ ale nezmizlo.
Bol prenesený do pevných alebo polotuhých nekovových častíc suspendovaných v tavenine alebo zachytených v stuhnutom kove.
Tieto inklúzie môžu byť chemicky relatívne inertné, napriek tomu zostávajú škodlivé, pretože znižujú čistotu, oslabiť mechanické vlastnosti, a pôsobia ako miesta iniciácie trhliny.
Takže keď hovoríme o obsahu kyslíka, skutočne hovoríme o systéme zloženom z rozpusteného kyslíka a chemicky zlúčeného kyslíka. Účinná deoxidácia sa musí týkať oboch.
3. Prečo je kyslík škodlivý
Nebezpečenstvo kyslíka sa často podceňuje, pretože je distribuované v niekoľkých fázach procesu, a nie ako jedno dramatické zlyhanie..
Škody v tekutom stave
Rozpustený kyslík agresívne oxiduje legujúce prvky v tavenine. To nielen zvyšuje straty kovu, ale tiež plytvá drahými mikrolegovacími prísadami, ako je bór, zirkón, alebo prvky vzácnych zemín.
Vo vysokovýkonných zliatinách, dokonca aj stopový kyslík môže zmeniť účinnú chémiu natoľko, že ohrozí cieľové vlastnosti.
Rovnako dôležité, kyslík podporuje tvorbu oxidových inklúzií. Tieto inklúzie nie sú len defektmi v kozmetickom zmysle; sú ťažké, krehký, a často hranatý.
Zasahujú do kŕmenia, zvýšiť odolnosť pri obrábaní, znížiť únavovú životnosť, a odolnosť voči poškodeniu.
V presných odliatkoch, kde je rozhodujúca rozmerová presnosť a integrita povrchu, aj malý nárast inklúznej populácie môže spôsobiť neúmerné zvýšenie miery odmietnutia.
Škody počas tuhnutia
Ako tavenina chladne, rozpustnosť kyslíka v tekutej oceli klesá. Kyslík, ktorý bol stabilný v kvapalnom stave, sa stáva termodynamicky nestabilným a hľadá novú formu.
Táto transformácia spôsobuje niekoľko problémov.
Prvé
Rozpustený kyslík môže reagovať s uhlíkom za vzniku oxidu uhoľnatého.
Ak k tejto reakcii dôjde počas tuhnutia alebo v záverečných fázach nalievania, výsledkom je pórovitosť plynu, mikrozmrštenie zhoršené vývojom plynu, alebo opuch v kalichu sprue v závažných prípadoch.
V investičnom castingu, to môže byť vnímané ako systém bežca, ktorý sa správa abnormálne, vylievacia nádrž, ktorá sa namiesto usadzovania vydúva, alebo odliatkov, ktoré vykazujú vnútornú pórovitosť, aj keď sa kŕmenie zdá byť dostatočné.
Druhý
Kyslík sa môže kombinovať s prvkami, ako je hliník, titán, kremík, a mangán, aby sa pri poklese teploty vytvorili nové inklúzie oxidov.
Tieto inklúzie sú zvyčajne početnejšie ako pôvodné častice, pretože čelo tuhnutia má tendenciu ich zachytávať a turbulentný prúd odlievania ich rozptyľuje v tavenine..
Po tretie
Oxidy odvodené od kyslíka môžu reagovať so sírou za vzniku eutektík s nízkou teplotou topenia na hraniciach zŕn.
To podporuje horkosť a intergranulárnu slabosť. Výsledkom nie je vždy viditeľná prasklina; niekedy sa neskôr prejaví ako zlá obrobiteľnosť, trhanie okraja, alebo znížená životnosť.
Po štvrté
Z hľadiska interakcie plesní, kyslík sa stáva obzvlášť nebezpečným, keď tavenina zmáča keramický obal.
Čistá oceľová tavenina ľahko nezmáča žiaruvzdorné povrchy, ale kov bohatý na kyslík môže na rozhraní vytvárať FeO a iné druhy oxidov s nízkou teplotou topenia.
Tieto oxidy môžu reagovať s škrupinovými materiálmi obsahujúcimi oxid kremičitý a vytvárať silikáty s nízkou teplotou topenia, ako sú zlúčeniny fayalitového typu.
Raz sa to stane, tavenina môže preniknúť do povrchu škrupiny, produkujúce penetráciu kovu, prilepenie škrupiny, povrchové inklúzie, alebo defekty chemickej väzby, ktoré sú často nesprávne diagnostikované ako obyčajná inklúzia trosky.
Tento bod je obzvlášť dôležitý pri liatí na investičné liatie, pretože mnohé systémy škrupín obsahujú reaktívne fázy oxidu kremičitého.
Ak obal obsahuje dostatok aktívneho SiO₂ alebo cristobalitu, tavenina bohatá na kyslík môže reagovať so stenou formy spôsobom, ktorý sa veľmi podobá klasickým mechanizmom vyhorenia pri liatí do piesku alebo penetrácii kovu. Mierka je iná, ale chémia je v podstate podobná.
Škody v pevnom kove
Po tuhnutí, kyslík zostáva zachytený hlavne ako oxidové a oxysulfidové inklúzie. V tejto fáze, už nejde o vývoj plynu; ide o metalurgickú čistotu.
Veľkosť, morfológia, množstvo, a distribúcia inklúzií určuje, nakoľko budú škodlivé.
Pokuta, zaoblené, riedko rozptýlené častice môžu byť v niektorých aplikáciách tolerovateľné, kým veľké, zoskupené, alebo uhlové inklúzie môžu byť katastrofálne.
Znižujú ťažnosť, zhoršiť únavový výkon, nižšia odolnosť proti nárazu, a vytvoriť lokálne miesta koncentrácie stresu.
V presných odliatkoch, kde je priestor pre chyby úzky, kontrola inklúzie je často skrytou premennou za stabilitou kvality.
4. Skutočný účel deoxidácie
Účelom deoxidácie nie je len „zabiť“ rozpustený kyslík. Ide o presun kyslíka z taveniny kontrolovaným a metalurgicky užitočným spôsobom.
To znamená, že sa musia stať dve veci súčasne:
Prvé, rozpustený kyslík sa musí znížiť na dostatočne nízku úroveň, aby boli legujúce prvky chránené, reakcie plynov sú potlačené, a tavenina sa pri nalievaní správa čisto.
Druhý, oxidové produkty dezoxidácie sa musia z taveniny čo najefektívnejšie odstrániť flotáciou trosky a praxou čistého kovu.
Deoxidátor, ktorý vytvára veľké množstvo tvrdohlavých inklúzií bez toho, aby im umožnil uniknúť, vyriešil len polovicu problému a môže dokonca zhoršiť výsledok odlievania..
To je dôvod, prečo by sa deoxidácia a odstraňovanie trosky nikdy nemali považovať za oddelené, nesúvisiace operácie.
V praxi, sú jedným spojeným procesom: chémia odstraňovania kyslíka a fyzikálny transport reakčných produktov.
5. Metódy deoxidácie
Všeobecne povedané, deoxidáciu možno rozdeliť do dvoch kategórií: chemická dezoxidácia a vákuová deoxidácia.
V investičnom castingu, chemická deoxidácia je zďaleka najbežnejšia.
V rámci chemickej deoxidácie, praktickými cestami sú difúzna deoxidácia, precipitačná deoxidácia, a kombinovaná deoxidácia.
Difúzna deoxidácia
Difúzna deoxidácia funguje tak, že sa redukuje kyslík v troske, takže kyslík migruje z kovu do troskovej fázy..
Jemné častice deoxidačného činidla sa typicky predhrievajú a pridávajú na povrch taveniny, často spolu s krycou troskou alebo tavivom.
Kľúčovou myšlienkou je rovnováha. Ak sa koncentrácia oxidu v troske zníži, tavenina nepretržite prenáša viac látok obsahujúcich kyslík, aby sa obnovila rovnováha. Časom, kov sa stáva čistejším.
Táto metóda je pomalšia ako priama zrážacia deoxidácia, ale má to dôležitú výhodu: je menej pravdepodobné, že sa reakčné produkty znovu strhnú do taveniny.
Z tohto dôvodu, difúzna deoxidácia môže produkovať čistejší kovový kúpeľ s menším počtom zvyškových inklúzií.
Pri indukčnom tavení, elektromagnetické miešanie komplikuje idealizovaný obraz a v skutočnosti pomáha procesu.
Kov je v nepretržitom obehu, čo zvyšuje kontakt medzi taveninou, deoxidizér, a troska.
Za správnych podmienok, toto miešanie môže zefektívniť difúznu deoxidáciu, ako naznačujú učebnice.
Zrážky Deoxidácia
Deoxidácia zrážok, niekedy nazývaná priama deoxidácia, zahŕňa pridávanie deoxidačných činidiel priamo do roztaveného kovu, takže kyslík je odstránený okamžitou chemickou reakciou.
Medzi bežné dezoxidanty patrí kremík, mangán, hliník, a kompozitné deoxidačné činidlá obsahujúce kombinácie týchto prvkov.
Táto metóda je rýchla. To je jeho hlavná sila. Je to užitočné najmä vtedy, keď sa tavenina musí pred nalievaním rýchlo spracovať.
Avšak, rýchlosť reakcie je aj jeho slabinou. Produkty dezoxidácie sa môžu tvoriť ako veľmi jemné častice, ktoré nemajú dostatok času na to, aby vyplávali pred začiatkom nalievania.
Ak teplota taveniny nie je dostatočne vysoká, alebo ak je čas držania príliš krátky, tieto častice zostávajú suspendované a nakoniec sú zachytené v odliatku.
Preto, zrážacia deoxidácia je účinná len vtedy, keď je spojená s primeraným časom, teplota, a škvarová prax. Nemalo by sa to považovať za samostatné riešenie.
Kombinovaná deoxidácia
V reálnej produkcii, najrozumnejším prístupom je zvyčajne kombinovaný proces: predbežná dezoxidácia, po ktorej nasleduje konečná dezoxidácia.
Toto je bežná praktická logika pri investovaní. Predstupeň postupne znižuje obsah kyslíka a stabilizuje taveninu.
Konečná fáza upravuje hladinu zvyškového kyslíka bezprostredne pred nalievaním a zabezpečuje, že kúpeľ je v bezpečnom metalurgickom stave.
V skutočnej prevádzkovej praxi, konečná dezoxidačná metóda sa môže podobať buď precipitačnej deoxidácii alebo difúznej deoxidácii v závislosti od techniky operátora.
Niektorí metalurgovia pridávajú veľmi tenkú vrstvu krycieho taviva, potom aplikujte kompozitný deoxidátor, a nakoniec znovu zakryte povrch, aby sa vyvolala reakcia na rozhraní troska-kov. V tom prípade, metóda sa správa skôr ako difúzna deoxidácia.
Iní vkladajú dezoxidátor hlbšie do kúpeľa, čo je bližšie k zrážacej deoxidácii. The boundary between the two is not always rigid.
That is why arguing over labels can be less productive than controlling outcomes.
The real question is not whether a particular step is “diffusion” or “precipitation” in a textbook sense, but whether the oxygen is sufficiently lowered and whether the products can be removed before pouring.
6. Deoxidácia nie je dokončená, kým produkty neopustia taveninu
This is the point that is most often overlooked.
A melt can be chemically deoxidized and still be metallurgically dirty. Dôvod? Because deoxidation products are themselves inclusions. If they remain suspended in the bath, they are simply a new defect source.
Preto, a good deoxidation practice must answer three questions at once:
How much oxygen remains in solution?
What kind of oxide inclusions are being formed?
How will those inclusions be removed?
Najlepší deoxidátor nemusí byť nevyhnutne ten, ktorý reaguje najrýchlejšie. Je to ten, ktorý produkuje inklúzie s priaznivou veľkosťou, morfológia, a plávateľnosť, a taký, ktorý funguje v súlade s odstraňovaním trosky a liatím.
V tomto zmysle, deoxidácia by sa mala chápať ako inklúzne inžinierstvo, nielen zachytávanie kyslíka.
7. Moderný pohľad: Kontrola kyslíka ako riadenie čistoty taveniny
Pokročilejší spôsob uvažovania o deoxidácii je prestať považovať kyslík za problém s jedným číslom. Dôležitý je obsah kyslíka, ale je to len jeden rozmer čistoty taveniny.
Moderný inžinier odlievania by mal tiež zvážiť:
termodynamická aktivita kyslíka,
typ a zloženie vytvorených inklúzií,
kinetika flotácie týchto inklúzií,
interakcia medzi oxidmi a žiaruvzdornými plášťami,
vplyv elektromagnetického miešania na reakčné dráhy,
a načasovanie pridávania deoxidačného činidla vzhľadom na nalievanie.
Tento širší pohľad je obzvlášť cenný pri investovaní, kde defekty často vznikajú z viacerých spojených mechanizmov, a nie z jednej izolovanej príčiny.
Škrupina, ktorá je chemicky aktívna, tavenina, ktorá je mierne preoxidovaná, a dezoxidátor, ktorý sa pridá príliš neskoro, môže spolu vytvoriť poruchu, ktorú žiadne nápravné opatrenie úplne nevyrieši.
8. Záver
V skutočnosti, Raz som bojoval s tým, či finálna deoxidácia je zrážacia deoxidácia alebo difúzna deoxidácia, ale neskôr som si uvedomil, že ide len o pojmové rozlíšenie.
Navyše, formy dezoxidácie sú rôzne pre rôzne typy ocelí: napríklad, uhlíková oceľ používa na deoxidáciu vloženie hliníkového drôtu,
zatiaľ čo nehrdzavejúca oceľ používa kompozitný deoxidátor (ako je zliatina kremík-hliník-bárium-vápnik) na deoxidáciu — niektoré sú zrážacou deoxidáciou, niektoré sú difúzna deoxidácia, a niektorí majú dokonca obe reakcie súčasne.
čo si o tom myslíš? Navyše, s rozvojom technológie investičného liatia, niektoré nové kompozitné dezoxidanty (ako je zliatina vápnika, kremíka a mangánu) majú výhody rýchlej deoxidácie a ľahkého plávania produktov,
ktorý sa postupne stal hlavnou voľbou vo výrobe vysokokvalitných odliatkov, s prídavným množstvom všeobecne 0.2%-0.4% hmotnosti roztavenej ocele.
Je potrebné zdôrazniť, že vákuová deoxidácia, ako ďalší spôsob dezoxidácie, sa používa hlavne pri výrobe špičkových investičných odliatkov (komponenty leteckých motorov a lekárske implantáty).
Využíva princíp, že rozpustnosť kyslíka v roztavenej oceli výrazne klesá v podmienkach vákua, rozpustený kyslík v roztavenej oceli sa vyzráža a unikne vo forme plynu.
Vákuová deoxidácia môže zabrániť zavedeniu nových inklúzií deoxidátormi, a dezoxidačný účinok je dôkladnejší,
ale jeho investície do vybavenia a prevádzkové náklady sú vysoké, takže nie je široko používaný v bežnej výrobe investičných odliatkov.
V niektorých vyspelých výrobných linkách, vákuová deoxidácia je kombinovaná s dezoxidáciou dezoxidátora, aby sa dosiahol najlepší deoxidačný účinok, zabezpečenie zníženia celkového obsahu kyslíka v roztavenej oceli pod hodnotu 0.002%.
