Faktory ovplyvňujúce kvalitu povrchu odliatkov

Kvalita povrchu odliatkov je funkciou každého kroku, ktorý sa dotýka vzoru, forma a kov – od stavu matrice/vzoru a reológie materiálu vzoru až po prípravu škrupiny/tváre, odparafínovanie a vypaľovanie škrupín, k topeniu, nalievanie, chladenie a konečná manipulácia.

Kontrola drsnosti povrchu (Rana) a vyhýbanie sa mikroskopickým nezrovnalostiam si vyžaduje dôslednú pozornosť na nástroje, materiál, parametre procesu a manipuláciu po odliatí.

Tento článok analyzuje hlavné faktory, kvantifikuje praktické kontrolné rozsahy tam, kde je to možné, a poskytuje použiteľné odporúčania týkajúce sa procesu a kontroly.

1. Faktory súvisiace s plesňou

Forma slúži ako základ odlievanie investícií, pretože jeho kvalita priamo určuje tvar a stav povrchu voskového vzoru, ktorý sa v konečnom dôsledku prenesie do finálneho odliatku.

Vplyv foriem na kvalitu povrchu voskového dezénu možno spracovať z troch hľadísk:

Dizajn štruktúry formy a kvalita povrchu

Nerozumný dizajn štruktúry formy často vedie k škrabance a odieranie pri vyberaní voskového vzoru. Opravené povrchy s voskovým vzorom sú nevyhnutne horšie ako pôvodné, a tieto defekty sa budú priamo replikovať na povrchu odliatku.

Napríklad, ostré rohy (bez filé R<0.3mm), nedostatočné uhly ponoru (<1° pre zložité dutiny), alebo nerovné deliace plochy v štruktúre formy zvyšujú trenie medzi voskovým vzorom a dutinou formy, spôsobiť poškodenie povrchu pri demontáži.

Drsnosť povrchu formy je rozhodujúcim faktorom pre kvalitu povrchu voskového vzoru. Ak je drsnosť povrchu formy iba Ra3,2μm, výsledný voskový vzor bude mať ešte nižšiu kvalitu povrchu (Ra4,0–5,0μm), ktorý sa priamo prenáša na odliatok.

Praktické skúsenosti ukazujú, že optimálna drsnosť povrchu formy by mala byť kontrolovaná v rámci Ra0,8 μm; nadmerná hladkosť (Napr., Ra 0,2 μm) výrazne nezlepšuje kvalitu voskového vzoru, ale zvyšuje náklady na spracovanie formy o 30 % – 50 %.

Kontrola teploty formy

Teplota formy má významný vplyv na tekutosť vosku a presnosť replikácie. Pre stredne teplotné voskové systémy, optimálna teplota formy je 45-55 ℃.

Keď je teplota formy príliš nízka (<35℃), tekutosť voskového materiálu prudko klesá, čo má za následok slabú povrchovú replikáciu voskového vzoru, sprevádzané značkami prietoku a studenými uzávermi.

Kritickejšie, ak teplota formy klesne pod rosný bod vody (typicky 15-20 ℃ v dielňach), na povrchu formy sa vytvorí množstvo vodných kvapiek.

Tieto kvapôčky zaberajú priestor voskového materiálu počas vstrekovania, čo vedie k nerovnomernému povrchu voskového vzoru – defekt spôsobený aj nadmerným uvoľňovaním činidla (hrúbka nástreku >5μm).

Udržiavanie vhodnej teploty formy je nevyhnutné. Správne zvýšenie teploty formy (na 50-55 ℃) a vstrekovacím tlakom (do 0,3 – 0,5 MPa) môže účinne zlepšiť tekutosť voskového materiálu, zvýšiť schopnosť replikácie voskového vzoru na povrchu formy, a tým nepriamo zlepšiť kvalitu povrchu odliatku.

Avšak, príliš vysoká teplota formy (>60℃) môže spôsobiť príliš pomalé ochladzovanie a tuhnutie voskového materiálu, čo vedie k deformácii voskového vzoru (rozmerová odchýlka >0.5mm) a zvýšenie času výrobného cyklu, vyžaduje rovnováhu medzi kvalitou a efektívnosťou.

Veľkosť brány na vstrekovanie vosku

Veľkosť vtoku na vstrekovanie vosku priamo ovplyvňuje vstrekovací tlak a rýchlosť plnenia vosku.

Pre malé odliatky (váha <500g), optimálny priemer brány je **φ8–φ10mm**; pre veľké odliatky (váha >500g), priemer brány sa dá zväčšiť na φ10–φ12 mm.

Primerané zväčšenie veľkosti brány pomáha zvýšiť tlak vstrekovania vosku, zabezpečiť úplné vyplnenie dutiny formy, a redukujú povrchové defekty, ako je nedostatočná náplň a stopy toku na voskovom vzore.

Pre zložité odliatky s tenkými stenami (<2mm), viacbránový dizajn (2- 4 brány) sa odporúča na ďalšie zlepšenie jednotnosti plnenia.

2. Vplyv voskového materiálu

Typ a výkon voskového materiálu sú kľúčovými faktormi určujúcimi kvalitu povrchu voskového vzoru, pretože rôzne voskové materiály vykazujú odlišné správanie pri kryštalizácii a tuhnutí.

Tabuľka 1 sumarizuje kľúčové výkonové parametre a účinky na kvalitu povrchu bežných voskových materiálov pre investičné liatie.

Tabuľka 1: Porovnanie výkonu bežných voskových materiálov pre investičné liatie

Nízkoteplotný vosk (Parafín-kyselina stearová vosk)

Nízkoteplotný vosk, zložený z parafínu (60%–70%) a kyselina stearová (30%–40%), vytvára voskové vzory s najslabšou kvalitou povrchu.

Ako kryštalický vosk, má úzky rozsah kryštalizačných teplôt a hrubé zrná kyseliny stearovej (veľkosť zrna >50μm).

Počas tuhnutia, nie je dostatok tekutého vosku na vyplnenie medzier medzi zrnami, výsledkom je drsný povrch voskového vzoru.

Aj zvýšením vstrekovacieho tlaku alebo úpravou parametrov procesu, kvalitu povrchu voskových vzorov vyrobených z nízkoteplotného vosku nie je možné výrazne zlepšiť, obmedzuje jeho použitie pri vysoko presnom odlievaní.

Stredne teplotný vosk

Stredne teplotný vosk, viaczložková zmes obsahujúca mikrokryštalický vosk, živice, a zmäkčovadlá, nemá pevný bod topenia a širší rozsah teplôt tuhnutia v porovnaní s nízkoteplotným voskom.

Počas tuhnutia, v dôsledku rôznych teplôt tuhnutia jeho zložiek, kvapalná fáza môže úplne vyplniť medzery medzi pevnými fázami, výsledkom sú voskové vzory s výrazne vyššou kvalitou povrchu.

Avšak, výkon stredne teplotného vosku sa u rôznych výrobcov líši; vosk s obsahom živice 5 % – 8 % vykazuje najlepšiu rovnováhu medzi tekutosťou a hladkosťou povrchu.

Plnený vosk

Plnený vosk, vystužené keramickým práškom (5%–10%) alebo sklenené vlákno (3%–5%), vytvára voskové vzory s najvyššou kvalitou povrchu.

Pridanie plnív optimalizuje kryštalizačné správanie voskovej matrice, znižuje zmršťovanie tuhnutia (od 2.0% na 0,8 % – 1,2 %), a zvyšuje tvrdosť povrchu a odolnosť voči opotrebovaniu voskového vzoru.

To nielen zlepšuje hladkosť povrchu voskového vzoru, ale tiež znižuje deformáciu počas skladovania a prepravy (rýchlosť deformácie <0.2% do 24h), zabezpečenie stabilného prenosu kvality povrchu na odliatok.

Čistenie voskových vzorov a leptanie povrchu

Čistenie voskového vzoru je často nesprávne chápané ako len odstraňovanie separačných činidiel z povrchu, ale jeho najdôležitejšou funkciou je povrchové leptanie.

Pre voskové vzory so strednou teplotou, optimálny proces čistenia využíva neutrálny leptací prostriedok (koncentrácia 5%-8%) s hodnotou pH 6,5–7,5, čas namáčania 1-2 minúty, nasleduje opláchnutie deionizovanou vodou a sušenie pri 40–50 °C počas 10–15 minút.

Počas procesu čistenia, na povrchu voskového vzoru sa vytvorí mierny efekt leptania, čo zvyšuje drsnosť povrchu voskového vzoru na mikroúrovni (Ra od 1,6 μm do 2,0–2,5 μm) a zlepšuje zmáčavosť a priľnavosť následného povrchového náteru.

Správne leptanie vytvára „mikrodrsný“ povrch, ktorý umožňuje pevnejšie priľnutie povlaku, aby sa zabránilo odlupovaniu povlaku alebo nerovnomernej hrúbke počas sušenia a praženia.

Toto je obzvlášť dôležité pre zlepšenie hladkosti povrchu odliatkov, ako dobre priľnavý náter môže účinne replikovať povrch voskového vzoru a zabrániť defektom pri prenikaní piesku.

4. Faktory povrchovej úpravy

Povrchový náter (primárny náter) je v priamom kontakte s voskovým vzorom, a jeho výkonové a aplikačné parametre majú rozhodujúci vplyv na kvalitu povrchu odliatku.

Vlastnosti materiálu povrchovej úpravy

Zatiaľ čo vplyv povrchového prášku a piesku na kvalitu povrchu je široko uznávaný, vplyv oxidu kremičitého – dôležitej zložky náteru – na kvalitu povrchu je menej známy.

Vysoko kvalitný kremičitý sol (či už dovezené alebo vyrobené doma) s jednotnou veľkosťou koloidných častíc (10-20 nm) a nízkou viskozitou (2–5 mPa·s pri 25 °C) vykazuje vynikajúci výkon.

Pri rovnakej viskozite prietokového pohára (Ford Cup #4: 20-25 s), taký kremičitý sól môže dosiahnuť vyšší pomer prášok-kvapalina (2.5:1–3.0:1 pre suspenziu zirkónového prášku), výsledkom je hustejší primárny povlak.

Hustší povlak znižuje pórovitosť povrchu (pórovitosť <5%) a zlepšuje schopnosť replikovať povrch voskového vzoru, čo vedie k hladšiemu povrchu odlievania (Ra znížená o 0,4–0,8 μm v porovnaní s použitím nekvalitného kremičitého sólu).

Hrúbka povrchovej úpravy

Pre suspenzie zirkónového prášku (veľkosť častíc zirkónového prášku 325–400 mesh), optimálna hrúbka primárneho náteru je 0.08-0,1 mm. Prílišná aj nedostatočná hrúbka nepriaznivo ovplyvňuje kvalitu povrchu odliatku:

• Nedostatočná hrúbka (<0.08mm): Ľahko vedie k defektom „tŕnia uhorky“ – ostrým, ihličkovité výbežky (výška 0,1-0,3 mm) na povrchu odliatku spôsobeného prenikaním piesku alebo nerovnomerným náterom.
• Nadmerná hrúbka (>0.1mm): Výsledkom sú rôzne formy defektov.
  V dôsledku zmrštenia počas sušenia a praženia (miera zmrštenia 3%-5%), hrubý povlak sa môže čiastočne oddeliť od povrchu voskového vzoru, tvoriace hrubé, zaoblené konvexné častice (priemer 0,2-0,5 mm) na odlievacej ploche.

Kontrola hrúbky povlaku vyžaduje presné nastavenie viskozity suspenzie (Ford Cup #4: 20-25 s), čas ponorenia (5–10s), a podmienky sušenia (teplota 25-30 ℃, vlhkosť 40%-60%, doba sušenia 2-4h) aby sa zabezpečila rovnomerná hrúbka a dobrá priľnavosť.

5. Proces odparafínovania

Cieľom odparafínovania je úplné odstránenie vosku z formy škrupiny.

Pre stredne teplotný vosk, optimálny proces odparafínovania využíva parný odparafínovací kotlík s tlakom 0.6-0,8 MPa a teplotu 120-130 ℃, čas odparafínovania 15– 25 minút (prispôsobené podľa veľkosti škrupiny).

Zvyškový vosk v škrupine (hmotnostný zlomok >0.5%), ak sa počas pečenia úplne nespáli, budú produkovať sadze a iné nečistoty, ktoré priľnú k povrchu odliatku a zhoršujú kvalitu povrchu – bod ďalej diskutovaný v časti o pražení.

Avšak, úplné odparafínovanie neznamená predĺžený čas odparafínovania. Za predpokladu zabezpečenia úplného odstránenia vosku (zvyškový vosk <0.5%), čas odparafínovania by sa mal minimalizovať.

Teplota v odparafínovacej kanvici presahuje teplotu bežného zariadenia na rýchlu dehydratáciu, a dlhodobé vystavenie vosku vysokým teplotám (>130℃ pre >30 minúta) urýchľuje starnutie vosku.

Zostarnutý vosk vykazuje zníženú tekutosť (zvýšenie viskozity o 20-30%) a zvýšená krehkosť, čo môže ovplyvniť následnú recykláciu vosku a zvýšiť riziko defektov v nových voskových vzoroch.

6. Skladovanie foriem

Spôsob skladovania škrupinových foriem závisí od čistoty dielne, s hlavným cieľom minimalizovať alebo zabrániť vstupu cudzích predmetov do dutiny plášťa.

Tabuľka 2 uvádza optimálne skladovacie parametre pre škrupinové formy po odparafínovaní.

Tabuľka 2: Optimálne skladovacie parametre pre odvoskované škrupinové formy

Mnoho výrobcov sa mylne domnieva, že umiestnenie škrupiny tak, aby vtokový pohár smeroval nadol, zaisťuje bezpečnosť, ale nie vždy to tak je.

Ak sú škrupiny umiestnené priamo na zemi alebo železné rámy kontaminované časticami piesku a inými nečistotami, Počas manipulácie sa môžu do dutiny dostať cudzie predmety, spôsobujúce inklúzie v odliatkoch.

Takéto inklúzie vyžadujú opravu brúsením a zváraním, čo vážne poškodzuje kvalitu povrchu odliatku (Ra sa po oprave zvýšil o 2,0–3,0 μm).

7. Pečenie v škrupinovej forme

Zvyškový vosk v škrupinovej forme musí byť počas praženia úplne spálený, aby sa predišlo uhlíkatým zvyškom. Optimálny proces praženia pre mušle na báze zirkónu je nasledovný:

1. Ohrievacia fáza: Zahrievajte z izbovej teploty na 500 ℃ rýchlosťou 5-10 ℃/min (pomalé zahrievanie, aby nedošlo k prasknutiu škrupiny).
2. Fáza izolácie 1: Podržte pri teplote 500 ℃ 30 minút na spálenie zvyškov vosku.
3. Ohrievacia fáza 2: Zahrejte z 500 ℃ na 900-1100 ℃ rýchlosťou 10-15°C/min.
4. Fáza izolácie 2: Udržujte pri teplote 900–1100 ℃ 2–3 hodín na zlepšenie pevnosti škrupiny a odstránenie zvyškovej vlhkosti.

Na zabezpečenie úplného spálenia zvyškového vosku, obsah kyslíka v pražiacej peci by mal dosiahnuť 12% (monitorované kyslíkovými senzormi v špičkových zariadeniach).

Keď je obsah kyslíka len okolo 6%, pri teplote približne 800 ℃ sa objaví hustý čierny dym, ktorým sa treba vyhnúť.

Pre zariadenia bez funkcie prívodu kyslíka, čiastočným otvorením dvierok pece (medzera 5-10 cm) zvýšiť prívod vzduchu môže zlepšiť hladinu kyslíka a podporiť úplné spálenie vosku.

Správne praženie tiež zvyšuje pevnosť škrupiny (pevnosť >20MPA) a znižuje pórovitosť povrchu, ďalšia optimalizácia kvality povrchu odliatku.

8. Taviace sa, čistota a liatie kovu

Postup tavenia a liatia ovplyvňuje povrchovú oxidáciu, reaktivita a tvorba filmov na povrchu.

Kľúčové vplyvy

• Kontrola náboja a trosky: kontaminované materiály náboja a slabé tavenie poskytujú vyššie inklúzie na povrchu alebo oxidové filmy, ktoré zachytávajú drsnosť blízkeho povrchu.
• Teplota a rýchlosť nalievania: príliš vysoké teploty liatia môžu zvýšiť oxidáciu alebo nadmernú reakciu so škrupinou; príliš nízka teplota môže spôsobiť neúplné naplnenie a drsnosť v dôsledku predčasného zamrznutia.
• Metóda chladenia po naliatí: kontrola rýchlosti ochladzovania a zabránenie reoxidácii povrchu (Napr., použitie vylievacích boxov/krytiek) pomáhajú minimalizovať povrchové zmeny.

Praktické ovládanie

• Prísna kontrola vsádzky pece, účinnú dezoxidáciu a postupy čistého taviva/trosky.
• Definujte okná teploty liatia a schémy vtokov, ktoré podporujú laminárne, neturbulentné plnenie na zníženie zachytávania plynu a tvorby povrchového filmu.
• Minimalizujte vystavenie oxidačnej atmosfére počas skorého tuhnutia (Napr., použitie zakrytých foriem, ak je to vhodné).

9. Fáza po dokončení

Mnoho odliatkov vykazuje prijateľnú kvalitu povrchu ihneď po naliatí, ale po dokončení sa vážne poškodí, čím sa táto fáza stáva hlavným vinníkom degradácie kvality povrchu u mnohých výrobcov..

Vynikajú dva kľúčové problémy: poškodenie kolíziou a odstrely.

Prevencia poškodenia kolízie

Implementovať a klasifikovaný skladovací a prepravný systém: používajte plastové podnosy s mäkkým polstrovaním (Hrúbka EVA peny 5–10 mm) pre malé odliatky; používajte špeciálne prípravky pre veľké odliatky, aby ste sa vyhli priamemu kontaktu medzi odliatkami. To môže znížiť mieru poškodenia kolíziou o viac ako 80%.

Optimalizácia procesu tryskania

Tryskanie sa používa na odstránenie povrchových oxidov a piesku, a jeho procesné parametre priamo ovplyvňujú kvalitu povrchu odliatku. Optimálne parametre tryskania pre odliatky z nehrdzavejúcej ocele sú nasledovné:

• Špecifikácie oceľových brokov: Oceľová strela, priemer 0,3-0,5 mm, tvrdosť HRC 40–50.
• Tlak tryskania: 0.4-0,6 MPa.
• Čas odstrelu: 10– 15 minút na cyklus (nie viac ako 15 minúta).
• Požiadavky na vybavenie: Použite brokové blastery s jednotnými projekčnými systémami (rovnomernosť projekcie ≥ 90 %) a stabilné riadenie prúdu (kolísanie prúdu <5%).

Čas tryskania by mal byť prísne kontrolovaný – nie viac ako 15 minút za cyklus. Ak povrch nie je dostatočne vyčistený, Viacnásobné krátke cykly sú uprednostňované pred predĺženým jednocyklovým tryskaním, aby sa zabránilo nadmernej povrchovej erózii (Ra sa po nadmernom otryskávaní zvýšilo o 1,0–2,0 μm).

10. Záver

Kvalita povrchu odliatkov je multidisciplinárnym výsledkom: hutníctvo, keramické spracovanie, tepelné inžinierstvo a mechanické spracovanie prispievajú.

Zaobchádzaním s povrchovou úpravou ako s procesne kritickým atribútom kvality – definovaním číselných cieľov, monitorovanie kritických parametrov (nástroj Ra, kalová viskozita, hrúbka srsti tváre, hladiny kyslíka odvoskovať, roztopiť/ naliať okná) a zabudovanie kontrolných kontrolných bodov – zlievarne môžu vyrábať trvalo hladko, vysokokvalitné odliatky s predvídateľnou vyrobiteľnosťou a nižšími nákladmi na prepracovanie.