Дефекти ливења током ливења: Узроци и лекови

Увођење

У Инвестициони ливење, фаза изливања је један од најкритичнијих момената у целом ланцу процеса.

До тренутка када растопљени метал достигне шкољку, дезен од воска је већ уклоњен, керамичка шкољка је испаљена, а геометрија дела је закључана у крхки термички систем.

У овом тренутку, ливница се више не бави само обликом; управља повезаним проблемом чистоћа метала, стабилност протока, контрола температуре, интегритет љуске, и понашање учвршћивања.

Многи дефекти ливеног ливења који изгледају као „дефекти у ливници“ заправо јесу дефекти процеса изливања.

Често настају због неусклађености између квалитета топљења и услова шупљине, а не због једне изоловане грешке.

Најчешћи примери су инклузије, порозност, и дефекти у раду или хладно затварање.

Ови проблеми су посебно осетљиви код прецизних одливака јер се ливење често бира посебно за танке зидове, сложени одломци, и геометрија близу мреже.

Када је процес сипања нестабилан, саме карактеристике које чине инвестиционо ливење вредним могу постати региони који су највише склони неуспеху.

Овај чланак анализира главне недостатке настале током изливања, објашњава њихове металуршке и процесне корене, и сумира практичне корективне мере које се могу применити у производњи.

1. Дефекти укључивања шљаке

1.1 Дефиниција и технички значај

Укључивање шљаке је један од најозбиљнијих и најчешћих недостатака у ливењу током фазе изливања.

Односи се на неметалне стране материје или интерно генерисана оксидна/сулфидна једињења заробљена унутар одливака или причвршћена за његову површину након очвршћавања.

Пошто ове инклузије прекидају континуитет металне матрице, постају локалне слабе тачке које могу смањити затезну чврстоћу, жилавост, живот умор, и, у критичним случајевима, непропусност притиска и поузданост сервиса.

У прецизним одливцима, укључивање шљаке је посебно штетно јер се процес често користи за компоненте са танким зидовима, сложени проточни пролази, и строги захтеви за перформансе.

Чак и мала инклузија може деловати као место иницијације пукотине, почетна тачка корозије, или дефект нуклеације замора при поновљеном оптерећењу.

1.2 Класификација инклузија шљаке

Са металуршког и процесног становишта, инклузије шљаке се углавном деле на егзогене инклузије и ендогене инклузије.

Разлика је важна јер ова два типа имају различито порекло, различите морфологије, и различите стратегије контроле.

Егзогени инклузије

Егзогени инклузије потичу од изван растопљеног метала. Они су случајни страни загађивачи унети током топљења, трансфер, или сипање.

Типични извори укључују:

• ватростална ерозија и љуштење од облога пећи или кутлача за изливање,
• плутајућа шљака настала оксидацијом растопљеног метала у контакту са ваздухом,
• љуски песак или фрагменти премаза испрани са шупљине калупа,
• и остаци од било ког материјала који долази у контакт са талином на путу протока.

Ове инклузије су обично веће, неправилније, и више насумично распоређених него унутрашње генерисане нечистоће.

Често се појављују близу површине ливења, у регионима са дебелим зидовима, или у зонама где су турбуленције или прскање метала јаке.

Зато што су спољни загађивачи, често су повезани са лошом чистоћом талине, недовољно уклањање шљаке, или нестабилна пракса изливања.

Ендогене инклузије

Ендогене инклузије су формиран унутар саме растопљене легуре кроз хемијску реакцију током топљења, третман, или учвршћивање.

Они се не уносе споља; настају металуршким понашањем растопа.

У многим одливцима од гвожђа, типичан пример је магнезијум- и формирање инклузије повезаног са сумпором након модификације или третмана нодуларизације.

Ове инклузије су обично финији, распршеније, и теже уклонити него егзогене.

Зато што потичу из унутрашњих реакција, могу остати суспендовани у топљењу и бити заробљени у целом делу ливења, а не само близу површине.

1.3 Основни узроци формирања инклузије шљаке

Укључивање шљаке ретко је узроковано једном грешком. Обично је резултат комбинације хемија легуре, Температура изливања, дизајн, растопити чистоћу, и квалитет калупа.

Утицај силицијума

Силицијум игра важну улогу јер су једињења силицијум оксида један од главних састојака многих дефеката повезаних са шљаком.

Ако је садржај силицијума превисок, талина може створити више оксидних производа ниског топљења, који повећавају вискозитет и отежавају испливавање нечистоћа из течног метала.

Резултат је већа тенденција да оксиди и честице шљаке остану заробљене у одливу.

Утицај сумпора

Сумпор је посебно опасан у одливцима на бази гвожђа јер сулфиди имају нижу тачку топљења од основног метала и могу да се таложе рано током очвршћавања.

Ово повећава вискозитет талине и смањује способност шљаке и нечистоћа оксида да се подигну на површину ради уклањања.

Када је садржај сумпора превисок, талина постаје много склонија заробљавању шљаке и инклузијама.

Утицај магнезијума и реткоземних елемената

Резидуални магнезијум и елементи ретких земаља могу лако оксидирати на високој температури.

Њихови производи оксидације доприносе финим инклузијама оксида и честицама композитне шљаке.

Ако су преостали нивои превисоки, број ендогених нечистоћа нагло расте, посебно у легурама које су већ биле подвргнуте третману или модификацији.

Утицај температуре изливања

Температура изливања је један од најкритичнијих фактора у контроли шљаке.

• Ако је температура прениска, талина постаје вискознија, а оксиди или шљака не могу да се дижу и ефикасно одвајају. Они остају суспендовани и заробљени су у ливењу.
• Ако је температура превисока, плутајућа шљака може постати сувише танка и тешко ју је потпуно скинути. Заостала шљака тада може да тече у шупљину калупа заједно са топљеном.

У пракси, нискотемпературно изливање је често чешћи узрок отпада од ливења везаног за инклузију јер комбинује лошу флуидност са лошим одвајањем нечистоћа.

Утицај дизајна гејт система

Лоше дизајниран систем залијевања може претворити чисту растопљену у неисправан одљевак.

Ако систем не може да смири ток растопа или да задржи шљаку пре него што се шупљина напуни, турбуленција ће увући честице шљаке и оксида у одлив.

Једном када почну турбуленције, чак и добро рафинисана талина може бити контаминирана током пуњења.

Утицај квалитета љуске

Сама шкољка може постати извор дефеката шљаке.

Ако је површина љуске храпава, слаб, лабаво збијено, или контаминиран растреситим песком или остацима премаза, растопљена легура може еродирати површину и створити секундарне неметалне инклузије.

Дефекти шкољке и хемија топљења често су у интеракцији, због чега лош квалитет љуске може умножити већ тешку ситуацију изливања.

1.4 Морфологија и механизам оштећења

Укључци шљаке оштећују одливке на више начина. Могу се појавити као:

• честице уграђене у површину,
• подземна контаминација,
• издужене неправилне инклузије,
• груписане инклузивне траке,
• или унутрашњи неметални џепови.

Њихов утицај је озбиљан јер они:

• смањити ефективну носиву површину,
• стварају локалну концентрацију стреса,
• ослабити отпорност на замор,
• повећавају ризик од ширења пукотина,
• и смањују корозију и интегритет притиска.

У прецизно ливеним деловима, чак и мали укључци могу учинити компоненту неприкладном за критичну услугу јер квар може остати невидљив све док део не уђе у рад.

1.5 Превентивне и корективне мере

Прецизна контрола састава легуре

Први контролни слој је хемија топљења.

Сумпор треба држати испод прага критичног процеса, и вишак силицијума, магнезијум, или остатке ретких земаља треба пажљиво контролисати како би се смањило стварање унутрашњих оксидних и сулфидних инклузија.

Побољшајте праксу топљења и држања

Отопина треба да буде правилно тапкана, дозвољено да стоји ако процесна пракса дозвољава, и темељно преливена.

Период тихог задржавања помаже инклузијама да плутају нагоре како би се могле уклонити. Заштита површине и пракса антиоксидације такође могу смањити секундарно формирање шљаке.

Оптимизујте систем гајта

Систем затварања треба да унапреди глаткоћу, ламинарно пуњење и спречавају прскање талине.

Замке за шљаку, екстензије тркача, и филтери од керамичке пене се могу додати тамо где је потребно да се пресретне плутајућа шљака пре него што стигне до шупљине за ливење.

Побољшајте чистоћу и снагу шкољке

Шкољка треба да буде једнолично компактна, потпуно осушен, и структурно здрави.

Пре монтаже и изливања, шупљина мора бити потпуно очишћена од заосталог песка, лабави фрагменти премаза, или крхотине које би се могле одвојити током пуњења.

1.6 Инжењерски закључак

Укључивање шљаке је класичан пример дефекта који се налази на раскрсници металургија, процесна дисциплина, и квалитет калупа.

Није довољно очистити топлу; ток такође мора бити миран, шкољка мора бити здрава, а хемија мора остати унутар стабилног оперативног прозора.

Стога је најефикаснија стратегија превенције системска: контролише легуру, пречистити растопину, заштитити шупљину, и дизајнирати путању улаза како би се спречиле нечистоће у одливу.

2. Дефекти порозности

Порозност је један од најчешћих и комерцијално штетних дефеката у ливењу.

Односи се на шупљине или шупљине повезане са гасом формиран унутар ливења током пуњења или очвршћавања калупа.

Ове празнине се могу појавити као сферне поре, издужене рупице, груписане микропразнине, или мреже неправилних шупљина у зависности од система легуре, услови изливања, и понашање шкољке.

У савременој стандардизованој производњи ливеног ливења, реактивна порозност и исталожена порозност су ефикасно контролисане,

али инвазивна порозност—порозност узрокована нестабилним изливањем, лоша вентилација, и неадекватан издувни гас од шкољке—и даље остаје један од најчешћих извора отпада.

Зато што је порозност често скривена изнутра, посебно је опасно код прецизних одливака, делови који носе притисак, и компоненте критичне за умор.

2.1 Шта чини порозност тако озбиљном

Порозност није само видљив површински недостатак. Такође слаби унутрашњи интегритет одливака:

• смањење ефективне носиве површине,
• прекидајући континуитет металне матрице,
• смањење снаге замора,
• смањење непропусности притиска,
• и креирање сајтова за покретање црацк-а под оптерећењем сервиса.

За сложене ливене ливење, чак и релативно мали скуп пора може угрозити функцију целог дела.

Због тога се контрола порозности третира као питање квалитета целог процеса, а не као завршна фаза.

2.2 Главни механизми формирања

Порозност у ливењу се обично производи када гас не може да изађе из калупне шупљине, топљење, или систем затварања пре него што се метал замрзне.

Основни механизми су уско повезани са издувни капацитет, стабилност заливања, пропусност шкољке, и топити чистоћу.

Недовољна издувна шупљина

Ако шупљина калупа нема довољан капацитет вентилације, гас унутар љуске не може довољно брзо да побегне током пуњења.

Како растопљени метал напредује, задржава гас и затвара га унутар одливака.

Резултат је често затворена унутрашња порозност, посебно у регионима последњег пуњења или на удаљеним крајевима кавитета.

Ово је један од најдиректнијих и најчешћих узрока инвазивне порозности код прецизног ливења.

Неправилна температура изливања

Температура изливања има директан утицај и на флуидност метала и на понашање при изласку гаса.

• Ако је температура прениска, талина пребрзо губи течност, пуњење постаје нестабилно, а гас не може да се подигне и побегне пре очвршћавања.
• Ако је температура превисока, метал може повећати тенденцију оксидације или створити другу нестабилност процеса, што такође може допринети стварању пора.

Лоше контролисан термални прозор стога ствара прерано замрзавање или нестабилно пуњење, оба повећавају ризик од порозности.

Неправилна брзина сипања

Брзина сипања мора бити стабилна и континуирана. Ако је сипање сувише споро, шупљина се може попунити испрекидано или нестабилно, стварајући турбуленцију и омогућавајући да се ваздух увуче у ток.

Ако ток није правилно избалансиран, фронт течности може више пута да изложи и поново покрије гас из шупљине, заробивши га док се метал учвршћује.

Због тога је порозност често концентрисана у зонама прелаза тока и на сложеним променама пресека.

Слаба пропустљивост шкољке

Сама шкољка мора дозволити да гас изађе. Ако шкољка садржи вишак влаге, прекомерни пепео, лоша ватростална дистрибуција, или ниске пропустљивости, гас не може ефикасно да изађе из шупљине.

Заробљени гас се тада закључава у одливу као порозност.

Ово је питање квалитета калупа колико и питање сипања. Шкољка са лошим понашањем вентилације ће створити порозност чак и када је сам метал релативно чист.

Дефектан дизајн капије

Лош систем затварања може створити турбуленцију, прскање, ваздушно уношење, и локално заробљавање гаса.

Ако распоред водилице и улаза не подржавају глатку, ламинарно пуњење, фронт талине ће повући ваздух и гас из шупљине у зид од ливења.

Ово је посебно опасно у деловима са танким зидовима или дугим стазама, при чему метални фронт мора остати термички и хидродинамички стабилан док се шупљина потпуно не попуни.

Нестандардизовани помоћни материјали

Помоћни материјали као што су инокуланти, адитиви, или агенси за третман могу носити влагу или заостали гас ако нису правилно осушени или припремљени.

Додатно, ако растопљени метал није адекватно очишћен и на путу протока остане шљака, а комбиновано шљака-порозност може се развити дефект.

Ову врсту квара је теже контролисати јер није само проблем са гасом; то је проблем спајања гаса и укључивања.

Недостају операције изливања на лицу места

Одређена порозност је узрокована лошом дисциплином изливања на лицу места.

Ако запаљиви гасови унутар шупљине нису правилно запаљени или исцрпљени током сипања, могу бити заробљени и учвршћени у одливу.

Ово је посебно важно када шупљина калупа садржи заостале испарљиве производе које треба уклонити пре него што се шупљина затвори.

2.3 Типична морфологија порозности

Порозност се може појавити у неколико облика:

• фине рупице расути по одсеку,
• скупљене поре у областима са дебелим зидовима или врућим тачкама,
• подземне шупљине скривен испод коже,
• непрекидне мреже пора у слабо проветреним зонама,
• мешовите структуре шљаке и порозности узроковано и заробљавањем гаса и укључивањем нечистоћа.

Што је геометрија сложенија, већа је вероватноћа да ће се порозност концентрисати у зони коначног пуњења, најдебљи регион, или прелаз између танких и дебелих пресека.

2.4 Мере превенције и контроле

Оптимизирајте издувну шупљину

Калуп треба да буде опремљен са довољно издувних иглица, вентилациони отвори, или вентилационе траке, посебно на највишим и последњим попуњеним позицијама.

Капацитет вентилације треба да буде довољан за испуштање гаса пре него што метални предњи део запечати шупљину.

Практично правило дизајна је да се осигура да је укупна површина попречног пресека издувних гасова адекватно усклађена са површином улаза, тако да гас из шупљине може брзо и континуирано да излази.

Стандардизујте дизајн врата

Концепт полуотворених или полузатворених врата је често користан јер омогућава бољу стабилизацију протока и смањује изненадну турбуленцију.

Керамички пјенасти филтери могу бити инсталирани у тркачу како би се исправио проток и смањио заробљавање зрака или оксида.

Систем затварања треба да буде димензионисан за стварну брзину изливања, није копирано из генеричког шаблона. Стабилност протока је једна од најважнијих варијабли за контролу порозности у ливењу.

Прецизно контролишите температуру изливања

Талина се мора држати унутар стабилног термичког прозора. Температура треба да буде довољно висока да одржи течност, али не толико да повећава ризик реакције или нестабилност процеса.

За серијску производњу, температура изливања треба да буде константна од дела до дела, јер је температурно расипање један од главних разлога што порозност варира у зависности од производних серија.

Регулишите параметре процеса љуске

Пропустљивост шкољке, јачина љуске, а сувоћа шкољке мора да се контролише заједно.

Садржај влаге, компактност, а квалитет термичког очвршћавања треба да буде у оквиру процеса који захтевају легуре и дебљина пресека.

Ако је љуска превише влажна или превише густа, гас не може ефикасно да изађе и порозност расте.

Стандардизовати операције изливања

Пре изливања, талина треба да буде потпуно очишћена и правилно одстрањена. Помоћни материјал треба добро осушити.

Током поливања, паљење шупљине или пракса пражњења гаса треба да се изврши тамо где то захтева процесна рута. Сипање треба да буде глатко, стабилан, и непрекидно.

2.5 Инжењерски закључак

Порозност је најчешћи дефект ливења јер се налази на пресеку вентилација буђи, температура топљења, стабилност протока, квалитет љуске, и дисциплина оператера. Није довољно једноставно „налити топлије“ или „одушити више“.

Ефикасна контрола захтева уравнотежен систем: шкољка мора да дише, талина мора да тече чисто, капија мора глатко водити метал, а операција сипања мора да избегне заробљавање гаса од почетка.

3. Дефекти хладног затварања и погрешног покретања

Хладно затварање и погрешно покретање су међу најкарактеристичнијим дефектима који се односе на ливење у ливењу, посебно код танких зидова, дуготочни, и геометријски сложених делова.

Оба дефекта одражавају исти основни проблем: растопљени метал губи превише топлотне енергије, прерано, пре него што се шупљина потпуно и кохерентно попуни.

Резултат је или некомплетно одливање или ливење које споља изгледа потпуно, али садржи слабе, нефузионисани метал-предњи интерфејси.

У прецизном ливењу, ови дефекти су посебно штетни јер се обично јављају управо у регионима које је најтеже поправити: крајеви ребара, танки одељци, удаљени углови шупљина, карактеристике налик на сечиво, и оштрим прелазима.

За разлику од неких површинских недостатака који се могу очистити или изблендати, хладно затворено и погрешно покретање често указују на то да део није успео да постигне металуршки континуитет од почетка очвршћавања.

3.1 Разликовање хладног затварања од погрешног покретања

Иако су та два дефекта уско повезана, нису идентични.

• Египат настаје када растопљени метал не успе у потпуности да испуни шупљину. Кастинг се завршава прерано, а неки региони остају непопуњени.
• Хладно затворено настаје када се два метална фронта сретну током пуњења, али се не споје у потпуности. Кастинг може изгледати завршено, али линија конвергенције остаје слаба, пресавијени, или налик на шав.

У пракси, погрешно покретање је чешће на спољној граници пуњења, док се хладно затварање појављује тамо где се фронтови протока конвергирају након губитка топлотне енергије или флуидности.

3.2 Механизми формирања језгра

Ниска температура изливања

Најдиректнији узрок хладног затварања и погрешног рада је недовољна температура изливања.

Ако талина уђе у шупљину шкољке са премалом термичком резервом, његова течност брзо опада како љуска апсорбује топлоту, систем капије, и околне површине шупљине.

У дугим или уским путевима протока, метални предњи део може почети да се смрзава пре него што се шупљина потпуно попуни.

Ово је посебно критично код ливења по инвестиционом ливењу јер је шупљина често танких зидова и има висок однос површине и запремине.

Метал брзо губи температуру, а чак и мало одступање процеса може довести до застоја или лошег спајања фронта пуњења.

Слаба пропустљивост шкољке

Ако шкољка не испушта ваздух како треба, притисак гаса се ствара унутар шупљине и делује као контрасила против напредног металног фронта.

Метал се тада пуни спорије и мање стабилно. То спорије пуњење продужава време када је метал изложен губитку топлоте, што чини вероватнијим превремено смрзавање.

То значи да лоша пермеабилност не само да повећава дефекте повезане са гасом; такође може да изазове хладно затварање смањењем ефективне брзине пуњења и присиљавањем фронта талине у нестабилан термички режим.

Секције система за капије премале величине

Сувише узак систем затварања ограничава испоруку метала. Када су попречни пресеци клизача и улаза премали, брзина протока опада и шупљина се пуни преспоро.

Што дуже метал проведе путујући кроз систем, што више топлоте губи. Као резултат, фронт се може учврстити пре него што се сви путеви тока споје у звучну структуру.

Ово је један од најчешћих узрока хладног затварања везаних за дизајн.

Део може бити савршено ливен у теорији, али и даље не успе ако је канал за испоруку метала преслаб за стварну геометрију.

Контаминирани умиваоник или шоља

Преостала шљака, оксидни филм, или други површински додаци унутар посуде за изливање могу да апсорбују топлоту из долазећег растопа и смање ефективну температуру изливања на самом почетку пуњења.

Они такође могу дестабилизовати почетни ток, стварајући додатни губитак топлоте и неправилност протока.

Ова врста контаминације је посебно штетна јер утиче на најранију фазу пуњења, када је термална резерва најважнија.

3.3 Зашто су сложени одливци рањивији

Хладно затварање и погрешно покретање су концентрисани у одливци танких зидова и сложене геометрије јер ти облици комбинују све најгоре услове:

• брз губитак топлоте,
• дуга раздаљина пуњења,
• прелази секција,
• ток-фронт конвергенција,
• и смањена маргина храњења.

Једноставна, дебело ливење може толерисати малу термичку грешку. Прецизно ливење са ребрним мрежама, џепове, или танки зидови често не могу.

Због тога су ови дефекти снажно повезани са неусклађеношћу процеса, а не са великим кваром легуре.

3.5 Превентивне и корективне мере

Повећајте капацитет протока у систему затварања

Систем водилица и улаза треба да буду довољно велики да брзо и стабилно унесу метал у шупљину.

Ако се користе филтери од керамичке пене, треба да буду димензионисани тако да побољшавају контролу протока без гушења брзине испоруке.

Циљ није једноставно пустити метал да прође, али да то прође довољно брзо и глатко да би се избегло превремено смрзавање.

Побољшајте вентилацију шкољке и издувну шупљину

Оклоп треба да омогући гасу да слободно излази из мртвих углова, удаљени крајеви, и зонама танких зидова. Боља пропустљивост смањује повратни притисак и подржава континуирано пуњење.

Помоћни издувни путеви се могу додати у областима где је вероватна стагнација протока.

Повећајте температуру изливања унутар сигурног прозора

Талина треба да уђе у шупљину довољно врућа да сачува флуидност и термички континуитет.

Међутим, температура мора остати унутар безбедног процеса легуре да би се избегла оксидација или прекомерна реакција са омотачем.

Циљ није максимална температура, али довољна термичка маргина.

Темељно очистите посуду за сипање и пут за пренос

Пре сваког поливања, базен за изливање, чаша, а горње заливне површине очистити од шљаке, накупљање оксида, и заосталих прилога.

Ово спречава локални губитак топлоте и избегава увођење поремећаја протока у најосетљивијој фази пуњења.

4. Збирна табела уобичајених недостатака при изливању

5. Закључак

Процес изливања је основна фаза контроле квалитета ливења, и укључивање шљаке, порозност и хладно затвореност су три типична дефекта изазвана процесом са јасном логичком корелацијом и разликама у механизму формирања.

Инклузије шљаке су углавном узроковане неквалификованим саставом растопљеног метала и недовољним уклањањем шљаке; дефекти порозности потичу од лошег издувавања шупљине и турбулентног увлачења пуњења;

хладним затварачима доминира недовољна флуидност растопљеног метала и одложено пуњење узроковано ниском температуром и неразумним дизајном врата.

Сви дефекти изазвани изливањем се могу контролисати и избећи кроз стандардизовано управљање процесима.

Прецизна контрола композиције, оптимизован дизајн система капије, стандардизовано усклађивање температурних параметара и стандардизовани рад на лицу места су четири основне димензије превенције кварова.

У стварној индустријској производњи, циљано унапређење процеса треба да се спроводи према структурним карактеристикама различитих одливака и правилима расподеле дефеката, остваривање управљања у затвореном кругу целог процеса од топљења растопљеног метала, производња љуске до операције изливања.

Ово може ефикасно смањити стопу дефекта при изливању, побољшати унутрашњу компактност и квалитет површине ливених одливака, и максимизирати свеобухватну ефикасност производње и поузданост сервиса за производе за прецизно ливење по инвестиционом ливењу.