У Инвестициони ливење, деоксидација се често третира као рутински корак: додати деоксидансе, скините шљаку, сипати топлоту, и надам се да ће одлив бити чист.
Ипак у пракси, када дефекти као што су порозност, инклузије, површинске реакције сличне венама, или се појављују локална жаришта, деоксидација је обично прво место на које инжењери гледају.
Тај инстинкт је исправан, али се сам појам често схвата сувише уско.
Деоксидација није само чин „трошења кисеоника“. У металуршком смислу, то је стратегија систематске контроле која има за циљ смањење количине раствореног кисеоника у топљењу,
ограничавање стварања оксидних инклузија, и побољшање чистоће, флудност, и међуфазно понашање метала током изливања и очвршћавања.
У инвестиционом ливењу, ово је још важније него у многим другим процесима, јер је керамичка љуска танка, хемијски активан на високој температури, и веома осетљив на оксидационо стање струје легуре.
Слабо деоксидована талина не ствара само унутрашње дефекте; такође може интензивирати реакције метал-калуп на интерфејсу шкољке.
Из тог разлога, прецизније је говорити о „топљењу” пре него о „топљењу” у контексту ливења.
Метал се не прерађује у пуном смислу за производњу челика; ипак, и даље важе исти физички и хемијски принципи контроле кисеоника.
1. Одакле долази кисеоник у топљењу?
Кисеоник улази у растопљени метал на неколико путева:
Први је сама оптужба. Сцрап, враћа, легуре, а феролегуре могу носити површинске оксиде, скала, хрђа, или апсорбована влага.
Друго је атмосфера. Током пуњења, топљење, скимминг, узорковање, и сипа, површина растопа је изложена ваздуху и непрекидно размењује гасове са околином.
Трећи је систем пећи или лончића. Ватростални материјали, остаци шљаке, а токови могу допринети врстама које носе кисеоник, посебно на високој температури или под поновљеним термичким циклусима.
Другим речима, талина никада није истински изолована. Кисеоник није случајна нечистоћа; готово је неизбежан учесник у термалној историји топлоте.
2. Два облика кисеоника у растопљеном челику
У истопљеном челику, кисеоник генерално постоји у два облика.
Први је растворени кисеоник. Ово је кисеоник присутан у атомском облику унутар течног метала, понекад се описује као активни кисеоник јер може лако да учествује у реакцијама оксидације.
То је најопаснији облик са становишта деоксидације јер је хемијски покретљив и директно утиче на потрошњу легуре., формирање инклузије, и дефекти у вези са гасом током очвршћавања.
Други је комбиновани кисеоник, који постоји у облику стабилних оксида или окси-сулфидних инклузија. У овој фази, кисеоник више није „бесплатан,” али није нестао.
Пребачен је у чврсте или получврсте неметалне честице суспендоване у топљењу или заробљене у очврслом металу.
Ове инклузије могу бити релативно инертне хемијски, ипак остају штетни јер смањују чистоћу, ослабе механичка својства, и делују као места иницијације пукотина.
Дакле, када говоримо о садржају кисеоника, ми заиста говоримо о систему који се састоји и од раствореног кисеоника и од хемијски комбинованог кисеоника. Ефикасна деоксидација мора да се бави оба.
3. Зашто је кисеоник штетан
Опасности кисеоника се често потцењују јер су распоређене у неколико фаза процеса уместо да се појављују као један драматичан неуспех.
Штета током течног стања
Растворени кисеоник агресивно оксидира легирне елементе у топљењу. Ово не само да повећава губитак метала, већ и троши скупе додатке за микролегирање као што је бор, цирконијум, или ретки земљани елементи.
У легурама високих перформанси, чак и кисеоник у траговима може да промени ефикасну хемију довољно да угрози циљана својства.
Једнако важно, кисеоник подстиче стварање оксидних инклузија. Ове инклузије нису само недостаци у козметичком смислу; тешки су, ломљив, а често и угаоне.
Они ометају храњење, повећати отпорност обраде, смањити век трајања замора, и оштетити жилавост.
У прецизним одливцима, где су тачност димензија и површински интегритет критични, чак и мали пораст инклузивне популације може произвести несразмерно повећање стопе одбацивања.
Штета током очвршћавања
Како се растопина хлади, смањује се растворљивост кисеоника у течном челику. Кисеоник који је био стабилан у течном стању постаје термодинамички нестабилан и тражи нови облик.
Ова трансформација ствара неколико проблема.
Прво
Растворени кисеоник може да реагује са угљеником и формира угљен моноксид.
Ако до ове реакције дође током очвршћавања или у завршним фазама изливања, резултат је порозност гаса, микроскупљање погоршано еволуцијом гаса, или оток на чашици спруе у тешким случајевима.
У инвестиционом ливењу, ово се може посматрати као систем тркача који се понаша ненормално, леван за изливање који се избочи уместо да се таложи, или одливци који показују унутрашњу порозност чак и када се храњење чини адекватним.
На другом месту
Кисеоник се може комбиновати са елементима као што је алуминијум, титанијум, силицијум, а манган да формира нове оксидне инклузије како температура пада.
Ове инклузије су обично бројније од оригиналних честица, јер фронт очвршћавања тежи да их зароби и турбулентни ток изливања их распршује по талини.
Треће
Оксиди добијени кисеоником могу да реагују са сумпором и формирају еутектике ниског топљења на границама зрна.
Ово промовише врућу краткоћу и интергрануларну слабост. Резултат није увек видљива пукотина; понекад се касније јавља као лоша обрадивост, кидање ивице, или смањен радни век.
Четврто
Са становишта интеракције калупа, кисеоник постаје посебно опасан када талина навлажи керамичку шкољку.
Чиста талина челика не влажи лако ватросталне површине, али метал богат кисеоником може да генерише ФеО и друге врсте оксида ниског топљења на интерфејсу.
Ови оксиди могу да реагују са материјалима љуске који садрже силицијум да формирају силикате ниског топљења као што су једињења типа фајалит.
Једном када се то деси, талина може продрети у површину шкољке, производећи продор метала, лепљење шкољке, површинске инклузије, или дефекти хемијског везивања који се често погрешно дијагностикују као обична инклузија шљаке.
Ова тачка је посебно важна код ливења по инвестиционој маси јер многи системи омотача садрже реактивне фазе силицијум диоксида.
Ако љуска садржи довољно активног СиО₂ или кристобалита, растопина богата кисеоником може да реагује са зидом калупа на начин који веома подсећа на класичне механизме сагоревања ливења песка или продирања метала. Скала је другачија, али је хемија у основи слична.
Штета у чврстом металу
После учвршћивања, кисеоник остаје заробљен углавном као инклузије оксида и окси-сулфида. У овој фази, више се не ради о еволуцији гаса; ради се о металуршкој чистоћи.
Величина, морфологија, количина, и дистрибуција инклузија одређују колико ће оне бити штетне.
У реду, заокружено, ретко распоређене честице могу бити подношљиве у неким применама, док велики, груписани, или угаоне инклузије могу бити катастрофалне.
Они смањују дуктилност, наруши перформансе замора, мања отпорност на удар, и стварају локална места концентрације стреса.
У прецизним одливцима, где је граница за грешку уска, контрола укључивања је често скривена варијабла која стоји иза стабилности квалитета.
4. Права сврха деоксидације
Сврха деоксидације није само да „убије“ растворени кисеоник. То је избацивање кисеоника из растопа на контролисан и металуршки користан начин.
То значи да се две ствари морају догодити истовремено:
Прво, растворени кисеоник мора да се смањи на довољно низак ниво да легирајући елементи буду заштићени, гасне реакције су потиснуте, а растопина се при преливању понаша чисто.
На другом месту, оксидни производи деоксидације морају бити уклоњени из талине што је ефикасније могуће кроз флотацију шљаке и праксу чистог метала.
Деоксидизатор који ствара велике количине тврдоглавих инклузија не дозвољавајући им да побегну решио је само половину проблема и чак може погоршати исход ливења.
Због тога се деоксидација и уклањање шљаке никада не би требало третирати одвојено, неповезаних операција.
У пракси, они су један спрегнути процес: хемију уклањања кисеоника и физички транспорт производа реакције.
5. Методе деоксидације
Уопштено говорећи, деоксидација се може поделити у две категорије: хемијска деоксидација и вакуумска деоксидација.
У инвестиционом ливењу, хемијска деоксидација је далеко најчешћа.
У оквиру хемијске деоксидације, практични путеви су дифузна деоксидација, деоксидација падавина, и комбинована деоксидација.
Дифузиона деоксидација
Дифузиона деоксидација делује тако што смањује врсте које носе кисеоник у шљаци тако да кисеоник мигрира из метала у фазу шљаке.
Фине честице деоксидатора се обично претходно загревају и додају на површину растопа, често заједно са покривном шљаком или флуксом.
Кључна идеја је равнотежа. Ако се концентрација оксида у шљаци снизи, талина континуирано преноси више врста које носе кисеоник да би се успоставила равнотежа. Временски, метал постаје чистији.
Ова метода је спорија од директне деоксидације падавинама, али има важну предност: мање је вероватно да ће се производи реакције поново увући у растоп.
Из тог разлога, дифузиона деоксидација може произвести чистију металну купку са мање заосталих инклузија.
У индукцијском топљењу, електромагнетно мешање компликује идеализовану слику и заправо помаже процесу.
Метал је у непрекидном промету, што повећава контакт између растопа, деоксидизер, и шљаке.
Под правим условима, ово мешање може учинити дифузиону деоксидацију ефикаснијом него што сугеришу уџбеници.
Деоксидација падавина
Деоксидација падавина, понекад се назива директном деоксидацијом, укључује додавање деоксидатора директно у растопљени метал тако да се кисеоник уклања непосредном хемијском реакцијом.
Уобичајени деоксиданти укључују силицијум, манган, алуминијум, и композитни деоксиданти који садрже комбинације ових елемената.
Овај метод је брз. То је његова главна снага. Нарочито је корисно када се талина мора брзо третирати пре изливања.
Међутим, брзина реакције је и њена слабост. Производи деоксидације могу се формирати као веома фине честице које немају довољно времена да испливају пре него што почне изливање.
Ако температура топљења није довољно висока, или ако је време држања прекратко, те честице остају суспендоване и на крају бивају заробљене у одливу.
Стога, деоксидација падавина је ефикасна само када је у комбинацији са одговарајућим временом, температура, и вежбање шљаке. Не треба га посматрати као самостално решење.
Комбинована деоксидација
У стварној производњи, најразумнији приступ је обично комбиновани процес: прелиминарна деоксидација праћена коначном деоксидацијом.
Ово је уобичајена практична логика у инвестиционом ливењу. Прелиминарна фаза постепено смањује садржај кисеоника и стабилизује растоп.
Завршна фаза прилагођава ниво преосталог кисеоника непосредно пре изливања и осигурава да је купка у безбедном металуршком стању.
У стварној пракси у радњи, коначна метода деоксидације може личити или на деоксидацију преципитацијом или на дифузиону деоксидацију у зависности од технике оператера.
Неки металурзи додају веома танак слој флукса за покривање, затим применити композитни деоксидатор, и на крају поново покријте површину да бисте изазвали реакцију на интерфејсу шљака-метал. У том случају, метода се понаша више као дифузиона деоксидација.
Други убацују деоксидант дубље у каду, што је ближе деоксидацији падавина. Граница између њих двоје није увек чврста.
Зато свађа око етикета може бити мање продуктивна од контроле исхода.
Право питање није да ли је одређени корак „дифузија“ или „преципитација“ у смислу уџбеника, али да ли је кисеоник довољно снижен и да ли се производи могу уклонити пре изливања.
6. Деоксидација није потпуна док се производи не истопи
Ово је тачка која се најчешће занемарује.
Растлина може бити хемијски деоксидована и још увек бити металуршки прљава. Зашто? Зато што су производи деоксидације сами по себи инклузије. Ако остану суспендовани у кади, они су једноставно нови извор дефекта.
Стога, добра пракса деоксидације мора одговорити на три питања одједном:
Колико кисеоника остаје у раствору?
Какве оксидне инклузије се формирају?
Како ће се те инклузије уклонити?
Најбољи деоксидант није нужно онај који најбрже реагује. То је онај који производи инклузије повољне величине, морфологија, и пловност, и онај који ради у складу са праксом уклањања шљаке и изливања.
У овом смислу, деоксидацију треба схватити као инклузиони инжењеринг, не само хватање кисеоника.
7. Модерн Виев: Контрола кисеоника као управљање чистоћом топљења
Напреднији начин размишљања о деоксидацији је да престанете да третирате кисеоник као проблем са једним бројем. Садржај кисеоника је важан, али то је само једна димензија чистоће талине.
Савремени инжењер ливења такође треба да размотри:
термодинамичка активност кисеоника,
врста и састав насталих инклузија,
кинетика флоатације тих инклузија,
интеракција између оксида и ватросталних шкољки,
ефекат електромагнетног мешања на реакционе путеве,
и време додавања деоксидатора у односу на изливање.
Овај шири поглед је посебно драгоцен у инвестиционом ливењу, где дефекти често настају из више повезаних механизама, а не из једног изолованог узрока.
Шкољка која је хемијски активна, растопина која је мало прекомерно оксидована, а деоксидант који се додаје прекасно може заједно створити дефект који ниједна корективна акција неће у потпуности решити.
8. Закључак
У ствари, Једном сам се борио са тим да ли је коначна деоксидација таложна деоксидација или дифузиона деоксидација, али касније сам схватио да је то само концептуална дистинкција.
Штавише, облици деоксидације су различити за различите врсте челика: на пример, угљенични челик користи уметање алуминијумске жице за деоксидацију,
док нерђајући челик користи композитни деоксидатор (као што су легура силицијум-алуминијум-баријум-калцијум) за деоксидацију — неке су деоксидација падавинама, неки су дифузиона деоксидација, а неки чак имају обе реакције у исто време.
Шта мислите о овоме? Додатно, са развојем технологије ливења по инвестиционој маси, неки нови композитни деоксиданти (као што је легура калцијум-силицијум-манган) имају предности и брзе деоксидације и лаког плутања производа,
који је постепено постао главни избор у производњи висококвалитетног ливеног ливења, уз додатак количине уопште 0.2%-0.4% тежине растопљеног челика.
Треба нагласити да вакуумска деоксидација, као други метод деоксидације, се углавном користи у производњи висококвалитетних инвестиционих одливака (као што су компоненте ваздухопловних мотора и медицински имплантати).
Користи принцип да се растворљивост кисеоника у растопљеном челику значајно смањује у условима вакуума, чинећи да се растворени кисеоник у истопљеном челику таложи и излази у облику гаса.
Вакуумска деоксидација може избећи увођење нових инклузија помоћу деоксидатора, а ефекат деоксидације је темељнији,
али су његова улагања у опрему и оперативни трошкови високи, па се не користи у широкој употреби у обичној производњи ливеног ливења.
У неким напредним производним линијама, вакуумска деоксидација се комбинује са деоксидацијом деоксидацијом да би се постигао најбољи ефекат деоксидације, обезбеђујући да се укупан садржај кисеоника у истопљеном челику смањи на испод 0.002%.
