Фактори који утичу на квалитет површине одливака

Квалитет површине одливака је функција сваког корака који додирује шару, калуп и метал — од стања матрице/дезе и реологије материјала узорка до припреме шкољке/премаза, депаратизација и испаљивање граната, до топљења, сипајући, хлађење и завршно руковање.

Контролисање храпавости површине (По) а избегавање неправилности на микро-скали захтева ригорозну пажњу алата, материјалирати, параметри процеса и руковање након ливења.

Овај чланак анализира главне факторе, квантификује практичне опсеге контроле где је то могуће, и даје препоруке о процесу и инспекцији.

1. Фактори у вези са буђом

Калуп служи као основа за Инвестициони ливење, пошто његов квалитет директно одређује облик и површинско стање воштане шаре, који се на крају преноси на завршно ливење.

Утицај калупа на квалитет површине воштаног узорка може се елаборирати са три аспекта:

Дизајн структуре калупа и квалитет површине

Неразуман дизајн структуре калупа често доводи до огреботине и нагризање током деформисања воштаног узорка. Поправљене површине воштаног узорка су неизбежно инфериорне у односу на оригинал, а ови дефекти ће се директно реплицирати на површини ливења.

На пример, оштар углови (без филета Р<0.3мм), недовољни углови промаја (<1° за сложене шупљине), или неравне површине одвајања у структури калупа повећавају трење између узорка воска и шупљине калупа, изазивање површинских оштећења током деформисања.

Храпавост површине калупа је одлучујући фактор за квалитет површине воштаног узорка. Ако је храпавост површине калупа само Ра3,2μм, добијени воштани узорак имаће још нижи квалитет површине (Ра4.0–5.0μм), који се директно преноси на ливење.

Практично искуство показује да треба контролисати оптималну храпавост површине калупа унутар Ра0,8μм; прекомерна глаткоћа (Нпр., Ра0.2μм) не побољшава значајно квалитет узорка воска, али повећава трошкове обраде калупа за 30%–50%.

Контрола температуре калупа

Температура калупа има значајан утицај на течност воска и тачност репликације. За средњетемпературне системе воска, оптимална температура калупа је 45–55℃.

Када је температура калупа прениска (<35℃), течност воштаног материјала нагло опада, што резултира лошом површинском репликацијом воштаног узорка, праћена ознакама протока и хладним затварачима.

Још критичније, ако температура калупа падне испод тачке росе воде (обично 15–20 ℃ у радионицама), на површини калупа ће се формирати бројне капљице воде.

Ове капљице заузимају простор воштаног материјала током убризгавања, што доводи до неравне површине воштаног узорка — дефекта такође узрокованог прекомерним ослобађањем (дебљина прскања >5μм).

Одржавање одговарајуће температуре калупа је неопходно. Правилно повећање температуре калупа (до 50–55 ℃) и притисак убризгавања (до 0,3–0,5 МПа) може ефикасно побољшати флуидност воштаног материјала, побољшати способност репликације узорка воска на површини калупа, а самим тим индиректно побољшати квалитет површине ливења.

Међутим, претерано висока температура калупа (>60℃) може проузроковати да се воштани материјал превише споро охлади и учврсти, што доводи до деформације воштаног узорка (димензионално одступање >0.5мм) и повећање времена производног циклуса, захтева равнотежу између квалитета и ефикасности.

Величина капије за убризгавање воска

Величина капије за убризгавање воска директно утиче на притисак убризгавања и брзину пуњења воска.

За мале ливење (тежина <500г), оптимални пречник капије је **φ8–φ10мм**; за велике ливење (тежина >500г), пречник капије се може повећати на φ10–φ12мм.

Одговарајуће повећање величине капије помаже да се повећа притисак убризгавања воска, обезбедити потпуно пуњење калупне шупљине, и смањити површинске дефекте као што су недовољно пуњење и ознаке протока на узорку воска.

За сложене одливе са танким зидовима (<2мм), дизајн са више капија (2–4 капије) препоручује се за даље побољшање униформности пуњења.

2. Утицај воштаног материјала

Тип и перформансе воштаног материјала су кључни фактори који одређују квалитет површине узорка воска, пошто различити воштани материјали показују различита понашања кристализације и очвршћавања.

Сто 1 сажима кључне параметре перформанси и ефекте квалитета површине уобичајених воштаних материјала за ливење по инвестиционој маси.

Сто 1: Поређење перформанси уобичајених воштаних материјала за ливење по инвестиционој маси

Восак ниске температуре (Парафин-стеаринска киселина восак)

Восак ниске температуре, састављен од парафина (60%-70%) и стеаринска киселина (30%-40%), производи воштане шаре са најлошијим квалитетом површине.

Као кристални восак, има уски опсег температуре кристализације и крупна зрна стеаринске киселине (величина зрна >50μм).

Током очвршћавања, нема довољно течног воска да попуни празнине између зрна, што резултира грубом површином воштаног узорка.

Чак и повећањем притиска убризгавања или подешавањем параметара процеса, квалитет површине воштаних шара направљених од нискотемпературног воска не може се значајно побољшати, ограничавајући његову примену у високопрецизном ливењу.

Восак средње температуре

Восак средње температуре, вишекомпонентна смеша која садржи микрокристални восак, смола, и пластификатори, нема фиксну тачку топљења и шири температурни опсег очвршћавања у поређењу са нискотемпературним воском.

Током очвршћавања, због различитих температура очвршћавања његових компоненти, течна фаза може у потпуности да попуни празнине између чврстих фаза, што резултира воштаним шарама са знатно вишим квалитетом површине.

Међутим, перформансе воска средње температуре варирају међу различитим произвођачима; восак са садржајем смоле од 5%-8% показује најбољу равнотежу између флуидности и глаткоће површине.

Филлед Вак

Пуњени восак, ојачан керамичким прахом (5%-10%) или стаклених влакана (3%-5%), производи воштане узорке са највишим квалитетом површине.

Додатак пунила оптимизује понашање кристализације воштане матрице, смањује скупљање учвршћивања (из 2.0% на 0,8%–1,2%), и побољшава површинску тврдоћу и отпорност на хабање воштаног узорка.

Ово не само да побољшава глаткоћу површине воштаног узорка већ и смањује деформацију током складиштења и транспорта (стопа деформације <0.2% у року од 24х), обезбеђивање стабилног преноса квалитета површине на ливење.

Чишћење дезена воском и гравирање површине

Чишћење дезена воском се често погрешно схвата као само уклањање средстава за одвајање са површине, али је његова најважнија функција површински бакропис.

За средњетемпературне узорке воска, оптимални процес чишћења користи неутрално средство за нагризање (концентрација 5%–8%) са пХ вредношћу 6,5–7,5, време намакања 1-2 минута, након чега следи испирање дејонизованом водом и сушење на 40-50℃ 10-15 минута.

Током процеса чишћења, на површини воштаног узорка формира се благи ефекат јеткања, што повећава храпавост површине воштаног узорка на микроскали (Ра од 1,6 μм до 2,0–2,5 μм) и побољшава квашење и адхезију накнадног површинског премаза.

Правилно нагризање ствара „микро-храпаву“ површину која омогућава да се премаз чвршће приања, избегавајући љуштење премаза или неуједначену дебљину током сушења и печења.

Ово је посебно важно за побољшање глаткоће површине одливака, јер добро приањајући премаз може ефикасно реплицирати површину воштаног узорка и спречити дефекте продирања песка.

4. Фактори површинског премаза

Површински премаз (примарни премаз) је у директном контакту са воштаним узорком, а његови перформанси и параметри примене имају одлучујући утицај на квалитет површине ливења.

Својства материјала за површински премаз

Док је утицај површинског праха и песка на квалитет површине широко познат, ефекат силицијум-сола — важне компоненте премаза — на квалитет површине је мање разумљив.

Висококвалитетни силицијум сол (било да је увезена или домаћа производња) са уједначеном величином колоидних честица (10-20 нм) и ниског вискозитета (2–5 мПа·с на 25℃) показује врхунске перформансе.

Под истим проточним чашом вискозитета (Форд Цуп #4: 20-25с), такав силицијум-сол може постићи већи однос прах-течност (2.5:1-3.0:1 за прах циркона), што резултира густим примарним премазом.

Гушћи премаз смањује површинску порозност (порозност <5%) и побољшава способност реплицирања површине воштаног узорка, што доводи до глађе површине ливења (Ра смањен за 0,4–0,8 μм у поређењу са употребом силицијум диоксида ниског квалитета).

Дебљина површинског премаза

За прах циркона (честице праха циркона величине 325–400 месх), оптимална дебљина примарног премаза је 0.08–0,1 мм. И превелика и недовољна дебљина негативно утичу на квалитет површине ливења:

• Недовољна дебљина (<0.08мм): Лако доводи до недостатака „краставчевог трна“ — оштрих, игличастим избочинама (висина 0,1–0,3 мм) на површини ливења услед продора песка или неравног премаза.
• Прекомерна дебљина (>0.1мм): Доводи до различитих облика дефеката.
  Због скупљања током сушења и печења (стопа скупљања 3%–5%), дебео премаз се може делимично одвојити од површине воштаног узорка, формирање грубо, заобљене конвексне честице (пречника 0,2–0,5 мм) на површини ливења.

Контрола дебљине премаза захтева прецизно подешавање вискозитета суспензије (Форд Цуп #4: 20-25с), време потапања (5–10с), и услови сушења (температура 25-30 ℃, влажност 40%–60%, време сушења 2-4х) како би се обезбедила уједначена дебљина и добро пријањање.

5. Процес депаравања

Циљ депаравања је потпуно уклањање воска из калупа за шкољке.

За восак средње температуре, оптимални процес депаравања користи парни котлић за депаратизацију под притиском од 0.6-0,8 МПа и температуру од 120–130℃, време депаравања од 15–25 минута (прилагођен према величини шкољке).

Остатак воска у љусци (масени удео >0.5%), ако није потпуно изгорео током печења, производиће чађу и друге нечистоће, који се пријањају за површину ливења и деградирају квалитет површине—о чему се даље говори у одељку о печењу.

Међутим, потпуна депаратизација не значи продужено време депаравања. Под претпоставком да се обезбеди потпуно уклањање воска (преостали восак <0.5%), време депаравања треба да буде минимизирано.

Температура у котлићу за депаравање је већа од температуре опште опреме за брзу дехидрацију, и дуготрајно излагање воска високим температурама (>130℃ за >30 минут) убрзава старење воска.

Застарели восак показује смањену течност (повећање вискозитета за 20%-30%) и повећана брисања, што може утицати на каснију рециклажу воска и повећати ризик од дефекта у новим узорцима воска.

6. Схелл Моулд Стораге

Начин складиштења калупа за шкољке зависи од чистоће радионице, са основним циљем да се минимизира или спречи улазак страних предмета у шупљину шкољке.

Сто 2 наводи оптималне параметре складиштења за калупе за љуске након депаравања.

Сто 2: Оптимални параметри складиштења за девоскасте калупе

Многи произвођачи погрешно верују да постављање шкољке тако да је чашица окренута надоле обезбеђује сигурност, али то није увек тако.

Ако су шкољке постављене директно на земљу или гвоздени оквири контаминирани честицама песка и другим остацима, страни предмети могу ући у шупљину током руковања, изазивајући инклузије у одливцима.

Такви укључци захтевају брушење и поправку заваривања, што озбиљно нарушава квалитет површине ливења (Ра се повећао за 2,0–3,0 μм након поправке).

7. Печење у калупу од шкољки

Преостали восак у калупу за шкољке мора бити потпуно спаљен током печења како би се избегли остаци угљеника. Оптимални процес печења за шкољке на бази циркона је следећи:

1. Фаза грејања: Загрејати од собне температуре до 500℃ брзином од 5–10℃/мин (споро загревање како би се избегло пуцање шкољке).
2. Фаза изолације 1: Држите на 500 ℃ за 30 минута за сагоревање заосталог воска.
3. Фаза грејања 2: Загрејати од 500℃ до 900–1100℃ брзином од 10-15℃/мин.
4. Фаза изолације 2: Држите на 900–1100 ℃ за 2-3 сати за побољшање чврстоће љуске и уклањање преостале влаге.

Да би се обезбедило потпуно сагоревање заосталог воска, садржај кисеоника у пећи за печење треба да достигне 12% (надгледају сензори кисеоника у врхунској опреми).

Када је садржај кисеоника само око 6%, густ црни дим ће се појавити на приближно 800℃, које треба избегавати.

За опрему без функционалности снабдевања кисеоником, делимично отварање врата пећи (размак 5-10 цм) за повећање уноса ваздуха може побољшати ниво кисеоника и промовисати потпуно сагоревање воска.

Правилно печење такође повећава снагу љуске (Снага притиска >20МПА) и смањује површинску порозност, даље оптимизација квалитета површине ливења.

8. Топљење, чистоћа метала и изливање

Пракса топљења и изливања утиче на површинску оксидацију, реактивност и стварање филмова на површини.

Кључни утицаји

• Контрола пуњења и шљаке: контаминирани материјали пуњења и слабо флуксирање дају веће инклузије на површини или оксидне филмове који задржавају храпавост близу површине.
• Температура и брзина изливања: превисоке температуре изливања могу повећати оксидацију или прекомерну реакцију са љуском; прениска температура може изазвати непотпуно пуњење и храпавост због превременог смрзавања.
• Метода хлађења након сипања: контрола брзине хлађења и избегавање површинске реоксидације (Нпр., употреба кутија за изливање/покривача) помажу да се минимизирају површинске сукобе.

Практичне контроле

• Строга контрола пуњења пећи, ефикасна деоксидација и чиста пракса флукса/шљаке.
• Дефинишите прозоре температуре изливања и шеме затварања које промовишу ламинарност, нетурбулентно пуњење ради смањења заробљавања гаса и формирања површинског филма.
• Минимизирајте излагање оксидирајућој атмосфери током раног очвршћавања (Нпр., употреба прекривених калупа када је то прикладно).

9. Фаза након завршетка

Многи одливци показују прихватљив квалитет површине одмах након изливања, али постају озбиљно оштећени након завршне обраде - што ову фазу чини главним кривцем за деградацију квалитета површине код многих произвођача.

Издвајају се два кључна питања: оштећења од судара и минирање.

Спречавање штете од судара

Спровести а класификовани систем складиштења и транспорта: користите пластичне тацне са меким подлогама (Дебљина ЕВА пене 5-10мм) за мале ливење; користите наменске уређаје за велике одливе како бисте избегли директан контакт између одливака. Ово може смањити стопу оштећења од судара за више од 80%.

Оптимизација процеса пескарења

Пескарење се користи за уклањање површинских оксида и песка, а његови процесни параметри директно утичу на квалитет површине ливења. Оптимални параметри пескарења за одливке од нерђајућег челика су следећи:

• Спецификације челичне сачме: Сачма од ливеног челика, пречника 0,3–0,5 мм, тврдоћа ХРЦ 40–50.
• Притисак пескарења: 0.4–0,6 МПа.
• Време пескарења: 10–15 минута по циклусу (не више од 15 минут).
• Захтеви за опрему: Користите сачмаре са униформним пројекцијским системима (униформност пројекције ≥90%) и стабилну контролу струје (флуктуација струје <5%).

Време пескарења треба строго контролисати — не више од 15 минута по циклусу. Ако површина није довољно очишћена, вишекратни кратки циклуси су пожељнији у односу на продужено једноциклично пескарење како би се избегла прекомерна површинска ерозија (Ра се повећао за 1,0–2,0 μм након прекомерног минирања).

10. Закључак

Квалитет површине одливака је мултидисциплинаран исход: металургија, обрада керамике, термотехника и механичко руковање све доприносе.

Третирањем завршне обраде површине као атрибута квалитета који је критичан за процес — дефинисање нумеричких циљева, праћење критичних параметара (алат Ра, Вискозност суспензија, дебљина длаке лица, нивои кисеоника за девосак, растопити/полити прозоре) и уграђивање контролних пунктова — ливнице могу да производе доследно глатко, висококвалитетни одливци са предвидљивом способношћу производње и нижим трошковима прераде.