У інвестиційне кастинг, розкислення часто розглядається як рутинний крок: додати розкислювачі, зняти шлак, налити тепло, і сподіваюся, що кастинг вийде чистим.
Та все ж на практиці, при таких дефектах, як пористість, включення, прожилкоподібні поверхневі реакції, або виникають локальні гарячі точки, Розкислення зазвичай є першим місцем, на яке дивляться інженери.
Цей інстинкт правильний, але саме поняття часто розуміють надто вузько.
Розкислення — це не просто акт «споживання кисню». У металургійному сенсі, це систематична стратегія контролю, спрямована на зменшення кількості розчиненого кисню в розплаві,
обмеження утворення оксидних включень, та покращення чистоти, плинність, і поведінку металу на поверхні поверхні під час заливання та затвердіння.
В лиття по моделлю, це має більше значення, ніж у багатьох інших процесах, оскільки керамічна оболонка тонка, хімічно активний при високій температурі, і дуже чутливі до ступеня окислення потоку сплаву.
Погано розкислений розплав створює не тільки внутрішні дефекти; він також може інтенсифікувати реакції метал-форма на межі оболонки.
З цієї причини, точніше говорити про «плавлення», а не про «плавлення» в контексті лиття по моделлю.
Метал не очищається в повному сталеплавильному сенсі; все -таки, діють ті самі фізичні та хімічні принципи контролю кисню.
1. Звідки береться кисень у розплаві?
Кисень потрапляє в розплавлений метал кількома шляхами:
По-перше, це сам заряд. Лом, повертається, сплави, і феросплави можуть містити поверхневі оксиди, масштаб, іржавий, або поглиненої вологи.
Друге – це атмосфера. Під час зарядки, плавлення, знежирення, відбір проб, і розливу, поверхня розплаву піддається впливу повітря і постійно обмінюється газами з навколишнім середовищем.
По-третє, це система печі або тигля. Вогнетривкі матеріали, залишки шлаку, і потоки можуть вносити кисень, особливо при високій температурі або при повторних термічних циклах.
Іншими словами, розплав ніколи не буває по-справжньому ізольованим. Кисень – не випадкова домішка; це майже неминучий учасник термічної історії тепла.
2. Дві форми кисню в розплавленій сталі
У розплавленій сталі, кисень зазвичай існує в двох формах.
Перший - це розчинений кисень. Це кисень, присутній в атомарній формі в рідкому металі, іноді описується як активний кисень, оскільки він може легко брати участь у реакціях окислення.
Це найнебезпечніша форма з точки зору розкислення, тому що вона хімічно мобільна і безпосередньо впливає на витрату сплаву., формування інклюзії, і пов'язані з газом дефекти під час затвердіння.
Другий - комбінований кисень, який існує у вигляді стійких оксидів або оксисульфідних включень. На цьому етапі, кисень більше не є «вільним».,», але воно не зникло.
Його було переведено в тверді або напівтверді неметалічні частинки, зважені в розплаві або захоплені в затверділому металі.
Ці включення можуть бути відносно інертними в хімічному відношенні, але вони залишаються шкідливими, оскільки знижують чистоту, послаблюють механічні властивості, і діють як місця ініціації тріщин.
Отже, коли ми говоримо про вміст кисню, насправді ми говоримо про систему, що складається як з розчиненого кисню, так і з хімічно об’єднаного кисню. Ефективне розкислення повинно стосуватися обох.
3. Чому кисень шкідливий
Небезпеки кисню часто недооцінюють, оскільки вони розподіляються між кількома стадіями процесу, а не виглядають як одна драматична помилка.
Шкода під час рідкого стану
Розчинений кисень агресивно окислює легуючі елементи в розплаві. Це не тільки збільшує втрати металу, але й витрачає дорогі мікролегуючі добавки, такі як бор, цирконій, або рідкоземельні елементи.
У високоефективних сплавах, навіть сліди кисню можуть змінити ефективну хімію настільки, щоб поставити під загрозу цільові властивості.
Так само важливо, кисень сприяє утворенню оксидних включень. Ці включення є не просто дефектами в косметичному сенсі; вони важкі, крихкий, і часто кутові.
Вони заважають годувати, підвищення стійкості до обробки, зменшити термін служби втоми, і пошкодити міцність.
У точних відливках, де точність розмірів і цілісність поверхні є критичними, навіть невелике збільшення популяції, що включається, може призвести до непропорційного збільшення рівня відмови.
Шкода при затвердінні
У міру охолодження розплаву, розчинність кисню в рідкій сталі зменшується. Кисень, який був стабільним у рідкому стані, стає термодинамічно нестійким і шукає нову форму.
Ця трансформація створює кілька проблем.
Спочатку
Розчинений кисень може реагувати з вуглецем з утворенням чадного газу.
Якщо ця реакція відбувається під час застигання або на завершальних стадіях заливки, результатом є газова пористість, мікроусадка, посилена виділенням газу, або набряк чашки литника у важких випадках.
В лиття по моделлю, це може розглядатися як система бігунів, яка поводиться ненормально, басейн, що випирає, а не осідає, або виливки, які демонструють внутрішню пористість, навіть якщо подача здається достатньою.
Другий
Кисень може сполучатися з такими елементами, як алюміній, титан, кремнію, і марганцю для утворення нових оксидних включень при зниженні температури.
Цих включень зазвичай більше, ніж вихідних частинок, тому що фронт затвердіння має тенденцію захоплювати їх, а турбулентний потік розливає їх по всьому розплаву..
По-третє
Оксиди, отримані з кисню, можуть реагувати з сіркою з утворенням легкоплавких евтектик на границях зерен.
Це сприяє гарячій задишці та міжзерновій слабкості. Результатом не завжди є видима тріщина; іноді це проявляється пізніше як погана оброблюваність, надрив краю, або скорочення терміну служби.
Четверте
З точки зору взаємодії цвілі, кисень стає особливо небезпечним, коли розплав змочує керамічну оболонку.
Чистий розплав сталі важко змочує вогнетривкі поверхні, але збагачений киснем метал може генерувати FeO та інші види легкоплавких оксидів на межі розділу.
Ці оксиди можуть реагувати з матеріалами оболонки, що містять кремнезем, утворюючи легкоплавкі силікати, такі як сполуки типу фаяліту.
Як тільки це станеться, розплав може проникнути через поверхню оболонки, виробництво проникнення металу, прилипання оболонки, поверхневі включення, або дефекти хімічного зв'язку, які часто неправильно діагностуються як звичайні шлакові включення.
Цей момент особливо важливий при литті по моделлю, оскільки багато оболонок містять реакційноздатні фази кремнезему.
Якщо оболонка містить достатньо активного SiO₂ або кристобаліту, насичений киснем розплав може реагувати зі стінкою форми у спосіб, який дуже нагадує класичні механізми випалювання або проникнення металу в піщане лиття. Масштаби різні, але хімія принципово схожа.
Шкода в твердому металі
Після затвердіння, кисень залишається в пастці головним чином у вигляді оксидних і оксисульфідних включень. На цьому етапі, мова вже не йде про виділення газу; мова йде про металургійну чистоту.
Розмір, морфологія, кількість, і розподіл включень визначають, наскільки вони будуть шкідливими.
Штраф, округлі, рідко розподілені частки можуть бути прийнятними в деяких програмах, поки великий, кластерний, або кутові включення можуть бути згубними.
Вони знижують пластичність, погіршують продуктивність втоми, менша ударостійкість, і створити локальні місця концентрації напруги.
У точних відливках, де поле для помилок є вузьким, Контроль включення часто є прихованою змінною за стабільністю якості.
4. Справжня мета розкислення
Метою розкислення є не просто «знищення» розчиненого кисню. Він полягає у виведенні кисню з розплаву контрольованим і металургійно корисним способом.
Це означає, що дві речі мають відбуватися одночасно:
Спочатку, розчинений кисень повинен бути зменшений до достатньо низького рівня, щоб легуючі елементи були захищені, газові реакції пригнічуються, і розплав під час розливу поводиться чисто.
Другий, оксидні продукти розкислення повинні бути видалені з розплаву якомога ефективніше за допомогою шлакової флотації та чистого металу.
Розкислювач, який утворює велику кількість стійких включень, не дозволяючи їм вийти, вирішив лише половину проблеми і навіть може погіршити результат лиття.
Ось чому розкислення та видалення шлаку ніколи не слід розглядати окремо, не пов'язані операції.
На практиці, вони є одним пов'язаним процесом: хімія видалення кисню та фізичний транспорт продуктів реакції.
5. Методи розкислення
У широкому сенсі, розкислення можна розділити на дві категорії: хімічне розкислення та вакуумне розкислення.
В лиття по моделлю, хімічне розкислення на сьогоднішній день є найпоширенішим.
В рамках хімічного розкислення, практичними шляхами є дифузійне розкислення, опадове розкислення, і комбіноване розкислення.
Дифузійне розкислення
Дифузійне розкислення відбувається шляхом зменшення вмісту кисневмісних форм у шлаку таким чином, що кисень мігрує з металу у фазу шлаку..
Дрібні частинки розкислювача зазвичай попередньо нагрівають і додають на поверхню розплаву, часто разом з покривним шлаком або флюсом.
Ключова ідея — рівновага. Якщо концентрація оксиду в шлаку знижена, розплав постійно переносить більше кисневмісних форм для відновлення балансу. З часом, метал стає чистішим.
Цей метод є повільнішим, ніж пряме осадження, але він має важливу перевагу: продукти реакції з меншою ймовірністю будуть повторно захоплені в розплав.
З цієї причини, дифузійне розкислення може створити чистішу металеву ванну з меншою кількістю залишкових включень.
При індукційній плавці, електромагнітне перемішування ускладнює ідеалізовану картину і насправді допомагає процесу.
Метал знаходиться в безперервному обігу, що збільшує контакт між розплавом, дезоксидатор, і шлаки.
За правильних умов, це змішування може зробити дифузійне розкислення більш ефективним, ніж пропонують підручники.
Опадове розкислення
Опадове розкислення, іноді називають прямим розкисленням, передбачає додавання розкислювачів безпосередньо в розплавлений метал, щоб кисень видалявся шляхом негайної хімічної реакції.
Звичайні розкислювачі включають кремній, марганець, алюміній, і композиційні розкислювачі, що містять комбінації цих елементів.
Цей спосіб швидкий. Це його головна сила. Це особливо корисно, коли розплав необхідно швидко обробити перед заливкою.
Однак, швидкість реакції також є його слабким місцем. Продукти розкислення можуть утворюватися у вигляді дуже дрібних частинок, які не мають достатньо часу, щоб спливти, перш ніж почнеться виливання..
Якщо температура розплаву недостатньо висока, або якщо час витримки занадто короткий, ці частинки залишаються в суспендованому стані і зрештою потрапляють у виливок.
Отже, опадове розкислення ефективне лише в поєднанні з належним часом, температура, і шлак практ. Його не слід розглядати як окреме рішення.
Комбіноване розкислення
На реальному виробництві, найбільш розумним підходом зазвичай є комбінований процес: попереднє розкислення з подальшим остаточним розкисленням.
Це загальна практична логіка лиття по моделлю. Попередня стадія поступово знижує вміст кисню і стабілізує розплав.
Останній етап регулює рівень залишкового кисню безпосередньо перед заливкою та забезпечує безпечний металургійний стан ванни.
У реальній цеховій практиці, остаточний метод розкислення може нагадувати або осадове розкислення, або дифузійне розкислення залежно від техніки оператора.
Деякі металурги додають дуже тонкий шар покривного флюсу, потім нанесіть композитний розкислювач, і, нарешті, знову покрийте поверхню, щоб прискорити реакцію на межі розділу шлак–метал. У такому разі, метод веде себе більше як дифузійне розкислення.
Інші вставляють розкислювач глибше у ванну, що ближче до опадового розкислення. Межа між ними не завжди жорстка.
Ось чому суперечка про ярлики може бути менш продуктивною, ніж контроль результатів.
Справжнє питання полягає не в тому, чи є конкретний крок «дифузією» чи «осадженням» у сенсі підручника., але чи достатньо знижений кисень і чи можна видалити продукти перед розливом.
6. Розкислення не завершується, поки продукти не вийдуть з розплаву
Це той момент, який найчастіше не помічають.
Розплав може бути хімічно розкислений і залишатися металургійно брудним. Чому? Оскільки продукти розкислення самі є включеннями. Якщо вони залишаються підвішеними у ванні, вони просто нове джерело дефекту.
Отже, Хороша практика розкислення повинна відповісти на три питання одночасно:
Скільки кисню залишається в розчині?
Які оксидні включення утворюються?
Як будуть ті включення видалятися?
The best deoxidizer is not necessarily the one that reacts fastest. It is the one that produces inclusions with favorable size, морфологія, and floatability, and one that works in harmony with slag removal and pouring practice.
У цьому сенсі, deoxidation should be understood as inclusion engineering, not just oxygen scavenging.
7. Сучасний погляд: Контроль кисню як управління чистотою розплаву
A more advanced way to think about deoxidation is to stop treating oxygen as a single-number problem. Oxygen content matters, but it is only one dimension of melt cleanliness.
A modern casting engineer should also consider:
the thermodynamic activity of oxygen,
the type and composition of inclusions formed,
the floatation kinetics of those inclusions,
the interaction between oxides and refractory shells,
the effect of electromagnetic stirring on reaction paths,
and the timing of deoxidizer addition relative to pouring.
Цей ширший погляд особливо цінний у лиття за моделлю, де дефекти часто виникають через декілька пов’язаних механізмів, а не через одну ізольовану причину.
Хімічно активна оболонка, розплав, який трохи переокислений, а розкислювач, доданий занадто пізно, разом може створити дефект, який жодна коригуюча дія не зможе повністю вирішити.
8. Висновок
Фактично, Одного разу я боровся з тим, чи остаточне розкислення є осадженим розкисленням чи дифузійним розкисленням, але пізніше я зрозумів, що це лише концептуальна відмінність.
Більше, форми розкислення різні для різних типів сталі: наприклад, вуглецева сталь використовує вставку алюмінієвого дроту для розкислення,
тоді як нержавіюча сталь використовує композитний розкислювач (наприклад кремній-алюміній-барій-кальцієвий сплав) для розкислення — осаджене розкислення, деякі є дифузійним розкисленням, а деякі навіть мають обидві реакції одночасно.
Що ви про це думаєте?? На додаток, з розвитком технології литва по виплавлюваних моделях, деякі нові композитні розкислювачі (наприклад кальцієво-кремнієво-марганцевий сплав) мають переваги як швидкого розкислення, так і легкого спливання продуктів,
який поступово став основним вибором у виробництві високоякісного литва по моделлю, з додатковою сумою в цілому 0.2%-0.4% ваги розплавленої сталі.
Слід підкреслити, що вакуумне розкислення, як інший метод розкислення, в основному використовується у виробництві високоякісного литва по моделлю (такі як компоненти аерокосмічного двигуна та медичні імплантати).
Він використовує принцип, що розчинність кисню в розплавленій сталі значно зменшується в умовах вакууму, змушуючи розчинений у розплавленій сталі кисень випадати в осад і виходити у вигляді газу.
Вакуумне розкислення дозволяє уникнути введення нових включень розкислювачами, і ефект розкислення більш ретельний,
але інвестиції в обладнання та вартість експлуатації високі, тому він не широко використовується у звичайному виробництві лиття по моделлю.
У деяких передових виробничих лініях, вакуумне розкислення поєднується з розкисленням розкислювачем для досягнення найкращого ефекту розкислення, забезпечення зниження загального вмісту кисню в розплавленій сталі до нижче 0.002%.
