Фактори, що впливають на якість поверхні виливків

Якість поверхні виливків залежить від кожного кроку, який торкається малюнка, прес-форма та метал — від стану матриці/матеріалу та реології малюнка-матеріалу до підготовки оболонки/лицьового покриття, депарафінізація та випал снарядів, до плавлення, заливання, охолодження та кінцева обробка.

Контроль шорсткості поверхні (Рак) і уникнення мікромасштабних нерівностей вимагає пильної уваги до інструментів, матеріали, параметри процесу та обробки після лиття.

У цій статті аналізуються основні фактори, кількісно визначає діапазони практичного контролю, де це можливо, і дає дієві рекомендації щодо процесу та інспекції.

1. Фактори, пов'язані з цвіллю

Основою служить форма інвестиційне кастинг, оскільки його якість безпосередньо визначає форму і стан поверхні воскового малюнка, який в кінцевому підсумку передається на остаточне лиття.

Вплив прес-форм на якість поверхні воскового візерунка можна детально розглянути з трьох аспектів:

Конструкція форми та якість поверхні

Нерозумна конструкція структури цвілі часто призводить до подряпини та потертості під час виймання воскової моделі. Відремонтовані поверхні з восковим малюнком неминуче поступаються оригіналу, і ці дефекти будуть безпосередньо відтворені на поверхні лиття.

Наприклад, різкі куточки (без галтелі Р<0.3мм), недостатні кути осадки (<1° для складних порожнин), або нерівні розділові поверхні в структурі форми збільшують тертя між восковим малюнком і порожниною форми, спричинення пошкодження поверхні під час виймання з форми.

Шорсткість поверхні форми є вирішальним фактором для якості поверхні воскового малюнка. Якщо шорсткість поверхні прес-форми становить лише Ra3,2 мкм, отриманий восковий малюнок матиме ще нижчу якість поверхні (Ra4,0–5,0 мкм), яка безпосередньо передається на відливку.

Практичний досвід показує, що необхідно контролювати оптимальну шорсткість поверхні прес-форми в межах Ra0,8 мкм; надмірна гладкість (Напр., Ra0,2 мкм) не покращує суттєво якість воскової моделі, але збільшує витрати на обробку форми на 30–50%.

Контроль температури прес-форми

Температура прес-форми має значний вплив на текучість воску та точність копіювання. Для середньотемпературних воскових систем, оптимальна температура прес-форми 45–55 ℃.

Коли температура форми занадто низька (<35℃), плинність воскового матеріалу різко знижується, що призводить до поганого повторення поверхні воскового малюнка, супроводжується слідами потоку та холодними перекриттями.

Більш критично, якщо температура форми опускається нижче точки роси води (зазвичай 15–20 ℃ у майстернях), на поверхні форми утворюється велика кількість крапель води.

Ці краплі займають простір воскового матеріалу під час ін’єкції, призводить до нерівної поверхні воскового візерунка — дефект також спричинений надмірною кількістю розділювального агента (товщина напилення >5мкм).

Важливо підтримувати відповідну температуру форми. Належне підвищення температури форми (до 50–55 ℃) і тиск впорскування (до 0,3–0,5 МПа) може ефективно покращити плинність воскового матеріалу, підвищити здатність відтворення воскового малюнка на поверхні прес-форми, і таким чином опосередковано покращити якість ливарної поверхні.

Однак, надмірно висока температура форми (>60℃) може спричинити надто повільне охолодження та твердіння воскового матеріалу, що призводить до деформації воскового малюнка (розмірне відхилення >0.5мм) і збільшення часу виробничого циклу, потрібен баланс між якістю та ефективністю.

Розмір затвора для ін’єкцій воску

Розмір затвора для впорскування воску безпосередньо впливає на тиск упорскування та швидкість наповнення воску.

Для невеликих виливків (вага <500g), оптимальний діаметр воріт **φ8–φ10 мм**; для великих виливків (вага >500g), діаметр воріт можна збільшити до φ10–φ12 мм.

Відповідне збільшення розміру затвора сприяє збільшенню тиску впорскування воску, забезпечити повне заповнення порожнини форми, і зменшити поверхневі дефекти, такі як недоповнення та розтікання на восковому малюнку.

Для складних виливків з тонкими стінками (<2мм), дизайн з декількома воротами (2– 4 ворота) рекомендується для подальшого покращення рівномірності наповнення.

2. Вплив воскового матеріалу

Тип і характеристики воскового матеріалу є ключовими факторами, що визначають якість поверхні воскового малюнка, оскільки різні воскові матеріали виявляють різні властивості кристалізації та затвердіння.

Стіл 1 узагальнює ключові параметри продуктивності та вплив на якість поверхні звичайних воскових матеріалів для лиття по моделлю.

Стіл 1: Порівняння продуктивності звичайних воскових матеріалів для лиття по моделлю

Низькотемпературний віск (Парафіно-стеариновий віск)

Низькотемпературний віск, складається з парафіну (60%–70%) і стеаринова кислота (30%–40%), створює воскові візерунки з найгіршою якістю поверхні.

Як кристалічний віск, він має вузький діапазон температур кристалізації та грубі зерна стеаринової кислоти (розмір зерна >50мкм).

Під час застигання, недостатньо рідкого воску для заповнення проміжків між зернами, що призводить до шорсткої поверхні воскового малюнка.

Навіть шляхом збільшення тиску впорскування або коригування параметрів процесу, якість поверхні воскових візерунків, виготовлених з низькотемпературного воску, не можна істотно поліпшити, обмежуючи його застосування у високоточному литті.

Віск середньої температури

Віск середньої температури, багатокомпонентна суміш, що містить мікрокристалічний віск, смола, і пластифікатори, не має фіксованої точки плавлення і ширшого діапазону температур застигання в порівнянні з низькотемпературним воском.

Під час застигання, через різну температуру затвердіння його компонентів, рідка фаза може повністю заповнити проміжки між твердими фазами, в результаті чого воскові візерунки зі значно вищою якістю поверхні.

Однак, продуктивність середньотемпературного воску відрізняється у різних виробників; віск із вмістом смоли 5–8% демонструє найкращий баланс між текучістю та гладкістю поверхні.

Наповнений віск

Наповнений віск, зміцнений керамічною пудрою (5%–10%) або скловолокно (3%–5%), створює воскові візерунки з найвищою якістю поверхні.

Додавання наповнювачів оптимізує процес кристалізації воскової матриці, зменшує усадку при затвердінні (з 2.0% до 0,8%–1,2%), і підвищує твердість поверхні та зносостійкість воскового малюнка.

Це не тільки покращує гладкість поверхні воскового малюнка, але й зменшує деформацію під час зберігання та транспортування (швидкість деформації <0.2% протягом 24 годин), забезпечення стабільної передачі якості поверхні виливку.

Очищення воскового візерунка та травлення поверхні

Очищення воскового візерунка часто неправильно розуміють як просто видалення антиадгезивів з поверхні, але його найважливіша функція травлення поверхні.

Для середньотемпературних воскових моделей, оптимальний процес очищення використовує нейтральний травильний засіб (концентрація 5%–8%) зі значенням рН 6,5–7,5, час замочування 1-2 хв, з подальшим промиванням деіонізованою водою та сушінням при 40–50 ℃ протягом 10–15 хвилин.

У процесі очищення, формується легкий ефект травлення на поверхні воскового малюнка, що збільшує шорсткість поверхні воскового малюнка на мікромасштабі (Ra від 1,6 мкм до 2,0–2,5 мкм) і покращує змочуваність і адгезію наступного покриття поверхні.

Правильне травлення створює «мікрошорстку» поверхню, яка дозволяє покриттю міцніше прилипати, запобігання відшарування або нерівномірної товщини покриття під час сушіння та смаження.

Це особливо важливо для покращення гладкості поверхні виливків, оскільки добре зчеплене покриття може ефективно відтворювати поверхню воскового малюнка та запобігати дефектам проникнення піску.

4. Фактори покриття поверхні

Поверхневе покриття (первинне покриття) знаходиться в прямому контакті з восковим малюнком, а його продуктивність і параметри застосування мають вирішальний вплив на якість ливарної поверхні.

Властивості матеріалу покриття поверхні

Хоча вплив порошку та піску на поверхню на якість поверхні широко відомий, вплив золю кремнезему — важливого компонента покриття — на якість поверхні є менш зрозумілим.

Високоякісний золь кремнезему (незалежно від того, імпортні чи вітчизняні) з однорідним колоїдним розміром частинок (10-20 нм) і низька в'язкість (2–5 мПа·с при 25 ℃) демонструє чудову продуктивність.

При однаковій подачі чашки в'язкість (Кубок Форда #4: 20-25с), такий золь діоксиду кремнію може досягти більш високого співвідношення порошок-рідина (2.5:1–3.0:1 для суспензії порошку циркону), в результаті чого первинне покриття стає більш щільним.

Більш щільне покриття зменшує пористість поверхні (пористість <5%) і покращує здатність відтворювати поверхню воскового малюнка, що забезпечує більш гладку ливарну поверхню (Ra зменшується на 0,4–0,8 мкм порівняно з використанням низькоякісного золю кремнезему).

Товщина покриття поверхні

Для суспензій порошку циркону (розмір частинок порошку циркону 325–400 меш), оптимальна товщина первинного покриття 0.08–0,1 мм. Як надмірна, так і недостатня товщина негативно впливає на якість поверхні лиття:

• Недостатня товщина (<0.08мм): Легко призводить до дефектів «огіркова колючка» — гостра, голчасті виступи (висота 0,1–0,3 мм) на поверхні лиття через проникнення піску або нерівне покриття.
• Надмірна товщина (>0.1мм): Призводить до різних форм дефектів.
  За рахунок усадки під час сушіння та смаження (швидкість усадки 3%–5%), товсте покриття може частково відшаровуватися від поверхні воскового малюнка, утворюючи грубі, округлі опуклі частинки (діаметр 0,2–0,5 мм) на ливарній поверхні.

Контроль товщини покриття вимагає точного регулювання в'язкості суспензії (Кубок Форда #4: 20-25с), час занурення (5–10с), та умови сушіння (температура 25–30℃, вологість 40%–60%, час висихання 2-4 год) для забезпечення рівномірної товщини та хорошої адгезії.

5. Процес депарафінізації

Метою депарафінізації є повне видалення воску з форми.

Для воску середньої температури, оптимальний процес депарафінізації використовує паровий чайник для депарафінізації під тиском 0.6-0,8 МПа і температура 120–130 ℃, час депарафінізації 15– 25 хвилин (регулюється відповідно до розміру оболонки).

Залишки воску в оболонці (масова частка >0.5%), якщо не повністю згоріла під час смаження, вироблятиме сажу та інші домішки, які прилипають до поверхні відливки та погіршують якість поверхні — питання, яке далі обговорюється в розділі про смаження.

Однак, повна депарафінізація не означає тривалий час депарафінізації. За умови забезпечення повного видалення воску (залишковий віск <0.5%), час депарафінізації слід мінімізувати.

Температура в чайнику для депарафінізації перевищує температуру звичайного обладнання для швидкого зневоднення, і тривалий вплив на віск високих температур (>130℃ для >30 хвилини) прискорює старіння воску.

Зістарілий віск демонструє знижену текучість (збільшення в'язкості на 20–30%) і збільшення крихкості, що може вплинути на подальшу повторну переробку воску та збільшити ризик дефектів у нових моделях воску.

6. Shell Mold Storage

Спосіб зберігання оболонкових форм залежить від чистоти цеху, з основною метою мінімізації або запобігання потраплянню сторонніх предметів у порожнину оболонки.

Стіл 2 наведено оптимальні параметри зберігання оболонкових форм після депарафінізації.

Стіл 2: Оптимальні параметри зберігання для депарафінованих шкаралупних форм

Багато виробників помилково вважають, що розміщення корпусу чашкою литника вниз забезпечує безпеку, але це не завжди так.

Якщо снаряди розміщені безпосередньо на землі або залізних каркасах, забруднених частинками піску та іншим сміттям, під час обробки в порожнину можуть потрапити сторонні предмети, викликаючи вкраплення у виливках.

Такі включення потребують шліфування та ремонту зварюванням, що сильно погіршує якість ливарної поверхні (Ra збільшився на 2,0–3,0 мкм після ремонту).

7. Смаження в формі мушлі

Залишки воску в формі для оболонки повинні бути повністю спалені під час смаження, щоб уникнути вуглецевих залишків. Оптимальний процес випалу черепашок на основі циркону наступний:

1. Етап нагріву: Нагрійте від кімнатної температури до 500 ℃ зі швидкістю 5–10 ℃/хв (повільне нагрівання, щоб уникнути розтріскування оболонки).
2. Етап ізоляції 1: Витримувати при 500 ℃ протягом 30 хвилин, щоб спалити залишки воску.
3. Етап нагріву 2: Нагрівання від 500 ℃ до 900–1100 ℃ зі швидкістю 10–15 ℃/хв.
4. Етап ізоляції 2: Витримати при 900–1100℃ протягом 2– 3 години для підвищення міцності оболонки та видалення залишків вологи.

Забезпечити повне згоряння залишків воску, вміст кисню в печі для випалу має досягати 12% (контролюється датчиками кисню в висококласному обладнанні).

Коли вміст кисню лише близько 6%, густий чорний дим з’явиться приблизно при 800 ℃, яких слід уникати.

Для обладнання без функції подачі кисню, частково відкрити дверцята топки (зазор 5-10 см) збільшення надходження повітря може покращити рівень кисню та сприяти повному згоранню воску.

Правильне смаження також підвищує міцність шкаралупи (міцність на стиск >20MPA) і зменшує пористість поверхні, подальша оптимізація якості ливарної поверхні.

8. Плавлення, чистота металу і заливка

Практика плавлення та заливки впливає на окислення поверхні, реакційна здатність і утворення плівок на поверхні.

Ключові впливи

• Контроль шихти та шлаку: забруднені шихтові матеріали та поганий флюс дають більшу кількість включень на поверхні або оксидних плівок, які вловлюють шорсткість біля поверхні.
• Температура і швидкість заливки: занадто високі температури заливки можуть посилити окислення або надмірну реакцію з оболонкою; занадто низька температура може спричинити неповне заповнення та шорсткість через передчасне замерзання.
• Спосіб охолодження після заливки: контроль швидкості охолодження та уникнення повторного окислення поверхні (Напр., використання наливних ящиків/накриттів) допомагають мінімізувати поверхневі суперечки.

Практичний контроль

• Жорсткий контроль за шихтою печі, ефективне розкислення та очищення флюсу/шлаку.
• Визначте температурні вікна заливки та схеми литників, які сприяють ламінару, нетурбулентне заповнення для зменшення захоплення газу та утворення поверхневої плівки.
• Зведіть до мінімуму вплив окисної атмосфери під час раннього затвердіння (Напр., використання закритих форм, коли це доцільно).

9. Постфінішний етап

Багато виливків демонструють прийнятну якість поверхні відразу після заливки, але сильно пошкоджуються після обробки, що робить цю стадію основною причиною погіршення якості поверхні у багатьох виробників..

Виділяються дві ключові проблеми: пошкодження при зіткненні та дробеструйна обробка.

Запобігання пошкодженням при зіткненні

Реалізувати a класифікована система зберігання та транспортування: використовувати пластикові лотки з м’якою підкладкою (Товщина піни EVA 5–10 мм) для невеликих виливків; використовуйте спеціальні пристосування для великих виливків, щоб уникнути прямого контакту між виливками. Це може зменшити рівень пошкоджень від зіткнення більш ніж 80%.

Оптимізація процесу дробеструйної обробки

Дробеструйна обробка використовується для видалення поверхневих оксидів і піску, і його параметри процесу безпосередньо впливають на якість ливарної поверхні. Оптимальні параметри дробеструйної обробки виливків з нержавіючої сталі наступні:

• Технічні характеристики сталевого дробу: Сталева лита дріб, діаметр 0,3–0,5 мм, твердість HRC 40–50.
• Дробеструминний тиск: 0.4–0,6 МПа.
• Час дробеструйної обробки: 10–15 хвилин на цикл (не більше ніж 15 хвилини).
• Вимоги до обладнання: Використовуйте дробеструйні апарати з однорідними системами проектування (рівномірність проекції ≥90%) і стабільний контроль струму (коливання струму <5%).

Необхідно суворо контролювати час дробеструйної обробки — не більше 15 хвилин за цикл. Якщо поверхня недостатньо очищена, Кілька коротких циклів є кращими перед тривалим одноцикловим вибуховим очищенням, щоб уникнути надмірної ерозії поверхні (Ra збільшився на 1,0–2,0 мкм після наддуву).

10. Висновок

Якість поверхні виливків є міждисциплінарним результатом: металургія, обробка кераміки, Теплотехніка та механічна обробка – усі вони сприяють.

Розглядаючи обробку поверхні як важливий для процесу атрибут якості — визначаючи числові цілі, моніторинг критичних параметрів (інструмент Ra, Суспільна в'язкість, товщина шерсті обличчя, рівні кисню депарафінізації, розтопити/ залити вікна) і вбудовування контрольних точок — ливарні цехи можуть виробляти незмінно гладку, високоякісні виливки з прогнозованою технологічністю та меншими витратами на переробку.