TRONG Đúc đầu tư, khử oxy thường được coi là một bước thường lệ: thêm chất khử oxy, lướt qua xỉ, đổ nhiệt, và hy vọng buổi casting diễn ra trong sạch.
Tuy nhiên trong thực tế, khi có khuyết tật như độ xốp, Bao gồm, phản ứng bề mặt giống như đường gân, hoặc các điểm nóng cục bộ xuất hiện, quá trình khử oxy thường là nơi đầu tiên các kỹ sư tìm kiếm.
Linh cảm đó đúng, nhưng bản thân khái niệm này thường được hiểu quá hẹp.
Khử oxy không chỉ đơn giản là hành động “tiêu thụ oxy”. Theo nghĩa luyện kim, đó là một chiến lược kiểm soát có hệ thống nhằm giảm lượng oxy hòa tan trong quá trình nấu chảy,
hạn chế sự hình thành các tạp chất oxit, và cải thiện sự sạch sẽ, lưu động, và hành vi bề mặt của kim loại trong quá trình đổ và hóa rắn.
Trong đúc đầu tư, điều này thậm chí còn quan trọng hơn trong nhiều quy trình khác, vì vỏ gốm mỏng, hoạt động hóa học ở nhiệt độ cao, và rất nhạy cảm với trạng thái oxy hóa của dòng hợp kim.
Chất tan chảy được khử oxy kém không chỉ đơn thuần tạo ra các khuyết tật bên trong; nó cũng có thể tăng cường phản ứng khuôn kim loại ở bề mặt vỏ.
Vì lý do này, sẽ chính xác hơn khi nói về “tan chảy” hơn là “nấu chảy” trong bối cảnh đúc kết đầu tư.
Kim loại không được tinh chế theo đúng nghĩa của quá trình luyện thép; tuy nhiên, các nguyên tắc vật lý và hóa học tương tự của việc kiểm soát oxy vẫn được áp dụng.
1. Oxy trong tan chảy đến từ đâu?
Oxy đi vào kim loại nóng chảy qua nhiều con đường:
Đầu tiên là phí. Phế liệu, trả lại, hợp kim, và hợp kim sắt có thể mang oxit bề mặt, tỉ lệ, rỉ sét, hoặc hấp thụ độ ẩm.
Thứ hai là bầu không khí. Trong quá trình sạc, tan chảy, lướt qua, lấy mẫu, và đổ, bề mặt nóng chảy tiếp xúc với không khí và liên tục trao đổi khí với môi trường.
Thứ ba là hệ thống lò nung hoặc nồi nấu kim loại. Vật liệu chịu lửa, tàn dư xỉ, và các chất trợ dung có thể đóng góp các loài mang oxy, đặc biệt là ở nhiệt độ cao hoặc trong chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại.
Nói cách khác, sự tan chảy không bao giờ thực sự bị cô lập. Oxy không phải là tạp chất ngẫu nhiên; nó là một thành phần gần như không thể tránh khỏi trong lịch sử nhiệt của nhiệt.
2. Hai dạng oxy trong thép nóng chảy
Trong thép nóng chảy, oxy thường tồn tại ở hai dạng.
Đầu tiên là oxy hòa tan. Đây là oxy hiện diện ở dạng nguyên tử trong kim loại lỏng, đôi khi được mô tả là oxy hoạt động vì nó có thể dễ dàng tham gia vào các phản ứng oxy hóa.
Đây là dạng nguy hiểm nhất xét theo quan điểm khử oxy vì nó linh hoạt về mặt hóa học và ảnh hưởng trực tiếp đến việc tiêu thụ hợp kim, sự hình thành hòa nhập, và các khuyết tật liên quan đến khí trong quá trình hóa rắn.
Thứ hai là oxy kết hợp, tồn tại ở dạng oxit ổn định hoặc thể vùi oxy-sulfua. Ở giai đoạn này, oxy không còn “tự do” nữa,” nhưng nó vẫn chưa biến mất.
Nó đã được chuyển thành các hạt phi kim loại rắn hoặc bán rắn lơ lửng trong sự tan chảy hoặc bị mắc kẹt trong kim loại đông đặc.
Những tạp chất này có thể tương đối trơ về mặt hóa học, tuy nhiên chúng vẫn có hại vì chúng làm giảm sự sạch sẽ, làm suy yếu tính chất cơ học, và đóng vai trò là nơi bắt đầu crack.
Vì vậy khi chúng ta nói về hàm lượng oxy, chúng ta thực sự đang nói về một hệ thống bao gồm cả oxy hòa tan và oxy kết hợp hóa học. Quá trình khử oxy hiệu quả phải giải quyết được cả hai.
3. Tại sao oxy lại có hại
Các mối nguy hiểm của oxy thường bị đánh giá thấp vì chúng được phân bổ qua nhiều giai đoạn của quy trình thay vì xuất hiện dưới dạng một lỗi nghiêm trọng duy nhất..
Tác hại ở trạng thái lỏng
Oxy hòa tan oxy hóa mạnh các nguyên tố hợp kim trong nóng chảy. Điều này không chỉ làm tăng tổn thất kim loại mà còn lãng phí các chất bổ sung vi hợp kim đắt tiền như boron., zirconium, hoặc nguyên tố đất hiếm.
Trong hợp kim hiệu suất cao, thậm chí lượng oxy có thể làm thay đổi hiệu quả hóa học đủ để làm tổn hại đến các đặc tính mục tiêu.
Cũng quan trọng như vậy, oxy thúc đẩy sự hình thành các thể vùi oxit. Những tạp chất này không chỉ đơn thuần là những khiếm khuyết về mặt thẩm mỹ; họ thật khó khăn, giòn, và thường góc cạnh.
Họ can thiệp vào việc cho ăn, tăng sức đề kháng gia công, giảm bớt cuộc sống mệt mỏi, và độ bền hư hỏng.
Trong đúc chính xác, trong đó độ chính xác về kích thước và tính toàn vẹn bề mặt đều rất quan trọng, ngay cả một sự gia tăng nhỏ trong dân số hòa nhập cũng có thể tạo ra sự gia tăng không cân xứng về tỷ lệ từ chối.
Tác hại trong quá trình kiên cố hóa
Khi tan chảy nguội đi, độ hòa tan của oxy trong thép lỏng giảm. Oxy ổn định ở trạng thái lỏng trở nên không ổn định về mặt nhiệt động và tìm kiếm một dạng mới.
Sự chuyển đổi này tạo ra một số vấn đề.
Đầu tiên
Oxi hòa tan có thể phản ứng với cacbon tạo thành cacbon monoxit.
Nếu phản ứng này xảy ra trong quá trình đông đặc hoặc ở giai đoạn cuối của quá trình đổ, kết quả là độ xốp của khí, sự co rút vi mô trở nên trầm trọng hơn do tiến hóa khí, hoặc sưng tấy ở cốc mầm trong trường hợp nặng.
Trong đúc đầu tư, đây có thể được coi là một hệ thống chạy có hành vi bất thường, một cái chậu đổ phồng lên thay vì lắng xuống, hoặc vật đúc có độ xốp bên trong ngay cả khi được cho ăn đầy đủ.
Thứ hai
Oxy có thể kết hợp với các nguyên tố như nhôm, titan, Silicon, và mangan để tạo thành các thể vùi oxit mới khi nhiệt độ giảm.
Các tạp chất này thường nhiều hơn các hạt ban đầu vì mặt trước đông đặc có xu hướng giữ chúng lại và dòng chảy hỗn loạn của quá trình rót sẽ phân tán chúng trong suốt quá trình tan chảy..
thứ ba
Các oxit có nguồn gốc từ oxy có thể phản ứng với lưu huỳnh để tạo thành eutectic có nhiệt độ nóng chảy thấp ở ranh giới hạt.
Điều này thúc đẩy sự nóng nảy và điểm yếu giữa các hạt. Kết quả không phải lúc nào cũng là một vết nứt nhìn thấy được; đôi khi nó xuất hiện muộn hơn do khả năng gia công kém, rách mép, hoặc giảm tuổi thọ sử dụng.
thứ tư
Từ quan điểm tương tác khuôn, oxy trở nên đặc biệt nguy hiểm khi tan chảy làm ướt lớp vỏ gốm.
Thép nóng chảy sạch không dễ dàng làm ướt bề mặt vật liệu chịu lửa, nhưng kim loại giàu oxy có thể tạo ra FeO và các loại oxit nóng chảy thấp khác ở bề mặt phân cách.
Các oxit này có thể phản ứng với các vật liệu vỏ chứa silica để tạo thành các silicat có độ nóng chảy thấp như các hợp chất loại fayalite.
Một khi điều đó xảy ra, sự tan chảy có thể xuyên qua bề mặt vỏ, tạo ra sự xuyên thấu kim loại, dính vỏ, tạp chất bề mặt, hoặc các khuyết tật liên kết hóa học thường bị chẩn đoán nhầm là sự bao gồm xỉ thông thường.
Điểm này đặc biệt quan trọng trong quá trình đúc mẫu chảy vì nhiều hệ vỏ chứa các pha silic phản ứng..
Nếu vỏ bao gồm đủ SiO₂ hoạt tính hoặc cristobalite, Chất tan chảy giàu oxy có thể phản ứng với thành khuôn theo cách gần giống với cơ chế đốt cháy hoặc xuyên kim loại bằng phương pháp đúc cát cổ điển. Quy mô là khác nhau, nhưng tính chất hóa học về cơ bản là giống nhau.
Tác hại của kim loại rắn
Sau khi hóa rắn, oxy vẫn bị giữ lại chủ yếu dưới dạng các thể vùi oxit và oxy-sulfua. Ở giai đoạn này, nó không còn là về sự tiến hóa khí; đó là về sự sạch sẽ trong luyện kim.
Kích thước, hình thái học, Số lượng, và sự phân bố của các chất vùi xác định mức độ gây hại của chúng.
Khỏe, làm tròn, các hạt phân bố thưa thớt có thể được chấp nhận trong một số ứng dụng, trong khi lớn, tập trung lại, hoặc các tạp chất góc cạnh có thể là thảm họa.
Chúng làm giảm độ dẻo, làm giảm hiệu suất mệt mỏi, khả năng chống va đập thấp hơn, và tạo ra các vị trí tập trung ứng suất cục bộ.
Trong đúc chính xác, nơi mà biên độ sai sót là hẹp, kiểm soát bao gồm thường là biến ẩn đằng sau sự ổn định chất lượng.
4. Mục đích thực sự của quá trình khử oxy
Mục đích của quá trình khử oxy không chỉ đơn thuần là “tiêu diệt” oxy hòa tan. Đó là di chuyển oxy ra khỏi tan chảy một cách có kiểm soát và hữu ích cho ngành luyện kim.
Điều đó có nghĩa là hai việc phải xảy ra đồng thời:
Đầu tiên, lượng oxy hòa tan phải được giảm xuống mức đủ thấp để bảo vệ các nguyên tố hợp kim, phản ứng khí bị ức chế, và chất tan chảy hoạt động sạch sẽ trong quá trình đổ.
Thứ hai, các sản phẩm oxit của quá trình khử oxy phải được loại bỏ khỏi quá trình nóng chảy một cách hiệu quả nhất có thể thông qua tuyển nổi xỉ và thực hành làm sạch kim loại.
Một chất khử oxy tạo thành một lượng lớn các tạp chất cứng đầu mà không cho chúng thoát ra chỉ giải quyết được một nửa vấn đề và thậm chí có thể làm xấu đi kết quả đúc.
Đây là lý do tại sao việc khử oxy và loại bỏ xỉ không bao giờ được coi là riêng biệt., hoạt động không liên quan.
Trong thực tế, chúng là một quá trình kết hợp: tính chất hóa học của việc loại bỏ oxy và sự vận chuyển vật lý của các sản phẩm phản ứng.
5. Phương pháp khử oxy
Nói rộng ra, khử oxy có thể được chia thành hai loại: khử oxy hóa học và khử oxy chân không.
Trong đúc đầu tư, khử oxy hóa học cho đến nay là phổ biến nhất.
Trong quá trình khử oxy hóa học, các con đường thực tế là khử oxy khuếch tán, khử oxy kết tủa, và khử oxy kết hợp.
Khử oxy khuếch tán
Khử oxy khuếch tán hoạt động bằng cách giảm các loại mang oxy trong xỉ để oxy di chuyển từ kim loại sang pha xỉ.
Các hạt khử oxy mịn thường được làm nóng trước và thêm vào bề mặt nóng chảy, thường cùng với xỉ hoặc chất trợ dung che phủ.
Ý tưởng chính là sự cân bằng. Nếu nồng độ oxit trong xỉ giảm xuống, sự tan chảy liên tục chuyển nhiều loài mang oxy hơn để khôi phục lại sự cân bằng. Theo thời gian, kim loại trở nên sạch hơn.
Phương pháp này chậm hơn phương pháp khử oxy kết tủa trực tiếp, nhưng nó có một lợi thế quan trọng: các sản phẩm phản ứng ít có khả năng bị cuốn trở lại vào dung dịch tan chảy.
Vì lý do này, Khử oxy khuếch tán có thể tạo ra bể kim loại sạch hơn với ít tạp chất còn sót lại hơn.
Trong cảm ứng nóng chảy, khuấy điện từ làm phức tạp hình ảnh lý tưởng và thực sự giúp ích cho quá trình.
Kim loại được lưu thông liên tục, làm tăng sự tiếp xúc giữa sự tan chảy, Desoxidizer, và xỉ.
Dưới những điều kiện thích hợp, sự pha trộn này có thể làm cho quá trình khử oxy khuếch tán hiệu quả hơn những gì sách giáo khoa gợi ý..
Lượng mưa khử oxy
Khử oxy kết tủa, đôi khi được gọi là khử oxy trực tiếp, liên quan đến việc thêm chất khử oxy trực tiếp vào kim loại nóng chảy để loại bỏ oxy thông qua phản ứng hóa học ngay lập tức.
Chất khử oxy thông thường bao gồm silicon, Mangan, nhôm, và các chất khử oxy tổng hợp có chứa sự kết hợp của các nguyên tố này.
Phương pháp này nhanh. Đó là sức mạnh chính của nó. Nó đặc biệt hữu ích khi tan chảy phải được xử lý nhanh trước khi đổ.
Tuy nhiên, tốc độ phản ứng cũng là điểm yếu của nó. Các sản phẩm của quá trình khử oxy có thể hình thành dưới dạng các hạt rất mịn không có đủ thời gian để nổi ra ngoài trước khi bắt đầu đổ..
Nếu nhiệt độ nóng chảy không đủ cao, hoặc nếu thời gian nắm giữ quá ngắn, những hạt đó vẫn lơ lửng và cuối cùng bị mắc kẹt trong vật đúc.
Vì thế, Quá trình khử oxy kết tủa chỉ có hiệu quả khi kết hợp với thời gian thích hợp, nhiệt độ, và luyện tập xỉ. Nó không nên được xem như một giải pháp độc lập.
Khử oxy kết hợp
Trong sản xuất thực tế, cách tiếp cận hợp lý nhất thường là một quá trình kết hợp: khử oxy sơ bộ, sau đó là khử oxy cuối cùng.
Đây là logic thực tế phổ biến trong đúc đầu tư. Giai đoạn sơ bộ làm giảm dần hàm lượng oxy và ổn định quá trình tan chảy.
Giai đoạn cuối cùng điều chỉnh lượng oxy dư ngay trước khi đổ và đảm bảo bể ở trạng thái luyện kim an toàn.
Trong thực tế tại xưởng sản xuất, phương pháp khử oxy cuối cùng có thể giống với khử oxy kết tủa hoặc khử oxy khuếch tán tùy thuộc vào kỹ thuật của người vận hành.
Một số nhà luyện kim thêm một lớp chất trợ dung rất mỏng, sau đó bôi chất khử oxy tổng hợp, và cuối cùng phủ lại bề mặt để tạo ra phản ứng tại bề mặt tiếp xúc xỉ-kim loại. Trong trường hợp đó, phương pháp này hoạt động giống như khử oxy khuếch tán.
Những người khác nhét chất khử oxy vào sâu hơn trong bồn tắm, gần với quá trình khử oxy kết tủa hơn. Ranh giới giữa hai điều này không phải lúc nào cũng cứng nhắc.
Đó là lý do tại sao tranh cãi về nhãn hiệu có thể kém hiệu quả hơn so với việc kiểm soát kết quả..
Câu hỏi thực sự không phải là liệu một bước cụ thể là “khuếch tán” hay “kết tủa” theo nghĩa sách giáo khoa., nhưng liệu lượng oxy có được hạ xuống đủ hay không và liệu các sản phẩm có thể được loại bỏ trước khi đổ hay không.
6. Quá trình khử oxy chưa hoàn tất cho đến khi sản phẩm tan chảy
Đây là điểm thường bị bỏ qua nhất.
Chất tan chảy có thể được khử oxy hóa về mặt hóa học và vẫn bị bẩn về mặt luyện kim. Tại sao? Bởi vì bản thân các sản phẩm khử oxy là các tạp chất. Nếu chúng vẫn lơ lửng trong bồn tắm, chúng chỉ đơn giản là một nguồn khiếm khuyết mới.
Vì thế, một phương pháp thực hành khử oxy tốt phải trả lời ba câu hỏi cùng một lúc:
Lượng oxy còn lại trong dung dịch?
Những loại tạp chất oxit nào đang được hình thành?
Những tạp chất đó sẽ được loại bỏ như thế nào?
Chất khử oxy tốt nhất không nhất thiết phải là chất phản ứng nhanh nhất. Nó là chất tạo ra các tạp chất có kích thước phù hợp, hình thái học, và khả năng nổi, và một phương pháp hoạt động hài hòa với quá trình loại bỏ và đổ xỉ.
Theo nghĩa này, khử oxy nên được hiểu là kỹ thuật đưa vào, không chỉ nhặt oxy.
7. Một cái nhìn hiện đại: Kiểm soát oxy như quản lý độ sạch tan chảy
Một cách tiên tiến hơn để nghĩ về quá trình khử oxy là ngừng coi oxy như một vấn đề về một con số. Vấn đề về hàm lượng oxy, nhưng đó chỉ là một khía cạnh của độ sạch tan chảy.
Một kỹ sư đúc hiện đại cũng nên xem xét:
hoạt động nhiệt động của oxy,
loại và thành phần của tạp chất được hình thành,
động học nổi của các tạp chất đó,
sự tương tác giữa oxit và vỏ chịu lửa,
ảnh hưởng của khuấy điện từ lên đường phản ứng,
và thời gian bổ sung chất khử oxy liên quan đến việc đổ.
Quan điểm rộng hơn này đặc biệt có giá trị trong việc đúc kết đầu tư., trong đó các khiếm khuyết thường phát sinh từ nhiều cơ chế kết hợp thay vì một nguyên nhân riêng biệt.
Vỏ có hoạt tính hóa học, sự tan chảy bị oxy hóa quá mức, và chất khử oxy được thêm vào quá muộn có thể cùng nhau tạo ra một khiếm khuyết mà không có hành động khắc phục nào có thể giải quyết được hoàn toàn.
8. Phần kết luận
Trong thực tế, Tôi đã từng phải vật lộn với việc liệu quá trình khử oxy cuối cùng là khử oxy kết tủa hay khử oxy khuếch tán, nhưng sau này tôi nhận ra rằng đây chỉ là sự khác biệt về mặt khái niệm.
Hơn thế nữa, các hình thức khử oxy là khác nhau đối với các loại thép khác nhau: Ví dụ, thép carbon sử dụng dây nhôm để khử oxy,
trong khi thép không gỉ sử dụng chất khử oxy tổng hợp (chẳng hạn như hợp kim silicon-nhôm-bari-canxi) để khử oxy - một số là khử oxy kết tủa, một số là khử oxy khuếch tán, và một số thậm chí còn có cả hai phản ứng cùng một lúc.
Bạn nghĩ gì về điều này? Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ đúc đầu tư, một số chất khử oxy tổng hợp mới (chẳng hạn như hợp kim canxi-silicon-mangan) có ưu điểm là khử oxy nhanh và dễ dàng nổi sản phẩm,
đã dần trở thành sự lựa chọn chủ đạo trong sản xuất đúc đầu tư chất lượng cao, với một lượng bổ sung nói chung 0.2%-0.4% trọng lượng thép nóng chảy.
Cần nhấn mạnh rằng khử oxy chân không, như một phương pháp khử oxy khác, chủ yếu được sử dụng trong sản xuất đúc đầu tư cao cấp (chẳng hạn như linh kiện động cơ hàng không vũ trụ và thiết bị cấy ghép y tế).
Nó sử dụng nguyên tắc độ hòa tan của oxy trong thép nóng chảy giảm đáng kể trong điều kiện chân không, làm cho oxy hòa tan trong thép nóng chảy kết tủa và thoát ra dưới dạng khí.
Khử oxy chân không có thể tránh được sự xuất hiện của các tạp chất mới bởi các chất khử oxy, và hiệu quả khử oxy triệt để hơn,
nhưng chi phí đầu tư thiết bị và vận hành cao, vì vậy nó không được sử dụng rộng rãi trong sản xuất đúc đầu tư thông thường.
Ở một số dây chuyền sản xuất tiên tiến, khử oxy chân không được kết hợp với khử oxy khử oxy để đạt được hiệu quả khử oxy tốt nhất, đảm bảo rằng tổng hàm lượng oxy của thép nóng chảy giảm xuống dưới 0.002%.
