在 投资铸造, 脱氧通常被视为常规步骤: 添加脱氧剂, 撇去炉渣, 倒热量, 希望铸件干净.
然而在实践中, 当出现气孔等缺陷时, 包含, 脉状表面反应, 或出现局部热点, 脱氧通常是工程师首先考虑的地方.
这种直觉是正确的, 但这个概念本身往往被理解得太狭隘.
脱氧不仅仅是“消耗氧气”的行为。从冶金意义上来说, 这是一种旨在减少熔体中溶解氧量的系统控制策略,
限制氧化物夹杂物的形成, 并提高清洁度, 流动性, 以及金属在浇注和凝固过程中的界面行为.
在熔模铸造中, 这比许多其他流程更重要, 因为陶瓷壳很薄, 高温下具有化学活性, 对合金流的氧化态高度敏感.
脱氧不良的熔体不仅会产生内部缺陷; 它还可以强化壳界面处的金属-模具反应.
为此原因, 在熔模铸造中，更准确地说是“熔化”而不是“熔炼”.
这种金属并未在完整的炼钢意义上进行精炼; 尽管如此, 相同的氧气控制物理和化学原理仍然适用.
1. 熔体中的氧气从何而来?
氧气通过多种途径进入熔融金属:
首先是收费本身. 废料, 回报, 合金, 和铁合金可能带有表面氧化物, 规模, 锈, 或吸收水分.
第二是气氛. 充电时, 融化, 略读, 采样, 和浇注, 熔体表面暴露在空气中并不断与环境进行气体交换.
第三是炉或坩埚系统. 耐火材料, 残渣, 和助熔剂可能会提供含氧物质, 特别是在高温或反复热循环下.
换句话说, 熔体从来都不是真正孤立的. 氧气不是偶然产生的杂质; 它几乎是热历史中不可避免的参与者.
2. 钢水中氧的两种形式
在钢水中, 氧一般以两种形式存在.
第一个是溶解氧. 这是液态金属中以原子形式存在的氧, 有时被描述为活性氧，因为它很容易参与氧化反应.
从脱氧的角度来看，它是最危险的形式，因为它具有化学流动性并直接影响合金消耗, 夹杂物形成, 以及凝固过程中与气体相关的缺陷.
第二种是复合氧, 以稳定的氧化物或硫氧化物夹杂物的形式存在. 在这个阶段, 氧气不再是“免费的”,”但它并没有消失.
它已转变成悬浮在熔体中或截留在凝固金属中的固态或半固态非金属颗粒.
这些夹杂物可能具有相对惰性的化学性质, 但它们仍然有害，因为它们会降低清洁度, 削弱机械性能, 并充当裂纹萌生位点.
所以当我们谈到氧气含量时, 我们实际上谈论的是一个由溶解氧和化学结合氧组成的系统. 有效的脱氧必须同时解决这两个问题.
3. 为什么氧气有害
氧气的危害常常被低估，因为它们分布在过程的多个阶段，而不是表现为单一的严重故障.
液态期间的危害
溶解氧会剧烈氧化熔体中的合金元素. 这不仅增加了金属损失，而且浪费了昂贵的微合金添加剂，例如硼, 锆, 或稀土元素.
在高性能合金中, 即使是微量氧气也会改变有效的化学反应，足以损害目标特性.
同样重要, 氧气促进氧化物夹杂物的形成. 这些内含物不仅仅是美容意义上的缺陷; 他们很难, 脆, 并且经常有棱角.
它们会干扰进食, 增加加工阻力, 降低疲劳寿命, 和损伤韧性.
在精密铸件中, 尺寸精度和表面完整性都至关重要的地方, 即使包容人口的小幅增加也会导致拒绝率不成比例地增加.
凝固过程中的危害
当熔体冷却时, 氧在钢水中的溶解度降低. 液态时稳定的氧气变得热力学不稳定并寻求新的形式.
这种转变产生了几个问题.
第一的
溶解的氧可以与碳反应形成一氧化碳.
如果这种反应发生在凝固过程中或浇注的最后阶段, 结果是气体孔隙率, 气体逸出加剧了微收缩, 或严重时浇道杯处肿胀.
在熔模铸造中, 这可能被视为行为异常的运行系统, 一个凸出而不是沉降的浇注盆, 或即使补给似乎足够时也显示出内部孔隙的铸件.
第二
氧气可能与铝等元素结合, 钛, 硅, 随着温度下降，锰形成新的氧化物夹杂物.
这些夹杂物通常比原始颗粒更多，因为凝固前沿倾向于捕获它们，并且浇注的湍流将它们分散在整个熔体中.
第三
氧衍生氧化物可以与硫反应，在晶界形成低熔点共晶.
这会促进热脆性和晶间无力. 结果并不总是可见的裂纹; 有时后来会出现机械加工性差的情况, 边缘撕裂, 或减少使用寿命.
第四
从模具相互作用的角度来看, 当熔体润湿陶瓷壳时，氧气变得特别危险.
干净的钢液不易弄湿耐火材料表面, 但富氧金属会在界面处生成 FeO 和其他低熔点氧化物.
这些氧化物可以与含二氧化硅的壳材料反应形成低熔点硅酸盐，例如铁橄榄石型化合物.
一旦发生这种情况, 熔体可以渗透壳表面, 产生金属渗透, 粘壳, 表面夹杂物, 或常被误诊为普通夹渣的化学结合缺陷.
这一点在熔模铸造中尤其重要，因为许多壳系统含有反应性二氧化硅相.
如果壳含有足够的活性 SiO2 或方石英, 富氧熔体可以与模具壁发生反应，其方式与经典的砂型铸造烧焊或金属渗透机制非常相似. 尺度不一样, 但化学性质基本相似.
固体金属的危害
固化后, 氧主要以氧化物和硫氧化物夹杂物的形式被捕获. 在这个阶段, 这不再是气体逸出的问题; 这是关于冶金清洁度的.
尺寸, 形态学, 数量, 夹杂物的分布决定了它们的破坏程度.
美好的, 圆形的, 在某些应用中，稀疏分布的颗粒可能是可以接受的, 虽然大, 聚集的, 或角夹杂物可能是灾难性的.
它们降低延展性, 损害疲劳性能, 较低的抗冲击性, 并创建局部应力集中点.
在精密铸件中, 误差范围很窄, 夹杂物控制往往是质量稳定性背后的隐变量.
4. 脱氧的真正目的
脱氧的目的不仅仅是“杀死”溶解氧. 它以受控且冶金上有用的方式将氧气从熔体中移出.
这意味着两件事必须同时发生:
第一的, 溶解氧必须降低到足够低的水平，以保护合金元素, 气体反应被抑制, 并且熔体在浇注过程中表现干净.
第二, 脱氧的氧化物产物必须通过炉渣浮选和清洁金属实践尽可能有效地从熔体中去除.
脱氧剂会形成大量顽固的夹杂物而不让它们逸出，只能解决一半的问题，甚至可能使铸造结果恶化.
这就是为什么脱氧和除渣永远不应该被视为分开的原因, 不相关的操作.
实践, 它们是一个耦合的过程: 除氧化学和反应产物的物理传输.
5. 脱氧方法
广义上讲, 脱氧可分为两类: 化学脱氧和真空脱氧.
在熔模铸造中, 化学脱氧是迄今为止最常见的.
化学脱氧内, 实用途径是扩散脱氧, 沉淀脱氧, 和联合脱氧.
扩散脱氧
扩散脱氧的原理是减少炉渣中的含氧物质，使氧从金属迁移到炉渣相中.
通常将细脱氧剂颗粒预热并添加到熔体表面, 通常与覆盖矿渣或助熔剂一起使用.
关键思想是均衡. 如果炉渣中的氧化物浓度降低, 熔体不断转移更多的含氧物质以恢复平衡. 随着时间的推移, 金属变得更清洁.
此法比直接沉淀脱氧慢, 但它有一个重要的优势: 反应产物不太可能被重新夹带到熔体中.
为此原因, 扩散脱氧可以产生残留夹杂物更少的更清洁的金属浴.
在感应熔炼中, 电磁搅拌使理想化的画面变得复杂，但实际上有助于该过程.
金属处于持续循环状态, 这增加了熔体之间的接触, 脱氧剂, 和炉渣.
在合适的条件下, 这种混合可以使扩散脱氧比教科书上建议的更有效.
沉淀脱氧
沉淀脱氧, 有时称为直接脱氧, 涉及将脱氧剂直接添加到熔融金属中，以便通过立即化学反应去除氧气.
常见的脱氧剂包括硅, 锰, 铝, 以及含有这些元素的组合的复合脱氧剂.
这个方法很快. 这是它的主要优势. 当必须在浇注前快速处理熔体时，它特别有用.
然而, 反应速度也是其弱点. 脱氧产物可能形成非常细小的颗粒，在浇注开始之前没有足够的时间浮出.
如果熔体温度不够高, 或者如果保持时间太短, 这些颗粒保持悬浮状态并最终被困在铸件中.
所以, 沉淀脱氧只有配合适当的时间才有效, 温度, 和排渣实践. 它不应被视为独立的解决方案.
联合脱氧
实际生产中, 最明智的方法通常是组合过程: 初步脱氧，然后最终脱氧.
这是熔模铸造中常见的实践逻辑. 前期逐渐降低氧含量，稳定熔体.
最后阶段在浇注前调整残余氧气水平，确保熔池处于安全的冶金条件.
在实际车间实践中, 最终的脱氧方法可能类似于沉淀脱氧或扩散脱氧，具体取决于操作员的技术.
一些冶金学家添加了一层非常薄的覆盖焊剂, 然后涂抹复合脱氧剂, 最后重新覆盖表面，迫使渣-金属界面发生反应. 在这种情况下, 该方法的行为更像是扩散脱氧.
其他人则将脱氧剂插入浴缸更深的地方, 更接近沉淀脱氧. 两者之间的界限并不总是严格的.
这就是为什么争论标签的效果不如控制结果的原因.
真正的问题不在于某个特定步骤是教科书意义上的“扩散”还是“沉淀”, 但氧气是否充分降低以及浇注前是否可以取出产品.
6. 在产品离开熔体之前脱氧尚未完成
这是最容易被忽视的一点.
熔体可以进行化学脱氧，但仍然是冶金脏的. 为什么? 因为脱氧产物本身就是夹杂物. 如果它们仍然悬浮在浴缸中, 它们只是一个新的缺陷源.
所以, 良好的脱氧实践必须同时回答三个问题:
溶液中还剩下多少氧气?
正在形成什么样的氧化物夹杂物?
如何去除这些夹杂物?
最好的脱氧剂不一定是反应最快的脱氧剂. 它是一种能够产生尺寸合适的内含物的产品, 形态学, 和可漂浮性, 一种与除渣和浇注实践相协调的方法.
从这个意义上说, 脱氧应该理解为包合工程, 不仅仅是除氧.
7. 现代观点: 氧气控制作为熔体清洁度管理
考虑脱氧的一种更先进的方法是停止将氧气视为单一数字问题. 氧气含量很重要, 但这只是熔体清洁度的一个维度.
现代铸造工程师还应该考虑:
氧的热力学活度,
形成的夹杂物的类型和成分,
这些包裹体的浮选动力学,
氧化物与耐火壳之间的相互作用,
电磁搅拌对反应路径的影响,
以及相对于浇注的脱氧剂添加时间.
这种更广阔的视野对于熔模铸造尤其有价值, 缺陷通常是由多个耦合机制引起的，而不是由一个孤立的原因引起的.
具有化学活性的外壳, 稍微过度氧化的熔体, 添加太晚的脱氧剂会共同产生任何单一纠正措施都无法完全解决的缺陷.
8. 结论
实际上, 我曾经纠结过最终脱氧是沉淀脱氧还是扩散脱氧, 但后来我意识到这只是一个概念上的区别.
而且, 不同钢种脱氧形式不同: 例如, 碳钢采用铝丝插入脱氧,
而不锈钢则采用复合脱氧剂 (如硅铝钡钙合金) 用于脱氧——有些是沉淀脱氧, 有些是扩散脱氧, 有的甚至同时有两种反应.
你对此有何看法? 此外, 随着熔模铸造技术的发展, 一些新型复合脱氧剂 (如钙硅锰合金) 兼具快速脱氧和产品易漂浮的优点,
已逐渐成为高品质熔模铸造生产的主流选择, 添加量一般为 0.2%-0.4% 钢水重量.
需要强调的是，真空脱氧, 作为另一种脱氧方法, 主要用于高端熔模铸件的生产 (例如航空发动机部件和医疗植入物).
它利用真空条件下氧在钢水中的溶解度显着降低的原理, 使钢水中的溶解氧沉淀并以气体形式逸出.
真空脱氧可以避免脱氧剂引入新的夹杂物, 而且脱氧效果更彻底,
但其设备投资和运行成本较高, 因此在普通熔模铸造生产中应用并不广泛.
在一些先进的生产线上, 真空脱氧与脱氧剂脱氧相结合，达到最佳脱氧效果, 确保钢水总氧含量降至以下 0.002%.
