Уводзіны
У інвестыцыйным кастынгу, керамічная абалонка - гэта значна больш, чым часовая форма.
Гэта структурная аснова, якая падтрымлівае выдаленне воску, стральба, заліванне металу, і ў канчатковым выніку цэласнасць памераў канчатковай адліўкі.
Калі абалонка трэсне падчас стральбы, уся паслядоўнасць ліцця можа быць парушана яшчэ да таго, як расплаўлены метал патрапіць у форму.
Па гэтай прычыне, расколіны ад снарадаў з'яўляюцца адным з самых сур'ёзных і дарагіх дэфектаў у працэсе ліцця па выплавляемым мадэлям.
Расколіны падчас абпалу керамічных абалонак не з'яўляюцца праблемай па адной прычыне.
Звычайна гэта вынік некалькіх стрэсаў, якія дзейнічаюць адначасова: цеплавыя градыенты, напружання фазавага пераўтварэння, зняцце рэшткавага напружання, і слабасць матэрыяльнай сістэмы корпуса або кантролю працэсу.
Пры пакаёвай тэмпературы абалонка можа выглядаць гукавой, але хутка выходзяць з ладу пасля нагрэву, калі графік ацяплення, матэрыяльны склад, або гісторыя сушкі дрэнна кантралюецца.
Разуменне гэтага дэфекту патрабуе зірнуць на праблему з трох бакоў: як выглядаюць расколіны, чаму яны ўтвараюцца, і як іх можна прадухіліць на працягу ўсёй ланцужкі працэсаў.
1. Што такое керамічная абалонка?
Керамічная абалонка - гэта шматслаёвая вогнетрывалая структура, пабудаваная вакол васковага малюнка падчас Інвестыцыйнае ліццё.
Звычайна ён утвараецца шляхам шматразовага апускання васковага вузла ў керамічную суспензію, заштукаваць яго вогнетрывалымі зернямі, і сушка кожнага пласта да дасягнення патрэбнай таўшчыні і трываласці.
Пасля DEWAXING, шкарлупіну абпальваюць для выдалення рэшткаў вільгаці і арганікі, ўмацаваць клееную керамічную сетку, і падрыхтаваць форму для залівання.
Абалонка павінна задавальняць складанай камбінацыі патрабаванняў:
- дастаткова цэласнасці пры пакаёвай тэмпературы, каб вытрымаць апрацоўку і дэпарафінізацыі,
- дастатковая пранікальнасць, каб газы выходзілі,
- дастаткова тэрмічнай стабільнасці, каб супрацьстаяць абпалу і расплаўленага металу,
- дастаткова трываласці, каб супрацьстаяць дэфармацыі і парэпання,
- і дастатковую дакладнасць памераў для прайгравання дакладнай формы адліўкі.
Таму што гэтыя патрабаванні цесна звязаныя, слабасць у адной частцы сістэмы абалонкі можа хутка стаць праблемай парэпання падчас стральбы.
2. Макра- і мікрамарфалагічныя характарыстыкі расколін снарада
Керамічныя расколіны абпалу дэманструюць рэгулярныя і прыкметныя марфалагічныя асаблівасці,
якія можна класіфікаваць на тры тыповыя макраскапічныя катэгорыі на аснове размеркавання, глыбіня, і ўзровень небяспекі, з унікальнымі мікраскапічнымі правіламі пашырэння, выяўленымі пры мікраструктурным назіранні.
Тры тыповых макраскапічных тыпу расколін
Скразныя расколіны
Як найбольш небяспечны дэфект стральбы, скразныя расколіны цалкам пранікаюць ад вонкавай паверхні абалонкі да ўнутранай паверхні паражніны з шырынёй расколіны, якая перавышае 0.5 мм.
Гэтыя расколіны ў асноўным з'яўляюцца на вялікім, танкасценныя плоскія ўчасткі керамічнай абалонкі і прыкметна вылучаюцца на стадыі разагрэву пры абпале.
Аднойчы ўтвораны, яны цалкам разбураюць структурную цэласнасць і ўстойлівасць да ціску абалонкі формы, што прыводзіць да поўнага лому ліцейнай абалонкі без магчымасці рамонту.
Гэты дэфект з'яўляецца асноўнай прычынай масавых адходаў абалонкі ў вытворчасці масавага ліцця па выплавляемым мадэлям.
Мікратрэшчыны на паверхні
Паверхневыя мікротрэшчыны неглыбокія, недахопы валасянога покрыва абмежаваныя выключна вонкавым павярхоўным пластом ракавіны, з глыбінёй пранікнення менш адной траціны агульнай таўшчыні абалонкі.
Гэтыя тонкія расколіны амаль непрыкметныя пры пакаёвай тэмпературы і часта ўхіляюцца ад звычайнай праверкі перад заліваннем.
Пад інтэнсіўным цеплавым ударам высокатэмпературнага расплаўленага металу падчас залівання, спячыя мікратрэшчыны хутка пашыраюцца і распаўсюджваюцца ўнутр,
утвараючы суцэльныя прыпаднятыя дэфекты паласы на адпаведнай паверхні адліўкі, што сур'ёзна пагаршае аздабленне паверхні і аднастайнасць памераў дакладных адлівак.
Памежныя расколіны расслаення
Памежныя расколіны расслаення распаўсюджваюцца ўздоўж межаў злучэння паміж суседнімі пластамі пакрыцця абалонкі, выклікаючы лакальнае аддзяленне і адслаенне паміж павярхоўным пластом і рэзервовымі пластамі керамічнай абалонкі.
Засяроджаны ў кутах абалонкі, краю, і структурныя пераходныя зоны, гэтыя расколіны падрываюць агульную калянасць канструкцыі і трываласць міжслойнага злучэння абалонкі.
Падчас залівання расплаўленага металу, падзел межы паверхні прыводзіць да лакалізаванага адслаення абалонкі, што прыводзіць да тыповых дэфектаў уключэнняў пяску на паверхнях адлівак і пагаршае герметычнасць і стабільнасць фарміравання паражніны формы.
Мікраскапічны механізм пашырэння распаленых расколін
Аналіз мікраструктуры пацвярджае, што ўзгаральныя расколіны ідуць выбарачным шляхам распаўсюджвання.
Замест таго, каб непасрэдна разбураць вогнетрывалы запаўняльнік, большасць расколін распасціраецца ўздоўж межфазной мяжы паміж тугаплаўкімі часціцамі і фазай калоіднага злучнага геля.
Гэтая асноўная асаблівасць пацвярджае, што парэпанне пры снарадах у асноўным узнікае з-за цеплафізічнага неадпаведнасці паміж злучнай сістэмай і вогнетрывалымі матэрыяламі.
Падчас высокатэмпературнага абпалу, змяненне аб'ёму злучнага калоіднага дыяксіду крэмнія не сінхранізуецца з характарыстыкамі цеплавога пашырэння вогнетрывалых запаўняльнікаў,
ствараючы канцэнтраванае міжфазнае напружанне, якое перавышае ўласцівую трываласць злучэння паміж пластамі, у канчатковым рахунку, выклікаючы разбурэнне канструкцыі і з'яўленне расколін.
Для расколін, якія ўтвараюцца пры тэмпературы вышэй за 1100°C, ненармальнае выпадзенне фаз муліту і лакальнае ўзбагачэнне шкляных фаз з нізкай глейкасцю пастаянна назіраюцца на кончыках расколін.
Гэтыя высокатэмпературныя фазавыя змены яшчэ больш аслабляюць трываласць міжпавярховага злучэння і паскараюць распаўсюджванне расколін, даказваючы, што тэрмічнае фазавае ператварэнне з'яўляецца найважнейшым фактарам расколіны абалонкі пры высокай тэмпературы.
3. Механізмы ўтварэння стрыжня расколін пры абпале керамічнай абалонкі
Абпал керамічных абалонак - гэта дынамічны тэрмамеханічны працэс, звязаны з бесперапынным павышэннем тэмпературы, выпарэнне вады, раскладанне арганікі, і фазавыя ператварэнні.
Расколіны ад узгарання ўзнікаюць, калі накладзенае ўнутранае напружанне перавышае імгненную трываласць абалонкі пры высокай тэмпературы на пэўным тэмпературным этапе.
Комплексная стрэсавая сістэма складаецца з трох дамінантных механізмаў: неадпаведнасць тэрмічнага напружання, фазавая трансфармацыя стрэс мутацыя, і канцэнтраванае рэшткавае напружанне, дапаўняецца стрэсам пашырэння газу ад раскладання прымешак.
Неадпаведнасць тэрмічнага напружання (Першаснае стымуляванне)
Керамічныя абалонкі - гэта порыстыя неметалічныя кампазітныя матэрыялы з нізкай цеплаправоднасцю 1,2~2,0 Вт/(м·К), што прыводзіць да значнага цеплавога гістэрэзісу падчас пячнога нагрэву.
Празмерна высокая хуткасць нагрэву стварае рэзкі градыент тэмпературы паміж знешняй паверхняй абалонкі і ўнутраным ядром: вонкавы пласт хутка пашыраецца пад дзеяннем высокіх тэмператур,
у той час як унутраная нізкатэмпературная вобласць абмяжоўвае яго свабоднае пашырэнне, ствараючы велізарную цеплавую нагрузку.
Калі хуткасць нагрэву перавышае 5°C/мін, ўнутраная і знешняя розніца тэмператур рэзервовага капіявання слаёў абалонкі тоўшчы, чым 10 мм можа дасягаць больш за 200°C.
У дыяпазоне сярэдніх тэмператур ад 600°C да 800°C, керамічная абалонка захоўвае адносна нізкую механічную трываласць, што робіць яго надзвычай уразлівым да ўзнікнення расколін, выкліканых цеплавым напружаннем.
Для складаных абалонак са складанымі ўнутранымі паражнінамі, гарачы паветраны паток печы не можа плаўна цыркуляваць унутры паражніны, далейшае пашырэнне ўнутранай і вонкавай розніцы тэмператур.
Гэта тлумачыць, чаму танкасценныя, ракавіны для ліцця па выплавляемым мадэлям са складанай структурай найбольш успрымальныя да парэпання пры агні.
Фаза Трансфармацыя Стрэс Мутацыя (Дамінуючы фактар высокай тэмпературы)
Прамысловая асноўная калоідная сістэма дыяксід-кварцавага парашка падвяргаецца сур'ёзнаму пераходу крышталічнай фазы пры 573°C, дзе α-кварц хутка ператвараецца ў β-кварц з раптоўным пашырэннем аб'ёму 0.82%.
Некантралюемы хуткі нагрэў каля гэтай крытычнай тэмпературы выклікае імгненную мутацыю аб'ёму часціц кварца, ствараючы масіўнае ўнутранае напружанне і інтэнсіўнае прарастанне мікратрэшчын па структуры абалонкі.
Нават для высокастабільных абалонак на аснове гліназёму, аморфны гель SiO₂, ператвораны з калоіднага дыяксіду крэмнія, пачынае крышталізавацца пры тэмпературы вышэй за 800°C, паступова ўтвараючы крыстабаліт са значнымі зменамі аб'ёму.
Напружанне фазавага пераўтварэння, якое ўзнікла падчас гэтага працэсу крышталізацыі, яшчэ больш пашырае ўласцівыя мікратрэшчыны ўнутры абалонкі.
Дадаткова, рэшткавыя карбанатныя і сульфатныя прымешкі ў сыравіне раскладаюцца і выпрацоўваюць газ пры высокіх тэмпературах.
Захоплены газ, які не можа выйсці праз поры абалонкі, стварае дадатковае напружанне пашырэння, абвастрэнне тэндэнцыі да распаўсюджвання расколін.
Канцэнтраваны рэліз рэшткавага стрэсу (Схаваная прычына ўзлому)
Значнае рэшткавае напружанне назапашваецца падчас вырабу абалонкі і працэсаў дэпарафінізацыі, застаючыся ў метастабільным стане, звязаным гелевай сеткай абалонкі пры пакаёвай тэмпературы.
Падчас шматслойнага пакрыцця абалонкі, асінхроннае высыханне ўсаджванне паслядоўных слаёў пакрыцця стварае ўстойлівае межфазное рэшткавае напружанне.
У працэсе дэпарафінізацыі, хуткае цеплавое пашырэнне і расплаўленне васковых узораў дадаткова ўводзяць лакалізаваную канцэнтрацыю напружання ўнутры абалонкі.
Калі абалонка падчас абпалу награваецца вышэй за 600°C, калоіднай фазы злучнага геля размягчается, і жорсткае структурнае абмежаванне абалонкі рэзка зніжаецца.
Доўга назапашанае рэшткавае напружанне раптоўна здымаецца, парушаючы першапачатковы баланс унутраных напружанняў і выклікаючы хуткае пашырэнне схаваных мікратрэшчын у бачныя макраскапічныя расколіны абпалу.
Гэты механізм абумоўлівае большасць адтэрмінаваных і схаваных дэфектаў расколіны абалонкі ў прамысловай вытворчасці.
4. Поўнапрацэсная сістэматычная тэхналогія кантролю і прафілактыкі
Улічваючы шматфактарны механізм сувязі расколін снарадаў, аднапрацэсная рэгуляванне не можа прынцыпова ліквідаваць дэфекты.
Комплексная сістэма прафілактыкі, якая ахоплівае аптымізацыю формулы матэрыялу, дакладнае сегментаванае тэрмарэгуляванне абпалу, і перадпрацэсны сумесны кантроль неабходны для стабілізацыі якасці абалонкі і падаўлення дэфектаў парэпання.
Аптымізацыя матэрыяльнай сістэмы: Фундаментальнае падаўленне расколін
Аптымізацыя высокатэмпературнай тэрмастабільнасці і трываласці матэрыялаў абалонкі ліквідуе асноўную прычыну неадпаведнасці напружання:
Першы, мадыфікаваць традыцыйную вогнетрывалую сістэму кварцавага парашка шляхам увядзення плаўленага гліназёму або парашка муліту.
Гэтыя высокатэмпературныя стабільныя матэрыялы буферызуюць бурную мутацыю аб'ёму фазавага пераўтварэння кварца, памяншэнне хуткасці змены аб'ёму ў кропцы фазавага пераходу 573 °C з дакладнасцю да межах 0.3% і рэзкае зніжэнне стрэсу фазавага пераўтварэння.
Па-другое, аптымізаваць прадукцыйнасць звязальнага калоіднага дыяксіду крэмнія, кантралюючы размеркаванне часціц SiO₂ па памеры ў межах 10~20 нм.
Гэта дазваляе пазбегнуць хуткай крышталізацыі звыштонкіх часціц дыяксіду крэмнія пры высокіх тэмпературах і паляпшае агульную тэрмічную стабільнасць злучнай сістэмы.
Акрамя таго, дадайце невялікую колькасць кароткарэзанага алюмініевага сілікатнага валакна ў рэзервовы пласт пакрыццяў, каб пабудаваць унутраную сетку для ўмацавання валакна.
Эфект перамыкання валакна эфектыўна замацоўвае кончыкі расколін і блакуе іх распаўсюджванне,
павелічэнне высокатэмпературнай трываласці на выгіб керамічнай абалонкі больш чым 30% і значнае павышэнне ўстойлівасці канструкцыі да пашкоджання стрэсам.
Сегментны дакладны кантроль тэмпературы: Стабільнае зняцце стрэсу
Паступавая крывая нагрэву замяняе традыцыйны хуткі абпал для дасягнення градыенту і збалансаванага зняцця напружання на працягу ўсяго працэсу абпалу:
- Пакаёвая тэмпература да 300°C: Усталюйце нізкую хуткасць нагрэву 1°C/хв, каб цалкам выдаліць рэшткі свабоднай вільгаці ўнутры абалонкі, прадухіленне імгненнага выпарэння парай і выбуховага стрэсу.
- 300°C да 600 °C: Абмяжуйце хуткасць нагрэву ніжэй за 1,5°C/мін, каб забяспечыць поўнае акісляльнае раскладанне рэшткавага воску і арганічных рэшткаў, пазбяганне лакалізаванай канцэнтрацыі напружання, выкліканага моцным узгараннем рэшткавых прымешак.
- 573Платформа фазавага пераходу °C: Падтрымлівайце стадыю ўтрымання пастаяннай тэмпературы на працягу 60~90 хвілін у крытычнай кропцы фазавага пераходу кварца, каб уключыць павольны рэжым, стабільнае фазавае ператварэнне і ліквідацыю структурных пашкоджанняў ад раптоўнага пашырэння аб'ёму.
- 600°C да 1050 °C: Умерана павялічце хуткасць нагрэву да 2°C/мін, затым 2~4 гадзіны абпалу пры пастаяннай тэмпературы пры канчатковай тэмпературы.
Гэта забяспечвае дастатковае спяканне злучнай сістэмы і аднастайнасць формы, стабільная высокатэмпературная структурная трываласць для абалонкі.
З часам, аптымізаваць сістэму цыркуляцыі гарачага паветра ў печы для абпалу, каб кантраляваць агульнае адхіленне тэмпературы ў печы ў межах ±15°C, ліквідацыю нераўнамерных цеплавых нагрузак, выкліканых мясцовымі перападамі тэмператур.
Сумесная аптымізацыя перад працэсам: Паменшыць назапашванне рэшткавага стрэсу
Скаардынаваны кантроль працэсаў вырабу абалонкі і дэпарафінізацыі мінімізуе назапашванне рэшткавага напружання загадзя:
У працэсе пакрыцця абалонкі, строга стандартызуйце час высыхання, тэмпературу і вільготнасць навакольнага асяроддзя для кожнага пласта пакрыцця, забеспячэнне сінхроннай ўсаджвання пры высыханні шматслойных канструкцый і пазбяганне празмерных межфазных дыферэнцыялаў ўсаджвання.
У працэсе дэпарафінізацыі, прыняць рэжым павышэння ціску з градыентам нізкага ціску, каб прадухіліць імгненнае гвалтоўнае пашырэнне васковых узораў, памяншэнне ўдарных пашкоджанняў і ўнясенне рэшткавых напружанняў у абалонку.
Для вялікіх і складаных снарадаў, дадаць нізкатэмпературны працэс папярэдняй сушкі пасля дэпарафінізацыі, каб вызваліць нізкакіпячыя лятучыя рэчывы і загадзя зняць невялікае рэшткавае напружанне, эфектыўна прадухіляе раптоўнае парэпанне, выкліканае канцэнтраваным вызваленнем напружання падчас высокатэмпературнага абпалу.
5. Conclusion
Парэпанне керамічнай абалонкі з'яўляецца тыповым структурным дэфектам кампазітнага матэрыялу, выкліканым тэрмічным напружаннем, напружанне фазавага пераўтварэння, і сувязь рэшткавага напружання.
Яго ініцыяцыя і распаўсюджванне вызначаюцца цеплафізічным супадзеннем матэрыяльных сістэм абалонкі, рацыянальнасць абпальвання цеплавых сістэм, і рэшткавы напружаны стан, які ўтварыўся ў выніку перадпрацэсных аперацый.
Сакрэтная ідэнтыфікацыя марфалогіі макраскапічных расколін і мікраскапічных механізмаў пашырэння дазваляе мэтанакіраваную дыягностыку дэфектаў.
Праз мадыфікацыю ўзмацнення жорсткасці матэрыялу, сегментаваны дакладны кантроль тэмпературы стральбы, і поўны працэс сумеснага папярэдняга кантролю вырабу абалонкі і працэдур дэпарафінізацыі, ліцейныя могуць эфектыўна душыць расколіны пры снарадах,
палепшыць структурную цэласнасць абалонкі і ўстойлівасць да высокіх тэмператур, паменшыць дэфекты паверхні ліцця і колькасць лому, і дасягнуць высокай дакладнасці, высокаўраджайныя, і недарагое стандартызаванае вытворчасць ліцця па выплавляемым мадэлям.
