ترک در حین شلیک پوسته سرامیکی: علل و پیشگیری

مقدمه

در ریخته گری سرمایه گذاری, پوسته سرامیکی بسیار بیشتر از یک قالب موقت است.

این پایه ساختاری است که از حذف موم پشتیبانی می کند, شلیک, ریختن فلز, و در نهایت یکپارچگی ابعادی ریخته گری نهایی.

اگر پوسته هنگام شلیک ترک خورد, کل توالی ریخته گری ممکن است قبل از اینکه فلز مذاب وارد قالب شود به خطر بیفتد.

به همین دلیل, ترک های شلیک پوسته یکی از جدی ترین و پرهزینه ترین عیوب در فرآیند ریخته گری سرمایه گذاری است.

ترک خوردن در هنگام شلیک پوسته سرامیکی یک مشکل تک علتی نیست.

معمولاً نتیجه تنش های متعددی است که همزمان اعمال می شوند: شیب حرارتی, تنش های تبدیل فاز, آزادسازی استرس پسماند, و ضعف در سیستم مواد پوسته یا کنترل فرآیند.

ممکن است یک پوسته در دمای اتاق به نظر برسد, با این حال اگر برنامه گرمایش یک بار گرم شود، به سرعت از کار می افتد, ترکیب مواد, یا تاریخ خشک شدن به خوبی کنترل نشده است.

درک این نقص مستلزم نگاه کردن به مشکل از سه زاویه است: ترک ها چگونه به نظر می رسند, چرا شکل می گیرند, و چگونه می توان از آنها در کل زنجیره فرآیند جلوگیری کرد.

1. پوسته سرامیکی چیست؟?

پوسته سرامیکی یک ساختار نسوز چندلایه است که در طول یک الگوی مومی ساخته شده است ریخته گری سرمایه گذاری.

معمولاً با فرو بردن مکرر مجموعه موم در دوغاب سرامیکی تشکیل می شود, گچ بری آن با دانه های نسوز, و هر لایه را تا رسیدن به ضخامت و استحکام مورد نظر خشک کنید.

بعد از شبنم, پوسته برای حذف رطوبت باقیمانده و مواد آلی شلیک می شود, تقویت شبکه سرامیکی متصل, و قالب را برای ریختن آماده کنید.

پوسته باید ترکیب دشواری از الزامات را برآورده کند:

• یکپارچگی دمای اتاق به اندازه کافی برای زنده ماندن از دست زدن و موم زدایی,
• نفوذپذیری کافی برای خروج گازها,
• پایداری حرارتی کافی برای مقاومت در برابر آتش و مذاب فلز,
• استحکام کافی برای مقاومت در برابر تغییر شکل و ترک خوردگی,
• و وفاداری ابعادی کافی برای بازتولید شکل ریخته گری دقیق.

زیرا این الزامات به شدت با هم مرتبط هستند, ضعف در یک قسمت از سیستم پوسته می تواند به سرعت به یک مشکل ترک در هنگام شلیک تبدیل شود.

2. مشخصات مورفولوژیکی ماکرو و میکرو ترک های شلیک پوسته

ترک های شلیک پوسته سرامیکی ویژگی های مورفولوژیکی بسیار منظم و قابل تشخیصی را نشان می دهند,

که بر اساس توزیع به سه دسته ماکروسکوپی معمولی طبقه بندی می شوند, عمق, و سطح خطر, با قوانین انبساط میکروسکوپی منحصر به فرد که تحت مشاهدات ریزساختاری نشان داده شده است.

سه نوع ترک ماکروسکوپی معمولی

ترک های ضخیم

به عنوان خطرناک ترین نقص شلیک, ترک های ضخیم به طور کامل از سطح پوسته بیرونی به سطح حفره داخلی با عرض ترک بیش از حد نفوذ می کنند. 0.5 میلی متر.

این ترک ها عمدتا در بزرگ ظاهر می شوند, نواحی صاف دیواره نازک پوسته سرامیکی و در مرحله گرم شدن پخت به طور قابل مشاهده ظاهر می شوند..

پس از تشکیل, آنها به طور کامل یکپارچگی ساختاری و مقاومت فشاری قالب پوسته را از بین می برند, منجر به از بین رفتن کامل پوسته ریخته گری بدون امکان تعمیر می شود.

این نقص علت اصلی ضایعات انبوه پوسته در تولید ریخته گری سرمایه گذاری انبوه است.

ریز ترک های سطحی

ریز ترک های سطحی کم عمق هستند, نقص های خط مو منحصراً به لایه سطح بیرونی پوسته محدود می شود, با عمق نفوذ کمتر از یک سوم ضخامت پوسته کل.

این ترک‌های ظریف در دمای اتاق تقریباً نامرئی هستند و اغلب از بازرسی معمول قبل از ریختن دور می‌شوند..

تحت شوک حرارتی شدید فلز مذاب با دمای بالا در هنگام ریختن, ریز ترک های خفته به سرعت گسترش می یابند و به سمت داخل منتشر می شوند,

ایجاد عیوب نوار برجسته پیوسته در سطح ریخته گری مربوطه, که به شدت سطح و یکنواختی ابعادی ریخته گری های دقیق را به خطر می اندازد.

ترک های لایه لایه شدن سطحی

ترک های لایه لایه شدن سطحی در امتداد رابط های پیوندی بین لایه های پوشش پوسته مجاور منتشر می شوند., ایجاد جدایی و لایه برداری موضعی بین لایه سطحی و لایه های پشتیبان پوسته سرامیکی.

در گوشه های پوسته متمرکز شده است, لبه ها, و مناطق انتقال ساختاری, این ترک‌ها استحکام کلی ساختاری و استحکام پیوند بین لایه‌ای پوسته را تضعیف می‌کنند..

در حین ریختن فلز مذاب, جداسازی سطحی منجر به ریزش پوسته موضعی می شود, منجر به عیوب معمولی شن و ماسه در سطوح ریخته‌گری می‌شود و هوابندی و پایداری حفره قالب را به خطر می‌اندازد..

مکانیسم انبساط میکروسکوپی شلیک ترک ها

تجزیه و تحلیل ریزساختاری تأیید می کند که ترک های شلیک یک مسیر انتشار انتخابی را دنبال می کنند.

به جای پاره شدن مستقیم ذرات سنگدانه نسوز, بیشتر ترک ها در امتداد مرز سطحی بین ذرات نسوز و فاز ژل بایندر کلوئیدی گسترش می یابند..

این ویژگی اصلی تأیید می کند که ترک خوردگی پوسته اساساً از عدم تطابق ترموفیزیکی بین سیستم بایندر و مواد نسوز ناشی می شود..

هنگام شلیک در دمای بالا, تغییرات حجمی بایندر سیلیس کلوئیدی با رفتار انبساط حرارتی سنگدانه های نسوز هماهنگ نمی شود.,

ایجاد تنش سطحی متمرکز که از استحکام پیوند بین لایه‌ای ذاتی فراتر می‌رود, در نهایت باعث ایجاد شکستگی ساختاری و شروع ترک می شود.

برای ترک هایی که در دمای بالاتر از 1100 درجه سانتیگراد ایجاد می شوند, بارش غیرعادی فازهای مولایت و غنی‌سازی موضعی فازهای شیشه‌ای با ویسکوزیته پایین به طور مداوم در نوک ترک مشاهده می‌شود..

این تغییرات فاز با دمای بالا، چقرمگی پیوند سطحی را بیشتر تضعیف می‌کند و انتشار ترک را تسریع می‌کند., ثابت می کند که تبدیل فاز حرارتی یک عامل محرک حیاتی برای ترک پوسته در دمای بالا است.

3. مکانیسم های تشکیل هسته در ترک های شلیک پوسته سرامیکی

شلیک پوسته سرامیکی یک فرآیند ترمومکانیکی پویا است که شامل افزایش مداوم دما است, تبخیر آب, تجزیه آلی, و تبدیل فاز.

ترک‌های شلیک زمانی رخ می‌دهند که تنش داخلی روی هم از مقاومت پوسته در دمای بالا در یک مرحله دمایی خاص فراتر رود..

سیستم استرس جامع از سه مکانیسم غالب تشکیل شده است: عدم تطابق تنش حرارتی, جهش استرس تبدیل فاز, و آزادسازی تنش پسماند متمرکز, با تنش انبساط گاز ناشی از تجزیه ناخالصی تکمیل می شود.

عدم تطابق تنش حرارتی (انگیزه اولیه)

پوسته های سرامیکی مواد کامپوزیتی غیرفلزی متخلخل با رسانایی حرارتی کم 1.2 تا 2.0 W/ هستند.(m·K), منجر به هیسترزیس حرارتی قابل توجهی در طول گرمایش کوره می شود.

نرخ گرمایش بیش از حد سریع یک گرادیان دمایی شدید بین سطح بیرونی پوسته و هسته داخلی ایجاد می‌کند.: لایه بیرونی در دمای بالا به سرعت منبسط می شود,

در حالی که منطقه دمای پایین داخلی گسترش آزاد آن را محدود می کند, ایجاد تنش حرارتی محدود بسیار زیاد.

هنگامی که سرعت گرمایش از 5 درجه سانتیگراد در دقیقه بیشتر شود, اختلاف دمای داخلی و خارجی لایه‌های پوسته پشتیبان ضخیم‌تر از 10 میلی متر می تواند به بیش از 200 درجه سانتی گراد برسد.

در محدوده دمای متوسط ​​600 تا 800 درجه سانتیگراد, پوسته سرامیکی مقاومت مکانیکی نسبتاً کمی را حفظ می کند, آن را در برابر شروع ترک ناشی از تنش حرارتی بسیار آسیب پذیر می کند.

برای پوسته های پیچیده با حفره های داخلی پیچیده, جریان هوای کوره داغ نمی تواند به آرامی در داخل حفره گردش کند, افزایش بیشتر اختلاف دمای داخلی و خارجی.

این توضیح می دهد که چرا دیوار نازک, پوسته‌های ریخته‌گری سرمایه‌گذاری با ساختار پیچیده بیشترین آسیب را به ترک خوردگی دارند.

جهش استرس تبدیل فاز (فاکتور غالب درجه حرارت بالا)

سیستم پوسته پودر سیلیس-کوارتز کلوئیدی صنعتی در دمای 573 درجه سانتیگراد تحت انتقال فاز کریستالی شدید قرار می گیرد., که در آن α-کوارتز به سرعت با افزایش حجم ناگهانی به β-کوارتز تبدیل می شود. 0.82%.

گرمایش سریع کنترل نشده در نزدیکی این دمای بحرانی باعث جهش حجمی آنی ذرات کوارتز می شود., ایجاد تنش داخلی عظیم و جوانه زنی شدید ریز ترک ها در سراسر ساختار پوسته.

حتی برای پوسته های مبتنی بر آلومینا ذوب شده با پایداری بالا, ژل آمورف SiO2 تبدیل شده از سیلیس کلوئیدی در دمای بالای 800 درجه سانتیگراد شروع به تبلور می کند., به تدریج کریستوبالیت را با تغییرات حجمی قابل توجه تشکیل می دهد.

تنش تبدیل فاز ایجاد شده در طول این فرآیند تبلور باعث گسترش بیشتر ریزترک‌های ذاتی در داخل پوسته می‌شود..

علاوه بر این, ناخالصی های کربنات و سولفات باقیمانده در مواد خام در دمای بالا تجزیه شده و گاز تولید می کند..

گاز به دام افتاده که نمی تواند از منافذ پوسته خارج شود، استرس انبساط اضافی ایجاد می کند, تشدید تمایل به انتشار ترک.

آزادسازی متمرکز استرس باقیمانده (علت ترک پنهان)

تنش پسماند قابل توجهی در طی فرآیندهای ساخت پوسته و موم زدایی جمع می شود, باقی ماندن در حالت فراپایدار که توسط شبکه ژل پوسته در دمای اتاق محدود شده است.

در طول پوشش پوسته چند لایه, انقباض خشک شدن ناهمزمان لایه های پوشش متوالی تنش باقیمانده سطحی را ایجاد می کند.

در فرآیند موم زدایی, انبساط حرارتی سریع و ذوب الگوهای موم باعث افزایش تمرکز تنش موضعی در داخل پوسته می‌شود.

هنگامی که پوسته در هنگام شلیک بالای 600 درجه سانتیگراد گرم می شود, فاز ژل بایندر کلوئیدی نرم می شود, و محدودیت ساختاری سفت و سخت پوسته به شدت کاهش می یابد.

تنش پسماند انباشته شده به طور ناگهانی آزاد می شود, شکستن تعادل تنش داخلی اولیه و ایجاد گسترش سریع ریز ترک‌های نهفته به ترک‌های شلیک ماکروسکوپی قابل مشاهده.

این مکانیسم بیشتر عیوب ترک خوردگی پوسته با تاخیر و پنهان را در تولید صنعتی به حساب می آورد.

4. فناوری کنترل و پیشگیری سیستماتیک فرآیند کامل

با توجه به مکانیزم کوپلینگ چندعاملی ترک های شلیک پوسته, تنظیم تک فرآیندی نمی تواند اساساً نقص ها را از بین ببرد.

یک سیستم پیشگیری جامع که بهینه سازی فرمول مواد را پوشش می دهد, تنظیم حرارتی دقیق شلیک قطعه بندی شده, و کنترل مشترک قبل از فرآیند برای تثبیت کیفیت پوسته و سرکوب عیوب ترک مورد نیاز است..

بهینه سازی سیستم مواد: سرکوب اساسی ترک

بهینه‌سازی پایداری حرارتی و چقرمگی مواد پوسته در دمای بالا، علت اصلی عدم تطابق تنش را از بین می‌برد.:

اولی, اصلاح سیستم سنتی نسوز پودر کوارتز با معرفی آلومینا ذوب شده یا پودر مولایت.

این مواد پایدار در دمای بالا، جهش حجمی خشونت‌آمیز تبدیل فاز کوارتز را مهار می‌کنند, کاهش نرخ تغییرات حجمی در نقطه انتقال فاز 573 درجه سانتیگراد به داخل 0.3% و تنش تبدیل فاز را به شدت کاهش می دهد.

دوم, بهینه سازی عملکرد بایندر سیلیس کلوئیدی با کنترل توزیع اندازه ذرات SiO2 در 10 تا 20 نانومتر.

این امر از تبلور سریع ذرات سیلیس بسیار ریز در دماهای بالا جلوگیری می کند و پایداری حرارتی کلی سیستم بایندر را بهبود می بخشد..

علاوه بر این, مقدار کمی فیبر سیلیکات آلومینیوم کوتاه برش را به پوشش های لایه پشتیبان اضافه کنید تا یک شبکه سخت کننده الیاف داخلی ایجاد کنید..

اثر پل زدن فیبر به طور موثری نوک ترک را لنگر می‌اندازد و از انتشار ترک جلوگیری می‌کند,

افزایش مقاومت خمشی پوسته سرامیکی در دمای بالا به بیش از 30% و به طور قابل توجهی مقاومت سازه را در برابر آسیب استرس افزایش می دهد.

کنترل دقیق دمای قطعه بندی شده: رهاسازی پایدار استرس

یک منحنی گرمایش مرحله‌ای، جایگزین پخت سریع خام سنتی می‌شود تا به کاهش گرادیان و تنش متعادل در طول فرآیند پخت دست یابد.:

1. دمای اتاق تا 300 درجه سانتیگراد: برای حذف کامل رطوبت باقیمانده داخل پوسته، سرعت گرمایش کم 1 درجه سانتیگراد در دقیقه را اتخاذ کنید., جلوگیری از تبخیر آنی بخار و آسیب ناشی از استرس ناشی از انفجار.
2. 300درجه سانتیگراد تا 600 درجه سانتیگراد: برای اطمینان از تجزیه کامل اکسیداتیو موم باقیمانده و بقایای آلی، سرعت گرمایش را کمتر از 1.5 درجه سانتیگراد در دقیقه محدود کنید., اجتناب از تمرکز تنش موضعی ناشی از احتراق شدید ناخالصی‌های باقیمانده.
3. 573سکوی انتقال فاز درجه سانتی گراد: در نقطه بحرانی انتقال فاز کوارتز یک مرحله نگهداشتن دمای ثابت را به مدت 60 تا 90 دقیقه حفظ کنید تا آهسته شود., تبدیل فاز پایدار و از بین بردن آسیب های ساختاری ناشی از انبساط ناگهانی حجم.
4. 600درجه سانتیگراد تا 1050 درجه سانتیگراد: سرعت گرمایش را به طور متوسط ​​به 2 درجه سانتیگراد در دقیقه افزایش دهید, به دنبال آن 2 تا 4 ساعت پخت با دمای ثابت در دمای نهایی.
   این امر زینترینگ کافی سیستم بایندر را تضمین می کند و یکنواخت می شود, استحکام ساختاری پایدار در دمای بالا برای پوسته.

در ضمن, بهینه سازی سیستم گردش هوای گرم کوره پخت برای کنترل انحراف دمای کلی کوره در 15± درجه سانتیگراد, حذف تنش حرارتی ناهموار ناشی از اختلاف دمای محلی.

بهینه سازی مشارکتی قبل از فرآیند: کاهش انباشت استرس باقیمانده

کنترل هماهنگ فرآیندهای ساخت پوسته و موم زدایی، تجمع تنش پسماند را از قبل به حداقل می رساند.:

در فرآیند پوشش پوسته, زمان خشک شدن و دما و رطوبت محیط را برای هر لایه پوشش کاملاً استاندارد کنید, حصول اطمینان از انقباض خشک شدن همزمان سازه های چند لایه و اجتناب از اختلافات انقباض سطحی بیش از حد.

در فرآیند موم زدایی, برای جلوگیری از انبساط خشونت آمیز آنی الگوهای موم، حالت افزایش فشار گرادیان فشار کم را اتخاذ کنید., کاهش آسیب ضربه و وارد شدن تنش پسماند به پوسته.

برای پوسته های بزرگ و پیچیده, پس از موم زدایی، یک فرآیند پیش خشک شدن با دمای پایین اضافه کنید تا مواد فرار کم جوش را تخلیه کرده و تنش پسماند کم عمق را از قبل آزاد کنید., به طور موثر از ترک خوردن ناگهانی ناشی از آزاد شدن تنش متمرکز در هنگام شلیک در دمای بالا جلوگیری می کند.

5. نتیجه گیری

ترک خوردگی پوسته سرامیکی یک نقص ساختاری مرکب معمولی است که توسط تنش حرارتی ایجاد می شود, تنش تبدیل فاز, و جفت تنش پسماند.

شروع و انتشار آن توسط تطبیق ترموفیزیکی سیستم های مواد پوسته تعیین می شود, منطقی بودن شلیک سیستم های حرارتی, و حالت تنش پسماند که توسط عملیات قبل از فرآیند تشکیل می شود.

شناسایی طبقه‌بندی‌شده مورفولوژی‌های ترک ماکروسکوپی و مکانیسم‌های انبساط میکروسکوپی، تشخیص هدفمند نقص را ممکن می‌سازد..

از طریق اصلاح سختی مواد, شلیک کنترل دقیق دما تقسیم بندی شده, و فرآیندهای پیش کنترل مشارکتی رویه های ساخت پوسته و موم زدایی, ریخته گری می تواند به طور موثر ترک خوردگی پوسته را سرکوب کند,

بهبود یکپارچگی ساختار پوسته و پایداری در دمای بالا, کاهش عیوب سطح ریخته گری و نرخ ضایعات, و به دقت بالا دست پیدا کنید, پر بازده, و تولید استاندارد و کم هزینه ریخته گری سرمایه گذاری.