Įvadas
Investicijų atrankoje, keraminis apvalkalas yra kur kas daugiau nei laikina forma.
Tai struktūrinis pagrindas, palaikantis vaško pašalinimą, šaudymas, metalo liejimas, ir galiausiai galutinio liejimo matmenų vientisumas.
Jei šaudant įtrūksta apvalkalas, Visa liejimo seka gali būti pažeista, kol išlydytas metalas net nepatenka į formą.
Dėl šios priežasties, lukšto įtrūkimai yra vienas rimčiausių ir brangiausių investicijų liejimo proceso defektų.
Įtrūkimai deginant keraminį apvalkalą nėra vienintelė problema.
Paprastai tai yra kelių įtempių, veikiančių vienu metu, rezultatas: Šiluminiai gradientai, fazių transformacijos įtempiai, liekamojo streso atleidimas, ir apvalkalo medžiagų sistemos arba proceso valdymo silpnumas.
Kambario temperatūroje gali skambėti apvalkalas, tačiau greitai sugenda, kai įkaista, jei šildymo grafikas, medžiagos sudėtis, arba džiovinimo istorija yra blogai kontroliuojama.
Norint suprasti šį trūkumą, reikia pažvelgti į problemą iš trijų pusių: kaip atrodo įtrūkimai, kodėl jie susidaro, ir kaip jų galima išvengti visoje proceso grandinėje.
1. Kas yra keraminis apvalkalas?
Keraminis apvalkalas yra daugiasluoksnė ugniai atspari konstrukcija, pastatyta aplink vaško raštą Investicijų liejimas.
Paprastai jis susidaro pakartotinai panardinant vaško agregatą į keraminę srutą, tinkuojant jį ugniai atspariais grūdeliais, ir džiovinkite kiekvieną sluoksnį, kol bus pasiektas norimas storis ir stiprumas.
Po vaško pašalinimo, apvalkalas išdeginamas, kad pašalintų likusią drėgmę ir organines medžiagas, sustiprinti surištą keramikos tinklą, ir paruošti liejimo formą.
Korpusas turi atitikti sudėtingus reikalavimus:
- pakankamai atsparus kambario temperatūrai, kad atlaikytų tvarkymą ir vaško pašalinimą,
- pakankamas pralaidumas, kad dujos galėtų išeiti,
- pakankamas šiluminis stabilumas, kad atlaikytų degimą ir išlydytą metalą,
- pakankamai tvirtos, kad atsispirtų deformacijai ir įtrūkimams,
- ir pakankamai matmenų tikslumo, kad būtų galima atkurti tikslią liejimo formą.
Kadangi šie reikalavimai yra glaudžiai susiję, vienos korpuso sistemos dalies silpnumas gali greitai tapti įtrūkimo problema šaudymo metu.
2. Apvalkalų degimo įtrūkimų makro ir mikromorfologinės charakteristikos
Keraminių apvalkalų degimo įtrūkimai pasižymi labai taisyklingomis ir ryškiomis morfologinėmis savybėmis,
kurias pagal pasiskirstymą galima suskirstyti į tris tipines makroskopines kategorijas, gylis, ir pavojaus lygis, su unikaliomis mikroskopinėmis plėtimosi taisyklėmis, atskleistomis stebint mikrostruktūrą.
Trys tipiški makroskopinių įtrūkimų tipai
Įtrūkimai per storį
Kaip pavojingiausias degimo defektas, storio įtrūkimai visiškai prasiskverbia nuo išorinio apvalkalo paviršiaus iki vidinės ertmės paviršiaus, o įtrūkimo plotis viršija 0.5 mm.
Šie įtrūkimai dažniausiai atsiranda dideliuose, plonasienės plokščios keraminio apvalkalo vietos ir matomai iškyla degimo įkaitimo stadijoje.
Kartą susiformavęs, jie visiškai sunaikina korpuso formos konstrukcinį vientisumą ir atsparumą slėgiui, dėl to liejimo apvalkalas bus kruopščiai išardomas į metalo laužą be galimybės taisyti.
Šis defektas yra pagrindinė masinio kevalų atliekų masinio investicinio liejinio gamybos priežastis.
Paviršiaus mikro įtrūkimai
Paviršiaus mikro įtrūkimai yra negilūs, plaukų linijos trūkumai apsiriboja tik išoriniu apvalkalo paviršiaus sluoksniu, kurių įsiskverbimo gylis yra mažesnis nei trečdalis viso korpuso storio.
Šie subtilūs įtrūkimai yra beveik nematomi kambario temperatūroje ir dažnai išvengia įprastinio patikrinimo prieš pilant..
Esant intensyviam aukštos temperatūros išlydyto metalo šiluminiam šokui liejant, miegantys mikro įtrūkimai greitai plečiasi ir plinta į vidų,
formuojant ištisinius iškilusius dryžių defektus ant atitinkamo liejimo paviršiaus, o tai labai pablogina tiksliųjų liejinių paviršiaus apdailą ir matmenų vienodumą.
Sąsajos delaminacijos įtrūkimai
Sąsajos delaminacijos įtrūkimai plinta išilgai gretimų apvalkalo dangos sluoksnių surišimo sąsajų, sukelia vietinį atskyrimą ir lupimąsi tarp paviršinio sluoksnio ir atsarginių keraminio apvalkalo sluoksnių.
Koncentruotas kriauklių kampuose, briaunos, ir struktūrinės pereinamosios zonos, šie įtrūkimai kenkia bendram korpuso konstrukcijos tvirtumui ir tarpsluoksnių sukibimo stiprumui.
Išlydyto metalo liejimo metu, tarpfazinis atskyrimas veda prie vietinio apvalkalo išsiliejimo, dėl to liejimo paviršiuose atsiranda tipiškų smėlio įterpimo defektų ir pažeidžiamas formos ertmės sandarumas bei formavimosi stabilumas.
Mikroskopinis degimo plyšių išsiplėtimo mechanizmas
Mikrostruktūrinė analizė patvirtina, kad įtrūkimai skleidžiasi atrankiniu būdu.
Užuot tiesiogiai sulaužę ugniai atsparių užpildų daleles, dauguma plyšių tęsiasi palei sąsają tarp ugniai atsparių dalelių ir koloidinio rišiklio gelio fazės.
Ši pagrindinė savybė patvirtina, kad apvalkalo įtrūkimai iš esmės atsiranda dėl termofizinio rišiklio sistemos ir ugniai atsparių medžiagų neatitikimo..
Aukštos temperatūros šaudymo metu, koloidinio silicio dioksido rišiklio tūrio kitimas nesuderinamas su ugniai atsparių agregatų šiluminio plėtimosi elgesiu,
sukuriant koncentruotą sąsajos įtempį, kuris viršija būdingą tarpsluoksnio sukibimo stiprumą, galiausiai sukelia konstrukcijos lūžimą ir įtrūkimų atsiradimą.
Įtrūkimams, susidariusiems aukštesnėje nei 1100°C temperatūroje, nenormalus mullito fazių nusodinimas ir vietinis mažo klampumo stiklo fazių sodrėjimas yra nuolat stebimas plyšių viršūnėse.
Šie aukštos temperatūros fazės pokyčiai dar labiau susilpnina sąsajų sukibimo atsparumą ir pagreitina įtrūkimų plitimą, įrodantis, kad šiluminės fazės transformacija yra kritinis veiksnys, lemiantis aukštos temperatūros apvalkalo įtrūkimą.
3. Keraminių apvalkalų degimo įtrūkimų pagrindiniai susidarymo mechanizmai
Keramikos apvalkalo deginimas yra dinamiškas termomechaninis procesas, apimantis nuolatinį temperatūros kilimą, vandens garinimas, organinis skilimas, ir fazių transformacija.
Degimo įtrūkimai atsiranda, kai susidaręs vidinis įtempis viršija momentinį korpuso stiprumą aukštoje temperatūroje tam tikroje temperatūros stadijoje..
Visapusiška streso sistema susideda iš trijų dominuojančių mechanizmų: terminio įtempio neatitikimas, fazės transformacijos streso mutacija, ir koncentruoto liekamojo streso atpalaidavimo, papildytas dujų plėtimosi įtempimu dėl priemaišų irimo.
Šiluminio streso neatitikimas (Pirminė paskata)
Keraminiai apvalkalai yra porėtos nemetalinės kompozicinės medžiagos, kurių šilumos laidumas yra mažas 1,2–2,0 W/(m·K), dėl to kaitinant krosnyje susidaro reikšminga šiluminė histerezė.
Pernelyg greitas kaitinimo greitis sukuria aštrų temperatūros gradientą tarp korpuso išorinio paviršiaus ir vidinės šerdies: išorinis sluoksnis sparčiai plečiasi esant aukštai temperatūrai,
o vidinė žemos temperatūros sritis riboja jos laisvą plėtimąsi, sukuriant didžiulį ribotą šiluminį įtampą.
Kai šildymo greitis viršija 5°C/min, atsarginių apvalkalo sluoksnių vidinis ir išorinis temperatūrų skirtumas storesnis nei 10 mm gali siekti virš 200°C.
Vidutinės temperatūros diapazone nuo 600°C iki 800°C, keraminis apvalkalas išlaiko santykinai mažą mechaninį stiprumą, todėl jis yra ypač pažeidžiamas šiluminio įtempio sukeliamo įtrūkimo atsiradimo.
Sudėtingiems apvalkalams su sudėtingomis vidinėmis ertmėmis, karšto krosnies oro srautas negali sklandžiai cirkuliuoti ertmės viduje, toliau didinant vidaus ir išorės temperatūrų skirtumą.
Tai paaiškina, kodėl plonasienių, sudėtingos struktūros investiciniai liejimo korpusai yra labiausiai jautrūs įtrūkimams.
Fazės transformacijos streso mutacija (Aukštos temperatūros dominuojantis veiksnys)
Pramoninėje pagrindinėje koloidinio silicio-kvarco miltelių apvalkalo sistemoje 573 °C temperatūroje vyksta stiprus kristalinės fazės virsmas, kur α-kvarcas greitai virsta β-kvarcu su staigiu tūrio padidėjimu 0.82%.
Nekontroliuojamas greitas kaitinimas šalia šios kritinės temperatūros sukelia momentinę kvarco dalelių tūrio mutaciją, sukuriant didžiulį vidinį įtampą ir intensyvų mikroįtrūkimų dygimą visoje apvalkalo struktūroje.
Net ir didelio stabilumo lydytam aliuminio oksido apvalkalui, amorfinis SiO₂ gelis, paverstas iš koloidinio silicio dioksido, pradeda kristalizuotis aukštesnėje nei 800 ° C temperatūroje, palaipsniui formuojantis kristobalitas, kurio tūris labai skiriasi.
Šio kristalizacijos proceso metu susidaręs fazės transformacijos įtempis dar labiau išplečia įgimtus mikro įtrūkimus korpuso viduje..
Be to, likutinės karbonatinės ir sulfatinės priemaišos žaliavose suyra ir gamina dujas aukštoje temperatūroje.
Įstrigusios dujos, kurios negali išeiti pro apvalkalo poras, sukuria papildomą plėtimosi įtampą, sustiprina įtrūkimų plitimo tendenciją.
Koncentruotas liekamasis streso atleidimas (Paslėpta įtrūkimo priežastis)
Didelis liekamasis įtempis susikaupia apvalkalo gamybos ir vaško šalinimo procesų metu, kambario temperatūroje lieka metastabilioje būsenoje, susietoje su apvalkalo gelio tinklu.
Daugiasluoksnio apvalkalo dengimo metu, asinchroninis džiovinimo nuoseklių dangos sluoksnių susitraukimas sukuria nuolatinį paviršių liekamąjį įtempimą.
Devaško šalinimo procese, greitas šiluminis plėtimasis ir vaško raštų lydymasis dar labiau sukuria lokalizuotą įtempių koncentraciją apvalkalo viduje.
Kai šaudymo metu apvalkalas įkaista virš 600°C, koloidinio rišiklio gelio fazė suminkštėja, o korpuso standus struktūrinis suvaržymas smarkiai sumažėja.
Ilgai susikaupęs liekamasis stresas staiga atsipalaiduoja, sulaužant pradinį vidinį įtempių balansą ir skatinant spartų latentinių mikro įtrūkimų išsiplėtimą į matomus makroskopinius degimo įtrūkimus.
Šis mechanizmas sukelia daugumą uždelsto ir paslėptų apvalkalo įtrūkimų defektų pramoninėje gamyboje.
4. Viso proceso sisteminės kontrolės ir prevencijos technologija
Atsižvelgiant į daugiafaktorinį apvalkalo įtrūkimų sujungimo mechanizmą, vieno proceso derinimas negali iš esmės pašalinti defektų.
Išsami prevencijos sistema, apimanti medžiagų formulės optimizavimą, tikslus segmentuotas degimo terminis reguliavimas, o norint stabilizuoti apvalkalo kokybę ir slopinti įtrūkimų defektus, reikalinga bendra kontrolė prieš procesą.
Medžiagų sistemos optimizavimas: Pagrindinis įtrūkimų slopinimas
Korpuso medžiagų termostabilumo ir tvirtumo aukštoje temperatūroje optimizavimas pašalina pagrindinę streso neatitikimo priežastį:
Pirma, modifikuoti tradicinę ugniai atsparią kvarco miltelių sistemą, įvedant lydyto aliuminio oksido arba mullito miltelius.
Šios aukštoje temperatūroje stabilios medžiagos apsaugo nuo stiprios kvarco fazės transformacijos tūrio mutacijos, sumažinant tūrio kitimo greitį 573°C fazės perėjimo taške į vidų 0.3% ir drastiškai sumažinant fazės transformacijos įtampą.
Antra, optimizuoti koloidinio silicio dioksido rišiklio veikimą kontroliuojant SiO₂ dalelių dydžio pasiskirstymą 10–20 nm.
Taip išvengiama greitos itin smulkių silicio dioksido dalelių kristalizacijos aukštoje temperatūroje ir pagerinamas bendras rišiklio sistemos terminis stabilumas..
Be to, pridėkite nedidelį kiekį trumpai supjaustyto aliuminio silikato pluošto į atsarginio sluoksnio dangas, kad sukurtumėte vidinį pluošto grūdinimo tinklą.
Pluošto tiltelio efektas veiksmingai įtvirtina įtrūkimų antgalius ir blokuoja įtrūkimų plitimą,
padidinus keraminio apvalkalo atsparumą lenkimui aukštoje temperatūroje daugiau nei 30% ir žymiai padidina konstrukcijos atsparumą įtempių pažeidimams.
Segmentinis tikslus temperatūros valdymas: Stabilus streso atleidimas
Pakopinė šildymo kreivė pakeičia tradicinį neapdorotą greitą deginimą, kad būtų pasiektas gradientas ir subalansuotas įtampos pašalinimas viso degimo proceso metu:
- Kambario temperatūra iki 300°C: Nustatykite žemą kaitinimo greitį 1°C/min, kad visiškai pašalintumėte laisvą likutinę drėgmę korpuso viduje, užkirsti kelią momentiniam garų išgaravimui ir sprogstamiesiems įtempiams.
- 300°C iki 600 °C: Apribokite kaitinimo greitį žemiau 1,5 °C/min, kad užtikrintumėte visišką likutinio vaško ir organinių likučių oksidacinį skaidymą, vengiant vietinės streso koncentracijos, kurią sukelia stiprus likutinių priemaišų degimas.
- 573°C fazės perėjimo platforma: Palaikykite pastovią temperatūros palaikymo stadiją 60–90 minučių kritiniame kvarco fazės perėjimo taške, kad būtų užtikrintas lėtas, stabili fazinė transformacija ir pašalinta struktūrinė žala dėl staigaus tūrio išsiplėtimo.
- 600°C iki 1050 °C: Vidutiniškai padidinkite šildymo greitį iki 2°C/min, po to 2–4 valandas pastovios temperatūros deginimas galutinėje temperatūroje.
Taip užtikrinamas pakankamas rišiklio sistemos sukepinimas ir vienodos formos, stabilus korpuso konstrukcijos stiprumas aukštoje temperatūroje.
Tuo tarpu, optimizuoti kūrenimo krosnies karšto oro cirkuliacijos sistemą, kad bendras krosnies temperatūros nuokrypis būtų ±15°C, pašalina netolygią šiluminę įtampą, kurią sukelia vietiniai temperatūros skirtumai.
Bendradarbiavimo optimizavimas prieš procesą: Sumažinkite liekamojo streso kaupimąsi
Koordinuota apvalkalo gamybos ir vaško šalinimo procesų kontrolė sumažina liekamojo įtempio kaupimąsi iš anksto:
Korpuso dengimo procese, griežtai standartizuoti kiekvieno dangos sluoksnio džiūvimo laiką ir aplinkos temperatūrą bei drėgmę, užtikrinti sinchroninį daugiasluoksnių struktūrų džiovinimo susitraukimą ir išvengti pernelyg didelių sąsajų susitraukimo skirtumų.
Devaško šalinimo procese, naudoti žemo slėgio gradiento slėgio didėjimo režimą, kad būtų išvengta staigios vaško raštų išplitimo, sumažina smūgio žalą ir liekamąjį įtempį, patenkantį į apvalkalą.
Dideliems ir sudėtingiems korpusams, po vaško pašalinimo pridėkite žemos temperatūros išankstinio džiovinimo procesą, kad pašalintumėte žemai verdančias lakias medžiagas ir iš anksto pašalintumėte nedidelį liekamąjį įtampą, veiksmingai užkertant kelią staigiam įtrūkimui, kurį sukelia koncentruotas įtempių išsiskyrimas deginant aukštoje temperatūroje.
5. Išvada
Keraminio apvalkalo įtrūkimai yra tipiškas sudėtinis konstrukcijos defektas, kurį sukelia šiluminis įtempis, fazės transformacijos įtempis, ir liekamojo įtempio sujungimas.
Jo pradžią ir plitimą lemia termofizinis apvalkalo medžiagų sistemų atitikimas, šiluminių sistemų deginimo racionalumas, ir liekamojo įtempio būseną, susidariusią atliekant priešprocesines operacijas.
Klasifikuotas makroskopinių įtrūkimų morfologijų ir mikroskopinių išsiplėtimo mechanizmų identifikavimas leidžia tikslingai diagnozuoti defektus.
Per medžiagų grūdinimo modifikavimą, segmentuotas tikslus temperatūros kontrolės šaudymas, ir viso proceso bendra išankstinė apvalkalo gamybos ir vaško šalinimo procedūrų kontrolė, liejyklos gali veiksmingai slopinti apvalkalo įtrūkimus,
pagerinti korpuso konstrukcijos vientisumą ir stabilumą aukštoje temperatūroje, sumažinti liejimo paviršiaus defektus ir laužo normas, ir pasiekti aukštą tikslumą, didelio derlingumo, ir nebrangi standartizuota investicinių liejinių gamyba.
