Качество литье по выплавляемым моделям из алюминиевого сплава принципиально определяется целостностью расплава. Достижение высокой целостности расплава требует точного контроля температуры, химического состава и содержания газа. Основная цель — получить чистый, однородный жидкий металл, свободный от оксидов, водородной пористости и включений, прежде чем он попадет в керамическую оболочку.
Для инженеров-литейщиков и металлургов важным выводом является то, что подготовка расплава является причиной более 60% дефектов конечного литья. . Надлежащая дегазация, очистка зерна и строгий контроль температуры между 700°С и 760°С являются необсуждаемыми шагами. Пренебрежение этими параметрами приводит к снижению механических свойств, ухудшению качества поверхности и увеличению количества брака в аэрокосмической и автомобильной промышленности.
Выбор плавильной печи и контроль температуры
Выбор плавильной печи существенно влияет на чистоту алюминиевого сплава. Индукционные печи предпочтительны для литья по выплавляемым моделям из-за их способности быстрого нагрева и электромагнитного перемешивания, которое способствует гомогенности. Однако чрезмерное перемешивание может привести к вовлечению воздуха, что приведет к образованию оксидов.
Оптимальные температуры плавления
Алюминиевые сплавы обычно плавятся при температуре около 660°C, но температура заливки при литье по выплавляемым моделям должна быть выше, чтобы обеспечить текучесть в сложных керамических формах. Идеальный диапазон заливки составляет от 700°С до 760°С . Превышение температуры 800°C резко увеличивает растворимость водорода и скорость окисления. На каждые 10°C повышения температуры выше 760°C поглощение водорода может увеличиваться на 15-20% , что приводит к серьезным проблемам с пористостью при затвердевании.
Совместимость материалов тигля
Стандартным является использование тиглей из карбида кремния (SiC) или графитовой глины. Эти материалы должны быть покрыты защитной глазурью, чтобы предотвратить реакцию с расплавленным алюминием. Поврежденная футеровка тигля приводит к появлению примесей железа и кремния, изменяющих механические свойства сплава. Регулярный осмотр и замена тиглей каждые 50-100 плавок рекомендуется сохранять последовательность.
Методы дегазации и удаления водорода
Водород — единственный газ, обладающий значительной растворимостью в расплавленном алюминии. По мере затвердевания металла водород выпадает в осадок, образуя поры, которые ослабляют отливку. Поэтому эффективная дегазация является наиболее важным этапом подготовки расплава.
Ротационная дегазация аргоном/азотом
Отраслевым стандартом высококачественного литья по выплавляемым моделям является дегазация вращающейся крыльчаткой. Графитовый ротор вращается со скоростью 300-500 об/мин при вдувании в расплав инертного газа (аргона или азота). Это создает мелкие пузырьки, которые захватывают водород посредством диффузии. Обычно процесс длится 10-15 минут и может снизить уровень водорода от от 0,30 мл/100 г до менее 0,10 мл/100 г .
Твердые таблетки для дегазации
Для небольших литейных предприятий альтернативой являются таблетки на основе гексахлорэтана. При погружении в воду они выделяют газообразный хлор, который вступает в реакцию с водородом с образованием газообразного HCl. Несмотря на свою эффективность, этот метод производит токсичные пары и оставляет остатки солевого шлака, которые необходимо обезжиривать. Он менее последователен, чем роторная дегазация, и обычно не рекомендуется для компонентов аэрокосмического назначения.
| Метод | Эффективность | Воздействие на окружающую среду | Консистенция |
|---|---|---|---|
| Роторный инертный газ | Высокий (>90%) | Низкий (нетоксичный) | Отлично |
| Таблетки хлора | Средний (70-80%) | Высокий (токсичные пары) | Переменная |
| Вакуумная дегазация | Очень высокий (>95%) | Нет | Отлично |
Очистка и модификация зерна
Микроструктура затвердевшего алюминиевого сплава определяет его механические характеристики. Крупные зерна приводят к плохой пластичности и повышенной склонности к горячему разрыву. Измельчение и модификация зерна являются важными металлургическими обработками, выполняемыми на стадии плавки.
Титаново-борные заводы
Добавление лигатуры Al-Ti-B (обычно 5% Ti, 1% B) способствует гетерогенному зародышеобразованию. В результате получается мелкая равноосная зернистая структура. Стандартная ставка добавления составляет 0,1-0,2% по массе от общего расплава. Чрезмерное добавление может привести к образованию крупных интерметаллидов TiAl3, которые действуют как концентраторы напряжений и снижают усталостную долговечность.
Модификация стронцием кремниевых сплавов
Для доэвтектических сплавов Al-Si (например, А356) модификация стронцием (Sr) преобразует грубую пластинчатую эвтектику кремния в тонкую волокнистую структуру. Это значительно улучшает удлинение и прочность на разрыв. Оптимальная концентрация Sr составляет 150-200 частей на миллион . Важно отметить, что Sr со временем тускнеет; поэтому модификацию следует производить непосредственно перед заливкой, в идеале в течение 30-45 минут .
Удаление включений и фильтрация расплава
Даже при тщательной плавке неметаллические включения, такие как оксиды (Al2O3) и тугоплавкие частицы, остаются во взвешенном состоянии в расплаве. Эти включения действуют как места зарождения трещин и должны быть удалены перед отливкой.
Керамические пенные фильтры (CFF)
Пенокерамические фильтры размещаются в литниковой системе или ковше. Они работают посредством глубинной фильтрации, улавливая частицы, размер которых превышает размер их пор. Общие размеры пор 10, 20 или 30 PPI (пор на дюйм) . Фильтр с плотностью 10 PPI удаляет крупные окалины, а фильтр с плотностью 30 PPI улавливает более мелкие оксиды. Использование двухступенчатой системы фильтрации может улучшить чистоту до 40% по сравнению с нефильтрованными расплавами.
Снятие сливок и урегулирование
Перед фильтрацией ручное или механическое обезжиривание удаляет объемный оксидный слой с поверхности расплава. Даем расплаву отстояться 10-15 минут после дегазации позволяет более тяжелым включениям тонуть, а более легким окалинам всплывать, что облегчает их удаление. Спешка на этом этапе часто приводит к турбулентному разливу, которое повторно увлекает оксиды в поток жидкости.
В заключение, производство высококачественных отливок из алюминиевых сплавов требует дисциплинированного подхода к обращению с расплавом. Контролируя температуру, эффективно дегазируя, измельчая зернистую структуру и фильтруя включения, производители могут обеспечить превосходные механические свойства и минимальный процент дефектов.
