Chất lượng của đúc đầu tư hợp kim nhôm về cơ bản được xác định bởi tính toàn vẹn của sự tan chảy. Để đạt được sự tan chảy có tính toàn vẹn cao đòi hỏi phải kiểm soát chính xác nhiệt độ, thành phần hóa học và hàm lượng khí. Mục tiêu chính là tạo ra kim loại lỏng sạch, đồng nhất, không chứa oxit, độ xốp hydro và tạp chất trước khi đi vào lớp vỏ gốm.
Đối với các kỹ sư đúc và nhà luyện kim, bài học quan trọng là chuẩn bị nấu chảy chiếm hơn 60% lỗi đúc cuối cùng . Khử khí thích hợp, sàng lọc hạt và quản lý nhiệt độ nghiêm ngặt giữa 700°C và 760°C là những bước không thể thương lượng. Việc bỏ qua các thông số này sẽ dẫn đến giảm tính chất cơ học, độ hoàn thiện bề mặt kém và tăng tỷ lệ loại bỏ trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và ô tô.
Lựa chọn lò nấu chảy và kiểm soát nhiệt độ
Việc lựa chọn lò nấu chảy ảnh hưởng đáng kể đến độ sạch của hợp kim nhôm. Lò nung cảm ứng được ưa thích để đúc mẫu chảy do khả năng gia nhiệt nhanh và khuấy điện từ, giúp thúc đẩy tính đồng nhất. Tuy nhiên, khuấy quá nhiều có thể cuốn theo không khí, dẫn đến hình thành oxit.
Nhiệt độ nóng chảy tối ưu
Hợp kim nhôm thường nóng chảy ở khoảng 660°C, nhưng nhiệt độ rót để đúc chảy phải cao hơn để đảm bảo tính lưu động trong các khuôn gốm phức tạp. Phạm vi rót lý tưởng là 700°C đến 760°C . Vượt quá 800°C làm tăng đáng kể độ hòa tan hydro và tốc độ oxy hóa. Cứ tăng 10°C lên trên 760°C, khả năng hấp thụ hydro có thể tăng lên 15-20% , dẫn đến các vấn đề về độ xốp nghiêm trọng khi hóa rắn.
Khả năng tương thích vật liệu Crucible
Tiêu chuẩn sử dụng chén nung silic cacbua (SiC) hoặc đất sét than chì. Những vật liệu này phải được phủ một lớp men bảo vệ để tránh phản ứng với nhôm nóng chảy. Lớp lót nồi nấu bị hư hỏng sẽ tạo ra các chất gây ô nhiễm sắt và silicon, làm thay đổi tính chất cơ học của hợp kim. Thường xuyên kiểm tra và thay thế nồi nấu kim loại mỗi 50-100 tan chảy được khuyến nghị để duy trì tính nhất quán.
Kỹ thuật khử khí và loại bỏ hydro
Hydro là khí duy nhất hòa tan đáng kể trong nhôm nóng chảy. Khi kim loại đông đặc lại, hydro kết tủa ra ngoài, tạo thành các lỗ rỗng làm vật đúc yếu đi. Do đó, khử khí hiệu quả là bước quan trọng nhất trong quá trình chuẩn bị nấu chảy.
Khử khí quay bằng Argon/Nitơ
Tiêu chuẩn công nghiệp cho vật đúc mẫu chảy chất lượng cao là khử khí bằng cánh quạt quay. Một rôto than chì quay với tốc độ 300-500 vòng/phút đồng thời bơm khí trơ (Argon hoặc Nitơ) vào nóng chảy. Điều này tạo ra các bong bóng mịn thu giữ hydro thông qua quá trình khuếch tán. Quá trình này thường kéo dài 10-15 phút và có thể làm giảm nồng độ hydro từ 0,30 ml/100g đến dưới 0,10 ml/100g .
Viên khử khí rắn
Đối với các xưởng đúc nhỏ hơn, viên nén chứa hexachloroethane là một giải pháp thay thế. Khi chìm dưới nước, chúng giải phóng khí clo, khí này phản ứng với hydro tạo thành khí HCl. Mặc dù hiệu quả nhưng phương pháp này tạo ra khói độc và để lại dư lượng xỉ muối cần phải được loại bỏ. Nó kém nhất quán hơn so với khử khí quay và thường không được khuyến nghị cho các bộ phận cấp hàng không vũ trụ.
| phương pháp | Hiệu quả | Tác động môi trường | tính nhất quán |
|---|---|---|---|
| Khí trơ quay | Cao (>90%) | Thấp (Không độc hại) | Tuyệt vời |
| Viên clo | Trung bình (70-80%) | Cao (Khói độc hại) | Biến |
| Khử khí chân không | Rất cao (>95%) | không có | Tuyệt vời |
Tinh chế và sửa đổi hạt
Cấu trúc vi mô của hợp kim nhôm đông đặc quyết định hiệu suất cơ học của nó. Hạt thô dẫn đến độ dẻo kém và dễ bị rách nóng. Tinh chế và biến đổi hạt là các phương pháp xử lý luyện kim thiết yếu được thực hiện trong giai đoạn nấu chảy.
Nhà máy tinh chế Titan-Boron
Việc thêm hợp kim chính Al-Ti-B (thường là 5% Ti, 1% B) sẽ thúc đẩy quá trình tạo mầm không đồng nhất. Điều này dẫn đến một cấu trúc hạt cân bằng tốt. Tỷ lệ thêm chuẩn là 0,1-0,2% trọng lượng trong tổng lượng tan chảy. Việc bổ sung quá mức có thể dẫn đến sự hình thành các kim loại TiAl3 thô, hoạt động như chất tập trung ứng suất và làm giảm tuổi thọ mỏi.
Sửa đổi Strontium cho hợp kim silicon
Đối với các hợp kim Al-Si kém hiệu lực (ví dụ: A356), sự biến đổi strontium (Sr) biến đổi eutectic silicon giống như tấm thô thành cấu trúc sợi mịn. Điều này cải thiện đáng kể độ giãn dài và độ bền kéo. Nồng độ Sr tối ưu là 150-200 trang/phút . Điều quan trọng cần lưu ý là Sr mờ dần theo thời gian; do đó, việc điều chỉnh phải được thực hiện ngay trước khi đổ, lý tưởng nhất là trong vòng 30-45 phút .
Loại bỏ tạp chất và lọc nóng chảy
Ngay cả khi nấu chảy cẩn thận, các tạp chất phi kim loại như oxit (Al2O3) và các hạt chịu lửa vẫn lơ lửng trong nóng chảy. Những vùi này đóng vai trò là vị trí khởi đầu cho các vết nứt và phải được loại bỏ trước khi đúc.
Bộ lọc bọt gốm (CFF)
Bộ lọc bọt gốm được đặt trong hệ thống cổng hoặc muôi. Chúng hoạt động thông qua quá trình lọc sâu, bẫy các hạt lớn hơn kích thước lỗ chân lông của chúng. Kích thước lỗ chân lông phổ biến là 10, 20 hoặc 30 PPI (lỗ chân lông trên inch) . Bộ lọc 10 PPI loại bỏ cặn lớn, trong khi bộ lọc 30 PPI thu được các oxit mịn hơn. Sử dụng hệ thống lọc hai giai đoạn có thể cải thiện độ sạch lên tới 40% so với tan chảy không lọc.
Lướt và giải quyết
Trước khi lọc, hớt thủ công hoặc cơ học sẽ loại bỏ lớp oxit lớn trên bề mặt tan chảy. Cho phép sự tan chảy lắng xuống 10-15 phút sau khi khử khí sẽ giúp các tạp chất nặng hơn chìm xuống và cặn nhẹ hơn nổi lên, tạo điều kiện loại bỏ dễ dàng hơn. Việc gấp rút ở bước này thường dẫn đến hiện tượng đổ hỗn loạn, làm cuốn lại các oxit vào dòng chất lỏng.
Tóm lại, sản xuất vật đúc đầu tư hợp kim nhôm chất lượng cao đòi hỏi một cách tiếp cận kỷ luật để quản lý nóng chảy. Bằng cách kiểm soát nhiệt độ, khử khí hiệu quả, tinh chỉnh cấu trúc hạt và lọc tạp chất, nhà sản xuất có thể đảm bảo các đặc tính cơ học vượt trội và tỷ lệ sai sót tối thiểu.
