Механизм и контроль процесса образования дефектов в виде шлаковых включений в тонкостенных алюминиевых отливках, изготовленных методом литья под противодавлением (CPC)
Шлаковое включение представляет собой неметаллическое инородное тело, захваченное внутри матрицы отливки. Основными источниками являются оксидный шлак, фрагменты огнеупорных материалов, остатки разделительного средства и частицы фильтра; частота образования шлаковых дефектов при литье под давлением (LPDC), гравитационном литье и литье под противодавлением (CPC) зависит от технологий работы с расплавом, системы литниковых каналов и производительности системы отвода газов.
Не следует путать шлаковые включения с дефектами в виде оксидных складок: шлаковые включения представляют собой отдельные частицы чужеродной фазы, тогда как оксидные складки возникают в результате складывания оксидной пленки на поверхности расплава. Оба вида дефектов снижают механические характеристики, однако их первопричины и подходы к устранению значительно различаются для литейных изделий, используемых в качестве конструкционных деталей электромобилей.
Первичное образование оксидно-шлаковых включений: поверхность расплава вступает в реакцию с кислородом атмосферы во время разливки, перемещения ковша и его наклона. Тонкий хрупкий оксидный слой разрушается и смешивается с расплавом; попав в расплав, он превращается в шлаковые включения большой площади в партиях отливок, изготовленных методом литья под противодавлением (CPC).
Вторичные экзогенные источники шлака: фрагменты повреждённого керамического фильтра, отслоившийся огнеупорный материал ковша, шлам со дна печи, отслоившиеся остатки разделительного средства из полости формы. Эти посторонние частицы попадают в отливку независимо от окисления расплава при производстве отливок методом гравитационного литья.
Основной принцип защиты литниковой системы от шлака: предотвращение свободного падения струи расплава. Неконтролируемая струя разрушает поверхность расплава и увлекает оксидный шлак в литниковый канал; конструкция литниковой системы с нижним заливом снижает турбулентность на поверхности при литье алюминиевых колес методом LPDC.
Точки риска отказа фильтра: трещина на фильтрующей пластине, ненадлежащее уплотнение между фильтром и фильтрующим коробом. Расплав обтекает фильтр через зазор, и нефильтрованный шлак напрямую попадает в полость формы; визуальный осмотр не позволяет обнаружить крошечный зазор в уплотнении фильтра для форм для литья алюминия.
Риск образования шлака, связанный с кривой наполнения CPC: чрезмерно высокая начальная скорость наполнения вызывает всплеск расплава. Волна всплеска смывает шлак, накопившийся на поверхности литникового канала, и уносит его в тонкостенные участки отливки для литых конструкционных деталей электромобилей.
Функция вентиляционного отверстия для контроля шлака: правильно спроектированное вентиляционное отверстие позволяет застрявшему шлаку течь к вентиляционной щели вместе с расплавом, поступающим с переднего края. Изношенный или забитый вентиляционный канал теряет способность отводить шлак, в результате чего шлак скапливается в тупиковой зоне полости формы для литья под противодавлением (CPC).
Ключ к металлографической идентификации: оксидно-шлаковые включения содержат большое количество фазы Al₂O₃; огнеупорный шлак имеет состав на основе Si-O; энергодисперсионная спектроскопия (EDS) позволяет определить происхождение шлака при анализе причин брака форм для литья под действием силы тяжести.
Приоритетный порядок действий при устранении неисправностей: подтвердить тип шлака с помощью EDS-анализа; проверить турбулентность перекачки расплава, целостность фильтра и состояние уплотнений; оптимизировать начальную скорость наполнения; проверить степень старения огнеупорных материалов ковша/печи для пробных партий литья методом LPDC.
Скрытый риск для качества: мельчайшие диспергированные частицы шлака часто проходят контроль с помощью рентгеновской томографии (XCT). Эти микрошлаковые частицы становятся источником зарождения усталостных трещин в несущих автомобильных деталях при литье алюминия.
Примечание по трансграничным спорам о качестве: зарубежные заказчики часто приписывают включения шлака исключительно дефектам формы. На самом деле большинство дефектов, связанных со шлаком, обусловлено проблемами в предшествующих этапах — системе перекачки расплава и фильтрации, а не конструкцией формы.
(Количество слов: 891)
Часто задаваемые вопросы
В: В чём основное различие между включениями шлака и дефектом «оксидная складка»?
О: Шлаковые включения представляют собой отдельные посторонние частицы; оксидная складка образуется в результате складывания оксидной пленки на поверхности расплава.
В: Какая концепция конструкции литниковой системы позволяет предотвратить унос оксидно-шлаковых включений при свободном падении струи расплава?
О: Следует использовать систему литниковой системы с нижним заливом, чтобы уменьшить турбулентность на поверхности расплава во время заливки.
В: Почему зазор в уплотнении фильтрующей пластины приводит к появлению шлаковых включений даже при исправном фильтрующем элементе?
О: Расплавленный алюминий обтекает фильтр через зазор, и нефильтрованный шлак поступает непосредственно в полость формы.
В: Какое поведение процесса CPC создает риск попадания накопившегося в литнике шлака в отливку?
О: Чрезмерно высокая начальная скорость заливки вызывает скачок уровня расплава внутри системы литников.
В: Какой аналитический инструмент позволяет определить химический состав и источник различных типов шлака?
О: Энергодисперсионная спектроскопия (EDS) в сочетании с металлографическим исследованием позволяет различать фазы шлака.
В: Почему микрошлаковые включения могут ускользнуть от неразрушающего контроля методом рентгеновской томографии (XCT)?
О: Мелкодисперсные частицы шлака трудно обнаружить с помощью рентгеновского излучения, но они вызывают усталостное разрушение.
В: Откуда в основном происходят экзогенные шлаковые включения огнеупорного типа?
О: От отслаивающейся огнеупорной футеровки ковша/печи, от обломков керамического фильтра.
