Вакуумното леене по метода на изгубен восък не е новост. Процесът на леене по метода на изгубен восък датира от хиляди години. Но вакуумната част е съвременна. Настъпва окисляване, образуват се пори и в крайна сметка компонентите се повреждат по време на употреба.
Вакуумната технология премахва въздуха, поддържайки разтопения материал чист. Керамичната форма също не отделя никакви газове. Получените части са плътни и без дефекти. Поради тази причина аерокосмическата, медицинската и енергийната индустрии разчитат на вакуумно леене по метода на изгубен восък за производството на критични компоненти.
Какво е вакуумно леене по метода на изгубен восък?
дефиниция
Частите започват с восъчен модел. Покривате го с керамика. Разтопявате восъка. Имате калъп. Изливате метал вътре. Това е леене по инвестиционна схема.
Вакуумното леене с изгубен восък е същата последователност. Но отливането се случва във вакуумна камера. Формата се евакуира. Металът се топи под вакуум. Отливането се случва без контакт с въздух. Тази проста разлика променя всичко.
Защо се използва вакуум
Четири причини водят до използването на вакуум.
Намалете окислението. Реактивните метали незабавно образуват оксиди, когато са изложени на въздух. Титанът, цирконият и суперсплавите са особено податливи на окисление. Вакуумната среда елиминира източника на кислород, поддържайки метала чист.
Предотвратете абсорбцията на газове. Водородът и азотът могат да се разтворят в разтопен метал и да излязат по време на втвърдяването, образувайки порьозност. Вакуумният процес премахва тези газове, преди да могат да причинят проблеми.
Подобрява чистотата на метала. По време на топене на открито се образуват оксиди и включвания; тези вещества се улавят в отливката и служат като места за образуване на пукнатини. Вакуумното топене елиминира тези източници на замърсяване.
Произвеждат плътни отливки. Без порьозност, отливките са напълно плътни. Механичните свойства са подобрени, животът на умора е удължен, а компонентите могат да издържат на тежките условия на критични приложения.
Подобряване на механичните свойства. По-високата плътност означава по-голяма якост. По-чистият метал означава по-добра пластичност. Комбинацията от тези два фактора осигурява производителност, с която частите, отливани чрез въздушно леене, не могат да се сравнят.
Вакуумното леене с изгубен восък предлага всичките пет предимства. Поради тази причина то се е превърнало в стандартен процес за лопатките на турбини, медицинските импланти и аерокосмическите структурни компоненти. Вакуумът не е допълнителна функция – той е в основата на процеса.
Стъпка по стъпка процес на вакуумно леене с изгубен восък
Стъпка 1 – Създаване на восъчен модел
Разтопен восък се излива в метална форма. Тази форма е прецизно обработена. Разтопеният восък запълва всеки детайл, като гарантира, че полученият восъчен модел пасва перфектно на формата. Прецизността, постигната на този етап, определя прецизността на крайния резултат от отливката.
Няколко модела се сглобяват върху централен литачен канал. Тази дървовидна структура поддържа всички части. Ориентацията и разстоянието между частите са от решаващо значение. Дизайнът на литачния канал определя как металът се влива във всяка кухина. Неправилният дизайн на дървото може да причини турбуленция на флуида. Турбуленцията улавя газ, което води до бракувани части.
Стъпка 2 – Изграждане на керамичната обвивка
Потопете восъчния модел в керамичната каша. След това нанесете гипсов прах върху мократа повърхност. Повторете цикъла на потапяне и нанасяне на гипс. Нанесете следващия слой само след като предишният е изсъхнал. Стандартният процес включва шест до осем слоя. По-дебелите черупки могат да издържат на по-тежки условия на леене.
Керамичните материали се избират въз основа на сплавта.
Силициевият диоксид е основният материал. Той е евтин и подходящ за широка гама от сплави.
Цирконът може да издържи на по-високи температури и е устойчив на термичен шок.
Алуминиевият оксид е химически стабилен и не реагира с повечето метали.
Мулитът постига баланс между здравина и термична стабилност.
Итрият е за титан. Той не реагира с разтопен титан. Това е от решаващо значение, защото титанът разтваря повечето други керамични материали.
Стъпка 3 – Депарафинизация и изпичане на черупки
Восъкът трябва да напусне черупката преди изливане. Автоклав извършва първата стъпка. Пара под високо налягане разтопява восъка. Той изтича през леятника. Черупката остава непокътната.
След това черупката отива в пещ. Цикълът на изгаряне протича при 800°C до 1000°C. Остатъчният восък изгаря напълно. Керамиката се синтерова и придобива здравина. Черупката става достатъчно твърда, за да издържи на отливането.
Последната стъпка е предварителното загряване на формата. Обвивката се нагрява до температура на изливане, преди да влезе във вакуумната камера. Горещият метал, удрящ студена обвивка, създава термичен шок. Обвивката се напуква. Металът изтича. Предварителното загряване предотвратява това.
Тези три стъпки подготвят корпуса за вакуумно леене по изгубен восък. Следващата фаза – топене и изливане – се случва във вакуумната камера. Именно тук процесът наистина се различава от конвенционалното леене по инвестиционни модели.
Стъпка 4 – Вакуумно топене и изливане
Предварително загрятата обвивка се поставя във вакуумната камера. Камерата се запечатва и въздухът се отстранява. Налягането се намалява до 10⁻² до 10⁻⁴ милибара – състояние, близко до вакуум.
Вакуумно-индукционното топене се извършва в същата вакуумна камера. Индукционна бобина обгражда тигела, която топи метала. Тъй като разтопеният метал не е изложен на кислород или азот, той остава чист.
Вакуумното леене включва накланяне на вакуумната камера и тигела, така че разтопеният метал да потече във формата. Целият процес протича във вакуумни условия, предотвратявайки окисляването и абсорбцията на газове и гарантирайки, че металът запълва формата.
Тази стъпка е от основно значение за вакуумното леене по изгубен восък. Вакуумът играе две важни роли: той премахва разтворените газове от разтопения метал и предотвратява навлизането на нови газове. Резултатът е плътна отливка без дефекти.
Стъпка 5 – Охлаждане и втвърдяване
Охлаждането започва след изливането. Скоростта е от значение.
Бързото охлаждане води до фини зърна – фините зърна означават по-висока якост. Термичното напрежение обаче може да причини напукване в тънкостенни профили.
Бавното охлаждане води до по-едри зърна – по-едрите зърна означават по-добра устойчивост на пълзене при високи температури. Турбинните лопатки изискват това свойство.
Насоченото втвърдяване контролира ориентацията на зърната. Когато формата се извади от пещта, топлината се отвежда от единия край. Зърната растат успоредно на посоката на изваждане. По този начин се повишава якостта на пълзене.
Монокристалните отливки представляват най-доброто в това отношение. С едно зърно и без граници между зърната, приплъзване по границите на зърната не се получава приплъзване на границите им при високи температури. Този процес се използва за производство на турбинни лопатки с най-високи изисквания. Вакуумното леене по метода на изгубен восък е единственият метод за производство на такива лопатки.
Стъпка 6 – Отстраняване и довършителни работи на черупката
Керамичната обвивка се отстранява. Основното тяло се разчупва чрез механично въздействие. Водна струя премахва останалите слоеве. В този момент частта е оголена.
Детайлът се отрязва от ливника; операторите обикновено използват шлифовъчно колело или лентов трион за извършване на тази операция. На този етап повърхността на ливника е грапава, така че операторът отстранява излишния материал чрез машинна обработка.
Следва термична обработка. Нагряването и охлаждането се използват за придаване на правилните механични свойства на детайла: якост, пластичност и твърдост. Специфичните параметри зависят от вида на сплавта.
Машинната обработка довежда критичните повърхности до крайните им размери. Допуски, които отливката не може да спази, се постигат чрез рязане. Зоните, изискващи гладки повърхности, се шлайфат.
Инспекцията е последната стъпка. Тя включва проверка на размерите, рентгенова проверка за вътрешни дефекти, проникващ тест за повърхностни пукнатини и ултразвуков тест за подземна порьозност. Изпращат се само части, които преминат всички проверки.
Тези шест стъпки напълно определят целия процес на вакуумно леене по изгубен восък от началото до края. Всяка стъпка е незаменима и всяка влияе върху последващите процеси. Вакуумната технология в никакъв случай не е маловажен детайл; именно тя позволява успешното прилагане на този процес към критични сплави.
Често срещани метални сплави, използвани при вакуумно леене по изгубен восък
Неръждаема стомана
Неръждаемата стомана е основният материал. За части, изискващи устойчивост на корозия и умерена якост, обикновено се използва процесът на вакуумно леене. Типични примери са корпусите на помпи, корпусите на клапани и морските части.
Предимството му се състои в постоянното качество. Вакуумната среда премахва водорода. В отливките от неръждаема стомана при атмосферно налягане, водородът може да причини дупки и порьозност. Частите, произведени чрез вакуумно леене, са с надеждно качество.
Недостатъци? Неръждаемата стомана няма толкова строги изисквания за вакуумни процеси, колкото титанът. За части с прости геометрии, вакуумното леене може да не е рентабилно.
Инструментална стомана
Инструменталните стомани се използват в режещи инструменти, матрици и износоустойчиви компоненти. Високото им съдържание на въглерод и легиращи вещества придава твърдост. За постигане на крайните им свойства се използва термична обработка. Процесът на вакуумно леене създава чиста микроструктура, без оксиди и включвания, която показва постоянен отговор на термичната обработка.
Износоустойчивостта е основното ѝ свойство. Чистата микроструктура осигурява равномерно разпределение на карбида, като по този начин удължава експлоатационния живот на компонентите. Изискването за вакуумно леене произтича от чувствителността на тази сплав към кислород.
Суперсплави на базата на никел
Сплави Inconel 718, Waspaloy и René. Това са високотемпературни материали, които запазват здравината си при температури от 700°C до 1000°C. Те се използват в лопатките на турбини, горивните камери и изпускателните дюзи.
Техните характеристики са изключителни: устойчивост на пълзене, устойчивост на окисляване и якост на умора. Какви са ограниченията? Те са скъпи, трудни за машинна обработка и изискват вакуумно леене.
Вакуумното леене с изгубен восък е стандартният метод за леене на тези сплави. Конвенционалното леене би повредило тези сплави, така че вакуумните процеси са от съществено значение.
Сплави на основата на кобалт
Кобалтовите сплави предлагат износоустойчивост и якост при висока температура. Стелитът е най-разпространеният. Седла на клапани, втулки и хирургически инструменти.
Свойствата се дължат на образуването на карбиди. Хромовите карбиди придават твърдост. Сплавите са устойчиви на износване и корозия. Промишлените приложения включват работни колела на помпи, екструдиращи матрици и турбинни лопатки.
Титанови сплави
Титанът е високоефективният вариант. Ti-6Al-4V е стандартът. Съотношението якост-тегло е отлично. Биосъвместимостта го прави идеален за импланти.
Изискването за вакуумно леене по метода на изгубен восък е абсолютно. Титанът абсорбира кислород и азот от въздуха. Полученото крехкост разрушава пластичността. Вакуумът защитава стопилката. Детайлът запазва свойствата си.
Алуминиеви сплави
Алуминият е по-рядко срещан при вакуумно леене. Оксидният филм е защитен. Но водородната порьозност е проблем. A356 и AlSi10Mg се възползват от вакуумното дегазиране.
Приложенията са критични за теглото. Скоби за аерокосмическата индустрия и компоненти за автомобилно окачване. Вакуумът подобрява свойствата. Но цената често е трудно да се оправдае. Леенето с въздух обикновено е достатъчно за алуминий.
Защо да изберете NOBLE за вакуумно леене по метода на изгубен восък и прецизно производство?
NOBLE е специализирана в прецизното производство на метал и пластмаси. Работата е предназначена за клиенти от множество индустрии – медицинска, аерокосмическа, автомобилна, промишлена. Висококачествените персонализирани компоненти са стандартната доставка.
Цялостни производствени услуги
Процесът започва преди производството. Поддръжката на продуктовия дизайн открива проблемите рано. Прегледите на Design for Manufacturing (DFM) оптимизират детайла за процеса. Насоките за избор на материал гарантират правилната сплав за приложението.
Бързото прототипиране валидира дизайна преди инструменталната обработка. След това започва производството. Вакуумното леене по метода на изгубен восък създава сложни, бездефектни метални части. CNC обработката довежда критичните повърхности до крайни допуски. Шприцването на пластмаси обработва полимерни компоненти с голям обем. Повърхностната обработка добавя устойчивост на корозия и естетика.
Контролът на качеството се извършва по целия процес. Сглобяването изгражда подсистемите. Опаковането и логистиката изпращат готовия продукт.
Един доставчик се грижи за всичко това. От концепцията до готовия детайл. Без предаване на отговорности. Без пропуски. Една точка за контакт.
Качество, на което можете да се доверите
Системата за качество е сертифицирана и документирана.
ISO 9001:2015 обхваща общото управление на качеството. Последователни процеси. Документирана инспекция. Проследими записи.
ISO 13485:2016 добавя строгостта, необходима за производството на медицински изделия. По-строга проследимост. По-строга валидация на процеса. Без отклонения.
Партнирайте с NOBLE
Инженерният екип е на разположение да съдейства. Избор на материали. Оптимизация на технологичността. Създаване на прототипи. Производство в пълен мащаб. Свържете се с NOBLE със специфични изисквания. Екипът ще предостави правилното решение за приложението.
Често задавани въпроси
Какво е вакуумно леене с изгубен восък?
Процес, при който разтопен метал се излива в керамична обвивка под вакуум. Восъчният модел се разтопява първо. Вакуумът елиминира окисляването и газовата порьозност.
Защо се използва вакуум при леенето по инвестиционни модели?
За предотвратяване на окисляването и абсорбцията на газове в реактивни и свръхлегирани метали. Вакуумът също така отстранява разтворените газове от стопилката преди втвърдяване.
Какви материали могат да се отливат чрез вакуумно леене по метода на изгубен восък?
Неръждаеми стомани, инструментални стомани, суперсплави на никелова основа, сплави на кобалтова основа, титанови сплави и някои видове алуминий. Процесът е от решаващо значение за материали, които реагират с въздуха.
Кой е най-добрият материал за керамична обвивка?
Зависи от сплавта. Силициевият диоксид и цирконът са подходящи за повечето стомани. Итрият се използва за титан, защото не реагира със стопения метал.
Може ли титанът да се отлива във вакуум?
Да. Титанът трябва да се отлива под вакуум или инертен газ. Всяко поемане на кислород прави материала крехък и разрушава пластичността.
Каква е разликата между леене под налягане и вакуумно леене инвестиционно леене?
Леенето чрез инвестиционни процеси е общият процес. Вакуумното леене по изгубен восък е специфичен вариант, при който топенето и изливането се извършват под вакуум за реактивни и високоефективни сплави.
Скъпо ли е вакуумното леене по изгубен восък?
Да. Оборудването, инструментите и контролът на процеса са скъпи. За висококачествени, критични части, цената е оправдана от бездефектните резултати.
В кои индустрии се използва вакуумно леене по инвестиционни модели?
Аерокосмическа промишленост, медицински изделия, производство на електроенергия, автомобилна промишленост и отбрана. Всяка индустрия, където повредата на частите е неприемлива.
