De kwaliteit van investeringsgietwerk van aluminiumlegering wordt fundamenteel bepaald door de integriteit van de smelt. Het bereiken van een smelt met hoge integriteit vereist nauwkeurige controle over de temperatuur, de chemische samenstelling en het gasgehalte. Het primaire doel is om een schoon, homogeen vloeibaar metaal te produceren dat vrij is van oxiden, waterstofporositeit en insluitsels voordat het de keramische schaal binnendringt.
Voor gieterij-ingenieurs en metallurgen is dit de belangrijkste conclusie smeltvoorbereiding is verantwoordelijk voor meer dan 60% van de uiteindelijke gietfouten . Goede ontgassing, korrelverfijning en strikt temperatuurbeheer tussendoor 700°C en 760°C zijn niet-onderhandelbare stappen. Het verwaarlozen van deze parameters leidt tot verminderde mechanische eigenschappen, een slechte oppervlakteafwerking en een hoger afkeurpercentage in lucht- en ruimtevaart- en automobieltoepassingen.
Selectie van smeltovens en temperatuurregeling
De keuze van de smeltoven heeft een aanzienlijke invloed op de reinheid van de aluminiumlegering. Inductieovens hebben de voorkeur voor investeringsgieten vanwege hun snelle verwarmingsmogelijkheden en elektromagnetisch roeren, wat de homogeniteit bevordert. Overmatig roeren kan echter lucht meesleuren, wat leidt tot oxidevorming.
Optimale smelttemperaturen
Aluminiumlegeringen smelten doorgaans rond de 660°C, maar de giettemperaturen voor investeringsgieten moeten hoger zijn om de vloeibaarheid in complexe keramische mallen te garanderen. Het ideale schenkbereik is 700°C tot 760°C . Het overschrijden van de 800°C verhoogt de waterstofoplosbaarheid en de oxidatiesnelheid dramatisch. Voor elke 10°C stijging boven 760°C kan de waterstofabsorptie toenemen 15-20% , wat bij stolling tot ernstige porositeitsproblemen leidt.
Compatibiliteit met smeltkroesmateriaal
Het gebruik van siliciumcarbide (SiC) of grafiet-kleikroezen is standaard. Deze materialen moeten worden bedekt met een beschermend glazuur om reactie met het gesmolten aluminium te voorkomen. Een aangetaste kroesvoering introduceert ijzer- en siliciumverontreinigingen, waardoor de mechanische eigenschappen van de legering veranderen. Regelmatige inspectie en vervanging van de smeltkroezen 50-100 smelt worden aanbevolen om de consistentie te behouden.
Ontgassing- en waterstofverwijderingstechnieken
Waterstof is het enige gas met een significante oplosbaarheid in gesmolten aluminium. Terwijl het metaal stolt, slaat waterstof neer, waardoor poriën ontstaan die het gietstuk verzwakken. Effectief ontgassen is daarom de meest kritische stap bij de smeltvoorbereiding.
Roterende ontgassing met argon/stikstof
De industriestandaard voor hoogwaardig gietgietwerk is de ontgassing van het roterende schoepenrad. Een grafietrotor draait rond 300-500 tpm terwijl inert gas (argon of stikstof) in de smelt wordt geïnjecteerd. Hierdoor ontstaan fijne belletjes die via diffusie waterstof opvangen. Het proces duurt doorgaans 10-15 minuten en kan het waterstofniveau verlagen 0,30 ml/100 g tot minder dan 0,10 ml/100 g .
Vaste ontgassingstabletten
Voor kleinere gieterijen zijn tabletten op basis van hexachloorethaan een alternatief. Bij onderdompeling komt chloorgas vrij, dat reageert met waterstof en zo HCl-gas vormt. Deze methode is weliswaar effectief, maar produceert giftige dampen en laat zoutslakresten achter die moeten worden afgeroomd. Het is minder consistent dan roterende ontgassing en wordt over het algemeen niet aanbevolen voor componenten van ruimtevaartkwaliteit.
| Methode | Efficiëntie | Milieu-impact | Consistentie |
|---|---|---|---|
| Roterend inert gas | Hoog (>90%) | Laag (niet-giftig) | Uitstekend |
| Chloortabletten | Gemiddeld (70-80%) | Hoog (giftige dampen) | Variabel |
| Vacuüm ontgassen | Zeer hoog (>95%) | Geen | Uitstekend |
Graanverfijning en -modificatie
De microstructuur van de gestolde aluminiumlegering bepaalt de mechanische prestaties. Grove korrels leiden tot een slechte taaiheid en een verhoogde gevoeligheid voor heet scheuren. Korrelverfijning en -modificatie zijn essentiële metallurgische behandelingen die worden uitgevoerd tijdens de smeltfase.
Titanium-boorraffinaderijen
Het toevoegen van Al-Ti-B-hoofdlegeringen (typisch 5% Ti, 1% B) bevordert heterogene kiemvorming. Dit resulteert in een fijne gelijkassige korrelstructuur. Het standaard bijtellingstarief is 0,1-0,2 gew.% van de totale smelt. Overmatige toevoeging kan leiden tot de vorming van grove TiAl3-intermetallische verbindingen, die fungeren als spanningsconcentratoren en de levensduur van vermoeidheid verkorten.
Strontiummodificatie voor siliciumlegeringen
Voor hypoeutectische Al-Si-legeringen (bijv. A356) transformeert strontium (Sr)-modificatie het grove plaatachtige silicium-eutectische materiaal in een fijne vezelachtige structuur. Dit verbetert de rek en treksterkte aanzienlijk. De optimale Sr-concentratie is 150-200 ppm . Het is van cruciaal belang op te merken dat Sr na verloop van tijd vervaagt; daarom moet de wijziging onmiddellijk vóór het gieten worden uitgevoerd, idealiter binnenin 30-45 minuten .
Inclusieverwijdering en smeltfiltratie
Zelfs bij zorgvuldig smelten blijven niet-metallische insluitsels zoals oxiden (Al2O3) en vuurvaste deeltjes in de smelt zweven. Deze insluitsels fungeren als startplaatsen voor scheuren en moeten vóór het gieten worden verwijderd.
Keramische schuimfilters (CFF)
Keramische schuimfilters worden in het poortsysteem of de gietlepel geplaatst. Ze werken via dieptefiltratie en vangen deeltjes op die groter zijn dan hun poriegrootte. Veel voorkomende poriegroottes zijn 10, 20 of 30 PPI (poriën per inch) . Een filter van 10 PPI verwijdert grote schuimdeeltjes, terwijl een filter van 30 PPI fijnere oxiden opvangt. Het gebruik van een tweetrapsfiltratiesysteem kan de zuiverheid met maximaal 40% vergeleken met ongefilterde melts.
Skimmen en afrekenen
Vóór filtratie verwijdert handmatig of mechanisch afromen de bulkoxidelaag op het smeltoppervlak. De smelt laten bezinken 10-15 minuten na het ontgassen kunnen zwaardere insluitsels zinken en lichtere slakken drijven, waardoor verwijdering gemakkelijker wordt. Het overhaasten van deze stap resulteert vaak in turbulent gieten, waardoor oxiden opnieuw in de vloeistofstroom worden meegevoerd.
Kortom, het produceren van hoogwaardige gietstukken uit aluminiumlegeringen vereist een gedisciplineerde aanpak van het smeltbeheer. Door de temperatuur te controleren, effectief te ontgassen, de korrelstructuur te verfijnen en insluitsels te filteren, kunnen fabrikanten superieure mechanische eigenschappen en minimale defectpercentages garanderen.
