Вакуумное литьё. Факторы успеха.
08 Янв   2015   |  Статьи

Н.А.Швыргун.
Главный конструктор проекта ООО «Спарк-Дон, Лтд»

 
Наиболее широкое распространение в стоматологической практике получили кобальт-хромовые и никель-хромовые сплавы. Процесс высокоточного литья этих сплавов на вакуумных литейных установках, работающих по принципу литья в вакууме с последующим прессованием избыточным давлением, предполагает строгое выполнение требований, предъявляемых к процессу литья.

Важнейшими параметрами процесса литья являются:

  • температура предварительного нагрева опоки;
  • температура литья;
  • глубина вакуума в плавильно-литейном блоке установки;
  • длительность времени задержки подачи давления прессования;
  • величина давления прессования;
  • скорость нарастания давления прессования.

Температура предварительного нагрева опоки.

Температура опоки в момент литья — один из важнейших параметров, определяющий условия получения качественного литья. Проливаемость очень тонких частей отливки невозможно обеспечить без сохранения достаточной жидкотекучести расплава при его движению по литниковому дереву. В свою очередь, хорошая жидкотекучесть расплава невозможна без достаточного прогревания опоки.
 
На рисунке 1 показано влияние температуры предварительного нагрева опоки на характеристики жидкотекучести расплава.
 

Microcasting_2015_temp_opok

Рисунок 1 — Зависимость жидкотекучести расплава от температуры предварительного нагрева опоки.

Green_4_37 Конечная температура предварительного нагрева опоки равна 1050°С. Высокое значение жидкотекучести способствует хорошей проливаемости микроканалов.

Red_4_37 Конечная температура предварительного нагрева опоки равна 850°С. Жидкотекучесть сплава недостаточна для полного заполнения микроканалов расплавом.
 
Конечная температура предварительного нагрева опоки должна удовлетворять техническим требованиям производителя паковочной массы и соответствовать температурным режимам для выбранного сплава.
В большинстве случаев при изготовлении коронок и мостов из сплавов CoCr, NiCr эта температура лежит в диапазоне 900…1000°С.
В случае модельного литья температура нагрева опоки должна быть равна 1000…1050°С.
 
В зависимости от размера опоки она должна быть выдержана в муфельной печи при этой температуре от 30 до 60 минут. Зависимость прямая — чем больше в печи предварительного нагрева размещено опок для литья и чем больше диаметр используемой опоки — тем больше должно быть время выдержки.
 
При использовании низкотемпературных сплавов температура нагрева опоки может быть ниже. Так, для NiCr сплава Wiron light (Bego) с диапазоном плавления 1200…1280°C и температурой литья около 1350°C рекомендуемая конечная температура нагрева опоки равна 800…850°C.

Температура литья.

Характерной особенностью любого сплава является процесс изменения его агрегатного состояния, то есть переход из жидкого состояния в твердое и наоборот.
 
Сплавы плавятся (при повышении температуры) и кристаллизуются (при понижении температуры) в некотором интервале температур, характерном для конкретного сплава. В этом диапазоне температур сплав имеет частично жидкую и частично твердую структуру.
 
На рисунке 2 представлена зависимость агрегатного состояния кобальт-хромового сплава Wirobond C (Bego, Германия) от температуры. Интервал плавления (melting interval) этого сплава deltaT = Tsol…Tliq = 1370…1420°С. Температура литья сплава (casting temperature) Tcast = 1500°С.
 

Cast-alloy_2015_570

Рисунок 2 — Зависимость агрегатного состояния кобальт-хромового сплава Wirobond C (Bego, Германия) от температуры.

yellow_4_37 Самая высокая температура, при которой металл или сплав находится полностью в твердом состоянии называется точной солидуса «Tsol»
yellow_4_37 Самая низкая температура, при которой металл или сплав находится полностью в жидком состоянии называется точкой ликвидуса «Tliq»
yellow_4_37 Температура литья сплава (casting temperature) «Tcast» — температура, при которой следует выполнять литьё для качественного заполнения расплавом литейной полости.
 
Для процесса литья важно, что в интервале температур плавления сплава (твёрдо-жидкое состояния сплава) его жидкотекучесть недостаточна для быстрого продвижения по литниковой системе и надлежащего заполнения литейной формы.
 
Определение оптимального времени начала литья – важнейшее условие получения качественной отливки.
Если литьё происходит при температуре расплава равной или незначительно отличающейся от температуры ликвидуса «Tliq», существенно возрастает вероятность получения некачественной отливки.
 
Это связано с тем, что жидкотекучесть расплава оказывается недостаточной для быстрого продвижения расплава по литниковой системе к объекту литья.
Соприкосновении расплава с опокой, имеющей гораздо более низкую температуру, вызывает его дополнительное охлаждение. Усиливается процесс кристаллизации сплава. Количество твердой фазы в расплаве быстро увеличивается, вызывая дальнейшее уменьшение жидкотекучести сплава.
Существенно увеличивается опасность неполного заполнения полости объекта литья. Получение качественной отливки, особенно тонкостенных частей восковой композиции, становится невозможным.
 

На рисунке 3 показана зависимость жидкотекучести расплава от его температуры при литье.
 

Microcasting_2015_temp_cast

Рисунок 3 — Зависимость жидкотекучести расплава от его температуры при литье.

Green_4_37 Литьё расплава производят через несколько секунд (3…10 секунд в зависимости от характеристик сплава и техники ведения процесса плавки) после того как оксидная плёнка разойдётся по периметру тигля. Температура расплава примерно равна температуре литья сплава «Tcast». Высокое значение жидкотекучести способствует хорошей проливаемости микроканалов.

Red_4_37 Литьё расплава производят сразу после разрыва оксидной плёнки. Температура расплава меньше температуры литья сплава «Tcast». Жидкотекучести сплава не хватает для полного заполнения микроканалов расплавом.
 
Для увеличения жидкотекучести сплава его перегревают на 100…150°С относительно конечной температуры интервала плавления «Tliq», достигая, таким образом, температуры литья сплава «Tcast».

В результате, движение расплава по литниковой системе происходит при температуре больше, равной или незначительно меньше «Tliq». Сплав находится полностью в жидком состоянии. Создаются комфортные условия для литья самых ажурных конструкций.
 
Значительное повышение температуры расплава (на 150…300°С выше «Tliq») нежелательно по причине резкого роста растворимости газов в расплаве.
Кроме того, перегретый расплав, вступая в реакцию с паковочной массой, способствует дополнительному газообразованию. Это приводит к образованию газовых раковин, трещин и поверхностной пористости в объекте литья.
При большом количестве газа может возникнуть проблема с заполнением объекта литья сплавом.

Глубина вакуума в плавильно-литейном блоке установки.

В вакуумных литейных установках разрежение в плавильно-литейном блоке создается с целью обеспечения быстрого и качественного заполнения расплавом литейной формы.
Расплав на начальной стадии литья заполняет форму только под действием собственного веса. С целью минимизации сопротивления, оказываемого движущемуся расплаву оставшимся в форме воздухом, плавильно-литейный блок вакуумируют.
 
Мы рекомендуем задавать значение параметра «Вакуум» следующим:

  • <100мбар («Максимум»- для литейной установки УЛВК-30А) — для модельного литья и литья при наличии усложняющих факторов***;
  • 100…150мбар — для литья вкладок, коронок, мостовидных протезов;
  • >250мбар — для литья сплавов неблагородных металлов, обладающих повышенным искрообразованием (кипением, разбрызгиванием) во время плавки в вакууме;

 

*** Примечание — К факторам, усложняющим литьё, следует отнести следующее:
 
— применение высокотемпературного сплава с большим диапазоном температуры плавления;
— незначительная (<10...15 грамм) или слишком большая (>90…100 грамм) масса сплава;
— недостаточный перегрев расплава выше точки ликвидуса «Tliq»;
— недостаточно высокая жидкотекучесть сплава;
— низкая температура нагрева опоки или недостаточно длительное время её выдержки при конечной температуре;
— ошибки в проектировании и изготовлении литниковой системы.

Длительность времени задержки подачи давления прессования.

Правильное задание времени задержки подачи избыточного давления (давления прессования) в плавильно-литейный блок играет важнейшую роль в процессе получения качественного литья.
 
Течение металла по литниковой системе сопровождается его остыванием и, соответственно, уменьшением жидкотекучести расплава. Возможность заполнения литейной полости ограничена временем, в течение которого расплав, находясь в жидком состоянии, сохраняет способность течь. Давление прессование должно быть приложено к расплаву именно в этот отрезок времени.
 
По тому как реализован механизм определения момента подачи давления прессования в литейной установке можно судить о её классе.

  • 1. В вакуумных литейных установках среднего класса функция задержки подачи избыточного давления в рабочие камеры реализована в виде фиксированной задержки (обычно в технических характеристиках не упоминается).
  • 2. В вакуумных литейных установках высокого класса предусмотрена возможность ручного задания времени задержки. Оно отсчитывается, как правило, от момента занятия тиглем (или какой-либо его части) определённого положения при начале литья расплава в форму. Это может быть поворот тигля (ручной или автоматический), поворот всего плавильно-литейного блока или изменение положения одной из частей тигля.
  • 3. В вакуумных литейных установка высшего уровня обычно реализованы два варианта задания задержки подачи избыточного давления — «Автоматический» и «Ручной».
    В автоматическом режиме требуемое время задержки вычисляется системой управления литейной установки в ходе выполнения программы литья без участия оператора. При желании пользователь может легко выбрать режим работы с возможностью задания времени задержки в ручном режиме.

 
Определение значения времени задержки в случае работы на установках 1 и 2 типа выполняется литейщиком путём проведения тестовых плавок конкретного сплава.

Величина давления прессования.

Расплав затекает в предварительно нагретую опоку, имеющую, по сравнению с ним, значительно более низкую температуру. На «холодных» стенках опоки начинается зарождение центров кристаллизации. Жидкотекучесть расплава снижается, скорость его продвижения по литниковым каналам замедляется. Условия заполнения расплавом объекта литья (особенно тонких его частей) ухудшаются. При дальнейшем снижении жидкотекучести расплава его движение прекращается.
 
Для создания условий, способствующих быстрому и максимально полному заполнению расплавом полостей объекта литья, в плавильно-литейном блоке создаётся избыточное давление.
 
На рисунке 4 показана зависимость жидкотекучести расплава (определяемая в данном случае глубиной заполнения расплавом микроканалов опытного образца отливки) от величины приложенного к нему давления прессования.
 

Microcasting_2015_pressure

Рисунок 4 — Зависимость жидкотекучести расплава от величины приложенного к нему давления прессования.

Green_4_37 Избыточное давление в плавильно-литейном блоке установки на стадии прессования равно 4,0 бар. Микроканалы опытного образца заполнены полностью.

Red_4_37 Избыточное давление в плавильно-литейном блоке установки на стадии прессования равно 3,0 бар. Микроканалы опытного образца заполнены не полностью.
 
Чем сложнее условия литья, тем больше должна быть величина этого давления прессования и скорость его нарастания.
 
Чем больше величина избыточного давления, приложенного к расплаву в момент заполнения формы и в процессе этапа прессования, тем более мелкие детали отливки будут заполнены расплавом, тем более точно будет воспроизведен рельеф поверхности формы.
 
Для модельного литья из кобальт-хромового (CoCr) сплава требуется давление прессования 3,5…4 бар.
 
В случае, если литейная установка обеспечивает создание в рабочих камерах избыточного давления не более 3,0…3,5 бар, необходимо проводить литьё как в случае наличия усложняющих факторов.
Это может потребовать большего перегрева расплава выше точки ликвидуса «Tliq» с целью повышения жидкотекучести сплава и/или более длительной выдержки опоки в печи предварительного нагрева при более высокой температуре.

Скорость нарастания давления прессования.

Для прецизионного литья стоматологических сплавов неблагородных металлов избыточное давление (давление прессование) должно быть приложено к расплаву за очень короткий промежуток времени «t» длительностью от 1 до 2 секунд и удерживаться в течение 60 секунд.
 
На рисунке 5 показано, что жидкотекучесть расплава (следовательно, и глубина заполнения расплавом микроканалов опытного образца отливки) будет тем выше, чем выше скорость нарастания давления прессования.
 
При условии нарастания давления прессования до 3,5 бар за время t=1,5 секунды, «проливаемость» микроканалов образца значительно лучше чем в случае, если нарастание давления прессования до 3,5 бар происходит за время t=2,5 секунды
 

Microcasting_2015_time

Рисунок 5 — Зависимость жидкотекучести расплава от скорости нарастания давления прессования.

Green_4_37 Избыточное давление в плавильно-литейном блоке достигло значения 3,5 бар за 1,5 секунды. Высокое значение скорости нарастания давления способствует хорошей проливаемости микроканалов.

Red_4_37 Избыточное давление в плавильно-литейном блоке достигло значения 3,5 бар за 2,5 секунды. Жидкотекучести сплава не хватает для полного заполнения микроканалов расплавом.
 
Рост давления прессования до 3,5 бар за время менее 1 секунды приветствуется. Но на практике это оказывается трудно реализуемым в силу ограничений технологического и конструкторского характера Например, из-за конечных значений внутренних диаметров подводящих шлангов и проходных сечений клапанов.
 
Если рост давления в рабочей камере до 3,5 бар происходит за время больше 2 секунд, возрастает вероятность некачественного литья. Это «Зона риска».
 
Интервал времени в диапазоне от 1 до 2 секунд — «зона прецизионного литья». Именно в течение этого промежутка времени давление в плавильно-литейном блоке установки должно достичь значения 3,5 бар.
 
Кардинальным решением, обеспечивающим выполнение требования роста давления в рабочей камере до 3,5 бар за время менее 2 секунд, является использование ресивера емкостью 20…30 литров, расположенного в непосредственной близости от литейной установки.

Вакуумное литьё. Факторы успеха.

yellow_4_37 При вакуумном литье (особенно при наличии усложняющих факторов) условие перегрева сплава на 100…150°С выше конечной температуры интервала плавления «Tliq» является обязательным. Это непременное условие для обеспечения требуемой жидкотекучести сплава.
yellow_4_37 При изготовлении коронок и мостов из сплавов CoCr, NiCr конечная температура предварительного нагрева опоки лежит в диапазоне 900…1000°С. В случае модельного литья эта температура должна быть равна 1000…1050°С.
yellow_4_37 В случае работы на установках с ручным заданием требуемого значения времени задержки подачи избыточного давления в плавильно-литейный блок, проводите тестовые плавки для каждого конкретного сплава.
При работе на литейных установках с автоматическим или ручным — по выбору — заданием времени задержки приоритетным следует считать режим «Авто».
yellow_4_37 Вакуумные литейные установки с величиной давления прессования равной 2,0… 3,0 бар больше подходят для литья сплавов, обладающих хорошей жидкотекучестью (например, сплавов благородных металлов).
yellow_4_37 Для модельного литья из кобальт-хромового (CoCr) сплава требуется давление прессования 3,5…4 бар.
yellow_4_37 Давление в плавильно-литейном блоке установки должно достигать значения равного 3,5 бар в течении времени от 1 до 2 секунд.
 
Microcasting_2015
 
 
Adobe_32 Статья «Литье сплавов неблагородных металлов на вакуумной литейной установке. Основы.» в PDF-формате.
 

Post tags: