Influence of alternative mould materials and inhibitors on mould-metal reactions in magnesium investment casting

Abstract

Investment casting of magnesium is a process well suited for the production of aeronautic and automotive components, as light density components in medium and small series are obtained. But, still nowadays, this process has not been properly developed. Due to its large negative Gibbs free energy value, MgO is one of the most stable compounds. In investment casting, the refractory oxides of the shell tend to decompose and form the more stable MgO. As a result, molten magnesium reacts with commercial shell materials, based in aluminosilicates, producing a non-desired oxide layer on the part surface. Mould-metal reactions can be inhibited by the use of alternative mould materials and/or with fluorine-based inhibitors, which create a protective surface layer on the casting. With the aim of developing a reaction-free process for the magnesium investment casting industry, in this thesis different mould materials and inhibitors were tested. Employment of an Al2O3-based shell with protective KBF4 inhibitor has proved to be the most effective one. The obtained surfaces were characterised by means of XRF, SEM/EDS, XRD, XPS and FactSage® chemical equilibrium software. Combining the information obtained through FactSage® with the chemical surface analysis data, reaction mechanisms that lead to both reacted and protected surfaces were proposed. In the last stage of this work, aircraft housing was cast in a Al2O3 mould, protected with KBF4.

Argizari galduzko galdaketa aeronautika eta automozio sektoreetara ondo egokitutako prozesua da, tamaina eta geometria konplexuko piezak serie txikitan eta kostu baxuan lortzen baitira. Hala ere, magnesioaren erreaktibotasuna dela eta, gaur egun argizari galduzko galdaketa prozesua ez dago oraindik garatuta magnesiozko piezak lortzeko. Magnesioak moldeen ohizko material zeramikoekin erreakzionatzen du, egonkorragoa den MgO konposatua osatzeko. Honen ondorioz, piezaren gainazalean desiragarriak ez diren erreakzioak azaltzen dira. Molde eta metalaren arteko erreakzioak piezaren gainazalean geruza babesle bat sortzen duten material alternatiboen eta/edo inhibitzaileen erabileraren bitartez saihes daitezke. Argizari galduzko magnesioaren galdaketa prozesua garatzeko asmoz, lan honetan molde material alternatibo eta inhibitzaile ezberdinak esperimentatu dira. Al2O3 molde materiala KBF4 inhibitzailearekin erabilita lortu dira emaitza eraginkorrenak. Lortutako emaitzak XRF, SEM/EDS, XRD, XPS eta oreka termodinamikoa kalkulatzen duen FactSage® software-aren bitartez aztertu dira. Azterketa kimiko eta FactSage®-ren bidez lortutako emaitzak partekatuta, gainazal babestu edota erreakzionatu batera daramaten erreakzio mekanismoak proposatu dira. Azkenik, aeronautika sektorean erabiltzen den motor karkasa bat KBF4 inhibitzailearekin babestutako Al2O3 molde batean galdatu da.

El moldeo a la cera perdida es un proceso de fundición orientado a sectores como la aeronáutica o la automoción, al ser un método con mucha versatilidad que permite obtener piezas de diverso tamaño y geometría a un costo reducido para series pequeñas. No obstante, no existe en la actualidad un desarrollo apreciable de la tecnología de microfusión aplicada a la obtención de componentes ligeros en aleaciones de magnesio. Esto se debe a la alta reactividad del magnesio con las cáscaras cerámicas convencionales, el cual ha limitado su industrialización. Dada la gran estabilidad de la magnesia, los materiales refractarios de la cáscara se descomponen para formar MgO. Como resultado, el magnesio fundido reacciona prácticamente con todos los refractarios comúnmente utilizados en la producción de moldes de microfusión, provocando la aparición de óxidos superficiales no deseados en las piezas. El empleo de materiales de molde alternativos y/o de inhibidores evita las reacciones molde-metal a través de la formación de una capa protectora sobre la pieza. Con el propósito de desarrollar el proceso de microfusión de magnesio, en este trabajo se han realizado diversos ensayos con materiales de molde alternativos e inhibidores diferentes. Como resultado, el empleo de moldes basados en alúmina, e inhibidos con KBF4, ha sido elegido como la combinación más efectiva a la hora de evitar las reacciones molde-metal. Las superficies obtenidas han sido analizadas por XRF, SEM/EDS, XRD, XPS y el software de equilibrio termodinámico FactSage®. Gracias a los resultados obtenidos, se han propuesto los mecanismos que dan lugar tanto a superficies protegidas como a superficies cubiertas de reacciones molde-metal. Por último, se ha colado una carcasa de motor empleada en el sector de la aeronáutica, en un molde de alúmina protegido con KBF4.