Основни стратегии за предотвратяване на порестост при леене под налягане

Накратко

Предотвратяването на порестост при преципитно леене, дефект, причинен от уловен газ или свиване на метала, изисква системен подход. Ефективното предпазване зависи от оптимизирането на конструкцията на формата и вливника, осигуряване на правилно вентилиране на матрицата и прецизен контрол на налягането и температурата по време на процеса на леене. За вече засегнати части, вакуумно импрегниране е надежден метод след леенето за постоянно запечатване на вътрешни кухини и спасяване на компонентите.

Разбиране на основните причини за порестост

Порьозността, присъствието на малки празноти или дупки в отлята детайл, е една от най-честите предизвикателства при прецизното леене под налягане. Тя компрометира структурната цялост, плътността под налягане и качеството на повърхността на детайла. Ефективното предотвратяване на този дефект започва с ясно разбиране на двата основни вида: газова порьозност и порьозност от свиване. Всеки тип има различни причини и характеристики, а правилната идентификация на наличния вид е първата стъпка към прилагането на правилното решение.

Газовата порестост възниква, когато газ остава уловен в разтопения метал при неговото затвърдяване. Този газ може да произлиза от няколко източника. Това може да бъде въздух, уловен в цилиндъра за впръскване или формата по време на процеса на високоскоростно впръскване, пара, генерирана от прекомерно количество или замърсен с влага смазващ разтвор за формата, или дори водород, отделящ се от самия разтопен сплав, особено при алуминиеви отливки. Получаващите се пори обикновено са кръгли, с гладки стени и понякога могат да имат лъскава вътрешна повърхност, приличаща на малки мехурчета. Те могат да се намират на случайни места, въпреки че често се появяват близо до горната повърхност на отливката поради тяхната плаваемост.

От друга страна, съкращаващата порьозност е резултат от естественото намаляване на обема на метала, докато преминава от течно в твърдо състояние. Ако определени части от отливката — обикновено по-дебелите участъци — се охлаждат и затвърдяват по-бавно в сравнение с околните области, те могат да бъдат изолирани от потока на разтопения метал, преди да са напълно затвърдели. Докато течният метал в тази изолирана зона продължава да се охлажда и свива, той се раздира, образувайки ъгловати, линейни или подобни на пукнатини вътрешни празноти. За разлика от гладките мехурчета при газова порьозност, дефектите от съкращаване са ъгловати и често следват дендритната зърнеста структура на затвърделия метал.

Диагностицирането на типа порестост е от съществено значение за ефективно отстраняване на неизправностите. Внимателен преглед, често изискващ увеличение, може да разкрие формата и характера на празнините. Разбирането дали основната причина е задържан газ или недостатъчно напълване по време на затвърдяване, определя дали решението се крие в подобряването на вентилацията и параметрите на инжектиране или в преразработването на геометрията на детайла и топлинния му режим. Следната таблица предоставя ясно сравнение на тези два основни типа дефекти.

Основни стратегии за предотвратяване по време на проектиране и експлоатация

Най-ефективният начин да се борим с порьозността е да се предотврати образуването ѝ от самото начало. Това изисква многогранен подход, който включва разумно проектиране на детайлите и формите, както и стриктен контрол върху работните параметри. Превантивните мерки, предприети по време на фазите на проектиране и леене, са значително по-икономични, отколкото опитите за отстраняване на дефекти в готови детайли.

Първият защитен ред е оптимизацията на формата и системата за наливане. Разпределителните канал и влив трябва да бъдат проектирани така, че да осигуряват гладко, нетурбулентно течение на разтопения метал в кухината на матрицата. Според ръководство от FLOW-3D , неправилно проектиран разпределителен канал може да предизвикае турбулентност, улавяща въздух, който след това се инжектира в детайла. Задържането на постоянна дебелина на стените при проектирането на отливния детайл също е от решаващо значение за предотвратяване на изолирани горещи зони, които водят до порьозност от свиване. Трябва да се избягват остри ъгли, тъй като те могат да нарушат течението на метала и да действат като точки на концентрация на напрежение.

Правилната вентилация е също толкова критична за предотвратяване на газова порестост. Вентилационните канали са малки каналчета, изработени в матрицата, които позволяват на въздуха в полостта да избяга, докато разтопеният метал навлиза. Ако вентилацията е недостатъчна, въздухът няма накъде да отиде и остава затворен в отливката. Както сочат експерти от Lethiguel USA, използването на подходящо размерирани зони за отвеждане, като вентилационни блокове, е от съществено значение за ефективно отвеждане на въздуха. Местоположението на вентилационните отвори е също толкова важно, колкото и размерът им; те трябва да бъдат поставени в последните точки, които се запълват, както и в дълбоките джобове, където въздухът вероятно ще бъде задържан.

Контролът върху температурата и налягането е от съществено значение за минимизиране на двата вида порестост. Температурата на формата влияе върху модела на затвърдяване; управлението ѝ може да помогне за предотвратяване на прекомерно замръзване на вливните системи и осигурява правилно навлизане в по-дебелите участъци. Налягането, приложено по време и след инжектирането, е мощен инструмент срещу свиване. Както обясняват Хил и Грифит, високото налягане за уплътняване, приложено по време на затвърдяването, помага за избутване на допълнителен разтопен метал в развиващите се зони на свиване, увеличавайки плътността на детайла. Този вид контрол на процеса е от решаващо значение в индустрии като автомобилната, където компании, специализирали се в производството на прецизни компоненти чрез прецизно леене под налягане, разчитат на внимателно проектиране и гарантиране на качеството, за да предотвратят дефекти.

За да се осигури последователност, операторите и инженерите могат да следват систематичен списък с проверки преди производствените серийни пускове:

1. Проверка на конструкцията на формата: Осигурете се, че вливните и разпределителните системи са проектирани за ламинарен поток и че дебелината на стените е максимално еднаква.
2. Проверка на отвъздушаването: Потвърдете, че всички отвори са чисти, с правилен размер и разположени в крайните точки на запълване.
3. Проверка на качеството на материала: Използвайте чисти и сухи сплавни пръти, за да се минимизира въвеждането на водород и влага.
4. Калибриране на параметрите на машината: Задайте и следете правилната скорост на изстрелване, налягане при впръскване и налягане при уплътняване според технологичните спецификации.
5. Управление на температурите: Осигурете оптималните работни температури както за разтопения метал, така и за матрицата, преди да започне производството.
6. Контрол на смазването на матрицата: Нанесете минималното количество смазка, необходимо за избутване на детайла, като се избягва излишък, който може да се изпари и да причини газова порьозност.

Напреднали техники и решения след леенето

Дори и при най-добрите превантивни мерки, определено ниво на микропорестост може да е присъщо за процеса на прецизно леене под налягане, особено при сложни компоненти. В приложения, където абсолютно плътно запечатване е задължително, или за възстановяване на високостойностни части, които проявяват порестост, се използват напреднали техники и последващи обработки след леенето. Най-известният и ефективен от тези методи е вакуумно импрегниране.

Вакуумното импрегниране е процес, предназначен да запечата перманентно порестостта, която би могла да създаде пътища на теч в готова детайл. Този процес не добавя структурна якост, но е изключително ефективен за осигуряване на плътност на отливките при налягане. Процесът включва няколко ключови стъпки. Първо, порестите отливки се поставят в камера, от която се изсмуква въздухът, за да се отстрани целият въздух от вътрешните празноти. След това в камерата се въвежда течен запечатващ агент, който под налягане прониква дълбоко в микропорите. Накрая, детайлите се изваждат, излишният запечатващ агент се измива от повърхността и агентът в порите се полимеризира (често чрез топлина), за да се получи твърд, инертен полимер, който перманентно запечатва пътищата на теч. Този метод се цени за способността си да запечатва детайли, без да променя техните размерни допуски или външен вид.

Друга напреднала техника, прилагана по време на процеса на отливане, е използването на вакуумна асистентна система. Тя включва свързване на вакуумна помпа към матрицата и активно изпразване на въздуха от кухината точно преди и по време на впръскването на разтопения метал. Като се създаде частичен вакуум, остава значително по-малко въздух, който да бъде затворен, което рязко намалява порестостта от газове. Това е превантивна мярка, за разлика от коригиращия характер на импрегнирането. Изборът между вакуумна асистентна система и импрегниране след отливане често зависи от специфичните изисквания към детайла, обема на производството и икономически съображения.

Решението кога да се използва решение след отливане, като вакуумно импрегниране, зависи от критичността на приложението. Помислете за следните сценарии:

• Компоненти, непропускащи налягане: За части, които трябва да съдържат течности или газове, като компоненти на горивната система, блокове на двигатели или хидравлични разпределителни тела, задължително е запечатването на всички възможни пътища на течове.
• Спасяване на високостойностни отливки: Ако след обработка се установи, че сложна и скъпа отливка има порестост, импрегнирането може да е икономически изгоден начин да се спаси детайлът от скрап.
• Подобряване качеството на галванопокритието или покритието: Запечатването на скрити повърхностни пори предотвратява задържането на почистващи разтвори и киселини по време на предварителната обработка, които по-късно могат да изтекат и да причинят петна или мехури върху готовата повърхност.

Задаване и измерване на стандарти за приемане на порестост

Въпреки че целта е да се минимизира порестостта, постигането на нулева порестост при всяка отливка често е технически невъзможно и икономически нецелесъобразно. Поради това ключов аспект на контрола на качеството при прецизното леене под налягане е установяването на ясни и реалистични стандарти за приемане на порестост. Тези стандарти определят максимално допустимото количество, размер и вид порестост за даден компонент въз основа на предвидената му функция и изискванията за производителност. Този прагматичен подход гарантира, че детайлите са пригодни за целта си, без да води до неоправдано увеличени разходи, свързани с преследването на абсолютна перфектност.

Приемливото ниво на порьозност в голяма степен зависи от приложението на детайла. Компонент, използван само за декоративни цели, може да допуска по-висока степен на вътрешна порьозност в сравнение със структурен елемент, подложен на високо напрежение, или хидравличен компонент, който трябва да е плътно затворен под налягане. Критични зони, като повърхности за уплътнение, резбови отвори или участъци, които поемат значителни механични натоварвания, ще имат много по-строги изисквания в сравнение с некритични зони. Инженерите по качество работят заедно с проектирантите и клиентите, за да дефинират тези зони върху детайла и да установят специфични критерии за приемане за всяка от тях.

Индустриалните стандарти, като тези, цитирани от ASTM, предоставят рамка за класифициране на порьозността въз основа на нейния размер и разпределение, както се наблюдава в рентгеновите снимки (рентген). Например, един стандарт може да предвижда, че за зона за уплътняване на алуминиево преципитно леене диаметърът на отделна пора не трябва да надвишава 0,5 mm и са забранени верижни пори. Напротив, за непрецизна зона на същата част може да се допускат по-големи пори или по-голяма плътност на малки пори. Това гарантира, че усилията за контрол на качеството са насочени там, където имат най-голямо значение.

Анализът на разходите и ползите е централен за това обсъждане. Стремежът към почти нулева порьозност изисква по-сложни инструменти, по-бавни цикли, материали от по-високо качество и потенциално напреднали процеси като вакуумно подпомагане, всичко това увеличава разходите за единица продукт. Като дефинират допустими стандарти, производителите могат да балансират производствените разходи с изискваната производителност и надеждност на крайния продукт. Това изисква съвместни усилия за ясно документиране на тези стандарти в чертежите на детайлите и плановете за контрол на качеството, осигурявайки както производителят, така и клиентът да имат обща представа за това какво представлява приемливо детайл.

Често задавани въпроси относно порьозността при преципитно леене

1. Как да се отлива без порьозност?

Постигането на отливка, напълно свободна от порьозност, е изключително трудно. Въпреки това можете да се приближите значително, като комбинирате няколко стратегии. Това включва оптимизиране на конструкцията на детайла и формата за гладко течение на метала, осигуряване на обширно и добре разположено вентилиране на матрицата, използване на система с вакуумна помощ за отстраняване на въздуха от кухината и прецизен контрол върху скоростта на инжектиране, налягането и температурите. За критични приложения често се използва пост-отливане с вакуумна импрегнация, за да се запечата остатъчната микропорьозност.

2. Как да се намали порьозността?

Порьозността може значително да се намали чрез систематичен подход. Основните методи включват: осигуряване на чист разтопен метал, свободен от газове; оптимизиране на системата за вливане и разпределяне, за да се намали турбулентността; добавяне или увеличаване на вентилационните отвори, за да се позволи на задържания въздух да излезе; увеличаване на налягането на интензификация, за да се компенсират зоните, склонни към свиване; и контролиране на температурите на матрицата и метала, за да се осигури равномерно затвърдяване.

3. Колко порьозност е допустима при отливане?

Приемливото количество пори е напълно зависещо от приложението на детайла. Некритични, неносещи части могат да понасят значително количество вътрешни пори. Въпреки това, за компоненти, които трябва да са плътни под налягане или да поемат значителни механични натоварвания, изискванията са много по-строги. Критериите за приемане, често определени от отраслови стандарти, задават максималния размер, брой и разположение на порите, допуснати в критични и некритични зони на отливката.