Estratègies essencials per prevenir la porositat en la col·locació a matriu

TL;DR

Prevenir la porositat en la fosa per injecció, un defecte causat per gas atrapat o contracció del metall, requereix un enfocament sistemàtic. La prevenció efectiva depèn de l'optimització del disseny del motlle i del sistema d'alimentació, assegurant una bona ventilació del motlle i controlant amb precisió la pressió i la temperatura durant el procés de fosa. Per a peces ja afectades, l'impregnació al buit és un mètode fiable posterior a la fosa per segellar permanentment els buits interns i recuperar components.

Comprendre les causes arrel de la porositat

La porositat, la presència de petits buits o forats en una peça acabada, és un dels reptes més persistents en la col·locació per injecció. Compromet la integritat estructural, l'estanquitat a pressió i l'acabat superficial d'un component. Prevenir eficaçment aquest defecte comença amb una comprensió clara de les seves dues formes principals: porositat per gas i porositat per contracció. Cada tipus té causes i característiques diferents, i identificar correctament quina està present és el primer pas per implementar la solució adequada.

La porositat per gas es produeix quan el gas queda atrapat dins el metall fos mentre es solidifica. Aquest gas pot provenir de diverses fonts. Pot ser aire atrapat a la camisa de disparo o a la cavitat del motlle durant el procés d'injecció a alta velocitat, vapor generat per un lubricant de motlle excessiu o contaminat per humitat, o fins i tot hidrogen alliberat per l'aliatge fos mateix, especialment en colades d'alumini. Els buits resultants són típicament rodons, amb parets llises, i de vegades poden tenir una superfície interna brillant, assemblant-se a petites bombolles. La seva ubicació pot ser aleatòria, tot i que sovint apareixen a prop de la superfície superior de la peça colada a causa de la seva flotabilitat.

D'altra banda, la porositat per contracció és el resultat de la reducció natural del volum del metall quan passa d'estat líquid a sòlid. Si certes seccions de la peça colada—típicament àrees més gruixudes—es refreden i solidifiquen més lentament que les zones circumdants, poden quedar aïllades del flux de metall fos abans de solidificar-se completament. A mesura que aquest líquid aïllat continua refredant-se i contragent-se, es trenca per dins, creant buits interns irregulars, lineals o semblants a fissures. A diferència de les bombolles llises de la porositat per gas, els defectes per contracció són angulars i sovint segueixen l'estructura granular dendrítica del metall solidificat.

Diagnosticar el tipus de porositat és crucial per a una resolució eficaç de problemes. Un examen cuidatós, que sovint requereix ampliació, pot revelar la forma i la naturalesa dels buits. Comprendre si la causa arrel és l'aire atrapat o l'alimentació insuficient durant la solidificació determina si la solució consisteix a millorar la ventilació i els paràmetres d'injecció o a redefinir la geometria de la peça i la gestió tèrmica. La taula següent proporciona una comparació clara d'aquests dos tipus fonamentals de defectes.

Estratègies principals de prevenció durant el disseny i la operació

La manera més efectiva de combatre la porositat és impedir-ne la formació des del principi. Això requereix un enfocament multifacètic que integrï un disseny intel·ligent de la peça i del motlle amb un control rigorós dels paràmetres operatius. Les mesures proactives adoptades durant les fases de disseny i de colada són molt més econòmiques que intentar subsanar defectes en peces acabades.

Una de les principals línies de defensa és l'optimització del motlle i del sistema d'alimentació. El canal d'injecció i l'entrada han d'estar dissenyats per promoure un flux suau i no turbulent del metall fos al buit del motlle. Segons una guia de FLOW-3D , un mal disseny del canal d'injecció pot provocar turbulències que atrapen aire, el qual és injectat després a la peça. També és fonamental mantenir un gruix de paret constant en el disseny de la peça colada per evitar punts calents aïllats que provoquen porositat per contracció. S'han d'evitar les cantonades agudes, ja que poden interrompre el flux del metall i actuar com a punts de concentració de tensió.

Una ventilació adequada és igualment crítica per evitar la porositat causada pel gas. Els respiradors són petits canals mecanitzats al motlle que permeten que l'aire que ja es troba a la cavitat pugui escapar quan hi entra el metall fos. Si la ventilació és insuficient, l'aire no té cap lloc on anar i queda atrapat a la peça colada. Segons experts de Lethiguel USA, utilitzar àrees d'evacuació de mida adequada, com blocs de ventilació, és essencial per a una evacuació eficient de l'aire. La ubicació dels respiradors és tan important com la seva mida; haurien de situar-se als últims punts que es cobreixen i en qualsevol bossa profunda on sigui probable que l'aire quedi atrapat.

Controlar la temperatura i la pressió és fonamental per minimitzar els dos tipus de porositat. La temperatura del motlle influeix en el patró de solidificació; gestionar-la pot ajudar a prevenir el tancament prematur dels canals d'injecció i assegurar una alimentació adequada a les seccions més gruixudes. La pressió aplicada durant i després de la injecció és una eina potent contra la contracció. Tal com expliquen Hill & Griffith, una alta pressió d'intensificació aplicada durant la solidificació ajuda a forçar metall fos addicional cap als buits de contracció en formació, augmentant així la densitat de la peça. Aquest nivell de control del procés és crític en indústries com l'automobilística, on empreses especialitzades en components de motllejat d'alta integritat depenen d’un disseny meticulós i d’assegurament de la qualitat per prevenir defectes.

Per garantir la consistència, els operaris i enginyers poden seguir una llista de verificació sistemàtica abans de les tirades de producció:

1. Verificar el disseny del motlle: Assegurar que els sistemes de canal d'injecció i col·lector estiguin dissenyats per a un flux laminar i que els gruixos de paret siguin tan uniformes com sigui possible.
2. Inspeccionar la ventilació: Comproveu que totes les ventilacions estiguin netes, tinguin la mida adequada i estiguin situades als darrers punts de farciment.
3. Comproveu la qualitat del material: Utilitzeu lingots d'aliatge nets i secs per minimitzar la introducció d'hidrogen i humitat.
4. Calibreu els paràmetres de la màquina: Establiu i superviseu la velocitat de dispar, la pressió d'injecció i la pressió d'intensificació segons les especificacions del procés.
5. Gestioneu les temperatures: Assegureu-vos que tant el metall fos com el motlle estiguin a les seves temperatures òptimes de funcionament abans d'iniciar la producció.
6. Controleu la lubricació del motlle: Apliqueu la quantitat mínima de lubricant necessària per facilitar l'expulsió de la peça, evitant l'excés que pot vaporitzar-se i causar porositat per gas.

Tècniques avançades i solucions post-fosa

Encara que s'apliquin les millors mesures preventives, un cert nivell de microporositat pot ser inherent al procés de motatge per injecció, especialment en components complexos. Per a aplicacions on la tenca absoluta a pressió és imprescindible o per a recuperar peces de gran valor que presenten porositat, s'empleguen tècniques avançades i tractaments posteriors al motatge. La més destacada i efectiva d'aquestes tècniques és la impregnació al buit.

La impregnació al buit és un procés dissenyat per segellar de manera permanent la porositat que podria crear camins de fuga en una peça acabada. No aporta resistència estructural, però és molt eficaç per fer estanques les foses sota pressió. El procés inclou diversos passos clau. Primer, les peces foses poroses es col·loquen en una cambra i s'aplica el buit per extreure tot l'aire dels buits interns. A continuació, s'introdueix un segellant líquid a la cambra i, mitjançant pressió, s'impulsa profundament als microporos. Finalment, les peces s'extreuen, el segellant en excés es renta de la superfície i el segellant dins dels poros es polimeritza (sovint amb calor) per formar un polímer sòlid i inert que segella de manera permanent els camins de fuga. Aquest mètode és valorat per la seva capacitat de segellar peces sense alterar-ne les toleràncies dimensionals ni l'aspecte.

Una altra tècnica avançada, aplicada durant el procés de col·locació en motlle, és l'ús d'un sistema d'aspiració amb buit. Això implica connectar una bomba de buit al motlle i extreure activament l'aire de la cavitat just abans i durant la injecció del metall fos. En crear un buit parcial, queda molt menys aire atrapat, cosa que redueix dràsticament la porositat per gasos. Es tracta d’una mesura preventiva, en contrast amb la naturalesa correctiva de l’impregnació. La tria entre un sistema d’aspiració amb buit i l’impregnació posterior a la colada depèn sovint dels requisits específics de la peça, del volum de producció i de consideracions de cost.

La decisió sobre quan utilitzar una solució posterior a la colada com l’impregnació al buit depèn de la importància crítica de l’aplicació. Cal considerar aquestes situacions:

• Components estancs a pressió: Per a peces que han de contenir fluids o gasos, com ara components del sistema de combustible, blocs de motors o cossos de vàlvules hidràuliques, és obligatori tancar qualsevol trajecte potencial de fuites.
• Recuperació de colades de gran valor: Si es detecta porositat en una peça colada complexa i costosa després de mecanitzar-la, la impregnació pot ser una manera econòmica de recuperar la peça i evitar que s’hagi de rebutjar.
• Millora de la qualitat dels recobriments o galvanitzats: El segellat de porus superficials cecs evita que les solucions de neteja i àcids quedin atrapats durant el tractament previ, fet que posteriorment podria provocar mancades o bombolles a la superfície acabada.

Establiment i mesura dels estàndards d’acceptació de la porositat

Tot i que l'objectiu és minimitzar la porositat, assolir una porositat nul·la en cada motllura sovint és tècnicament inviable i econòmicament impracticable. Per tant, un aspecte clau del control de qualitat en la fundició per injecció és establir uns estàndards d'acceptació de la porositat clars i realistes. Aquests estàndards defineixen la quantitat, mida i tipus màxims admissibles de porositat per a un component determinat en funció de la seva funció prevista i els requisits de rendiment. Aquest enfocament pràctic assegura que les peces són aptes per a la seva finalitat sense incurrir en costos excessius associats a la recerca de la perfecció absoluta.

El nivell acceptable de porositat depèn en gran mesura de l'aplicació de la peça. Un component utilitzat amb finalitats merament decoratives pot tolerar un grau més elevat de porositat interna que una peça estructural sotmesa a una alta tensió o un component hidràulic que ha de ser estàtic a pressió. Les zones crítiques, com ara superfícies d'estanquitat, forats roscats o seccions sotmeses a càrregues mecàniques importants, tindran normes molt més estrictes que les zones no crítiques. Els enginyers de qualitat treballen amb dissenyadors i clients per delimitar aquestes zones en una peça i definir criteris d'acceptació específics per a cadascuna.

Les normes de la indústria, com les referenciades per ASTM, proporcionen un marc per classificar la porositat segons la seva mida i distribució tal com es pot observar en radiografies (raigs X). Per exemple, una norma pot especificar que, en una zona d'estanquitat d'una peça d'aliatge d'alumini, el diàmetre d'un únic por no ha de superar 0,5 mm, i es prohibeixen els porus en forma de cadena. En canvi, en una zona no crítica de la mateixa peça es podrien permetre porus més grans o una major densitat de porus petits. Això assegura que els esforços de control de qualitat es concentrin on més importen.

L'anàlisi cost-benefici és central en aquesta discussió. Aspirar a una porositat gairebé nul·la requereix eines més complexes, temps de cicle més lents, materials de major qualitat i possiblement processos avançats com l'assistència de buit, tots ells elements que augmenten el cost per peça. En definir uns estàndards acceptables, els fabricants poden equilibrar el cost de producció amb el rendiment i la fiabilitat requerits del producte final. Això implica un esforç col·laboratiu per documentar clarament aquests estàndards en els plànols de les peces i en els plans de control de qualitat, assegurant que tant el fabricant com el client comparteixin una comprensió comuna del que constitueix una peça acceptable.

Preguntes freqüents sobre la porositat en la col·loció

1. Com col·locar sense porositat?

Assolir una colada completament lliure de porositat és extremadament difícil. Tanmateix, es pot aconseguir un resultat molt proper combinant diverses estratègies. Això implica optimitzar el disseny de la peça i del motlle per garantir un flux suau del metall, assegurar una ventilació extensa i ben ubicada del motlle, utilitzar un sistema d'aspiració amb buit per extreure l'aire de la cavitat i mantenir un control precís sobre la velocitat, la pressió i les temperatures d'injecció. Per a aplicacions crítiques, sovint s'utilitza una impregnació amb buit posterior a la colada per segellar qualsevol microporositat residual.

2. Com reduir la porositat?

La porositat es pot reduir significativament mitjançant un enfocament sistemàtic. Els mètodes clau inclouen: assegurar que el metall fos sigui net i lliure de gasos; optimitzar el sistema d'alimentació i canals per reduir la turbulència; afegir o ampliar orificis de ventilació per permetre que l'aire atrapat pugui escapar; augmentar la pressió d'intensificació per ajudar a alimentar zones propenses a contracció, i controlar les temperatures del motlle i del metall per promoure una solidificació uniforme.

3. Quanta porositat és acceptable en una colada?

La quantitat acceptable de porositat depèn completament de l'aplicació de la peça. Les peces no crítiques i no estructurals poden tolerar una certa quantitat de porositat interna. Tanmateix, per a components que hagin de ser estanques a la pressió o suportar càrregues mecàniques importants, els criteris són molt més estrictes. Els criteris d'acceptació, sovint definits per normes del sector, especifiquen la mida màxima, el nombre i la ubicació dels porus admesos en àrees crítiques i no crítiques de la peça colada.