Porositat en la fundició a pressió d'alumini: causes i solucions

TL;DR

La porositat en la fosa d'alumini per injecció fa referència a petits buits o cavitats que es formen dins del metall durant la seva solidificació. Aquest defecte de fabricació comú es classifica principalment en dos tipus: porositat per gasos, causada per gasos atrapats, i porositat per contracció, resultant de la reducció de volum durant el refredament. La porositat compromet la integritat estructural, l'estanquitat a pressió i la qualitat superficial de la peça, podent provocar l'error del component. Tanmateix, es pot gestionar i minimitzar eficaçment mitjançant un control precís de la qualitat del material, del disseny del motlle i del procés de fosa. Comprendre'n les causes és el primer pas a la prevenció.

Definició de porositat en la fosa d'alumini per injecció

Al món de la col·locació a pressió elevada, assolir un component impecable i sòlid és l'objectiu final. Tanmateix, un repte habitual amb què es troben els fabricants és la porositat. En termes senzills, la porositat és la presència de buits, forats o bosses d'aire no desitjats dins d’un motlle acabat. Segons experts en fabricació, aquest defecte és una preocupació principal perquè afecta directament les propietats mecàniques i el rendiment del producte final. Aquests buits poden reduir significativament la resistència, durabilitat i resistència a la fatiga de la peça.

La porositat no és un únic tipus de defecte; es manifesta de diverses maneres que afecten la utilitat d'un component. Aquestes formes es classifiquen generalment segons la seva ubicació i connectivitat:

• Porositat cega: Aquests són buits oberts a la superfície de la peça colada però que no travessen completament la peça. Encara que poden no debilitar estructuralment el component, poden atrapar líquids o productes químics de neteja provinents de tractaments posteriors com l'anodització, provocant imperfeccions superficials i corrosió amb el temps.
• Porositat traversant: Aquest tipus crea un camí continu de fuita d'una superfície de la peça colada a una altra. Per a components que han de ser estanques a pressió, com dipòsits de fluids o carcasses pneumàtiques, la porositat traversant és un punt crític de fallada que fa que la peça sigui inutilitzable.
• Porositat totalment tancada: Aquests són buits interns completament segellats dins les parets de la peça colada. Són invisibles des de l'exterior i poden no suposar un problema llevat que es revelin durant operacions posteriors d'usinatge, moment en què es converteixen en porus cecs o porus traversants.

Les conseqüències de la porositat són greus, especialment en aplicacions crítiques com els components automotrius i aeroespacials. Una peça porosa pot fallar sota tensió, tenir fuites de fluids o gasos, o presentar un mal acabat superficial després del mecanitzat. Per tant, entendre'n els orígens és essencial per a qualsevol operació de fabricació d'alta qualitat.

Els tipus principals: porositat per gas versus porositat per contracció

Encara que diversos factors puguin provocar porositat, gairebé sempre es remunta a una de dues causes fonamentals: gas atrapat o contracció del metall. Distingir entre aquestes dues és crucial per a una resolució d'incidències eficaç i per a la prevenció, ja que les seves aparences i causes arrel són diferents. Cada tipus presenta reptes únics i requereix solucions diferents.

Porositat per gas

La porositat per gas és causada per l'encapsulament de gas dins l'alumini fos durant el procés d'injecció i solidificació. Els principals responsables són l'hidrogen, que és molt soluble en alumini fos però no en estat sòlid, i l'aire que queda atrapat a la cavitat del motlle. A mesura que el metall es refreda, els gasos dissolts són expulsats de la solució, formant bombolles. Aquestes bombolles queden permanentment atrapades quan el metall s'endureix al seu voltant. Els porus de gas solen caracteritzar-se per la seva forma llisa, esfèrica o oval, i sovint es troben a prop de la superfície de la peça emmotllada.

Porositat per contracció

La porositat per contracció es produeix perquè l'alumini, com la majoria de metalls, és més dens en estat sòlid que en estat líquid. A mesura que el metall fos es refreda i solidifica, es redueix de volum. Si no hi ha prou metall líquid disponible per omplir els buits creats per aquesta contracció, es formaran cavitats. Aquest defecte és més comú en seccions més gruixudes d'una peça colada, que són les últimes a solidificar-se. A diferència de les bombolles llises de la porositat per gas, la porositat per contracció apareix com a esquerdes dentades, angulars o lineals. És un resultat directe d'una alimentació insuficient de metall fos durant les fases finals de solidificació.

Per aclarir les diferències, segui una comparació dels dos tipus principals de porositat:

Causa arrel i estratègies proactives de prevenció

Prevenir la porositat és molt més eficaç i econòmic que gestionar peces defectuoses després de la producció. Una estratègia de prevenció exitosa requereix un enfocament holístic que abordi el disseny del motlle, el material i el procés de colada mateix. Mitjançant el control de variables clau, els fabricants poden reduir significativament l'aparició de defectes tant per gas com per contracció.

Abordar les causes relacionades amb el gas

La porositat per gas prové de la introducció de gas al metall o del seu atrapatge al motlle. La prevenció es centra a mantenir el gas fora.

• Controlar la qualitat del metall fos: Utilitzeu matèries primeres netes i seques per evitar introduir humitat, que genera gas d'hidrogen en l'alumini fos. Desgasificar la massa fosa amb nitrogen o argó abans de la colada és un mètode molt eficaç.
• Optimitzeu l'aplicació del lubricant: Tot i que és necessari, un lubricant per a motlles aplicat en excés o incorrectament pot vaporitzar-se durant la injecció, creant gasos que queden atrapats. Utilitzeu una quantitat mínima de lubricant d'alta qualitat i apliqueu-lo de manera uniforme.
• Assegureu una ventilació adequada: El motlle ha de disposar de vents i canals d'abocament suficients per permetre que l'aire de la cavitat surti quan s'injecta el metall fos. Els vents bloquejats o mal dissenyats són una causa principal d'aire atrapat.
• Reguleu el procés d'injecció: Un procés de ompliment turbulent pot arrossegar aire al metall. Optimitzar la velocitat i el perfil de pressió de la injecció assegura un ompliment suau i progressiu que empeny l'aire cap a fora davant del flux de metall.

Controlar les causes relacionades amb la contracció

La porositat per contracció és una lluita contra la física, gestionada mitjançant el control del refredament de la peça colada. La clau consisteix a assegurar que les seccions gruixudes rebin un subministrament constant de metall fos fins que estiguin completament solidificades.

• Mantenir una alta pressió del metall: La fase d'alta pressió en la col·laboració per injecció és fonamental per combatre la porositat per contracció. Tal com expliquen experts del sector, un sistema intensificador aplica una pressió immensa durant la solidificació per forçar el metall fos a omplir els buits de contracció en formació. Mantenir una pressió estàtica i intensificada adequada és essencial.
• Optimitzar la temperatura del motlle: Un refredament desigual provoca punts calents propensos a la contracció. Mitjançant l'ús de canals de refrigeració i calefacció col·locats estratègicament al motlle, els fabricants poden promoure una solidificació direccional, en què la peça es congela progressivament cap a l'entrada, permetent que rebi continuament metall fos.
• Millorar el disseny de la peça i del motlle: Dissenyar peces amb espessor uniforme és la millor manera d'evitar la contracció. Quan les seccions gruixudes són inevitables, cal ubicar-les a prop d'una entrada. S'han d'utilitzar arredoniments generosos i cantons arrodonits en lloc d'angles aguts, que poden crear punts calents aïllats.

Al final, prevenir la porositat comença amb un disseny sòlid i un procés de fabricació fiable. És fonamental col·laborar amb un proveïdor que demostra una gran experiència en el control de processos. Per exemple, els proveïdors que disposen de la certificació IATF16949 per a peces automotrius posen èmfasi en un control de qualitat rigorós i en el disseny intern de motlles, abordant directament les causes arrel de defectes com la porositat des de l'inici del projecte.

Mètodes d'inspecció per detectar la porositat

Com que no tota la porositat és visible a la superfície, els fabricants compten amb una sèrie de mètodes d'inspecció per assegurar-se que les peces compleixen els estàndards de qualitat. Aquestes tècniques, sovint anomenades assaigs no destructius (NDT), permeten detectar defectes interns sense danyar el component. La selecció del mètode adequat depèn de la criticitat de la peça, del tipus de porositat sospitada i de les limitacions pressupostàries.

Les tècniques d'inspecció més comunes inclouen:

• Inspecció visual: El mètode més senzill, utilitzat per identificar la porositat a nivell de la superfície, com ara bombolles o forats oberts. Tot i que és fàcil d'executar, no pot detectar defectes interns.
• Inspecció amb raigs X (radiografia): Aquest és un dels mètodes més fiables per detectar la porositat interna. La peça es sotmet a raigs X i la imatge resultant revela variacions de densitat. Els buits apareixen com a taques més fosques al radiograma, cosa que permet als inspectors veure'n la mida, forma i ubicació.
• Escaneig amb tomografia computaritzada (CT): Una forma avançada de raigs X, la tomografia computaritzada crea un model 3D complet de la peça, proporcionant una vista exhaustiva de totes les característiques internes i externes. És molt precisa per identificar el volum i la distribució exactes de la porositat, però també és el mètode més car.
• Prova de pressió: Aquest mètode s'utilitza específicament per detectar la porositat que travessa peces dissenyades per ser estanques a la pressió. La peça es tanca hermèticament i es pressiona amb aire o líquid. Una caiguda de pressió o l'aparició de bombolles quan es submergeix en aigua indica un camí de fuita.

En molts casos, els criteris d'acceptació, com els de l'ASTM International, defineixen la quantitat i mida permesa de la porositat per a una aplicació determinada. Tal com indiquen especialistes en fosa, aquests mètodes de prova no destructiva són crucials per verificar que els components compleixin els estàndards requerits de qualitat i seguretat abans de posar-los en servei. Aquesta verificació és una part crítica del procés de fabricació .

Preguntes freqüents

1. Què provoca la porositat en la fosa d'alumini?

La porositat en la colada d'alumini es deu principalment a dos factors: la dissolució i posterior alliberament del gas hidrogen durant la solidificació (porositat gaseosa) i la reducció de volum o contracció del metall quan es refreda des de l'estat líquid fins a l'estat sòlid (porositat per contracció). Altres factors que hi contribueixen inclouen l'aire atrapat degut a una mala ventilació, lubricant excessiu en el motlle i pressió inconsistent del metall.

2. Què és la porositat en la colada a pressió?

En la colada a pressió, la porositat fa referència a la presència de petits forats, buits o bombolles d'aire dins l'estructura metàl·lica d'una peça colada. Es considera un defecte perquè redueix la densitat i la resistència mecànica del component, i pot crear camins de fuita en peces que necessiten ser estanques a pressió.

3. Com comprovar la porositat en la colada d'alumini?

La porositat en les foses d'alumini es pot comprovar mitjançant diversos mètodes d'assaig no destructius (AND). La inspecció visual pot identificar defectes superficials, mentre que l'assaig de pressió s'utilitza per detectar fugues. Per als buits interns, la inspecció amb raigs X (radiografia) i l'escaneig industrial amb TC són els mètodes més eficaços, ja que poden revelar la mida, la forma i la ubicació de la porositat a l'interior de la peça sense danys.

4. Com evitar la porositat en la fosió?

Evitar la porositat implica controlar tot el procés de fosió. Les estratègies clau inclouen utilitzar metall fos net, sec i pròpiament desgasat, dissenyar el motlle amb sortides i desguassos adequats, optimitzar la velocitat i la pressió d'injecció, mantenir temperatures del motlle constants per assegurar un refredament uniforme, i dissenyar la peça amb gruixos de paret consistents per minimitzar la contracció.