Pórovitost při hliníkovém lití pod tlakem: Příčiny a řešení

SHRNUTÍ

Pórovitost při hliníkovém lití pod tlakem označuje malé dutiny nebo pory, které vznikají uvnitř kovu během tuhnutí. Tato běžná výrobní vada se primárně dělí na dva typy: plynnou pórovitost způsobenou zachycenými plyny a smrštěním způsobenou pórovitost vznikající redukcí objemu při chlazení. Pórovitost narušuje strukturální pevnost dílu, těsnost pod tlakem a kvalitu povrchu, což může vést ke selhání komponenty. Lze ji však účinně řídit a minimalizovat prostřednictvím přesné kontroly kvality materiálu, návrhu formy a procesu lití. Pochopení jejích příčin je prvním krokem k prevenci.

Definice pórovitosti při hliníkovém lití pod tlakem

Ve světě tlakového lití za horka je dosažení dokonalé, kompaktní součástky konečným cílem. Běžnou výzvou, které se výrobci potýkají, je však pórovitost. Jednoduše řečeno, pórovitost představuje přítomnost malých, nežádoucích dutin, otvorů nebo bublin vzduchu uvnitř hotové odlitku. Podle odborníků na výrobu je tento defekt hlavním problémem, protože přímo narušuje mechanické vlastnosti a výkon konečného produktu. Tyto dutiny mohou výrazně snížit pevnost, odolnost a životnost dílu.

Pórovitost není jediným typem vady; projevuje se několika způsoby, které ovlivňují užitnou hodnotu součástky. Tyto formy jsou obecně klasifikovány podle jejich polohy a propojenosti:

• Zaslepená pórovitost: Jedná se o dutiny otevřené na povrch odlitku, které však nepronikají celou tloušťkou součásti. I když nemusí snižovat strukturální pevnost dílu, mohou uchycovat kapaliny nebo čisticí chemikálie z následných procesů, jako je anodizace, což může v čase vést ke kosmetickým vadám povrchu a korozním poškozením.
• Průchozí pórovitost: Tento typ vytváří spojitou cestu úniku z jednoho povrchu odlitku na druhý. U součástí, které musí být těsné vůči tlaku, jako jsou nádrže na kapaliny nebo skříně pneumatických zařízení, představuje průchozí pórovitost kritické selhání, které činí díl nepoužitelným.
• Plně uzavřená pórovitost: Jedná se o vnitřní dutiny zcela uzavřené uvnitř stěn odlitku. Tyto dutiny nejsou zvenčí viditelné a nemusí představovat problém, pokud nejsou následně odhaleny při obráběcích operacích, kdy se mohou stát slepými nebo průchozími póry.

Důsledky pórovitosti jsou závažné, zejména v kritických aplikacích, jako jsou automobilové a letecké součásti. Součást s pórovitostí se může porušit pod zatížením, může jí unikat kapalina nebo plyn, nebo může mít po opracování špatný povrch. Proto je pochopení jejích příčin klíčové pro jakoukoli výrobu vysoce kvalitních výrobků.

Hlavní typy: Pórovitost z plynu vs. smrštění

Ačkoli různé faktory mohou vést k pórovitosti, chyby jsou téměř vždy způsobeny jednou ze dvou základních příčin: zachyceným plynem nebo smrštěním kovu. Rozlišení mezi těmito dvěma typy je rozhodující pro účinnou diagnostiku a prevenci, protože jejich vzhled i kořenové příčiny jsou odlišné. Každý typ představuje jedinečné výzvy a vyžaduje odlišná řešení.

Plynová pórovitost

Plynová póróza vzniká zachycením plynu v tavenině hliníku během procesu lití a tuhnutí. Hlavními viníky jsou vodík, který je vysoce rozpustný v tavenině hliníku, ale nerozpustný v pevném stavu, a vzduch, který se uvnitř kokily uvízne. Při chladnutí kovu jsou rozpuštěné plyny vytlačovány z roztoku a vytvářejí bubliny. Tyto bubliny jsou trvale zachyceny, jakmile se kov kolem nich ztuhne. Plynové póry jsou typicky charakterizovány hladkým, kulovitým nebo oválným tvarem a často se nacházejí v blízkosti povrchu odlitku.

Úsmrtní pórovitost

Smršťování vzniká proto, že hliník, stejně jako většina kovů, je v tuhém stavu hustší než v kapalném. Při chladnutí a tuhnutí roztaveného kovu se jeho objem zmenšuje. Pokud není dostatek kapalného kovu k vyplnění dutin vzniklých tímto smršťováním, vznikají pórózní dutiny. Tato vada se nejčastěji vyskytuje v tlustších částech odlitku, které jsou poslední, jež ztuhnou. Na rozdíl od hladkých bublin plynové pórovatosti se smršťovací pórovatost projevuje nerovnými, ostrými nebo lineárními trhlinami. Je to přímým důsledkem nedostatečného přisázení roztaveného kovu během posledních fází tuhnutí.

Pro objasnění rozdílů následuje srovnání dvou hlavních typů pórovatosti:

Hlavní příčiny a proaktivní strategie prevence

Prevence pórovitosti je mnohem účinnější a ekonomičtější než řešení vadných dílů po výrobě. Úspěšná prevence vyžaduje komplexní přístup, který zahrnuje návrh formy, materiál i samotný odlévací proces. Kontrolou klíčových proměnných mohou výrobci výrazně snížit výskyt jak pórů z plynu, tak smrštění.

Řešení příčin souvisejících s plynem

Pórovitost způsobená plynem vzniká vniknutím plynu do kovu nebo jeho uzavřením ve formě. Prevence se zaměřuje na vyloučení přítomnosti plynu.

• Kontrola kvality taveniny: Používejte čisté a suché suroviny, abyste předešli vnesení vlhkosti, která vytváří vodíkový plyn v tavenině hliníku. Odplyňování taveniny dusíkem nebo argonem před odléváním je velmi účinnou metodou.
• Optimalizujte aplikaci maziva: I když je nutné, nadměrné nebo nesprávně aplikované formovací mazivo se může při vstřikování odpařit a vytvářet plyn, který se zachytí. Používejte minimální množství kvalitního maziva a nanášejte jej rovnoměrně.
• Zajistěte správné ventilační otvory: Forma musí mít dostatečné ventilační otvory a přelivové kanály, aby se mohl vzduch z dutiny uvolnit, jakmile je tavenina kovu vstřikována. Ucpané nebo špatně navržené ventily jsou hlavní příčinou zachyceného vzduchu.
• Regulace procesu vstřikování: Turbulentní naplňování může zachytit vzduch do kovu. Optimalizace rychlosti a tlakového profilu vstřiku zajišťuje hladké, postupné naplnění, které před tokem kovu vytláčí vzduch.

Kontrola příčin souvisejících s smrštěním

Smrštění způsobené pórovitostí je boj proti fyzikálním zákonům, který se řídí kontrolou ochlazování odlitku. Klíč spočívá v zajištění trvalého přísunu taveniny do silných průřezů, až dokud se úplně nezatuhnou.

• Udržujte vysoký tlak kovu: Fáze vysokého tlaku při lití pod tlakem je rozhodující pro potlačení smrštění. Jak vysvětlují odborníci z průmyslu, zintenzivňovací systém působí obrovským tlakem během tuhnutí, aby vtlačil taveninu do vznikajících dutin způsobených smrštěním. Zachování dostatečného statického a zvýšeného tlaku je nezbytné.
• Optimalizujte teplotu formy: Nerovnoměrné chlazení způsobuje horká místa náchylná ke smršťování. Strategicky umístěné chladicí a topné kanály ve formě umožňují směrové tuhnutí, při kterém se odlitek postupně zatuhuje směrem ke vlití, takže může být nepřetržitě doplňován taveninou.
• Zlepšete konstrukci dílu a formy: Navrhování dílů s rovnoměrnou tloušťkou stěn je nejlepší způsob, jak se vyhnout smrštění. Tam, kde nelze vyhnout se silnějším průřezům, by měly být umístěny blízko vstupu. Místo ostrých hran by měly být použity široké zaoblení a zaoblené rohy, které mohou jinak vytvářet izolovaná horká místa.

Zabraňování pórovitosti nakonec začíná odolným návrhem a výrobním procesem. Klíčové je spolupracovat s dodavatelem, který prokazuje hluboké odborné znalosti ve řízení procesů. Například dodavatelé držitelé certifikace IATF16949 pro automobilové díly zdůrazňují přísnou kontrolu kvality a vlastní návrh forem, čímž přímo napojují na kořenové příčiny vad, jako je pórovitost, již od počátku projektu.

Metody kontroly pro detekci pórovitosti

Protože ne veškerá pórnost je viditelná na povrchu, spoléhají výrobci na širokou škálu kontrolních metod, aby zajistili splnění kvalitativních norem dílů. Tyto techniky, často označované jako nedestruktivní zkoušení (NDT), umožňují detekci vnitřních vad bez poškození součásti. Výběr vhodné metody závisí na důležitosti dílu, typu podezřelé pórovatosti a rozpočtových omezeních.

Běžné kontrolní techniky zahrnují:

• Vizuální inspekce: Nejjednodušší metoda, používaná k identifikaci povrchové pórovatosti, jako jsou puchýře nebo otevřené otvory. I když je snadno proveditelná, nemůže detekovat vnitřní vady.
• Rentgenová kontrola (radiografie): Jedná se o jednu z nejspolehlivějších metod pro detekci vnitřní pórovatosti. Díl je vystaven rentgenovému záření a výsledný obraz odhaluje změny hustoty. Dutiny se na radiogramu objevují jako tmavší skvrny, což inspektorům umožňuje vidět jejich velikost, tvar a umístění.
• Počítačová tomografie (CT skenování): Pokročilá forma rentgenového, CT skenování vytváří kompletní 3D model dílu, který poskytuje komplexní pohled na všechny vnitřní a vnější vlastnosti. Je velmi přesná při určování přesného objemu a rozložení pórovitosti, ale je také nejdražší metodou.
• Zkušební tlak: Tato metoda se používá zejména k detekci porozity v částech navržených pro tlaku. Odlitek je uzavřen a pod tlakem vzduchem nebo tekutinou. Pokles tlaku nebo vznik bublin, když je ponořena do vody, naznačuje průběh úniku.

V mnoha případech normy přijetí, jako jsou normy ASTM International, definují přípustné množství a velikost porozity pro danou aplikaci. Jak uvedli odborníci na lití, tyto metody NDT jsou zásadní pro ověření, zda komponenty splňují požadované normy kvality a bezpečnosti před uvedením do provozu. Toto ověření je kritickou součástí výrobního procesu .

Nejčastější dotazy

1. Co způsobuje porozitu v hliníkovém lití?

Porozita v hliníkovém lití je způsobena především dvěma faktory: rozpouštěním a následným uvolňováním vodíku během ztužení (pórovitost plynu) a snížením objemu nebo zmenšením objemu kovu při ochlazení z kapalného do pevného stavu (pórovitost zmenšení Dalšími faktory, které k tomu přispívají, jsou zachycený vzduch z špatného ventilace, nadměrné množství maziva a nekonzistentní tlak kovu.

2. Věříme, že Jaká je porositost lití?

V lití s litím se porozita vztahuje k přítomnosti malých otvorů, dutin nebo vzduchových kapes v rámci kovové struktury litou části. Je považována za vadou, protože snižuje hustotu a mechanickou pevnost komponenty a může vytvářet průchody úniků v částech, které musí být tlačně těsné.

3. Věříme, že Jak zkontrolovat porozitu v hliníkovém lití?

Porositnost hliníkových odlitků lze zkontrolovat pomocí několika metod nedestruktivního testování (NDT). Viditelná kontrola může identifikovat povrchové vady, zatímco tlakové zkoušky se používají k nalezení úniků. Pro vnitřní dutiny jsou nejúčinnější metody rentgenová vyšetření (radiografie) a průmyslové CT skenování, protože mohou odhalit velikost, tvar a umístění pórovitosti uvnitř dílu bez toho, aby ho poškodily.

4. Vydržte. Jak se vyhnout porositě při lití?

Aby nedocházelo k porositě, je třeba kontrolovat celý proces odlití. Klíčové strategie zahrnují použití čistého, suchého a správně odplynulého roztaveného kovu, navržení matrice s odpovídajícími ventilace a přetoky, optimalizaci rychlosti a tlaku vstřikování, udržení konzistentní teploty matrice, aby bylo zajištěno jednotné chlazení,