Osnovne strategije za sprečavanje poroznosti u preciznom lijevanju

KRATKO

Sprečavanje poroznosti u preciznom lijevanju, greške koja nastaje zarobljenim plinom ili skupljanjem metala, zahtijeva sustavan pristup. Učinkovita prevencija ovisi o optimizaciji dizajna kalupa i uliva, osiguravanju odgovarajućeg ventiliranja kalupa te preciznoj kontroli tlaka i temperature tijekom procesa lijevanja. Za već pogođene dijelove, impregnacija pod vakuumom je pouzdana metoda nakon lijevanja za trajno zaptivanje unutarnjih šupljina i spašavanje komponenti.

Razumijevanje temeljnih uzroka poroznosti

Poroziost, prisutnost malih šupljina ili rupa u gotovom odljevku, jedan je od najčešćih izazova u postupku pod tlakom lijevanja. Ona narušava strukturni integritet, čvrstoću na pritisak i kvalitetu površine komponente. Učinkovito sprječavanje ovog defekta započinje jasnim razumijevanjem njegova dva primarna oblika: plinska poroziost i skupljanjem uzrokovana poroziost. Svaki tip ima svoje specifične uzroke i karakteristike, a točna identifikacija vrste prisutne poroznosti prvi je korak prema provedbi odgovarajućeg rješenja.

Porozi nastaju kada se plin zarobi unutar taline metala tijekom njezina stvrdnjavanja. Taj plin može potjecati iz nekoliko izvora. Može se raditi o zraku zarobljenom u cijevi za ulijevanje ili kalupu tijekom procesa brzog ulijevanja, pari koja nastaje od viška podmazivača za kalupe ili one kontaminirane vlago, ili čak o vodiku koji se oslobađa iz same taline slitine, osobito kod aluminijastih odljevaka. Rezultirajuće šupljine su obično okrugle, s glatkim stjenkama, a ponekad imaju sjajnu unutarnju površinu, sličnu malim mjehurićima. Njihov položaj može biti nasumičan, iako se često pojavljuju blizu gornje površine odljevka zbog njihove uzgona.

S druge strane, skupljanje zbog upala je posljedica prirodnog smanjenja volumena metala tijekom prijelaza iz tekućeg u čvrsto stanje. Ako se određena područja odljevka — obično deblja područja — hlade i stvrdnjavaju sporije od okolnih područja, ona se mogu izolirati od toka tekućeg metala prije nego što se potpuno završi stvrdnjavanje. Dok se ova izolirana tekućina nastavi hladiti i skupljati, dolazi do razdvajanja koje stvara nazubljene, linijske ili pukotine slične unutarnje šupljine. Za razliku od glatkih mjehurića plinskih upala, defekti uslijed skupljanja su kutasti i često slijede dendritičnu zrnatu strukturu zatvrdnutog metala.

Dijagnosticiranje vrste poroznosti ključno je za učinkovito otklanjanje poteškoća. Pažljivo ispitivanje, koje često zahtijeva uvećanje, može otkriti oblik i prirodu šupljina. Razumijevanje je li uzrok zarobljeni plin ili nedovoljno dotapanje tijekom kristalizacije određuje rješenje, bilo da se ono nalazi u poboljšanju ventilacije i parametara ulijevanja ili u ponovnom dizajniranju geometrije dijela i upravljanja toplinom. Sljedeća tablica daje jasnu usporedbu ova dva osnovna tipa grešaka.

Osnovne strategije prevencije tijekom dizajna i rada

Najučinkovitiji način borbe protiv poroznosti je sprječavanje njezina nastanka od samog početka. To zahtijeva višestruki pristup koji uključuje inteligentan dizajn dijela i kalupa s rigoroznom kontrolom radnih parametara. Proaktivne mjere poduzete tijekom faza dizajna i lijevanja znatno su isplativije nego pokušaji uklanjanja grešaka na gotovim dijelovima.

Prva linija obrane je optimizacija kalupa i sustava uljeva. Cjevovod i uljev trebaju biti dizajnirani tako da osiguravaju glatko, neturbulentno strujanje rastopljenog metala u šupljinu kalupa. Prema vodiču od FLOW-3D , loš dizajn cjevovoda može izazvati turbulenciju koja zarobljava zrak, koji se zatim ubacuje u dio. Održavanje konstantne debljine stijenke u dizajnu lijevanog dijela također je od kritičnog značaja kako bi se spriječile izolirane tople točke koje dovode do skuplinske poroznosti. Treba izbjegavati oštre kutove jer mogu poremetiti tok metala i djelovati kao točke koncentracije naprezanja.

Ispravno provjetravanje jednako je važno za sprečavanje stvaranja šupljina od plina. Ventilacijski kanali su mali kanali izrađeni u kalupu koji omogućuju zraku, već prisutnom u šupljini, da izađe dok rastaljeni metal brzo ulazi. Ako je provjetravanje nedovoljno, zrak nema kamo izaći i ostaje zarobljen u odljevku. Kao što su stručnjaci iz Lethiguel USA istaknuli, korištenje odgovarajuće veličine područja za ispuštanje, poput blokova za ventilaciju, ključno je za učinkovito uklanjanje zraka. Lokacija ventilacijskih otvora jednako je važna kao i njihova veličina; oni bi trebali biti postavljeni u točkama koje se posljednje napune te u svim dubokim džepovima gdje je vjerojatno da će se zrak zarobiti.

Kontrola temperature i tlaka osnovna je za smanjivanje oba tipa poroznosti. Temperatura kalupa utječe na uzorak stvrdnjavanja; upravljanje njome može pomoći u sprečavanju preranog zatvaranja uljeva i osigurati odgovarajuće dotjecanje debljim presjecima. Tlak koji se primjenjuje tijekom i nakon ubrizgavanja moćno je sredstvo protiv skupljanja. Kako objašnjavaju Hill & Griffith, visoki pojačani tlak primijenjen tijekom stvrdnjavanja pomaže u guranju dodatnog taljenog metala u formirajuće šupljine uslijed skupljanja, povećavajući gustoću dijela. Ova razina kontrole procesa ključna je u industrijama poput automobilske, gdje tvrtke specijalizirane za die cast komponente visoke cjelovitosti oslanjaju se na pažljivo projektiranje i jamstvo kvalitete kako bi spriječile greške.

Kako bi se osigurala dosljednost, operateri i inženjeri mogu slijediti sustavnu kontrolnu listu prije pokretanja proizvodnje:

1. Provjera dizajna kalupa: Osigurajte da su sustavi uljeva i kanali dizajnirani za laminarno strujanje te da su debljine zidova što je više moguće jednolike.
2. Provjera ventilacije: Potvrdite da su svi otvori čisti, odgovarajućih veličina i smješteni na posljednjim točkama punjenja.
3. Provjerite kvalitetu materijala: Koristite čiste, suhe slitine kako biste smanjili unošenje vodika i vlage.
4. Kalibrirajte parametre stroja: Postavite i nadzirite odgovarajuću brzinu hitca, tlak ulijevanja i tlak intenzifikacije prema specifikacijama procesa.
5. Upravljajte temperaturama: Obavezno provjerite da su i rastalovani metal i kalup na svojim optimalnim radnim temperaturama prije početka proizvodnje.
6. Kontrolirajte podmazivanje kalupa: Nanesite minimalnu količinu podmazivača potrebnu za olakšanje izbacivanja dijela, izbjegavajući višak koji može ispariti i uzrokovati poroznost zbog plina.

Napredne tehnike i rješenja nakon lijevanja

Čak i uz najbolje preventivne mjere, određeni stupanj mikroporoznosti može biti inherentan procesu razlivnog lijevanja, posebno kod složenih komponenti. Za primjene u kojima je apsolutna nepropusnost obvezujuća ili za spašavanje visokovrijednih dijelova koji pokazuju poroznost, koriste se napredne tehnike i postupci nakon lijevanja. Najistaknutija i najučinkovitija od njih je vakuum impregnacija.

Impregnacija pod vakuumom je proces koji je dizajniran da trajno zapečati poroznost koja bi mogla stvoriti ceste curenja u gotovom dijelu. On ne dodaje strukturnu čvrstoću, ali je iznimno učinkovit u osiguravanju hermetičnosti lijevanaca. Proces uključuje nekoliko ključnih koraka. Prvo, porozni odljevci se stavljaju u komoru, a zatim se usisavanjem stvara vakuum kako bi se sav zrak uklonio iz unutarnjih šupljina. Zatim se tekući brtvilo uvodi u komoru i pod tlakom forsira duboko u mikropore. Na kraju, dijelovi se izvade, višak brtvila se ispere s površine, a brtvilo unutar pora se otvrdne (često pomoću topline) tako da nastane čvrsti, inertni polimer koji trajno zatvara staze curenja. Ova metoda cijeni se zbog sposobnosti zatvaranja dijelova bez promjene njihovih dimenzijskih tolerancija ili izgleda.

Još jedna napredna tehnika, koja se primjenjuje tijekom samog procesa lijevanja, je uporaba sustava s vakuumskom potporom. Ova tehnika uključuje priključivanje vakuum pumpe na kalup i aktivno isisavanje zraka iz šupljine neposredno prije i tijekom ulijevanja taljenog metala. Stvaranjem djelomičnog vakuuma, znatno manje zraka ostaje zarobljeno, čime se drastično smanjuje poroznost uzrokovana plinovima. Ovo je preventivna mjera, za razliku od korektivne prirode impregnacije. Odabir između sustava s vakuumskom potporom i impregnacije nakon lijevanja često ovisi o specifičnim zahtjevima dijela, količini proizvodnje i troškovnim razmatranjima.

Odluka o korištenju rješenja nakon lijevanja, poput vakuumskog impregniranja, ovisi o važnosti primjene. Razmotrite sljedeće scenarije:

• Komponente otporne na tlak: Za dijelove koji moraju sadržavati tekućine ili plinove, kao što su komponente gorivnog sustava, blokovi motora ili hidraulični razvodnici, obavezno je zatvoriti sve moguće staze curenja.
• Spasavanje visokovrijednih odljevaka: Ako se nakon obrade otkrije da složeno i skupo ljevano djelo ima poroznost, impregnacija može biti ekonomičan način spašavanja dijela od odlaganja.
• Poboljšanje kvalitete prevlake ili premaza: Zatvaranje slijepih površinskih pora sprječava zadržavanje otopina za čišćenje i kiselina tijekom prethodne obrade, koje kasnije mogu iscuriti i uzrokovati mrlje ili mjehuriće na gotovoj površini.

Postavljanje i mjerenje standarda prihvatljivosti poroznosti

Iako je cilj smanjiti poroznost na minimum, postizanje nulte poroznosti kod svakog lijevanja često je tehnički neizvedivo i ekonomski nerentabilno. Stoga je ključan aspekt kontrole kvalitete kod tlačnog lijevanja utvrđivanje jasnih i realističnih standarda prihvatljivosti poroznosti. Ti standardi definiraju maksimalnu dopuštenu količinu, veličinu i vrstu poroznosti za određeni dio, ovisno o njegovoj namjeni i zahtjevima za performansama. Ovaj praktični pristup osigurava da dijelovi odgovaraju svojoj namjeni, bez prekomjernih troškova koji su povezani s potragom za apsolutnim savršenstvom.

Prihvatljiva razina poroznosti u velikoj mjeri ovisi o primjeni dijela. Komponenta koja se koristi isključivo u dekorativne svrhe može tolerirati veći stupanj unutarnje poroznosti nego strukturni dio izložen visokom naprezanju ili hidraulički dio koji mora biti hermetičan pod tlakom. Kritična područja, poput površina za brtvljenje, navojnih rupa ili dijelova koji prenose značajna mehanička opterećenja, imat će strože standarde u odnosu na necritična područja. Inženjeri kvalitete rade s konstruktorima i kupcima kako bi utvrdili ta područja na dijelu i definirali specifične kriterije prihvatljivosti za svako pojedino.

Industrijski standardi, poput onih na koje se poziva ASTM, pružaju okvir za klasifikaciju poroznosti temeljenu na njezinoj veličini i raspodjeli kako se promatra na radiografskim snimkama (rendgenskim snimkama). Na primjer, standard može odrediti da promjer pojedinačne pore na području brtvljenja aluminijskog lijevka ne smije prelaziti 0,5 mm, te da su lančaste pore zabranjene. Nasuprot tome, na netakričnom području iste komponente mogu biti dopuštene veće pore ili veća gustoća manjih pora. To osigurava da se napor za kontrolom kvalitete usmjerava tamo gdje je najvažniji.

Analiza troškova i koristi ključna je za ovu raspravu. Težnja prema skoro nultoj poroznosti zahtijeva složeniju alatnu opremu, sporije cikluse, materijale više klase te potencijalno napredne procese poput pomoćnog vakuumiranja, što sve povećava trošak po komadu. Definiranjem prihvatljivih standarda proizvođači mogu uravnotežiti trošak proizvodnje s potrebnim učinkom i pouzdanosti konačnog proizvoda. Ovo podrazumijeva suradnički napor da se ti standardi jasno dokumentiraju na crtežima dijelova i planovima kontrole kvalitete, osiguravajući da i proizvođač i kupac imaju zajedničko razumijevanje onoga što čini prihvatljiv dio.

Najčešća pitanja o poroznosti u lijevanju pod tlakom

1. Kako lijevati bez poroznosti?

Postizanje odljevka potpuno slobodnog od poroznosti iznimno je teško. Međutim, vrlo blizu tome može se doći kombiniranjem više strategija. To uključuje optimizaciju dizajna dijela i kalupa za glatko strujanje metala, osiguravanje obilnog i pravilno smještenog ventiliranja kalupa, korištenje sustava s vakuumskom pomoći za isisavanje zraka iz šupljine te održavanje precizne kontrole brzine ulijevanja, tlaka i temperatura. Za kritične primjene, nakon ljevanja se često koristi vakuumsko impregniranje kako bi se zapečatila preostala mikroporoznost.

2. Kako smanjiti poroznost?

Poroznost se može znatno smanjiti sustavnim pristupom. Ključne metode uključuju: osiguravanje da rastopljeni metal bude čist i slobodan od plina; optimizaciju sustava uljeva i kanala za smanjenje turbulencije; dodavanje ili proširivanje ventila kako bi omogućili izlazak zarobljenog zraka; povećanje pojačanog tlaka kako bi se poboljšalo punjenje područja sklonih skupljanju; te kontrolu temperatura kalupa i metala radi postizanja jednolikog otvrdnjavanja.

3. Kolika poroznost je prihvatljiva u odljevcima?

Prihvatljiva količina poroznosti potpuno ovisi o primjeni dijela. Dijelovi koji nisu kritični i nisu strukturni mogu podnijeti priličnu količinu unutarnje poroznosti. Međutim, za komponente koje moraju biti vodonepropusne ili izdržati značajna mehanička opterećenja, standardi su mnogo stroži. Kriteriji prihvaćanja, često definirani industrijskim standardima, specificiraju maksimalnu veličinu, broj i lokaciju dopuštenih pora u kritičnim i ne-kritičnim područjima odljevka.