Porozi u aluminijastom lijevanju pod tlakom: uzroci i rješenja

KRATKO

Poroznost kod aluminijastog lijevanja pod tlakom odnosi se na male šupljine ili upljine koje nastaju unutar metala tijekom stvrdnjavanja. Ova uobičajena proizvodna pogreška dijeli se uglavnom na dva tipa: plinsku poroznost, koja nastaje zarobljenim plinovima, i skupljanjem uzrokovanu poroznost, koja je posljedica smanjenja volumena tijekom hlađenja. Poroznost narušava strukturni integritet dijela, nepropusnost pod tlakom i kvalitetu površine, što može dovesti do otkazivanja komponente. Međutim, može se učinkovito upravljati i svesti na minimum točnom kontrolom kvalitete materijala, dizajnom kalupa i procesom lijevanja. Razumijevanje uzroka je prvi korak do sprječavanja.

Definiranje poroznosti kod aluminijastog lijevanja pod tlakom

U svijetu visokotlačnog kalupljenja, postizanje besprijekornog, čvrstog komponenta je konačni cilj. Međutim, uobičajeni izazov s kojim se proizvođači suočavaju je poroznost. Jednostavno rečeno, poroznost predstavlja prisutnost malih, neželjenih šupljina, rupa ili zrakom ispunjenih džepova unutar gotovog odljevka. Prema stručnjacima za proizvodnju, ovaj nedostatak je primarni problem jer izravno ugrožava mehanička svojstva i radnih karakteristika konačnog proizvoda. Ove šupljine mogu znatno smanjiti čvrstoću, izdržljivost i otpornost dijela na zamor.

Poroznost nije jedini oblik greške; ona se pojavljuje na nekoliko načina koji utječu na funkcionalnost komponente. Ovi oblici uglavnom se klasificiraju prema njihovoj lokaciji i povezanosti:

• Slijepa poroznost: To su šupljine otvorene prema površini odljevka, ali ne protežu se potpuno kroz cijeli dio. Iako one možda ne oslabljuju komponentu strukturno, mogu zadržavati tekućine ili kemijska sredstva za čišćenje iz naknadnih obrada poput anodizacije, što s vremenom može dovesti do površinskih nedostataka i korozije.
• Probušena poroznost: Ova vrsta stvara neprekinuti put curenja s jedne površine odljevka na drugu. Za komponente koje moraju biti hermetične, poput spremnika za tekućine ili kućišta pneumatskih sustava, probušena poroznost je kritična točka kvara koja čini dio neupotrebljivim.
• Potpuno zatvorena poroznost: To su unutarnje šupljine potpuno zatvorene unutar stijenki odljevka. One su nevidljive sa strane i možda ne predstavljaju problem sve dok se ne otkriju tijekom kasnijih operacija obrade, kada tada postaju slepe ili probušene šupljine.

Posljedice poroznosti su ozbiljne, posebno u kritičnim primjenama poput automobilskih i zrakoplovnih komponenti. Porozni dio može puknuti pod naprezanjem, propuštati tekućine ili plinove ili imati lošu površinsku obradu nakon mehanizacije. Stoga je razumijevanje njihovog podrijetla ključno za svaku proizvodnju visoke kvalitete.

Osnovni tipovi: poroznost zbog plina i skupljanja

Iako različiti faktori mogu dovesti do poroznosti, greške se gotovo uvijek mogu pratiti do jednog od dva osnovna uzroka: zarobljenog plina ili skupljanja metala. Razlikovanje između ova dva slučaja ključno je za učinkovito otklanjanje poteškoća i sprječavanje, jer se njihov izgled i temeljni uzroci razlikuju. Svaki tip predstavlja jedinstvene izazove i zahtijeva različita rješenja.

Plinska poroznost

Poroziitet plinom uzrokuje zarobljavanje plina unutar taljenog aluminija tijekom procesa ulijevanja i očvršćivanja. Glavni krivci su vodik, koji je vrlo topljiv u rastaljenom aluminiju, ali ne i u čvrstom stanju, te zrak koji se zarobi u kalupu. Dok se metal hladi, otopljeni plinovi se izbacuju iz otopine, stvarajući mjehuriće. Ti mjehurići zauvijek ostaju zarobljeni dok se metal oko njih očvršćuje. Plinski pori obično imaju glatki, sferni ili ovalni oblik i najčešće se nalaze blizu površine odljevka.

Skupljena poroznost

Skupljanje zbog poroznosti nastaje zato što je aluminij, kao i većina metala, gušći u čvrstom stanju nego u tekućem. Kako se rastaljeni metal hladi i kristalizira, smanjuje se njegov volumen. Ako nije dostupno dovoljno tekućeg metala za popunjavanje praznina koje nastaju uslijed skupljanja, formirat će se šupljine. Ova greška najčešće se pojavljuje u debljim dijelovima odljevka, koji su posljednji koji se ohlade i stvrdnu. Za razliku od glatkih mjehurića plinske poroznosti, skupljanje zbog poroznosti pojavljuje se kao nazubljene, kutaste ili linijske pukotine. To je izravni rezultat nedovoljnog dotjecanja rastaljenog metala tijekom zadnjih faza kristalizacije.

Kako bi se pojasnile razlike, dolje je usporedba dviju glavnih vrsta poroznosti:

Osnovni uzroci i proaktivne strategije prevencije

Sprječavanje poroznosti znatno je učinkovitije i ekonomičnije od rješavanja neispravnih dijelova nakon proizvodnje. Uspješna strategija prevencije zahtijeva sveobuhvatan pristup koji obuhvaća dizajn kalupa, materijal i sam proces lijevanja. Kontrolom ključnih varijabli proizvođači mogu znatno smanjiti pojavu grešaka vezanih uz plin i skupljanje.

Rješavanje uzroka povezanih s plinom

Plinska poroznost nastaje uvodjenjem plina u metal ili zarobljavanjem plina u kalupu. Prevencija se usmjerava na isključivanje plina.

• Kontrola kvalitete taline: Koristite čiste, suhe sirovine kako biste izbjegli unošenje vlage, koja stvara vodikov plin u rastaljenom aluminiju. Dezgazacija taline dušikom ili argonom prije lijevanja vrlo je učinkovita metoda.
• Optimizirajte nanošenje podmazivanja: Iako je neophodno, prekomjerno ili nepravilno nanijeto podmazivanje kalupa može ispariti tijekom ulijevanja i stvoriti plin koji ostane zarobljen. Koristite minimalnu količinu visokokvalitetnog sredstva za podmazivanje i nanosite ga ravnomjerno.
• Osigurajte odgovarajuće provjetravanje: Kalup mora imati dovoljne ventile i prelivne kanale kako bi se omogućio izlazak zraka iz šupljine dok se ulijeva rastaljeni metal. Zatvoreni ili loše dizajnirani ventili glavni su uzrok zarobljenog zraka.
• Regulirajte proces ulijevanja: Turbulentan proces punjenja može uvući zrak u metal. Optimizacijom brzine i tlaka ulijevanja osigurava se glatko i postupno punjenje koje gura zrak ispred toka metala.

Kontrola uzroka povezanih sa skupljanjem

Skupljanje zbog skupljanja je borba protiv fizike, koja se upravlja kontrolom hlađenja odljevka. Ključ je osigurati da deblji dijelovi imaju stalnu opskrbu tekućeg metala sve dok se potpuno ne zatvore.

• Održavajte visoki tlak metala: Faza visokog tlaka u postupku pod pritiskom ključna je za borbu protiv skupljanja. Kako objašnjavaju stručnjaci iz industrije, pojačivački sustav primjenjuje ogroman tlak tijekom kristalizacije kako bi natjerao tekući metal da ispunjava stvarajuće šupljine uslijed skupljanja. Održavanje odgovarajućeg statičkog i pojačanog tlaka to je bitno.
• Optimizirajte temperaturu kalupa: Nejednoliko hlađenje uzrokuje vruće točke koje su sklonije skupljanju. Upotrebom hladnjaka i grijača ciljano postavljenih u kalup, proizvođači mogu potaknuti smjerovito kristaliziranje, pri kojem se odljevak postupno zatvara prema ulivu, omogućavajući stalno dotjecanje tekućeg metala.
• Unaprijedite dizajn dijela i kalupa: Konstruiranje dijelova s jednoličnom debljinom stijenke najbolji je način da se izbjegne skupljanje. Tamo gdje su debele sekcije neizbježne, trebaju biti smještene blizu ulaza. Umjesto oštrih kutova treba koristiti široke zaobljenja i zaobljene rubove, jer oštri kutovi mogu stvoriti izolirane vruće točke.

Na kraju, sprečavanje poroznosti započinje kvalitetnim dizajnom i proizvodnim procesom. Ključno je surađivati s dobavljačem koji pokazuje duboko iskustvo u kontroli procesa. Na primjer, dobavljači koji posjeduju IATF16949 certifikaciju za auto-dijelove ističu strogu kontrolu kvalitete i vlastiti dizajn kalupa, time direktno rješavajući uzroke grešaka poput poroznosti od samog početka projekta.

Metode inspekcije za otkrivanje poroznosti

Budući da na površini nije vidljiva sva poroznost, proizvođači se oslanjaju na niz metoda inspekcije kako bi osigurali da dijelovi ispunjavaju standarde kvalitete. Te tehnike, koje se često nazivaju nedestruktivnim ispitivanjem (NDT), omogućuju otkrivanje unutarnjih mana bez oštećenja komponente. Izbor prave metode ovisi o kritičnosti dijela, vrsti poroznosti za koju se sumnja i ograničenjima proračuna.

Uobičajene tehnike inspekcije uključuju:

• Vizualna inspekcija: Najjednostavnija metoda, koja se koristi za identifikaciju površinske poraznosti poput plikova ili otvorenih rupa. Iako je lako izvoditi, ne može otkriti unutarnje nedostatke.
• Röntgenska inspekcija (radiografija): Ovo je jedna od najpouzdanijih metoda za otkrivanje unutarnjih poroznost. Dijel se izloži rendgenskim zrake, a rezultirajuća slika otkriva promjene gustoće. Praznine se na rendgenu pojavljuju kao tamnije mrlje, što inspektorima omogućuje da vide njihovu veličinu, oblik i lokaciju.
• Kompjuterska tomografija (CT) Napredni oblik rendgenskog snimanja, CT skeniranje stvara potpuni 3D model dijela, pružajući sveobuhvatan pregled svih unutarnjih i vanjskih značajki. Vrlo je točan za utvrđivanje točnog volumena i raspodjele poroznosti, ali je ujedno i najskuplja metoda.
• Ispitivanje tlaka: Ova metoda se posebno koristi za otkrivanje prohodne poroznosti u dijelovima koji su dizajnirani da budu nepropustivi za tlak. Odlivak se zatvori i pod tlakom ispuni zrakom ili tekućinom. Pada tlaka ili pojava mjehurića kada se uroni u vodu ukazuje na put curenja.

U mnogim slučajevima standardi prihvaćanja, poput onih od ASTM International, definiraju dopušteni iznos i veličinu poroznosti za određenu primjenu. Kao što napominju stručnjaci za lijevanje, ove NDT metode ključne su za provjeru ispunjava li komponente potrebne standarde kvalitete i sigurnosti prije nego što se puste u uporabu. Ova verifikacija kritični je dio proizvodnog procesa .

Često postavljana pitanja

1. Što uzrokuje poroznost u lijevanju aluminija?

Pora u lijevanom aluminiju uzrokovana je prvenstveno dvama čimbenicima: otapanjem i naknadnim oslobađanjem vodikovog plina tijekom kristalizacije (plinska poroznost) te smanjenjem volumena ili skupljanjem metala dok se hladi iz tekućeg u čvrsto stanje (poroznost uslijed skupljanja). Drugi doprinosni čimbenici uključuju zarobljen zrak zbog lošeg provjetravanja, prekomjernu količinu podmazivača kalupa te nesigurni tlak metala.

2. Što je poroznost u postupku lijevanja pod tlakom?

U postupku lijevanja pod tlakom, poroznost označava prisutnost malih rupa, šupljina ili džepova zraka unutar metalne strukture odljevka. Smatra se greškom jer smanjuje gustoću i mehaničku čvrstoću komponente te može stvoriti putove curenja u dijelovima koji moraju biti nepropusni na tlak.

3. Kako provjeriti poroznost u aluminijastom lijevanju?

Porozi u aluminijastim odljevcima mogu se provjeriti pomoću nekoliko metoda netaknutog ispitivanja (NDT). Vizualna inspekcija može otkriti površinske nedostatke, dok se tlak testiranjem koristi za pronalaženje curenja. Za unutarnje šupljine, X-zračna inspekcija (radiografija) i industrijsko CT skeniranje su najučinkovitije metode, jer mogu otkriti veličinu, oblik i lokaciju poroznosti unutar dijela bez njegovog oštećenja.

4. Kako izbjeći poroznost u lijevanju?

Izbjegavanje poroznosti uključuje kontrolu cijelog procesa lijevanja. Ključne strategije uključuju korištenje čistog, suhog i odgovarajuće degaziranog taljenog metala, projektiranje kalupa s dovoljnim ventilima i preljevima, optimizaciju brzine i tlaka ulijevanja, održavanje stalnih temperatura kalupa kako bi se osiguralo ravnomjerno hlađenje te projektiranje dijela s konzistentnom debljinom stijenki radi smanjenja skupljanja.