Gas- versus krimp-poriën: Kritieke gietfouten identificeren

TL;DR

Gasporositeit en krimp porositeit zijn veelvoorkomende gietfouten met verschillende oorzaken en uiterlijken. Gasporositeit ontstaat doordat gas wordt ingesloten tijdens het stollen, waardoor gladde, bolvormige holten ontstaan. Krimp porositeit daarentegen wordt veroorzaakt door onvoldoende vloeibaar metaal om de volumetrische krimp te compenseren tijdens het afkoelen van het gietstuk, wat ruwe, hoekige holten vormt. Het begrijpen van deze fundamentele verschillen in oorzaak en morfologie is cruciaal voor het diagnosticeren en voorkomen van fouten in metalen gietstukken.

Inzicht in gasporositeit: oorzaken en kenmerken

Gasporositeit is een veelvoorkomende fout in het metaalgieten, gekenmerkt door de vorming van holten als gevolg van afgevangen gassen in het stollende metaal. Naarmate het gesmolten metaal afkoelt, neemt het vermogen om opgeloste gassen, zoals waterstof in aluminiumlegeringen, te binden sterk af. Deze overtollige gasvorming wordt uit de oplossing verstoten en vormt bellen, die worden ingesloten wanneer het metaal eromheen stolt. Deze fouten kunnen de structurele integriteit en drukdichtheid van het eindproduct aantasten, waardoor voorkoming essentieel is voor toepassingen met hoge prestatie-eisen.

Het uiterlijk van gasporositeit is een van de meest kenmerkende eigenschappen. De holtes zijn doorgaans bolvormig of verlengd met gladde, vaak glanzende binnenwanden. Deze morfologie ontstaat doordat gasbellen zich vormen binnen het vloeibare of halfvloeibare metaal, waardoor de oppervlaktespanning ze in een bolvormige, laag-energetische vorm trekt voordat de omliggende structuur stijf wordt. Deze poriën kunnen in verschillende vormen optreden, zoals onderoppervlakte insluitsels, bulten op het oppervlak van het gietstuk of fijne, verspreide speldgaten, vaak aangetroffen in de bovenste delen van het gietstuk.

De oorzaken van gasporositeit zijn gevarieerd, maar hebben bijna altijd betrekking op de introductie van gasvormende materialen of omstandigheden tijdens het smelt- en gietproces. Een effectieve diagnose vereist een zorgvuldig onderzoek van de gehele productieketen. Enkele van de meest voorkomende oorzaken zijn:

• Opgeloste gassen in het smelt De gesmolten metalen kunnen gassen absorberen uit de atmosfeer of van vochtige of vervuilde beladingsmaterialen. Waterstof is een belangrijke oorzaak in veel non-ferro legeringen.
• Turbulentie tijdens het gieten: Het met hoge snelheid of turbulent vullen van de mal kan lucht fysiek insluiten in het gesmolten metaal, wat vervolgens holtes vormt.
• Vocht en verontreinigingen: Elk vocht uit onvoldoende gedroogde mallen, kernen, lepels of gereedschappen kan verdampen bij contact met gesmolten metaal, waardoor stoom ontstaat die in de gietvulling terechtkomt. Smermiddelen en bindmiddelen kunnen eveneens ontleden en gas vrijmaken.
• Lage doorlatendheid van de mal: Als het malmateriaal of kernmateriaal de aanwezige gassen in de holte onvoldoende kan afvoeren, is het waarschijnlijker dat deze worden ingesloten door het stollende metaal.

Inzicht in krimpporositeit: oorzaken en kenmerken

Krimpporositeit ontstaat door een fundamenteel ander mechanisme: de volumetrische krimp van metaal tijdens de overgang van vloeibare naar vaste toestand. De meeste metalen zijn dichter in vaste vorm, wat betekent dat ze minder volume innemen. Als er geen extra vloeibaar metaal, ook wel voedingsmetaal genoemd, continu kan worden toegevoerd naar de delen die het laatst stollen, zal de materiaalkrimp leegtes creëren. Deze gebreken zijn een direct gevolg van een onderbreking in het voedingspad tijdens de laatste fasen van stolling.

In tegenstelling tot de gladde holtes van gasporositeit wordt krimp-porositeit gekenmerkt door zijn hoekige, gebroken vorm en ruwe binnenoppervlakken. Dit komt doordat de holtes ontstaan in de kronkelige, smalle ruimtes tussen de verstrengelde, boomachtige kristalstructuren, ook wel dendrieten genoemd, die tijdens het stollen groeien. De resulterende holte is geen bel, maar een lege ruimte die het complexe, gebroken patroon van deze interdendritische ruimtes volgt. Krimpfouten kunnen zich manifesteren als grotere, open holtes aan het oppervlak (pijpen) of als interne, onderling verbonden netwerken van fijne scheurtjes (spons- of filamentaire krimp).

De voornaamste oorzaak van krimp-porositeit is het onvoldoende beheersen van het stolproces. Wanneer een gietstuk stolt, zou dit idealiter gericht moeten gebeuren, waarbij het gestadig invriest vanaf het punt dat het verst verwijderd is van de bron van vloeibaar metaal richting de bovenstort of voedingsbron. Krimp-porositeit treedt op wanneer dit proces wordt verstoord. Belangrijke medebepalende factoren zijn:

• Onvoldoende voedingssysteem: Werkstukken die te klein zijn of die stollen voordat het hoofdgietsel is gestold, kunnen niet voldoende vloeibaar metaal aanvoeren om krimp te compenseren.
• Hete plekken: Dikke delen van een gietstuk koelen trager af dan aangrenzende dunne delen. Deze 'hete plekken' kunnen geïsoleerde pockets van vloeibaar metaal vormen, en wanneer ze uiteindelijk stollen en krimpen, is er geen doorvoerpad voor aanvoermetaal om de ontstane holte op te vullen.
• Slechte thermische gradiënten: Een onjuiste temperatuurverdeling over de matrijs kan gerichte stolling verhinderen, waardoor geïsoleerde vloeibare gebieden ontstaan die gevoelig zijn voor krimp.
• Gietselgeometrie: Complexe ontwerpen met abrupte veranderingen in wanddikte zijn per definitie gevoeliger voor het vormen van hete plekken en krimpdefecten.

Vergelijking: gasporositeit versus krimp-porositeit

Het onderscheiden van gas- en krimpporiën is de eerste cruciale stap bij het oplossen van gietfouten. Hoewel beide de uiteindelijke component verzwakken, vereisen hun verschillende oorzaken andere oplossingen. De meest betrouwbare identificatiemethode is een visuele inspectie van de porienvorm. Holtes veroorzaakt door gas zijn over het algemeen bolvormig met gladde wanden, terwijl die door krimping hoekig en ruw zijn. Een gedetailleerde vergelijking onthult verdere verschillen in hun vorming en locatie.

De volgende tabel geeft een directe vergelijking van de belangrijkste kenmerken die deze twee veelvoorkomende gietfouten onderscheiden:

Het tijdstip van hun vorming is een cruciaal onderscheidend kenmerk. Gasporeusheid kan relatief vroeg in de modderlaag ontstaan, zodra de temperatuur van het metaal voldoende daalt om de gasoplosbaarheid te verlagen. De poriën ontstaan als bellen in een nog steeds vloeibare of semi-vloeibare omgeving. Daarentegen is krimp-poreusheid een fout die pas laat optreedt. Deze doet zich voor diep in de modderlaag wanneer het dendritische netwerk goed gevormd en dicht is, waardoor het lastig wordt voor het resterende vloeibare metaal om te stromen en de laatste stollende gebieden aan te vullen. Dit verschil verklaart waarom gasporiën glad en rond zijn, terwijl krimpporiën de complexe vorm aannemen van de interdendritische openingen.

Preventie- en beperkingsstrategieën voor gietporositeit

Doeltreffend porositeit voorkomen vereist een gerichte aanpak op basis van het specifieke type defect dat is geïdentificeerd. Strategieën voor gasporositeit richten zich op het beheersen van gasbronnen, terwijl strategieën voor krimp-porositeit gericht zijn op het beheren van stolling en aanvoer. Een uitgebreide kwaliteitscontrolestrategie behandelt beide aspecten.

Gasporositeit voorkomen

Het minimaliseren van gasporositeit vereist strikte controle over materialen en processen om te voorkomen dat gassen in het gesmolten metaal terechtkomen of worden opgenomen. Belangrijke preventieve maatregelen zijn:

1. Smeltbehandeling: Gebruik ontgassingsmethoden, zoals roterende ontgassing of fluxen, om opgelost waterstof en andere gassen uit het smeltbad te verwijderen voordat wordt gegoten.
2. Materiaal- en gereedschapsvoorbereiding: Droog en voorverwarm grondig alle beladingsmaterialen, gereedschappen, lepels en mallen om elke bron van vocht te elimineren. Zorg ervoor dat de beladingsmaterialen schoon zijn en vrij van corrosie of olie.
3. Geoptimaliseerde gietsystemen en gieten: Ontwerp het gietcanaalsysteem om een gelijkmatige, niet-turbulente stroom van metaal naar de matrijsholte te waarborgen. Dit minimaliseert de fysieke insluiting van lucht tijdens het vullen.
4. Juiste matrijsontluchting: Zorg dat de matrijs en eventuele kernen voldoende ontlasting hebben zodat lucht en andere gassen uit de holte kunnen ontsnappen terwijl deze met gesmolten metaal wordt gevuld.

Krimporositeit voorkomen

De sleutel tot het voorkomen van krimp is het waarborgen van een continue aanvoer van vloeibaar aanvulmetaal naar alle delen van het gietstuk totdat de stolling volledig is. Dit wordt bereikt door zorgvuldig ontwerp en procesbeheersing:

1. Effectief neksel- en gietcanaalsysteemontwerp: Ontwerp nekzakken groot genoeg om langer vloeibaar te blijven dan het gietstukgedeelte dat ze voeden. Het gietcanaalsysteem moet gerichte stolling bevorderen, waarbij het gietstuk geleidelijk in de richting van de neksel stolt.
2. Stolling beheersen met koelplaten en hulzen: Gebruik koellichamen (metalen inzetstukken) om de afkoeling te versnellen in dikke secties en om warmteplekken te voorkomen. Isolerende of exotherme hulzen kunnen op uitgieten worden gebruikt om deze langer gesmolten te houden.
3. Geometrische aanpassingen: Waar mogelijk, wijzig het onderdeelontwerp om plotselinge veranderingen in wanddikte te vermijden en zorg voor soepelere overgangen, waardoor de kans op warmteplekken wordt verkleind.

Voor industrieën zoals de automobielindustrie, waarbij uitval van componenten geen optie is, is het samenwerken met specialisten op het gebied van geavanceerde metaalomvorming essentieel. Leveranciers zoals Shaoyi (Ningbo) Metal Technology laten het vereiste niveau van precisietechniek en procesbeheersing zien, van matrijzontwerp tot massaproductie, om foutloze componenten te produceren, in hun geval voor smeedstukken in de auto-industrie. Deze toewijding aan kwaliteit is cruciaal om defecten zoals porositeit te voorkomen en betrouwbaarheid in kritieke toepassingen te garanderen.

Veelgestelde Vragen

1. Wat is het verschil tussen porositeit en krimp?

Het belangrijkste verschil ligt in hun oorzaak en uiterlijk. Porositeit, specifiek gasporositeit, wordt veroorzaakt door ingesloten gas en leidt tot gladde, ronde holtes. Krimp, of krimp-porositeit, wordt veroorzaakt door de volumetrische krimp van het metaal tijdens het afkoelen, waarbij onvoldoende vloeibaar metaal aanwezig is om de holte op te vullen, wat resulteert in ruwe, hoekige holtes.

2. Wat veroorzaakt krimp-porositeit?

Krimp-porositeit wordt veroorzaakt door de volumetrische krimp van metaal tijdens het stollen. Als de toevoer van gesmolten metaal naar een gedeelte van het gietstuk wordt afgesneden voordat het volledig is gestold, zal deze krimp een holte creëren. Dit komt vaak voor door onvoldoende aanvoer uit de loodsen of door het ontstaan van geïsoleerde hete plekken in dikke secties.

3. Wat is de definitie van gasporositeit?

Gasporositeit verwijst naar holtes binnen een metalen gietstuk die ontstaan door het insluiten van gasbellen. Het gas kan afkomstig zijn van opgeloste gassen in het smeltbad die tijdens het afkoelen worden afgestoten, lucht die wordt meegevoerd bij turbulent vullen, of vocht en andere verontreinigingen die verdampen bij contact met het hete metaal.

4. Hoe kun je zien of holtes in een gietstuk te wijten zijn aan porositeit of aan krimp?

De meest effectieve manier om dit te onderscheiden, is door visuele inspectie van de morfologie van de holte. Holtes door gasporositeit zijn doorgaans bolvormig met gladde binnenwanden, vergelijkbaar met een bel. Daarentegen zijn holtes door krimp porositeit hoekig en hebben ze ruwe, kristallijn uitziende oppervlakken, omdat ze ontstaan in de spleten tussen uithardende dendrieten.