Essentiële strategieën om porositeit in spuitgieten te voorkomen

TL;DR

Het voorkomen van porositeit bij gietvormen, een defect veroorzaakt door ingesloten gas of krimping van metaal, vereist een systematische aanpak. Effectief voorkomen hangt af van de optimalisatie van matrijzen- en toevoerdemonontwerp, zorgvuldige ontluchting van de matrijs en nauwkeurige druk- en temperatuurregeling tijdens het gietproces. Voor al beïnvloede onderdelen, is vacuümimpregnering een betrouwbare methode na het gieten om interne holtes permanent af te dichten en componenten te redden.

Inzicht in de oorzaken van porositeit

Porositeit, het voorkomen van kleine holtes of gaatjes in een afgewerkt gietstuk, is een van de hardnekkigste uitdagingen in spuitgieten. Het vermindert de structurele integriteit, drukdichtheid en oppervlaktekwaliteit van een onderdeel. Effectief voorkomen van deze fout begint met een duidelijk begrip van de twee hoofdvormen: gasporositeit en krimporositeit. Elk type heeft specifieke oorzaken en kenmerken, en het correct identificeren van het aanwezige type is de eerste stap om de juiste oplossing toe te passen.

Gasporositeit treedt op wanneer gas wordt ingesloten in het gesmolten metaal tijdens het stollen. Dit gas kan afkomstig zijn uit verschillende bronnen. Het kan lucht zijn die is opgesloten in de spuitbus of matrijsholte tijdens het hogesnelheidsinjectieproces, stoom die ontstaat door overmatige of vochtverontreinigde matrijsolie, of zelfs waterstof die vrijkomt uit de gesmolten legering zelf, met name bij aluminiumgietstukken. De resulterende holtes zijn meestal rond, hebben een gladde wand en kunnen soms een glanzend binnenoppervlak vertonen, wat lijkt op kleine bellen. Hun locatie kan willekeurig zijn, hoewel ze vaak vlak onder het bovenoppervlak van het gietstuk voorkomen vanwege hun drijfkracht.

Krimp porositeit daarentegen is het gevolg van de natuurlijke volumevermindering van het metaal wanneer het overgaat van een vloeibare naar een vaste toestand. Als bepaalde delen van het gietstuk—meestal dikker gedeelten—langzamer afkoelen en stollen dan de omliggende gebieden, kunnen zij geïsoleerd raken van de stroom vloeibaar metaal voordat ze volledig vast zijn. Terwijl deze geïsoleerde vloeistof verder afkoelt en krimpt, scheurt het materiaal uiteen, waardoor hoekige, lineaire of scheurachtige inwendige holten ontstaan. In tegenstelling tot de gladde belletjes bij gasporositeit zijn krimpdefecten hoekig en volgen ze vaak de dendritische korrelstructuur van het gestolde metaal.

Het vaststellen van het type porositeit is cruciaal voor effectieve probleemoplossing. Een zorgvuldig onderzoek, vaak met vergroting, kan de vorm en aard van de holtes onthullen. Het begrijpen of de oorzaak ligt in opgesloten gas of onvoldoende aanvoer tijdens het stollen, bepaalt of de oplossing ligt in verbetering van ontluchting en injectieparameters of in het opnieuw ontwerpen van de geometrie en warmtebeheersing van het onderdeel. De volgende tabel geeft een duidelijk overzicht van deze twee fundamentele defecttypen.

Kernpreventiestrategieën tijdens ontwerp en bedrijfsvoering

De meest effectieve manier om porositeit te bestrijden, is voorkomen dat deze vanaf het begin ontstaat. Dit vereist een veelzijdige aanpak die een slim ontwerp van onderdelen en matrijzen integreert met strikte controle over operationele parameters. Proactieve maatregelen tijdens de ontwerpfase en het gietproces zijn veel kosteneffectiever dan het proberen corrigeren van gebreken in afgewerkte onderdelen.

Een primaire verdedigingslijn is de optimalisatie van de matrijs en het gatesysteem. De geleider (runner) en gate moeten zo worden ontworpen dat ze een vlotte, niet-turbulente stroming van gesmolten metaal naar de matrijsholte bevorderen. Volgens een handleiding van FLOW-3D kan een slecht ontwerp van de geleider turbulentie veroorzaken die lucht afsluit, waarna deze in het onderdeel wordt geïnjecteerd. Het handhaven van een constante wanddikte in het gietstukontwerp is eveneens cruciaal om geïsoleerde hete plekken te voorkomen die leiden tot krimp-porositeit. Scherpe hoeken dienen te worden vermeden, omdat deze de metalen stroming kunnen verstoren en fungeren als spanningsconcentratiepunten.

Juiste ventilatie is eveneens van cruciaal belang om gasporositeit te voorkomen. Ventilen zijn kleine kanalen die in de matrijs worden gefreesd en waardoor de lucht die al in de holte aanwezig is, kan ontsnappen terwijl gesmolten metaal naar binnen stroomt. Indien de ventilatie ontoereikend is, heeft de lucht nergens uit te gaan en raakt deze ingesloten in het gietstuk. Zoals door experts van Lethiguel USA wordt opgemerkt, is het gebruik van adequaat gedimensioneerde evacuatiegebieden, zoals ventblokken, essentieel voor een efficiënte luchtontsnapping. De plaatsing van ventilen is net zo belangrijk als hun grootte; zij dienen te worden geplaatst op de laatste punten die gevuld worden en in diepe uithollingen waar lucht gemakkelijk kan worden opgesloten.

Het controleren van temperatuur en druk is fundamenteel om beide soorten porositeit te minimaliseren. De matrijstemperatuur beïnvloedt het stollingspatroon; het beheersen ervan kan helpen om te vroeg invriezen van gates te voorkomen en een goede voeding naar dikkere secties te waarborgen. De druk die tijdens en na het spuiten wordt toegepast, is een krachtig middel tegen krimp. Zoals uitgelegd door Hill & Griffith, helpt een hoge verhogingsdruk tijdens de stolling om extra gesmolten metaal in ontwikkelende krimpruimtes te persen, waardoor de dichtheid van het onderdeel toeneemt. Dit niveau van procescontrole is cruciaal in industrieën zoals de automobielindustrie, waar bedrijven die gespecialiseerd zijn in hoogwaardige spuitgietcomponenten afhankelijk zijn van zorgvuldig ontwerp en kwaliteitsborging om defecten te voorkomen.

Om consistentie te waarborgen, kunnen operators en ingenieurs een systematische checklist volgen vóór productieruns:

1. Controleer matrijsontwerp: Zorg ervoor dat gating- en loopkanalsystemen zijn ontworpen voor laminaire stroming en dat wanddiktes zo uniform mogelijk zijn.
2. Controleer ventilatie: Bevestig dat alle ventilatieschoorstenen schoon zijn, de juiste maat hebben en zich op de laatste vulpunten bevinden.
3. Controleer de materiaalkwaliteit: Gebruik schoon, droog legeringsmateriaal om de toevoer van waterstof en vocht tot een minimum te beperken.
4. Kalibreer machineparameters: Stel de juiste spuitsnelheid, injectiedruk en verhogingsdruk in en houd deze in de gaten volgens de processpecificaties.
5. Beheer temperaturen: Zorg ervoor dat zowel het gesmolten metaal als de mal de optimale bedrijfstemperatuur hebben voordat de productie wordt gestart.
6. Controleer malsmering: Breng de minimale hoeveelheid smeermiddel aan die nodig is om het uitwerpen van onderdelen te vergemakkelijken, en vermijd overtollige hoeveelheden die kunnen verdampen en gasporositeit kunnen veroorzaken.

Geavanceerde technieken en oplossingen na het gieten

Ook met de beste preventieve maatregelen kan een zekere mate van microporositeit inherent zijn aan het spuitgietproces, vooral bij complexe onderdelen. Voor toepassingen waarbij absolute drukdichtheid onontbeerlijk is, of voor het redden van hoogwaardige onderdelen die porositeit vertonen, worden geavanceerde technieken en nabehandelingen toegepast. De meest prominente en effectieve hiervan is vacuümimpregnatie.

Vacuümimpregnering is een proces dat bedoeld is om porositeit permanent te verzegelen die lekpaden zou kunnen veroorzaken in een afgewerkt onderdeel. Het voegt geen structurele sterkte toe, maar is zeer effectief om gietstukken drukdicht te maken. Het proces omvat verschillende belangrijke stappen. Eerst worden de poreuze gietstukken in een kamer geplaatst, en wordt er een vacuüm getrokken om alle lucht uit de interne holten te verwijderen. Vervolgens wordt een vloeibaar afdichtingsmiddel in de kamer gebracht, dat onder druk diep in de micro-poriën wordt gedwongen. Tot slot worden de onderdelen verwijderd, wordt het overtollige afdichtingsmiddel van het oppervlak gewassen, en wordt het afdichtingsmiddel binnenin de poriën gehard (vaak met warmte) tot een vaste, inerte polymeer die de lekpaden permanent afsluit. Deze methode wordt gewaardeerd om zijn vermogen om onderdelen af te dichten zonder hun dimensionele toleranties of uiterlijk te veranderen.

Een andere geavanceerde techniek die tijdens het gietproces zelf wordt toegepast, is het gebruik van een vacuümassistsysteem. Dit houdt in dat een vacuümpomp wordt aangesloten op de mal en actief lucht uit de holte wordt verwijderd net voor en tijdens het inspuiten van gesmolten metaal. Door een gedeeltelijk vacuüm te creëren, is er aanzienlijk minder lucht die kan worden opgesloten, wat gasporositeit sterk vermindert. Dit is een preventieve maatregel, in tegenstelling tot de correctieve aard van impregnering. De keuze tussen een vacuümassistsysteem en post-gietimpregnering hangt vaak af van de specifieke eisen van het onderdeel, de productieomvang en kostenoverwegingen.

De beslissing om een oplossing na het gieten zoals vacuümimpregnering te gebruiken, hangt af van de kritische aard van de toepassing. Houd rekening met de volgende scenario's:

• Druchtdichte componenten: Voor onderdelen die vloeistoffen of gassen moeten bevatten, zoals brandstofsysteemonderdelen, motorblokken of hydraulische klephuisen, is het afsluiten van eventuele lekkagepaden verplicht.
• Herstel van hoogwaardige gietstukken: Als bij een complexe en dure gietvorm na bewerking porositeit wordt vastgesteld, kan impregneren een kosteneffectieve manier zijn om het onderdeel te redden en te voorkomen dat het wordt afgeserveerd.
• Verbetering van de kwaliteit van plating of coating: Het afdichten van blinde oppervlakteporiën voorkomt dat reinigingsoplossingen en zuren tijdens de voorbehandeling worden opgesloten, wat later kan uittreden en vlekken of bulten op het eindoppervlak kan veroorzaken.

Vaststellen en meten van aanvaardingsnormen voor porositeit

Hoewel het doel is om porositeit tot een minimum te beperken, is het vaak technisch onhaalbaar en economisch onpraktisch om in elke gieting een nulporositeit te bereiken. Daarom is een cruciaal aspect van kwaliteitscontrole bij spuitgieten het vaststellen van duidelijke en realistische acceptatiestandaarden voor porositeit. Deze standaarden bepalen de maximaal toegestane hoeveelheid, grootte en soort porositeit voor een bepaald onderdeel, op basis van de beoogde functie en prestatie-eisen. Deze praktische aanpak zorgt ervoor dat onderdelen geschikt zijn voor hun doel, zonder de excessieve kosten die gepaard gaan met het nastreven van absolute perfectie.

De aanvaardbare mate van porositeit is sterk afhankelijk van de toepassing van het onderdeel. Een component dat uitsluitend een decoratieve functie heeft, kan een hogere mate van interne porositeit verdragen dan een structureel onderdeel dat aan hoge belasting is onderhevig of een hydraulisch onderdeel dat drukdicht moet zijn. Kritieke gebieden, zoals afdichtingsvlakken, schroefdraadgaten of delen die een grote mechanische belasting dragen, hebben veel strengere eisen dan niet-kritieke gebieden. Kwaliteitsingenieurs werken samen met ontwerpers en klanten om deze zones op een onderdeel in kaart te brengen en specifieke acceptatiecriteria voor elk gebied vast te stellen.

Industriële normen, zoals die verwezen in ASTM, bieden een kader voor het classificeren van porositeit op basis van grootte en verdeling zoals waargenomen in radiografische beelden (röntgenfoto's). Een norm kan bijvoorbeeld specificeren dat de diameter van een individuele porie op een afdichtingsgebied van een aluminium spuitgietstuk niet groter mag zijn dan 0,5 mm, en dat kettingvormige poriën verboden zijn. Daarentegen kunnen op een minder kritiek gebied van hetzelfde onderdeel grotere poriën of een hogere dichtheid aan kleine poriën worden toegestaan. Dit zorgt ervoor dat de kwaliteitscontrole zich richt op de punten die het belangrijkst zijn.

De kosten-batenanalyse staat centraal in deze discussie. Het streven naar bijna nul porositeit vereist complexere gereedschappen, langzamere cyclus tijden, materialen van hogere kwaliteit en mogelijk geavanceerde processen zoals vacuüm-assistentie, wat allemaal de kosten per onderdeel verhoogt. Door aanvaardbare normen te definiëren, kunnen fabrikanten de productiekosten afwegen tegen de vereiste prestaties en betrouwbaarheid van het eindproduct. Dit vereist een gezamenlijke inspanning om deze normen duidelijk vast te leggen in onderdelerstekeningen en kwaliteitscontroleplannen, zodat zowel de fabrikant als de klant een gemeenschappelijk begrip hebben van wat een aanvaardbaar onderdeel is.

Veelgestelde vragen over gietporositeit

1. Hoe giet je zonder porositeit?

Het bereiken van een gegoten onderdeel dat volledig vrij is van porositeit is uiterst moeilijk. U kunt er echter dichtbij komen door meerdere strategieën te combineren. Dit omvat het optimaliseren van het onderdeel- en matrijzontwerp voor een vloeiende metalen stroom, zorgvuldige en goed geplaatste ontluchting van de matrijs, het gebruik van een vacuüm-assistsysteem om lucht uit de holte te verwijderen, en nauwkeurige controle over injectiesnelheid, druk en temperaturen. Voor kritieke toepassingen wordt vaak naverwerking met vacuümimpregnering toegepast om eventuele resterende micro-porositeit af te dichten.

2. Hoe porositeit verminderen?

Porositeit kan sterk worden verminderd door een systematische aanpak. Belangrijke methoden zijn: ervoor zorgen dat het gesmolten metaal schoon is en vrij van gas; het giet- en loopkanaalsysteem optimaliseren om turbulentie te verminderen; ontluchtingsopeningen toevoegen of vergroten zodat opgesloten lucht kan ontsnappen; de verdichtingsdruk verhogen om krimpvullende gebieden te ondersteunen; en de matrijs- en metaaltemperaturen regelen om een gelijkmatige stolling te bevorderen.

3. Hoeveel porositeit is aanvaardbaar in een gietstuk?

De aanvaardbare hoeveelheid porositeit is volledig afhankelijk van de toepassing van het onderdeel. Niet-kritieke, niet-structurele onderdelen kunnen een aanzienlijke hoeveelheid interne porositeit verdragen. Voor onderdelen die drukdicht moeten zijn of aanzienlijke mechanische belastingen moeten weerstaan, zijn de eisen echter veel strenger. De aanvaardingscriteria, vaak gedefinieerd door sectornormen, geven de maximale grootte, het aantal en de locatie van poriën aan die zijn toegestaan in kritieke respectievelijk niet-kritieke gebieden van de gieting.