Główne przyczyny powstawania napęcznień w odlewaniu pod ciśnieniem wyjaśnione

STRESZCZENIE

Pęcherzenie w odlewnictwie pod ciśnieniem to wada powierzchniowa charakteryzująca się występowaniem wypukłych pęcherzy spowodowanych rozszerzaniem się uwięzionego gazu tuż pod powierzchnią metalu. Główną przyczyną jest uwięzienie gazu lub powietrza wynikające z turbulentnego przepływu metalu i niewystarczającego wentylowania formy. Innymi istotnymi czynnikami są nadmierne temperatury stopionego metalu lub formy, nieprawidłowe naniesienie środków chłodząco-smarujących, oraz zanieczyszczenia lub niedoskonałości fizyczne w samej stopie aluminium.

Rola uwięzionego gazu i powietrza w powstawaniu pęcherzy

Najbardziej podstawową przyczyną powstawania pęcherzy w odlewnictwie matrycowym jest uwięzienie gazu w wnęce formy podczas wtrysku metalu. Pęcherze są zasadniczo szczególną formą porowatości gazowej, w której uwięziony gaz znajduje się tuż pod powierzchnią odlewu. W miarę jak stopiony metal krzepnie, uwięziony gaz działa pod ogromnym ciśnieniem. Gdy element zostaje wyrzucony z formy, zewnętrzne wsparcie znika, a nadal miękka warstwa powierzchniowa może zostać wypchnięta na zewnątrz przez rozprężający się gaz, tworząc wyraźny pęcherz.

Gaz ten może pochodzić z kilku źródeł. Najczęstsze to powietrze już obecne w wnęce formy i układzie kanałów przed wtryskiem. Jeżeli stopiony metal zostanie wstrzyknięty zbyt szybko lub jeśli droga przepływu nie jest zoptymalizowana, powstaje turbulencja. Ten burzliwy, chaotyczny przepływ zawraca na siebie, uwięzając kieszonki powietrza, które nie mogą uciec przed zakrzepnięciem metalu. Jak szczegółowo opisano w analizie technicznej przez CEX Casting , częstą przyczyną są słabe projektowanie bramki i kanałów, które nie zapewniają gładkiego, laminarnego przepływu metalu do formy.

Kolejnym kluczowym czynnikiem jest niewystarczające wentylowanie. Wentylatory to małe kanały zaprojektowane tak, aby umożliwić ucieczkę powietrza z wnęki w miarę wypełniania jej stopem. Jeśli te otwory są zablokowane, zbyt małe lub źle rozmieszczone, powietrze nie ma gdzie uciec i zostaje uwięzione wewnątrz odlewu. Wynikiem są porowatość oraz, w przypadku bliskości powierzchni, pęcherze. Optymalizacja systemu wentylacji jest kluczowym krokiem w zapobieganiu tego typu wadom.

Aby ograniczyć wchwytywanie gazu i powietrza, należy wdrożyć kilka najlepszych praktyk:

• Optymalizuj projekt bramki i kanałów: Używaj oprogramowania do symulacji przepływu formującego, aby zaprojektować system zapewniający gładkie, nielaminarne wypełnianie wnęki formy.
• Zapewnij odpowiednie wentylowanie: Projektuj i utrzymuj czyste, skuteczne otwory wentylacyjne oraz bramki przelewowe, umożliwiające całkowite usunięcie powietrza.
• Kontroluj prędkość wtrysku: Dostosuj profil wtrysku, szczególnie początkową fazę powolnego wtrysku, aby delikatnie usunąć powietrze z formy przed rozpoczęciem szybkiego wypełniania.
• Wykorzystaj wspomaganie próżniowe: W przypadku elementów krytycznych, zastosowanie procesu odlewania pod ciśnieniem z próżnią może aktywnie usuwać powietrze z formy przed wtryskiem, niemal całkowicie eliminując ryzyko defektów spowodowanych uwięzionym gazem.

Parametry procesu: W jaki sposób temperatura i środki smarne powodują pęcherze

Oprócz fizycznego uwięzienia powietrza, parametry operacyjne procesu odgrywają istotną rolę w tworzeniu warunków sprzyjających powstawaniu pęcherzy. Kontrola temperatury oraz aplikacja środków smarnych to dwie najważniejsze dziedziny wymagające zarządzania. Zbyt wysokie temperatury, zarówno stopu ciekłego, jak i formy, mogą nasilać problemy związane z gazami. Zgodnie z przeglądem przeprowadzonym przez Sunrise Metal , wysokie temperatury mogą zwiększać ciśnienie parowe w stopie ciekłym i powodować rozkład środków smarnych do form, co prowadzi do wydzielania się gazu uwięzionego w materiale.

Środki smarne do form, czyli środki uwolnienia, są niezbędne, aby zapobiec przyleganiu odlewu do formy, ale ich nieprawidłowe użycie jest główną przyczyną porowatości gazowej i pęcherzy. Gdy zastosuje się zbyt dużo środka smarnego lub naniesie go nierównomiernie, nadmiar cieczy może gromadzić się w formie. W kontaktach z gorącym stopionym metalem nadmiar ten natychmiast ulega parowaniu, tworząc dużą ilość gazu, który nie ma czasu na ucieczkę przez odpowietrzniki. Jak wspomniano w raporcie firmy The Hill & Griffith Company , środek smarowy tłoka często stanowi najważniejszy pojedynczy czynnik, szczególnie gdy dodatkowy środek jest stosowany w celu kompensacji zużytego końca tłoka.

Wilgoć to kolejny istotny czynnik. Każda pozostałość wilgoci w formie – pochodząca z wyciekających rur wodnych, kropel ze spryskiwaczy, a nawet z samego środka uwolnienia – zamieni się w parę w momencie wtrysku. Para ta zachowuje się jak każdy inny uwięziony gaz, powodując ciśnienie pod powierzchnią odlewu, które może prowadzić do powstawania pęcherzy. Dlatego kluczowe jest utrzymanie suchego środowiska formy.

Aby zapobiec powstawaniu pęcherzy spowodowanych parametrami procesu, operatorzy powinni przestrzegać następujących działań korygujących:

1. Utrzymywanie ścisłej kontroli temperatury: Zapewnij, że stop ciekły oraz forma znajdują się w określonym zakresie temperatury, aby zapobiec przegrzaniu i nadmiernemu powstawaniu gazów.
2. Stosuj środki smarne oszczędnie i równomiernie: Używaj automatycznych systemów natryskowych do nanoszenia minimalnej, jednolitej warstwy wysokiej jakości środka antyprzywarciowego o niskiej resztkowości.
3. Zapewnij czas na odparowanie: Upewnij się, że po zastosowaniu środka zostaje wystarczający okres zwłoki, aby woda lub rozpuszczalniki zawarte w środku smarnym całkowicie odparowały przed zamknięciem formy.
4. Wykonuj regularną konserwację: Regularnie sprawdzaj i naprawiaj wszelkie przecieki w rurociągach wodnych lub hydraulicznych oraz upewnij się, że dysze natryskowe nie kapią.

Wady materiałowe i fizyczne jako przyczyny podstawowe

Ostatnia kategoria przyczyn wiąże się z integralnością materiału odlewniczego oraz obecnością fizycznych nieciągłości w przepływie metalu. Pęcherze mogą powstawać na skutek zanieczyszczeń znajdujących się w stopie. Na przykład pierwiastki o niskiej temperaturze wrzenia, takie jak ołów czy kadmi, mogą ulegać parowaniu podczas procesu odlewania lub kolejnych etapów obróbki cieplnej, co generuje wewnętrzną ciśnienie gazowe. Podobnie stopy aluminium mogą pochłaniać wodór podczas topnienia, który następnie będzie próbował wydostać się w trakcie krzepnięcia, powodując porowatość i pęcherze.

Wady fizyczne powstałe podczas procesu wypełniania formy są również bardzo szkodliwe. Badania opublikowane w Engineering Failure Analysis podkreśla, że zimne płatki—półzastygłe kawałki metalu odłamywające się od ścianek tulei wtryskowej—są główną przyczyną dużych pęcherzy, szczególnie w obszarach blisko układu wlewowego. Płatki te powodują nieciągłości w mikrostrukturze odlewu. Gaz obecny w tych wolnych przestrzeniach rozszerza się podczas obróbki cieplnej, tworząc znaczne pęcherze na powierzchni. Do innych podobnych wad należą zimne krople, zimne wtryski oraz folie tlenkowe, które wszystkie zakłócają jednorodność metalu i stanowią miejsca inicjacji pęcherzenia.

Zapobieganie tym wadom związanym z materiałem wymaga rygorystycznego kontroli całego procesu, od obróbki surowców po produkcję końcową. Kluczowe jest współpracowanie z dostawcą, który wykazuje silne zaangażowanie w kontrolę jakości. Na przykład producenci wysokowydajnych części samochodowych często polegają na certyfikowanych procesach, takich jak IATF16949, oraz na wewnętrznej kontroli jakości, aby zapewnić integralność materiału od początku do końca, co stanowi krytyczną praktykę w zapobieganiu takim wadom.

Aby lepiej zrozumieć te różne przyczyny, poniższa tabela porównuje pęcherze powstające wskutek porowatości gazowej oraz te wynikające z wad fizycznych lub chemicznych:

Rozwiązania obejmują dokładne podgrzanie i wysuszenie surowców, stosowanie stopów o wysokiej czystości oraz skuteczne odgazowanie za pomocą azotu lub argonu w celu usunięcia rozpuszczonego wodoru przed odlewaniem.

Często zadawane pytania dotyczące pęcherzy w odlewaniu pod ciśnieniem

1. Jaka jest główna przyczyna powstawania pęcherzy w odlewaniu pod ciśnieniem?

Główną przyczyną pęcherzy jest uwięziony gaz, najczęściej powietrze z wnęki formy, które zostaje zamknięte przez turbulentny przepływ stopionego metalu i niewystarczające wentylowanie. Ten gaz, znajdujący się tuż pod powierzchnią odlewu, rozszerza się i wypycha miękką warstwę metalu na zewnątrz, tworząc bąbel.

2. Czy obróbka cieplna może powodować powstawanie pęcherzy na odlanym pod ciśnieniem elemencie?

Tak, obróbka cieplna jest częstym wyzwalaczem powstawania pęcherzy. Element może wyglądać idealnie w stanie bezpośrednio po odlewnictwie, jednak jeśli pod powierzchnią znajduje się uwięziony gaz lub nieciągłość struktury, wysokie temperatury obróbki cieplnej spowodują znaczne rozszerzenie gazu, ujawniając wadę w postaci pęcherza na powierzchni.

3. Jak odróżnić pęcherz od ogólnego występowania porowatości?

Pęcherze to wada na poziomie powierzchni lub tuż pod nią, występująca jako wypukłe guzki na skórze odlewu. Ogólna porowatość natomiast odnosi się do wolnych przestrzeni, które mogą występować w dowolnym miejscu wewnątrz odlewu, również głęboko w jego wnętrzu. Choć obie wady są spowodowane uwięzionym gazem, pęcherze to konkretne pory występujące dostatecznie blisko powierzchni, aby ją odkształcić.