Porowatość w odlewaniu aluminium metodą ciśnieniową: przyczyny i rozwiązania

STRESZCZENIE

Porowatość w odlewaniu aluminium pod ciśnieniem odnosi się do drobnych wolnych przestrzeni lub jam tworzonych wewnątrz metalu podczas jego krzepnięcia. Ta powszechna wada produkcyjna dzieli się głównie na dwa typy: porowatość gazową, spowodowaną uwięzionymi gazami, oraz porowatość kurczliwą, wynikającą z redukcji objętości podczas chłodzenia. Porowatość narusza integralność strukturalną elementu, szczelność pod ciśnieniem oraz jakość powierzchni, co może prowadzić do awarii komponentu. Można ją jednak skutecznie kontrolować i minimalizować poprzez dokładne zarządzanie jakością materiału, projektowaniem formy oraz procesem odlewania. Zrozumienie jej przyczyn to pierwszy krok do zapobiegania.

Definiowanie porowatości w odlewaniu aluminium pod ciśnieniem

W świecie odlewania pod wysokim ciśnieniem osiągnięcie bezwadnego, solidnego elementu jest ostatecznym celem. Jednak typowym wyzwaniem, z którym stykają się producenci, jest porowatość. Mówiąc prosto, porowatość to występowanie małych, niepożądanych wolnych przestrzeni, otworów lub kieszeni powietrza wewnątrz gotowego odlewu. Zdaniem ekspertów od produkcji, ten defekt stanowi główne zagrożenie, ponieważ bezpośrednio podważa właściwości mechaniczne i wydajność końcowego produktu. Te wolne przestrzenie mogą znacząco zmniejszyć wytrzymałość, trwałość oraz odporność elementu na zmęczenie.

Porowatość nie jest pojedynczym rodzajem wady; występuje w kilku formach wpływających na przydatność komponentu. Formy te są zazwyczaj klasyfikowane według położenia i stopnia połączenia:

• Porowatość ślepa: Są to wady otwarte na powierzchnię odlewu, które jednak nie przechodzą całkowicie przez część. Choć mogą nie osłabiać strukturalnie elementu, mogą zatrzymywać ciecze lub środki chemiczne pochodzące z procesów końcowych, takich jak anodyzacja, co z czasem może prowadzić do uszkodzeń powierzchni i korozji.
• Porowatość przewiercająca: Ten typ tworzy ciągłą ścieżkę przecieku z jednej powierzchni odlewu na drugą. W przypadku elementów, które muszą być szczelne pod ciśnieniem, takich jak zbiorniki cieczy czy obudowy pneumatyczne, porowatość przewiercająca stanowi krytyczny punkt awarii, czyniąc element nieradzalnym.
• Całkowicie zamknięta porowatość: Są to wewnętrzne wady całkowicie zamknięte w ściankach odlewu. Nie są widoczne z zewnątrz i mogą nie stanowić problemu, chyba że zostaną odsłonięte podczas kolejnych operacji obróbki skrawaniem, w których momencie stają się porami ślepymi lub przewiercającymi.

Skutki porowatości są poważne, szczególnie w krytycznych zastosowaniach, takich jak elementy samochodowe i lotnicze. Element porowaty może ulec uszkodzeniu pod wpływem naprężeń, przeciekać ciecze lub gazy albo mieć słabej jakości powierzchnię po obróbce skrawaniem. Dlatego zrozumienie jego przyczyn jest niezbędne dla każdej operacji produkcyjnej o wysokiej jakości.

Główne typy: porowatość gazowa a porowatość kurczenia

Chociaż wiele różnych czynników może prowadzić do porowatości, defekty niemal zawsze wynikają z jednej z dwóch podstawowych przyczyn: uwięzionego gazu lub skurczu metalu. Odróżnienie tych dwóch rodzajów jest kluczowe dla skutecznego wykrywania i zapobiegania im, ponieważ ich wygląd oraz przyczyny są różne. Każdy typ stwarza unikalne wyzwania i wymaga innych rozwiązań.

Porowatość gazowa

Porowatość gazowa powstaje w wyniku uwięzienia gazu w stopionym aluminium podczas procesu wlewu i krzepnięcia. Głównymi winowajcami są wodór, który jest dobrze rozpuszczalny w stopionym aluminium, ale nie w stanie stałym, oraz powietrze uwięzione w wnęce formy. W miarę ochładzania się metalu rozpuszczone gazy są wypychane z roztworu, tworząc pęcherzyki. Pęcherzyki te zostają trwale uwięzione, gdy metal twardnieje wokół nich. Pory gazowe charakteryzują się zazwyczaj gładkim, kulistym lub owalnym kształtem i często występują w pobliżu powierzchni odlewu.

Porowatość kurczenia

Pory kurczowe powstają, ponieważ aluminium, podobnie jak większość metali, ma większą gęstość w stanie stałym niż w ciekłym. W miarę ochładzania i krzepnięcia stopionego metalu zmniejsza się jego objętość. Jeśli nie jest dostępna wystarczająca ilość ciekłego metalu, aby wypełnić wolne przestrzenie powstałe w wyniku skurczu, tworzą się jamy. Ten defekt występuje najczęściej w grubszych sekcjach odlewu, które są ostatnimi zamarzającymi obszarami. W przeciwieństwie do gładkich pęcherzy porowatości gazowej, porowatość kurczowa ma postać nierównych, kanciastych lub liniowych pęknięć. Powstaje bezpośrednio na skutek niewystarczającego dopływu stopionego metalu w końcowych etapach krzepnięcia.

Aby wyjaśnić różnice, poniżej porównano dwa główne typy porowatości:

Główne przyczyny i proaktywne strategie zapobiegania

Zapobieganie porowatości jest znacznie bardziej efektywne i opłacalne niż radzenie sobie z wadliwymi częściami po produkcji. Skuteczna strategia zapobiegania wymaga kompleksowego podejścia, obejmującego projekt formy, materiał oraz sam proces odlewania. Poprzez kontrolowanie kluczowych zmiennych producenci mogą znacząco zmniejszyć występowanie wad spowodowanych gazami oraz skurczem.

Zwalczanie przyczyn związanych z gazem

Porowatość gazowa wynika z wprowadzenia gazu do metalu lub jego uwięzienia w formie. Zapobieganie koncentruje się na utrzymywaniu gazu poza masą metalu.

• Kontrola jakości stopu: Używaj czystych, suchych surowców, aby uniknąć wprowadzenia wilgoci, która powoduje powstawanie gazu wodorowego w stanie stopionym aluminium. Odgazowanie stopu azotem lub argonem przed odlewaniem jest bardzo skuteczną metodą.
• Optymalizuj zastosowanie środka smarnego: Chociaż niezbędny, nadmierny lub nieprawidłowo naniesiony środek chłodząco-smarujący może ulegać parowaniu podczas wtrysku, tworząc gaz, który zostaje uwięziony. Używaj minimalnej ilości wysokiej jakości środka smarnego i nanosz go równomiernie.
• Zapewnij odpowiednie wentylowanie: Forma musi być wyposażona w odpowiednie kanały wentylacyjne i przepływowe, umożliwiające odprowadzenie powietrza z wnęki w trakcie wtrysku metalu. Zablokowane lub źle zaprojektowane kanały wentylacyjne są główną przyczyną uwięzionego powietrza.
• Reguluj proces wtrysku: Turbulentne wypełnianie może spowodować zawieranie powietrza w metalu. Optymalizacja prędkości i profilu ciśnienia wtrysku zapewnia gładkie, stopniowe wypełnianie, które wypycha powietrze przed frontem strugi metalu.

Kontrola przyczyn związanych z kurczeniem się

Porowatość kurczenia to walka z fizyką, którą kontroluje się poprzez zarządzanie procesem chłodzenia odlewu. Kluczem jest zapewnienie, że grube sekcje mają stałe dopływy metalu w stanie ciekłym aż do całkowitego wykrzepnięcia.

• Utrzymuj wysokie ciśnienie metalu: Faza wysokiego ciśnienia w odlewaniu pod ciśnieniem ma kluczowe znaczenie w zwalczaniu skurczu. Jak wyjaśniają eksperci branżowi, system intensyfikatora stosuje ogromne ciśnienie podczas krzepnięcia, aby wtłaczać stopiony metal w powstające puste przestrzenie spowodowane skurczem. Utrzymywanie odpowiedniego ciśnienia statycznego i wzmocnionego jest niezbędne.
• Optymalizuj temperaturę formy: Nierównomierne chłodzenie powoduje powstawanie gorących punktów, które są narażone na skurcz. Poprzez stosowanie strategicznie rozmieszczonych kanałów chłodzących i grzejnych w formie, producenci mogą zapewnić krzepnięcie kierunkowe, w którym odlew zastyga stopniowo w kierunku wlewu, umożliwiając ciągłe zaopatrzenie w stopiony metal.
• Popraw projekt części i formy: Projektowanie elementów o jednolitej grubości ścianek to najlepszy sposób na uniknięcie kurczenia się. Gdzie grube sekcje są nieuniknione, powinny być umieszczone w pobliżu bramki. Zamiast ostrych kątów należy stosować hojne zaokrąglenia i narożniki, które mogą tworzyć odizolowane gorące punkty.

Ostatecznie zapobieganie porowatości zaczyna się od solidnego projektu i procesu produkcyjnego. Kluczowe znaczenie ma współpraca z dostawcą, który wykazuje głęboką wiedzę w zakresie kontroli procesu. Na przykład dostawcy posiadający certyfikat IATF16949 dla części samochodowych podkreślają rygorystyczną kontrolę jakości oraz własną konstrukcję form, bezpośrednio eliminując przyczyny wad takich jak porowatość już od początku projektu.

Metody inspekcji wykrywania porowatości

Ponieważ nie cała porowatość jest widoczna na powierzchni, producenci polegają na różnych metodach kontroli, aby zapewnić zgodność elementów ze standardami jakości. Te techniki, często nazywane badaniami nieniszczącymi (NDT), pozwalają wykryć wady wewnętrzne bez uszkadzania komponentu. Wybór odpowiedniej metody zależy od znaczenia elementu, typu podejrzewanej porowatości oraz ograniczeń budżetowych.

Do najczęstszych technik kontroli należą:

• Inspekcja wizualna: Najprostsza metoda, stosowana do identyfikacji porowatości na poziomie powierzchni, takiej jak pęcherze czy otwarte otwory. Choć łatwo ją wykonać, nie pozwala ona wykryć wad wewnętrznych.
• Badanie rentgenowskie (radiografia): Jest to jedna z najbardziej wiarygodnych metod wykrywania wewnętrznej porowatości. Element poddawany jest działaniu promieni X, a uzysmany obraz ujawnia różnice gęstości. Puste przestrzenie pojawiają się jako ciemniejsze plamy na prześwietleniu, umożliwiając inspektorom zobaczenie ich rozmiaru, kształtu i położenia.
• Tomografia komputerowa (skanowanie CT): Zaawansowana forma rentgenowskiej tomografii komputerowej, skanowanie CT tworzy pełny trójwymiarowy model elementu, zapewniając kompleksowy przegląd wszystkich cech wewnętrznych i zewnętrznych. Jest bardzo dokładne do określania precyzyjnej objętości i rozmieszczenia porowatości, ale jest również najdroższą metodą.
• Test ciśnieniowy: Ta metoda służy specjalnie do wykrywania przebijającej się porowatości w elementach zaprojektowanych jako szczelne pod ciśnieniem. Odlew jest uszczelniany i napowiadany powietrzem lub cieczą. Spadek ciśnienia lub pojawienie się pęcherzyków podczas zanurzenia w wodzie wskazuje na drogę nieszczelności.

W wielu przypadkach normy akceptacyjne, takie jak te opracowane przez ASTM International, definiują dopuszczalną ilość i wielkość porowatości dla danego zastosowania. Jak zauważają specjaliści od odlewania, te metody badań nieniszczących są kluczowe dla zweryfikowania, że komponenty spełniają wymagane standardy jakości i bezpieczeństwa przed ich wprowadzeniem do eksploatacji. To sprawdzenie jest krytycznym elementem procesu produkcyjnego .

Często zadawane pytania

1. Co powoduje porowatość w odlewach aluminium?

Porowatość w odlewach aluminium jest spowodowana przede wszystkim dwoma czynnikami: rozpuszczeniem i późniejszym wydzielaniem się gazu wodoru podczas krzepnięcia (porowatość gazowa) oraz zmniejszaniem objętości lub skurczem metalu podczas ochładzania się od stanu ciekłego do stałego (porowatość skurczowa). Innymi czynnikami przyczyniającymi się do tego zjawiska są uwięzione powietrze spowodowane słabym odpowietrzaniem, nadmiar smaru formy oraz niestabilne ciśnienie metalu.

2. Co to jest porowatość w odlewaniu pod ciśnieniem?

W odlewaniu pod ciśnieniem, porowatość oznacza występowanie drobnych otworów, wolnych przestrzeni lub pęcherzyków powietrza w strukturze metalu odlewu. Jest uznawana za wadę, ponieważ zmniejsza gęstość i wytrzymałość mechaniczną elementu oraz może tworzyć ścieżki przecieków w częściach, które muszą być szczelne pod ciśnieniem.

3. Jak sprawdzić porowatość w odlewie aluminium?

Porowatość w odlewach aluminiowych można sprawdzić za pomocą kilku metod nieniszczących (NDT). Kontrola wizualna pozwala na wykrycie wad powierzchniowych, a próba pod ciśnieniem służy do znajdowania przecieków. W przypadku wewnętrznych pustek najskuteczniejsze są metody takie jak prześwietlanie rentgenowskie (radiografia) oraz przemysłowe skanowanie tomografem komputerowym (CT), które pozwalają ujawnić rozmiar, kształt i lokalizację porowatości wewnątrz elementu bez jego uszkodzenia.

4. Jak uniknąć porowatości w odlewie?

Unikanie porowatości wiąże się z kontrolowaniem całego procesu odlewania. Kluczowe strategie obejmują stosowanie czystego, suchego i odpowiednio odgazowanego metalu ciekłego, projektowanie formy z odpowiednimi kanałami wentylacyjnymi i przelewami, optymalizację prędkości i ciśnienia wtrysku, utrzymywanie stałej temperatury formy w celu zapewnienia jednolitego chłodzenia oraz projektowanie części z jednolitą grubością ścian, aby zminimalizować skurcz.