Porozitatea în turnarea sub presiune a aluminiului: cauze și soluții

REZUMAT

Porozitatea în turnarea sub presiune din aluminiu se referă la mici goluri sau cavități care se formează în interiorul metalului în timpul solidificării. Acest defect frecvent de fabricație este împărțit în principal în două tipuri: porozitate cauzată de gaze capturate și porozitate prin contracție, rezultată din reducerea volumului în timpul răcirii. Porozitatea afectează integritatea structurală a piesei, etanșeitatea la presiune și calitatea suprafeței, putând duce la defectarea componentelor. Totuși, poate fi gestionată și minimizată eficient prin control precis al calității materialului, proiectării matriței și procesului de turnare. Înțelegerea cauzelor constituie primul pas spre prevenire.

Definirea porozității în turnarea sub presiune din aluminiu

În lumea turnării sub presiune, obținerea unui component perfect și solid este scopul final. Cu toate acestea, o provocare frecventă cu care se confruntă producătorii este porozitatea. Pe scurt, porozitatea reprezintă prezența unor goluri, orificii sau bule de aer mici și nedorite în interiorul unei piese turnate finite. Conform experților în producție, acest defect este o problemă majoră deoarece afectează direct proprietățile mecanice și performanța produsului final. Aceste goluri pot reduce semnificativ rezistența, durabilitatea și rezistența la oboseală a piesei.

Porozitatea nu este un singur tip de defect; se manifestă în mai multe forme care influențează utilitatea unui component. Aceste forme sunt clasificate în general în funcție de locația și conectivitatea lor:

• Porozitate închisă: Acestea sunt porozități deschise la suprafața turnării, dar care nu se întind complet prin întregul piesei. Deși pot să nu slăbească piesa din punct de vedere structural, ele pot reține lichide sau substanțe chimice de curățare provenite din tratamentele de post-procesare, cum ar fi anodizarea, ceea ce poate duce la defecte de suprafață și coroziune în timp.
• Porozitate completă: Acest tip creează o cale continuă de scurgere de la o suprafață a turnării la alta. Pentru componente care trebuie să fie etanșe la presiune, cum ar fi rezervoarele de fluid sau carcasele pneumatice, porozitatea completă este un punct critic de defectare care face piesa improprie utilizării.
• Porozitate complet închisă: Acestea sunt goluri interne complet sigilate în interiorul pereților turnării. Ele sunt invizibile din exterior și pot să nu constituie o problemă, cu excepția cazului în care sunt expuse în timpul operațiunilor ulterioare de prelucrare mecanică, moment în care devin pori orbi sau pori completi.

Consecințele porozității sunt grave, mai ales în aplicații critice precum componentele auto și aeronautice. O piesă poroasă se poate rupe sub sarcină, poate scurge lichide sau gaze, sau poate avea o finisare superficială slabă după prelucrare. Prin urmare, înțelegerea originii acesteia este esențială pentru orice proces de fabricație de înaltă calitate.

Tipurile principale: porozitate datorată gazelor versus porozitate datorată contracției

Deși diverse factori pot duce la porozitate, defectele sunt aproape întotdeauna cauzate de una dintre două surse fundamentale: gaz închis ermetic sau contracția metalului. Deosebirea dintre aceste două tipuri este crucială pentru diagnosticarea și prevenirea eficientă a problemelor, deoarece aspectul și cauzele lor sunt distincte. Fiecare tip prezintă provocări unice și necesită soluții diferite.

Porozitate cauzată de gaze

Porozitatea cu gaze este cauzată de reținerea gazelor în aluminiul topit în timpul procesului de injectare și solidificare. Cauzele principale sunt hidrogenul, care este foarte solubil în aluminiul topit, dar nu în starea sa solidă, și aerul care rămâne blocat în cavitatea matriței. Pe măsură ce metalul se răcește, gazele dizolvate sunt eliminate din soluție, formând bule. Aceste bule rămân permanent capturate pe măsură ce metalul se întărește în jurul lor. Porii de gaz sunt caracterizați în mod tipic prin forma lor netedă, sferică sau ovală și se găsesc adesea în apropierea suprafeței turnării.

Porozitate prin contracție

Porozitatea prin contracție apare deoarece aluminiul, la fel ca majoritatea metalelor, are o densitate mai mare în stare solidă decât în cea lichidă. Pe măsură ce metalul topit se răcește și se solidifică, volumul acestuia scade. Dacă nu este disponibil suficient metal lichid pentru a umple spațiile create de această contracție, se vor forma cavități. Această defecțiune este mai frecventă în secțiunile mai groase ale unei turnări, care sunt ultimele care se solidifică. Spre deosebire de bulele netede ale porozității gazoase, porozitatea prin contracție apare sub formă de crăpături neuniforme, unghiulare sau liniare. Este un rezultat direct al alimentării inadecvate cu metal topit în etapele finale ale solidificării.

Pentru a clarifica diferențele, mai jos este prezentată o comparație între cele două tipuri principale de porozitate:

Cauze principale și strategii proactive de prevenire

Prevenirea porozității este mult mai eficientă și economică decât gestionarea pieselor defecte după producție. O strategie reușită de prevenire necesită o abordare holistico care să ia în considerare proiectarea matriței, materialul și procesul de turnare în sine. Prin controlul variabilelor cheie, producătorii pot reduce semnificativ apariția defectelor cauzate de gaz și contracție.

Abordarea cauzelor legate de gaze

Porozitatea cauzată de gaze provine din introducerea acestora în metal sau din blocarea lor în interiorul matriței. Prevenirea se concentrează pe eliminarea gazelor.

• Controlul calității aliajului: Utilizați materii prime curate și uscate pentru a evita introducerea de umiditate, care creează gaz hidrogen în aluminiul topit. Degazarea băii cu azot sau argon înainte de turnare este o metodă foarte eficientă.
• Optimizarea aplicării lubrifiantului: Deși este necesar, un lubrifiant aplicat în exces sau necorespunzător poate vaporiza în timpul injectării, creând gaz care rămâne captiv. Utilizați o cantitate minimă de lubrifiant de înaltă calitate și aplicați-l uniform.
• Asigurați o ventilare corespunzătoare: Matrița trebuie să aibă orificii de ventilație și canale de evacuare adecvate pentru a permite aerului din cavitate să iasă pe măsură ce metalul topit este injectat. Orificiile de ventilație blocate sau prost concepute sunt o cauză principală a aerului captiv.
• Reglați procesul de injectare: Un proces de umplere turbulent poate antrena aer în metal. Optimizarea vitezei și profilului de presiune asigură o umplere lină și progresivă, care împinge aerul în fața fluxului de metal.

Controlul cauzelor legate de contracție

Porozitatea prin contracție este o luptă împotriva fizicii, gestionată prin controlul modului în care piesa turnată se răcește. Cheia constă în asigurarea unei aprovizionări continue cu metal topit pentru secțiunile groase până când acestea se solidifică complet.

• Mențineți o presiune ridicată a metalului: Faza de înaltă presiune a turnării sub presiune este esențială pentru combaterea porozității prin contracție. Așa cum explică experții din industrie, un sistem intensificator aplică o presiune imensă în timpul solidificării pentru a forța metalul topit să intre în spațiile de contracție în curs de formare. Menținerea unei presiuni statice și intensificate adecvate este esenţial.
• Optimizați temperatura matriței: Răcirea neuniformă provoacă puncte fierbinți predispuse la contracție. Prin utilizarea unor canale de răcire și încălzire plasate strategic în matriță, producătorii pot promova o solidificare direcționată, în care piesa se solidifică progresiv către poartă, permițând alimentarea continuă cu metal topit.
• Îmbunătățiți proiectarea piesei și a matriței: Proiectarea pieselor cu o grosime uniformă a pereților este cea mai bună metodă pentru a evita contracția. Acum există cazuri în care secțiunile groase sunt inevitabile, acestea ar trebui plasate lângă o poartă. Se recomandă utilizarea racordărilor generoase și a colțurilor rotunjite în loc de unghiuri ascuțite, care pot crea puncte fierbinți izolate.

În ultimă instanță, prevenirea porozității începe cu un design solid și un proces de fabricație bine pus la punct. Colaborarea cu un furnizor care demonstrează expertiză profundă în controlul proceselor este esențială. De exemplu, furnizorii care dețin certificarea IATF16949 pentru piese auto accentuează controlul riguros al calității și proiectarea matrițelor în regie proprie, abordând direct cauzele principale ale defectelor precum porozitatea, încă de la începutul proiectului.

Metode de inspecție pentru detectarea porozității

Deoarece nu toată porozitatea este vizibilă la suprafață, producătorii se bazează pe o serie de metode de inspecție pentru a se asigura că piesele respectă standardele de calitate. Aceste tehnici, adesea denumite Testare Neinvazivă (NDT), permit detectarea defectelor interne fără a deteriora componenta. Alegerea metodei potrivite depinde de importanța piesei, tipul de porozitate suspectat și limitările bugetare.

Tehnici frecvente de inspecție includ:

• Inspecție vizuală: Cea mai simplă metodă, utilizată pentru identificarea porozității la nivelul suprafeței, cum ar fi vezicule sau găuri deschise. Deși este ușor de realizat, aceasta nu poate detecta defectele interne.
• Inspeție cu raze X (Radiografie): Aceasta este una dintre cele mai fiabile metode pentru detectarea porozității interne. Piesa este expusă la raze X, iar imaginea rezultată evidențiază variațiile de densitate. Golurile apar ca pete mai întunecate pe radiografie, permițând inspectorilor să observe mărimea, forma și poziția acestora.
• Scanare cu Tomografie Computerizată (CT): O formă avansată de radiografie, scanarea CT creează un model complet 3D al piesei, oferind o imagine cuprinzătoare a tuturor caracteristicilor interne și externe. Este foarte precisă pentru identificarea volumului exact și a distribuției porozității, dar este și cea mai costisitoare metodă.
• Testarea presiunii: Această metodă este utilizată în mod specific pentru detectarea porozității care traversează piesele proiectate să fie etanșe la presiune. Turnarea este sigilată și presurizată cu aer sau lichid. O scădere a presiunii sau apariția bulelor atunci când este scufundată în apă indică o cale de scurgere.

În multe cazuri, standardele de acceptare, cum ar fi cele ale ASTM International, definesc cantitatea și dimensiunea admise ale porozității pentru o anumită aplicație. Așa cum subliniază specialiștii în turnare, aceste metode de control neconform NDT sunt esențiale pentru verificarea faptului că componentele respectă standardele obligatorii de calitate și siguranță înainte de a fi puse în funcțiune. Această verificare reprezintă o parte critică a procesului de fabricație .

Întrebări frecvente

1. Ce cauzează porozitatea în turnarea din aluminiu?

Porozitatea în turnarea din aluminiu este cauzată în principal de doi factori: dizolvarea și ulterioara eliberare a gazului hidrogen în timpul solidificării (porozitate gazoasă) și reducerea volumului sau contracția metalului pe măsură ce se răcește de la stare lichidă la stare solidă (porozitate de contracție). Alți factori contributivi includ aerul închis datorită unei ventilații proaste, lubrifiant excesiv al matriței și presiune inconstantă a metalului.

2. Ce este porozitatea în turnarea sub presiune?

În turnarea sub presiune, porozitatea se referă la prezența unor mici găuri, cavități sau buzunare de aer în structura metalică a unei piese turnate. Este considerată o defecțiune deoarece reduce densitatea și rezistența mecanică a componentului și poate crea căi de scurgere în piese care trebuie să fie etanșe la presiune.

3. Cum se verifică porozitatea în turnarea din aluminiu?

Porozitatea în turnări din aluminiu poate fi verificată utilizând mai multe metode de testare nedistructivă (NDT). Inspecția vizuală poate identifica defectele de suprafață, în timp ce testarea la presiune este folosită pentru a detecta scurgerile. Pentru golurile interne, inspecția cu raze X (radiografie) și scanarea industrială CT sunt cele mai eficiente metode, deoarece pot dezvălui dimensiunea, forma și localizarea porozității din interiorul piesei fără a o deteriora.

4. Cum se evită porozitatea în turnare?

Evitarea porozității implică controlul întregului proces de turnare. Strategiile cheie includ utilizarea unui metal topit curat, uscat și degazat corespunzător, proiectarea matriței cu evacuări și zone de deversare adecvate, optimizarea vitezei și presiunii de injectare, menținerea unei temperaturi constante a matriței pentru a asigura o răcire uniformă, precum și proiectarea piesei cu o grosime constantă a pereților pentru a minimiza contracția.