Газовая и усадочная пористость: выявление критических дефектов литья

Краткое содержание

Газовая и усадочная пористость — это распространенные дефекты литья, имеющие различное происхождение и внешний вид. Газовая пористость возникает из-за захвата газа в процессе затвердевания и формирует гладкие, сферические пустоты. Напротив, усадочная пористость вызвана недостатком расплавленного металла для компенсации объемного сжатия при охлаждении отливки, что приводит к образованию шероховатых, угловатых полостей. Понимание этих фундаментальных различий в причинах и морфологии критически важно для диагностики и предотвращения дефектов в литых металлических изделиях.

Понимание газовой пористости: причины и характеристики

Газовая пористость является распространённым дефектом при литье металлов, характеризующимся образованием пустот из-за захваченных газов в затвердевающем металле. По мере охлаждения расплавленного металла его способность удерживать растворённые газы, такие как водород в алюминиевых сплавах, значительно снижается. Избыток газа выделяется из раствора и образует пузырьки, которые оказываются захваченными по мере затвердевания металла вокруг них. Эти дефекты могут нарушить структурную целостность и герметичность готовой детали, поэтому их предотвращение крайне важно для применения в высоконагруженных конструкциях.

Наличие газовой пористости является одной из её наиболее характерных особенностей. Пустоты обычно имеют сферическую или вытянутую форму с гладкими, зачастую блестящими внутренними стенками. Такая морфология возникает потому, что газовые пузырьки образуются внутри жидкого или полужидкого металла, и силы поверхностного натяжения формируют их в сферическую форму с минимальной энергией, прежде чем окружающая структура затвердеет. Эти поры могут проявляться в различных формах, включая подповерхностные раковины, вздутия на поверхности отливки или мелкие рассеянные точечные поры, которые часто обнаруживаются в верхних участках отливки.

Причины газовой пористости разнообразны, но почти всегда связаны с попаданием материалов или условий, способствующих образованию газов, в процесс плавки и литья. Для эффективной диагностики требуется тщательное исследование всей производственной цепочки. К числу наиболее распространённых причин относятся:

• Растворённые газы в расплаве: Расплавленный металл может поглощать газы из атмосферы или от влажных или загрязнённых материалов шихты. Водород является основной причиной в большинстве цветных сплавов.
• Турбулентность при заливке: Заполнение формы с высокой скоростью или турбулентным потоком может механически увлекать воздух внутрь расплавленного металла, что приводит к образованию пустот.
• Влага и загрязнения: Любая влага от недостаточно просушенных форм, стержней, ковшей или инструментов может испаряться при контакте с расплавленным металлом, образуя пар, который задерживается в отливке. Смазки и связующие также могут разлагаться и выделять газы.
• Низкая проницаемость формы: Если материал формы или стержня не может эффективно выпускать газы из полости, они с большей вероятностью будут захвачены затвердевающим металлом.

Понимание усадочной пористости: причины и характеристики

Усадочная пористость возникает в результате принципиально иного механизма: объемного сжатия металла при его переходе из жидкого состояния в твердое. Большинство металлов в твердом состоянии имеют большую плотность, то есть занимают меньший объем. Если дополнительный расплавленный металл, известный как питающий металл, не может постоянно поступать в области, которые затвердевают последними, уменьшение объема материала приведет к образованию пустот. Эти дефекты являются прямым следствием нарушения пути питания на заключительных стадиях затвердевания.

В отличие от гладких полостей газовой пористости, усадочная пористость характеризуется угловатой, неровной формой и шероховатыми внутренними поверхностями. Это связано с тем, что полости образуются в извилистых, узких пространствах между блокирующими друг друга древовидными кристаллическими структурами — дендритами, которые растут в процессе затвердевания. Получающаяся полость представляет собой не пузырь, а пустоту, повторяющую сложный, изломанный рисунок этих междендритных пространств. Дефекты усадки могут проявляться в виде крупных открытых полостей на поверхности (усадочные раковины) или внутренних взаимосвязанных сетей тонких трещин (губчатая или нитевидная усадка).

Основной причиной усадочной пористости является неэффективное управление процессом затвердевания. При литье идеальным считается направленное затвердевание, при котором кристаллизация происходит последовательно от самых удалённых от источника расплавленного металла участков к прибыле или системе питания. Усадочная пористость возникает, когда этот процесс нарушается. Ключевые факторы, способствующие этому:

• Неадекватная система питания: Питающие каналы, которые слишком малы или замерзают до основной отливки, не могут подать необходимый расплавленный металл для компенсации усадки.
• Горячие точки: Толстые участки отливки остывают медленнее, чем соседние тонкие участки. Эти «горячие точки» могут превратиться в изолированные карманы жидкого металла, и когда они, наконец, затвердевают и дают усадку, не остаётся пути для подпитки металлом, чтобы заполнить образовавшуюся полость.
• Плохие температурные градиенты: Неправильное распределение температуры по форме может препятствовать направленной кристаллизации, что приводит к образованию изолированных жидких областей, склонных к усадке.
• Геометрия отливки: Сложные конструкции с резкими изменениями толщины сечения по своей природе более склонны к образованию горячих точек и дефектов усадки.

Сравнение: газовая пористость против усадочной пористости

Различие между газовыми и усадочными порами — это первый важный шаг при выявлении дефектов литья. Хотя оба типа ослабляют готовую деталь, их различные причины требуют разных решений. Наиболее надежный метод идентификации — визуальный осмотр морфологии поры. Полости от газов обычно сферические с гладкими стенками, тогда как усадочные поры имеют угловатую форму и шероховатые стенки. Более детальное сравнение выявляет дополнительные различия в их образовании и расположении.

В следующей таблице приведено прямое сравнение ключевых характеристик, отличающих эти два распространенных дефекта литья:

Время их образования является ключевым различающим фактором. Газовая пористость может образовываться сравнительно рано в зоне частичного расплавления, как только температура металла снижается настолько, что уменьшается растворимость газа в нём. Поры формируются в виде пузырьков в ещё жидкой или полужидкой среде. Напротив, усадочная пористость — это дефект поздней стадии. Она возникает глубоко внутри зоны частичного расплавления, когда дендритная сеть уже хорошо сформирована и плотна, что затрудняет течение оставшегося расплавленного металла и его подпитку в последних затвердевающих областях. Это различие объясняет, почему газовые поры имеют гладкую и круглую форму, тогда как усадочные поры повторяют сложную форму междендритных промежутков.

Методы предотвращения и снижения пористости при литье

Для эффективного предотвращения пористости требуется целенаправленный подход, основанный на конкретном типе выявленного дефекта. Стратегии борьбы с газовой пористостью сосредоточены на контроле источников газа, тогда как для ликвидации усадочной пористости ключевым является управление процессами затвердевания и питания. Комплексная стратегия контроля качества охватывает оба аспекта.

Предотвращение газовой пористости

Снижение газовой пористости требует строгого контроля материалов и технологических процессов, с целью недопущения попадания газов или их поглощения расплавленным металлом. Основные профилактические меры включают:

1. Обработка расплава: Применение методов дегазации, таких как роторная дегазация или обработка флюсами, для удаления растворённого водорода и других газов из расплава перед разливкой.
2. Подготовка материалов и инструментов: Тщательно высушивайте и подогревайте все шихтовые материалы, инструменты, ковши и формы, чтобы исключить любые источники влаги. Убедитесь, что шихтовые материалы чистые, не имеют коррозии и загрязнений маслом.
3. Оптимизация литниковой системы и заливки: Спроектируйте систему литниковых каналов таким образом, чтобы обеспечить плавное, безтурбулентное течение металла в полость формы. Это минимизирует механическое удержание воздуха во время заполнения.
4. Правильная вентиляция формы: Убедитесь, что форма и любые стержни имеют достаточное количество вентиляционных отверстий, позволяющих воздуху и другим газам выходить из полости по мере её заполнения расплавленным металлом.

Предотвращение усадочной пористости

Ключом к предотвращению усадки является обеспечение непрерывной подачи жидкого металла ко всем частям отливки до завершения затвердевания. Этого достигают путем тщательного проектирования и контроля процесса:

1. Эффективный дизайн прибылей и литниковой системы: Спроектируйте прибыли достаточно большими, чтобы они оставались в расплавленном состоянии дольше, чем участок отливки, который они питают. Литниковая система должна способствовать направленной кристаллизации, при которой отливка затвердевает постепенно в направлении прибыли.
2. Контроль затвердевания с помощью холодильников и втулок: Используйте холодильники (металлические вставки) для ускорения охлаждения в толстых сечениях и предотвращения образования горячих точек. На выплавках можно использовать теплоизоляционные или экзотермические гильзы, чтобы дольше сохранять их расплавленное состояние.
3. Геометрические модификации: По возможности измените конструкцию детали, чтобы избежать резких изменений толщины сечения и обеспечить более плавные переходы, что снижает вероятность появления горячих точек.

Для отраслей, таких как автомобильная промышленность, где выход из строя компонентов недопустим, сотрудничество со специалистами в области передовой обработки металлов имеет ключевое значение. Например, поставщики, такие как Shaoyi (Ningbo) Metal Technology демонстрируют уровень точного машиностроения и контроля процессов — от проектирования штампов до массового производства, необходимого для изготовления бездефектных компонентов, в их случае — кованых автомобильных деталей. Такая приверженность качеству необходима для предотвращения дефектов, таких как пористость, и обеспечения надежности в критически важных применениях.

Часто задаваемые вопросы

1. В чем разница между пористостью и усадкой?

Основное различие заключается в их причине и внешнем виде. Пористость, в частности газовая пористость, вызывается захваченным газом и приводит к образованию гладких, круглых полостей. Усадка, или усадочная пористость, вызывается объёмным сжатием металла при охлаждении, когда недостаточно жидкого металла для заполнения пустот, в результате чего образуются шероховатые, угловатые полости.

2. Что вызывает усадочную пористость?

Усадочная пористость вызывается объёмным сжатием металла при его затвердевании. Если поток расплавленного металла перекрывается в какой-либо части отливки до её полного затвердевания, это сжатие приведёт к образованию пустоты. Это часто происходит из-за недостаточного питания из прибылей или образования изолированных горячих точек в толстых сечениях.

3. Каково определение газовой пористости?

Газовая пористость — это пустоты внутри металлической отливки, образовавшиеся в результате захвата газовых пузырьков. Газ может поступать из растворённых в расплаве газов, выделяющихся при охлаждении, из воздуха, попавшего в расплав при турбулентном литье, или из влаги и других загрязнений, испаряющихся при контакте с горячим металлом.

4. Как определить, вызваны ли полости в отливке пористостью или усадкой?

Наиболее эффективный способ их различения — визуальный осмотр морфологии полости. Полости газовой пористости обычно имеют сферическую форму с гладкими внутренними стенками, напоминая пузырьки. Напротив, полости усадочной пористости имеют угловатую форму и шероховатые кристаллические поверхности, поскольку формируются в промежутках между дендритами при затвердевании.