Пористость в литье алюминия под давлением: причины и решения

Краткое содержание

Пористость при алюминиевом литье под давлением — это мелкие пустоты или полости, образующиеся внутри металла при его затвердевании. Этот распространенный производственный дефект в основном подразделяется на два типа: газовую пористость, вызванную захватом газов, и усадочную пористость, возникающую из-за уменьшения объема при охлаждении. Пористость снижает прочность конструкции, герметичность по давлению и качество поверхности, что может привести к выходу компонента из строя. Однако ее можно эффективно контролировать и минимизировать за счет точного управления качеством материала, конструкцией пресс-формы и процессом литья. Понимание причин — первый шаг к предотвращению.

Определение пористости при алюминиевом литье под давлением

В мире литья под высоким давлением достижение безупречной, цельной детали является конечной целью. Однако распространённой проблемой, с которой сталкиваются производители, является пористость. Проще говоря, пористость — это наличие небольших, нежелательных пустот, отверстий или воздушных карманов внутри готовой отливки. По мнению экспертов в области производства, этот дефект является основной проблемой, поскольку он напрямую ухудшает механические свойства и эксплуатационные характеристики конечного продукта. Эти пустоты могут значительно снизить прочность, долговечность и устойчивость детали к усталости.

Пористость — это не единственный вид дефекта; она проявляется по-разному и влияет на функциональность компонента. Обычно эти формы классифицируются в зависимости от их расположения и степени связанности:

• Слепая пористость: Это пустоты, открытые к поверхности отливки, но не проходящие полностью через деталь. Хотя они могут не ослаблять компонент с точки зрения прочности, они способны удерживать жидкости или чистящие химикаты из последующих операций обработки, таких как анодирование, что со временем может привести к поверхностным дефектам и коррозии.
• Сквозная пористость: Такой тип создает непрерывный путь утечки от одной поверхности отливки к другой. Для компонентов, которые должны быть герметичными под давлением, например резервуаров для жидкостей или корпусов пневматических систем, сквозная пористость является критической точкой отказа, делающей деталь непригодной для использования.
• Полностью закрытая пористость: Это внутренние пустоты, полностью запечатанные внутри стенок отливки. Они невидимы снаружи и могут не представлять проблемы, пока не будут вскрыты при последующих механических обработках, после чего они превращаются в слепые или сквозные поры.

Последствия пористости могут быть серьезными, особенно в критически важных областях применения, таких как автомобильные и аэрокосмические компоненты. Деталь с пористостью может разрушиться под нагрузкой, пропускать жидкости или газы либо иметь плохую поверхность после механической обработки. Поэтому понимание причин возникновения пористости имеет первостепенное значение для любого производства высококачественных изделий.

Основные типы: газовая и усадочная пористость

Хотя пористость может возникать по различным причинам, почти всегда она вызвана одной из двух основных причин: захватом газа или усадкой металла. Различие между этими двумя типами имеет решающее значение для эффективного выявления и предотвращения дефектов, поскольку их внешний вид и коренные причины существенно различаются. Каждый тип создает свои уникальные проблемы и требует различных решений.

Газовая пористость

Газовая пористость возникает из-за удержания газа в расплавленном алюминии в процессе впрыска и затвердевания. Основными виновниками являются водород, который хорошо растворяется в расплавленном алюминии, но плохо — в твёрдом состоянии, и воздух, который попадает в полость пресс-формы. По мере охлаждения металла растворённые газы выделяются из расплава, образуя пузырьки. Эти пузырьки навсегда остаются в металле по мере его затвердевания. Газовые поры обычно характеризуются гладкой, сферической или овальной формой и зачастую располагаются вблизи поверхности отливки.

Усадочная пористость

Усадочная пористость возникает потому, что алюминий, как и большинство металлов, в твёрдом состоянии плотнее, чем в жидком. По мере охлаждения и затвердевания расплавленного металла его объём уменьшается. Если недостаточно жидкого металла для заполнения пустот, образующихся при этом сжатии, формируются полости. Этот дефект чаще всего встречается в более толстых участках отливки, которые затвердевают последними. В отличие от гладких пузырьков газовой пористости, усадочная пористость имеет неровные, угловатые или линейные трещины. Она является прямым следствием недостаточного питания расплавленным металлом на заключительных этапах затвердевания.

Для ясности различий ниже приведено сравнение двух основных типов пористости:

Основные причины и проактивные стратегии предотвращения

Предотвращение пористости намного эффективнее и экономичнее, чем устранение дефектных деталей после производства. Успешная стратегия предотвращения требует комплексного подхода, охватывающего конструкцию пресс-формы, материал и сам процесс литья. Контролируя ключевые параметры, производители могут значительно снизить возникновение как газовой, так и усадочной пористости.

Устранение причин, связанных с газами

Газовая пористость возникает из-за попадания газа в металл или его задержки в пресс-форме. Меры по предотвращению направлены на исключение присутствия газа.

• Контроль качества расплава: Используйте чистые, сухие исходные материалы, чтобы избежать попадания влаги, которая образует водородный газ в расплавленном алюминии. Дегазация расплава азотом или аргоном перед литьем является высокоэффективным методом.
• Оптимизация нанесения смазки: Хотя это необходимо, избыточное или неправильно нанесённое смазочное вещество для пресс-формы может испаряться во время инжекции, создавая газ, который остаётся внутри. Используйте минимальное количество высококачественной смазки и наносите её равномерно.
• Обеспечьте правильную вентиляцию: Пресс-форма должна иметь достаточное количество вентиляционных каналов и переполнителей, позволяющих воздуху выходить из полости при впрыске расплавленного металла. Забитые или плохо спроектированные вентиляционные отверстия являются основной причиной задержки воздуха.
• Регулировка процесса инъекции: Турбулентное заполнение может увлекать воздух внутрь металла. Оптимизация скорости впрыска и профиля давления обеспечивает плавное, постепенное заполнение, при котором воздух вытесняется перед фронтом потока металла.

Контроль причин, связанных с усадкой

Усадочная пористость — это борьба с физическими законами, которую ведут путем контроля охлаждения отливки. Ключевое значение имеет обеспечение постоянного притока расплавленного металла к толстым участкам до их полного затвердевания.

• Поддерживайте высокое давление металла: Фаза высокого давления в литье под давлением имеет решающее значение для борьбы с усадкой. Как объясняют эксперты отрасли, система интенсификации создает огромное давление во время затвердевания, чтобы проталкивать расплавленный металл в формирующиеся усадочные пустоты. Поддержание достаточного статического и усиленного давления это необходимо.
• Оптимизация температуры пресс-формы: Неравномерное охлаждение вызывает образование горячих точек, склонных к усадке. Используя стратегически размещённые каналы охлаждения и нагрева в пресс-форме, производители могут обеспечить направленную кристаллизацию, при которой отливка затвердевает постепенно в направлении отвода, что позволяет непрерывно подпитывать её расплавленным металлом.
• Улучшите конструкцию детали и пресс-формы: Лучший способ избежать сжатия - проектировать детали с равномерной толщиной стенки. Если толстые проемы неизбежны, их следует размещать рядом с воротами. Вместо острых углов, которые могут создавать изолированные горячие точки, следует использовать щедрые филе и закругленные углы.

В конечном счете, предотвращение пористости начинается с надежного дизайна и производственного процесса. Партнерство с поставщиком, который демонстрирует глубокий опыт в области контроля процессов, имеет решающее значение. Например, поставщики, имеющие сертификацию IATF16949 для автомобильных деталей, подчеркивают строгий контроль качества и внутреннюю конструкцию штампов, непосредственно устраняя коренные причины дефектов, таких как пористость, с самого начала проекта.

Методы проверки для обнаружения пористости

Поскольку не вся пористость видна на поверхности, производители используют различные методы контроля, чтобы гарантировать соответствие деталей стандартам качества. Эти методы, часто называемые неразрушающим контролем (NDT), позволяют выявлять внутренние дефекты без повреждения компонента. Выбор подходящего метода зависит от степени важности детали, типа предполагаемой пористости и бюджетных ограничений.

Распространённые методы контроля включают:

• Визуальная проверка: Самый простой метод, используемый для выявления поверхностной пористости, такой как вздутия или открытые отверстия. Хотя он прост в выполнении, он не позволяет обнаруживать внутренние дефекты.
• Рентгеновский контроль (радиография): Это один из наиболее надёжных методов обнаружения внутренней пористости. Деталь подвергается воздействию рентгеновских лучей, а полученное изображение показывает вариации плотности. Пустоты отображаются в виде тёмных пятен на рентгенограмме, что позволяет контролёрам определить их размер, форму и расположение.
• Компьютерная томография (CT-сканирование): Продвинутая форма рентгеновского анализа, компьютерная томография создаёт полную трёхмерную модель детали, обеспечивая всесторонний обзор всех внутренних и внешних элементов. Метод отличается высокой точностью при определении объёма и распределения пористости, но является также наиболее дорогостоящим.
• Проверка давления: Этот метод специально используется для выявления сквозной пористости в деталях, предназначенных для герметичности под давлением. Отливка герметизируется и подвергается давлению воздуха или жидкости. Падение давления или появление пузырьков при погружении в воду указывает на наличие пути утечки.

Во многих случаях стандарты приемки, такие как стандарты ASTM International, определяют допустимое количество и размер пористости для конкретного применения. Как отмечают специалисты по литью, эти методы неразрушающего контроля имеют решающее значение для проверки соответствия компонентов требуемым стандартам качества и безопасности перед их вводом в эксплуатацию. Эта проверка является критически важной частью производственного процесса .

Часто задаваемые вопросы

1. Что вызывает пористость при литье алюминия?

Пористость алюминиевого литья в основном вызвана двумя факторами: растворением и последующим выделением газообразного водорода при затвердевании (газовая пористость) и уменьшением объема или усадкой металла при охлаждении из жидкого состояния в твердое (усадочная пористость). Другие факторы включают захваченный воздух из-за плохой вентиляции, чрезмерное количество смазки формы и нестабильное давление металла.

2. Что такое пористость при литье под давлением?

При литье под давлением пористость означает наличие мелких отверстий, пустот или воздушных карманов внутри металлической структуры отливки. Это считается дефектом, поскольку снижает плотность и механическую прочность детали и может создавать пути утечки в деталях, которые должны быть герметичными под давлением.

3. Как проверить пористость алюминиевого литья?

Пористость алюминиевых отливок можно проверить с помощью нескольких методов неразрушающего контроля (NDT). Визуальный осмотр позволяет выявить поверхностные дефекты, а испытание под давлением используется для обнаружения утечек. Для выявления внутренних пустот наиболее эффективны рентгеновский контроль (радиография) и промышленная компьютерная томография, поскольку они позволяют определить размер, форму и расположение пористости внутри детали без ее повреждения.

4. Как избежать пористости при литье?

Избежание пористости требует контроля всего процесса литья. Ключевые меры включают использование чистого, сухого и должным образом дегазированного расплавленного металла, проектирование формы с достаточным количеством вентиляционных каналов и переполнений, оптимизацию скорости и давления впрыска, поддержание постоянной температуры формы для обеспечения равномерного охлаждения, а также проектирование детали с одинаковой толщиной стенок для минимизации усадки.