Pórovitosť pri tlakovej liatine z hliníka: Príčiny a riešenia

ZKRATKA

Pórovitosť pri tlakovej liatine z hliníka označuje malé dutiny alebo priestory, ktoré vznikajú vo vnútri kovu počas tuhnutia. Táto bežná výrobná vada sa primárne delí na dva typy: plynovú pórovitosť, spôsobenú zachytenými plynmi, a pórovitosť zmršťovaním, ktorá vzniká znížením objemu počas chladenia. Pórovitosť narušuje štrukturálnu pevnosť súčiastky, tesnosť pod tlakom a kvalitu povrchu, čo môže viesť k poruche komponentu. Avšak dá sa účinne riadiť a minimalizovať presnou kontrolou kvality materiálu, návrhu formy a procesu liatia. Pochopenie jeho príčin je prvým krokom k prevencii.

Definovanie pórovitosti pri hliníkovom tlakovom odliatí

Vo svete vysokotlakového lisovania je cieľom dosiahnuť bezchybnú, plnú súčiastku. Avšak bežnou výzvou, pred ktorou výrobcovia stojia, je pórovitosť. Jednoducho povedané, ide o prítomnosť malých, nežiaducich dutín, otvorov alebo váčkov vzduchu vo vylitej súčiastke. Podľa odborníkov z oblasti výroby ide o hlavný problém, pretože priamo narušuje mechanické vlastnosti a výkon konečného výrobku. Tieto dutiny môžu výrazne znížiť pevnosť, trvanlivosť a odolnosť proti únave materiálu.

Pórovitosť nie je jediným typom chyby; prejavuje sa viacerými spôsobmi, ktoré ovplyvňujú funkčnosť súčiastky. Tieto formy sa zvyčajne klasifikujú podľa ich polohy a prepojenia:

• Slepá pórovitosť: Toto sú dutiny otvorené na povrch odliatku, ale neprechádzajú úplne cez celú súčiastku. Hoci nemusia štrukturálne oslabiť komponent, môžu zachytávať kvapaliny alebo čistiace chemikálie z následných spracovateľských operácií, ako je anodizácia, čo môže viesť k povrchovým chybám a korózii v priebehu času.
• Priepustnosť cez celú hrúbku: Tento typ vytvára nepretržitú cestu úniku z jedného povrchu odliatku na druhý. U komponentov, ktoré musia byť tesné voči tlaku, ako napríklad nádrže na kvapaliny alebo pneumatické skrine, je priepustnosť cez celú hrúbku kritickým miestom zlyhania, ktoré urobí súčiastku nepoužiteľnou.
• Úplne uzavretá pórovitosť: Toto sú vnútorné dutiny úplne uzavreté vo stenách odliatku. Zvonku nie sú viditeľné a nemusia predstavovať problém, pokiaľ nie sú odkryté počas následných obrábacích operácií, v ktorom prípade sa stanú slepými alebo prechádzajúcimi pórami.

Následky pórovitosti sú vážne, najmä v kritických aplikáciách, ako sú autonómne a letecké komponenty. Diel s pórovitosťou sa môže pri zaťažení zlomiť, netesniť kvapaliny alebo plyny, alebo môže mať po obrábaní chudobný povrchový úprav. Preto je pochopenie jej pôvodu nevyhnutné pre každú výrobu vysokej kvality.

Hlavné typy: Pórovitosť spôsobená plynom vs. smršťovanie

Aj keď na pórovitosť môže viesť mnoho faktorov, chyby sa takmer vždy dajú pripísať jednej z dvoch základných príčin: zachytenému plynu alebo smršťovaniu kovu. Rozlíšenie medzi týmito dvoma typmi je rozhodujúce pre účinné odstraňovanie problémov a ich prevenciu, keďže ich vzhľad a základné príčiny sú odlišné. Každý typ prináša jedinečné výzvy a vyžaduje rôzne riešenia.

Plynová pórovitosť

Poróznost plynu je spôsobená uväznením plynu v roztavenom hliníku počas procesu vstrekovania a tuhnutia. Hlavnými viníkmi sú vodík, ktorý je veľmi rozpustný v roztavenom hliníku, ale nie v pevnom stave, a vzduch, ktorý sa uväzní v dutine matrice. Keď sa kov ochladí, rozpustené plyny sa vytlačia z roztoku a vytvárajú bubliny. Tieto bubliny sa stávajú trvalo uväznenými, keď sa okolo nich kov stvrdí. Plynové póry sú zvyčajne charakterizované hladkým, guľatým alebo oválnym tvarom a často sa nachádzajú v blízkosti povrchu odlievania.

Zmrštenie pórov

Zmršťovanie v dôsledku zmršťovania nastáva preto, že hliník, rovnako ako väčšina kovov, je v tuhom stave hustejší než v kvapalnom stave. Keď sa roztavený kov ochladzuje a tuhne, zmenšuje sa jeho objem. Ak nie je k dispozícii dostatok kvapalného kovu na vyplnenie dutín vzniknutých týmto zmršťovaním, vytvoria sa dutiny. Tento defekt sa najčastejšie vyskytuje v hrubších častiach odliatku, ktoré sú posledné, čo ztuhnú. Na rozdiel od hladkých bublín plynovej pórovitosti sa zmršťovanie prejavuje ako nerovné, uhlovité alebo lineárne trhliny. Je to priamy dôsledok nedostatočného prívodu roztaveného kovu počas posledných štádií tuhnutia.

Na objasnenie rozdielov uvádzame porovnanie dvoch hlavných typov pórovitosti:

Hlavné príčiny a preventívne stratégií ich odstránenia

Prevencia pórovitosti je oveľa účinnejšia a hospodárnejšia než riešenie chybných súčiastok po výrobe. Úspešná preventívna stratégia vyžaduje komplexný prístup, ktorý zohľadňuje návrh formy, materiál a samotný proces odlievania. Kontrolou kľúčových premenných môžu výrobcovia výrazne znížiť výskyt porozity spôsobenej plynom aj zmršťovaním.

Riešenie príčin súvisiacich s plynmi

Pórovitosť spôsobená plynmi vzniká vpúšťaním plynu do kovu alebo jeho uzatváraním vo forme. Prevencia sa zameriava na zabránenie vniknutiu plynov.

• Kontrola kvality taveniny: Používajte čisté, suché suroviny, aby ste predišli zavádzaniu vlhkosti, ktorá vytvára vodíkový plyn v roztavenom hliníku. Odplyňovanie taveniny dusíkom alebo argónom pred odliatím je veľmi účinnou metódou.
• Optimalizujte aplikáciu maziva: Hoci je nevyhnutné, nadmerné alebo nesprávne aplikované formovacie mazivo sa môže počas vstrekovania odpariť a vytvoriť plyn, ktorý sa zachytí. Použite minimálne množstvo kvalitného maziva a naneste ho rovnomerne.
• Zabezpečte správne vetranie: Forma musí mať dostatočné ventilačné otvory a prebytkové kanály, aby sa mohol vzduch z dutiny uvoľniť, keď sa do nej vstrekne roztavený kov. Uzavreté alebo zle navrhnuté ventily sú hlavnou príčinou zachyteného vzduchu.
• Regulujte proces vstrekovania: Turbulentné plnenie môže zachytiť vzduch do kovu. Optimalizácia rýchlosti a tlakového profilu výstreku zabezpečí hladké, postupné plnenie, ktoré vytlačí vzduch pred tokom kovu.

Kontrola príčin súvisiacich so smršťovaním

Zmršťovacia pórovitosť je boj proti fyzike, ktorý sa riadi spôsobom chladenia odliatku. Kľúčom je zabezpečiť, aby hrubé časti mali neustály prísun roztaveného kovu až do ich úplného zotvrdnutia.

• Udržiavajte vysoký tlak kovu: Fáza vysokého tlaku pri odliatí do foriem je kritická pre boj proti zmršťovaniu. Ako vysvetľujú odborníci z priemyslu, zosilňovací systém pôsobí obrovským tlakom počas tuhnutia, aby vtlačil roztavený kov do vznikajúcich dutín spôsobených zmršťovaním. Udržiavanie dostatočného statického a zosilneného tlaku je nevyhnutné.
• Optimalizujte teplotu formy: Nerovnomerné chladenie spôsobuje horúce miesta, ktoré sú náchylné na zmršťovanie. Použitím strategicky umiestnených chladiacich a vyhrievacích kanálov vo forme môžu výrobcovia podporiť smerové tuhnutie, pri ktorom sa odliatok postupne zmrzne smerom ku vsuvu, čo umožňuje neustále dopĺňanie roztaveného kovu.
• Zlepšite konštrukciu súčiastky a formy: Navrhovanie súčiastok s rovnomernou hrúbkou stien je najlepší spôsob, ako sa vyhnúť smršťovaniu. V prípadoch, keď nie je možné vyhnúť sa hrubým prierezom, mali by byť umiestnené blízko vstreku. Namiesto ostrých uhlov treba použiť široké zaoblenia a zaoblené rohy, ktoré môžu vytvárať izolované horúce miesta.

Zabraňovanie pórovitosti sa nakoniec začína odolným dizajnom a výrobným procesom. Kľúčové je spolupracovať s dodávateľom, ktorý preukazuje hlboké odborné znalosti v oblasti riadenia procesov. Napríklad dodávatelia držiaci certifikáciu IATF16949 pre autodiely zdôrazňujú prísnu kontrolu kvality a vlastný návrh formy, čím priamo riešia základné príčiny chýb, ako je pórovitosť, už od začiatku projektu.

Metódy kontroly na detekciu pórovitosti

Keďže nie všetka pórovitosť je viditeľná na povrchu, výrobcovia sa spoliehajú na rôzne metódy kontroly, aby zabezpečili, že súčiastky spĺňajú kvalitatívne štandardy. Tieto techniky, často označované ako nedestruktívne skúšanie (NDT), umožňujú detekciu vnútorných chýb bez poškodenia komponentu. Výber správnej metódy závisí od dôležitosti súčiastky, typu predpokladanej pórovitosti a rozpočtových obmedzení.

Bežné metódy kontroly zahŕňajú:

• Vizuálna kontrola: Najjednoduchšia metóda, používaná na identifikáciu povrchovej pórovitosti, ako sú napríklad pľuzgierky alebo otvorené diery. Hoci je jednoduchá na vykonanie, nedokáže detekovať vnútorné chyby.
• Rentgenová kontrola (radiografia): Jedná sa o jednu z najspoľahlivejších metód na detekciu vnútornej pórovitosti. Súčiastka je vystavená röntgenovému žiareniu a výsledný obraz odhaľuje rozdiely v hustote. Dutiny sa na snímke zobrazujú ako tmavšie miesta, čo umožňuje kontrolórmi vidieť ich veľkosť, tvar a polohu.
• Počítačová tomografia (CT) skenovanie: Pokročilá forma röntgenového snímania, CT skenovanie vytvára komplexný 3D model súčiastky, ktorý poskytuje podrobný prehľad všetkých vnútorných a vonkajších prvkov. Je veľmi presné pri určovaní presného objemu a rozloženia pórov, no zároveň je najnákladnejšou metódou.
• Skúška tlakom: Táto metóda sa špecificky používa na detekciu prepichnutia pórov v súčiastkach určených na tesnenie tlaku. Odliatok sa uzavrie a pretlakuje vzduchom alebo kvapalinou. Pokles tlaku alebo vznik bublín pri ponorení do vody indikuje únikovú cestu.

Vo mnohých prípadoch štandardy prijatia, ako napríklad tie od ASTM International, definujú povolené množstvo a veľkosť pórov pre dané použitie. Ako uvádzajú odborníci na odlievanie, tieto nedestruktívne skúšky sú nevyhnutné na overenie, že komponenty spĺňajú požadované štandardy kvality a bezpečnosti pred ich uvedením do prevádzky. Toto overenie je kritickou súčasťou výrobného procesu .

Často kladené otázky

1. Čo spôsobuje pórovitosť pri liatí hliníka?

Pórovitosť pri liatí z hliníka je spôsobená hlavne dvoma faktormi: rozpustením a následným uvoľňovaním vodíkového plynu počas tuhnutia (plynová pórovitosť) a zmenšovaním objemu alebo smrštovaním kovu pri chladení z tekutého do pevného stavu (pórovitosť spôsobená smrštovaním). Medzi ďalšie prispievajúce faktory patria zachytený vzduch v dôsledku zlého vetrania, nadmerné množstvo maziva na formu a nekonzistentný tlak kovu.

2. Aká je pórovitosť pri tlakovom liatí?

Pri tlakovom liatí pojmom pórovitosť rozumieme výskyt malých dier, dutín alebo bublín vzduchu vo vnútornej štruktúre odliatku. Považuje sa za chybu, pretože znižuje hustotu a mechanickú pevnosť súčiastky a môže vytvárať netesnosti v súčiastkach, ktoré musia byť tesné voči tlaku.

3. Ako skontrolovať pórovitosť pri hliníkovom liatí?

Porozita v hliníkových odliatkoch sa dá skontrolovať pomocou niekoľkých metód nedestruktívneho testovania (NDT). Vizuálna kontrola dokáže identifikovať povrchové chyby, zatiaľ čo tlakové testovanie sa používa na zistenie netesností. Na vnútorné dutiny sú najúčinnejšími metódami röntgenová kontrola (radiografia) a priemyselné CT skenovanie, ktoré dokážu odhaliť veľkosť, tvar a umiestnenie porozity vo vnútri súčiastky bez jej poškodenia.

4. Ako sa vyhnúť porozite pri liatí?

Vyhnúť sa porozite znamená kontrolovať celý proces liatia. Kľúčové stratégie zahŕňajú použitie čistého, suchého a riadne odplyneného roztaveného kovu, navrhnutie formy s dostatočnými výfukmi a prebytkami, optimalizáciu rýchlosti a tlaku vstrekovania, udržiavanie konzistentnej teploty formy na zabezpečenie rovnomerného chladenia a návrh súčiastky s rovnomernou hrúbkou stien, aby sa minimalizovalo smršťovanie.