Osnovne strategije za preprečevanje poroznosti pri litju pod tlakom

POVZETEK

Preprečevanje poroznosti pri litju pod tlakom, napake, ki jo povzroča ujet plin ali krčenje kovine, zahteva sistematičen pristop. Učinkovito preprečevanje temelji na optimizaciji oblikovanja kalupa in vlivnikov, ustrezni ventilaciji kalupa ter natančnem nadzoru tlaka in temperature med postopkom litja. Pri delih, ki so že prizadeti, vakuumsko impregnacija je zanesljiv postopek po litju za trajno tesnjenje notranjih votlin in reševanje komponent.

Razumevanje koreninskih vzrokov poroznosti

Porozenost, prisotnost majhnih praznin ali lukenj v končanem litju, je ena najpogostejših težav pri litju pod tlakom. Škodljivo vpliva na strukturno celovitost, tesnost pod tlakom in površinsko kakovost komponente. Učinkovito preprečevanje te napake se začne s jasnim razumevanjem dveh glavnih oblik: plinske poroznosti in strukturne poroznosti. Vsaka vrsta ima različne vzroke in značilnosti, pravilna identifikacija prisotne oblike pa je prvi korak k uvedbi ustreznega reševanja.

Pojavnost plinskih votlin nastane, ko je plin ujet v taljeni kovini med strjevanjem. Ta plin lahko izvira iz več virov. Lahko gre za zrak, ujet v cev za polnjenje ali pripravek med procesom visokohitrostnega litja, paro, ki nastane iz prekomernega ali z vlago onesnaženega ločila za kalupe, ali celo vodik, sproščen iz same taljene zlitine, še posebej pri aluminijastih odlitkih. Dobljene votline so običajno okrogle, z gladkimi stenami in včasih imajo sijajno notranjo površino, ki spominja na majhne mehurčke. Njihova lokacija je lahko naključna, vendar se pogosto pojavljajo v bližini zgornje površine odlitka zaradi njihove vzgona.

Skrčna poroznost pa je posledica naravne zmanjšanja prostornine kovine, ko prehaja iz tekočega v trdno stanje. Če se nekatere dele litja – običajno debelejša območja – ohladijo in strdijo počasneje kot okoliška območja, lahko postanejo izolirana od toka taline, preden popolnoma strdijo. Ko se ta izolirana tekočina nadaljuje s hlajenjem in krčenjem, razteza in razpira, kar ustvarja zarezane, linearno ali razpokam podobne notranje votline. Za razliko od gladkih mehurčkov plinske poroznosti so napake zaradi skrčka kotne in pogosto sledijo dendritni zrnati strukturi strdene kovine.

Diagnosticiranje vrste poroznosti je ključno za učinkovito odpravljanje težav. Natančen pregled, ki pogosto zahteva povečavo, lahko razkrije obliko in naravo praznin. Razumevanje, ali je koreninski vzrok ujeti plin ali nezadostno polnjenje med strjevanjem, določa, ali leži rešitev v izboljšanju prezračevanja in parametrov vbrizgavanja ali v ponovnem oblikovanju geometrije izdelka in upravljanja toplote. Naslednja tabela ponuja jasno primerjavo teh dveh osnovnih vrst napak.

Osnovne preventivne strategije med načrtovanjem in obratovanjem

Najučinkovitejši način boja proti poroznosti je preprečevanje njene nastajanja že od začetka. To zahteva večplasten pristop, ki vključuje inteligentno konstrukcijo delov in modelov ter strogo kontrolo obratovalnih parametrov. Preventivni ukrepi, sprejeti med fazo načrtovanja in litja, so veliko bolj ekonomsko učinkoviti kot poskušanje odpraviti napake v končanih delih.

Prva vrsta obrambe je optimizacija modela in sistema vlivnikov. Vodila in vlivniki morajo biti zasnovani tako, da spodbujajo gladko, neturbulentno pretakanje taline v polnilno votlino. Glede na priročnik podjetja FLOW-3D , lahko slaba konstrukcija vodil uvede turbulenco, ki ujame zrak, ta pa se nato vbrizga v del. Prav tako je zelo pomembno ohranjati enakomerno debelino sten v zasnovi litega dela, da se preprečijo izolirani vroči točki, ki vodijo do krčne poroznosti. Ostri koti naj se izogibajo, saj lahko motijo tok kovine in predstavljajo točke koncentracije napetosti.

Ustrezno prezračevanje je enako pomembno za preprečevanje plinskih por. Ventilacijski kanali so majhni kanali, izdelani v orodju, ki omogočajo izhod zraka iz votline, ko vanjo hiti talina. Če je prezračevanje neustrezno, zrak nima kam iti in ostane ujet v litju. Kot opažajo strokovnjaki pri Lethiguel USA, je uporaba ustrezno dimenzioniranih območij za izsesavanje, kot so ventilacijske plošče, bistvenega pomena za učinkovito odstranjevanje zraka. Lokacija ventilov je enako pomembna kot njihova velikost; postaviti jih je treba v točke, ki se nazadnje napolnijo, ter v vsa globoke udrtine, kjer je verjetno, da bo zrak ujet.

Kontrola temperature in tlaka je osnovna za zmanjšanje obeh vrst poroznosti. Temperatura orodja vpliva na vzorec strjevanja; njeno upravljanje lahko pomaga preprečiti prezgodnje zmrzovanje vrat in zagotovi ustrezno polnjenje debelejših odsekov. Tlak, uporabljen med in po vbrizgavanju, je močno orodje proti krčenju. Kot pojasnjujeta Hill in Griffith, visok povečani tlak, uporabljen med strjevanjem, prisili dodatni taljeni kovinski material v nastajajoče praznine zaradi krčenja, s čimer poveča gostoto izdelka. Ta raven kontrole procesa je bistvena v industriji, kot je avtomobilska, kjer se podjetja, specializirana za die-cast komponente visoke celovitosti, zanašajo na skrbno oblikovanje in zagotavljanje kakovosti za preprečevanje napak.

Za zagotavljanje doslednosti lahko operaterji in inženirji pred zagonom proizvodnje sledijo sistematičnemu kontrolnemu seznamu:

1. Preverite obliko orodja: Poskrbite, da so sistemi vrat in tekalnikov zasnovani za laminarni tok in da so debeline sten čim bolj enakomerne.
2. Preglejte prezračevanje: Prepričajte se, da so vsi odzračevalniki čisti, ustrezno veliki in postavljeni na zadnjih točkah polnjenja.
3. Preverite kakovost materiala: Uporabljajte čiste, suhe zlitine, da zmanjšate vnos vodika in vlage.
4. Umerite parametre stroja: Nastavite in nadzorujte ustrezno hitrost streljanja, tlak vbrizga in intenzifikacijski tlak v skladu s specifikacijami procesa.
5. Upravljajte z temperaturami: Pred začetkom proizvodnje zagotovite, da sta talina kovine in kalibrirna matrica na optimalni obratovalni temperaturi.
6. Kontrolirajte maščenje matrice: Nanesite najmanjšo količino maziva, potrebno za omogočanje izmetavanja delov, in se izogibajte presežku, ki bi se lahko uparil ter povzročil plinsko poroznost.

Napredne tehnike in rešitve po litju

Tudi z najboljšimi preventivnimi ukrepi lahko določena raven mikroporoznosti nastopiti pri procesu litja pod tlakom, zlasti pri zapletenih komponentah. Za aplikacije, kjer je absolutna tesnost pod tlakom nujna, ali za reševanje visoko vrednostnih delov, ki kažejo poroznost, se uporabljajo napredne tehnike in obdelave po litju. Najpomembnejša in najučinkovitejša od teh je impregnacija pod vakuumom.

Vakuumsko impregnacija je postopek, ki je namenjen trajnemu tesnjenju poroznosti, ki bi lahko povzročila puščanje v končanem delu. Postopek ne poveča strukturne trdnosti, vendar je zelo učinkovit pri nareditvi litin nepropustnih za tlak. Postopek vključuje več ključnih korakov. Najprej se porozne lite kose postavi v komoro in iz notranjih votlin izsesa ves zrak. Nato se v komoro doda tekoči tesnilni sredstvo, ki pod tlakom prodre globoko v mikropore. Na koncu se dele odstrani, odvečno tesnilo se izperi s površine in tesnilo znotraj por se utrdi (pogosto s toploto), da tvori trd, inertni polimer, ki trajno zapre poti puščanja. Ta metoda je cenjena zaradi sposobnosti tesnjenja delov brez spreminjanja njihovih dimenzijskih toleranc ali videza.

Druga napredna tehnika, ki se uporablja med samim litjem, je uporaba sistema s podporno vakuumske črpalke. Ta vključuje priklop vakuumske črpalke na kalup in dejansko odstranjevanje zraka iz votline takoj pred in med vbrizgavanjem taline kovine. S ustvarjanjem delnega vakuuma je značilno manj zraka, ki bi se lahko ujel, kar bistveno zmanjša poroznost zaradi plinov. To je preventivni ukrep, nasproti popravnemu značenju impregnacije. Izbira med sistemom s podporno vakuumske črpalke in impregnacijo po litju pogosto odvisna od specifičnih zahtev glede dela, količine proizvodnje in stroškovnih vidikov.

Odločitev, kdaj uporabiti rešitev po litju, kot je vakuumsko impregnacija, je odvisna od pomembnosti aplikacije. Upoštevajte naslednje primere:

• Komponente, tesne na tlak: Pri delih, ki morajo vsebovati tekočine ali pline, kot so komponente gorivnega sistema, motorji, bloki ali hidravlični razdelilniki, je obvezno zapreti vse možne poti puščanja.
• Reševanje visoko vrednih odlitkov: Če se po obdelavi odkrije, da ima zapleten in drag ulitek poroznost, lahko impregnacija predstavlja ekonomičen način reševanja dela, da se izognemo odstranitvi.
• Izboljšanje kakovosti prevleke ali premaza: Tesnjenje slepih površinskih por preprečuje zagozdnjevanje čistilnih raztopin in kislin med predobdelavo, ki bi se kasneje lahko sprostile in povzročile madeže ali mehurčke na končni površini.

Določanje in merjenje standardov sprejemljive poroznosti

Čeprav je cilj zmanjšati poroznost na najnižjo možno raven, je tehnično pogosto neizvedljivo in gospodarsko nerazumno doseči ničelno poroznost pri vsakem litju. Zato je pomemben vidik kontrole kakovosti pri tlačnem litju določitev jasnih in realističnih standardov sprejemljivosti poroznosti. Ti standardi določajo največjo dovoljeno količino, velikost in vrsto poroznosti za določeno komponento glede na njen namen in zahteve glede zmogljivosti. Ta pragmatični pristop zagotavlja, da so deli primerne kakovosti za svoj namen, hkrati pa se izognejo prekomernim stroškom, povezanim s popolnostjo.

Sprejemljiva raven poroznosti je zelo odvisna od namena uporabe dela. Komponenta, ki se uporablja izključno za dekorativne namene, lahko prenese višjo stopnjo notranje poroznosti kot strukturni del, ki je podvržen visokemu napetosti, ali hidravlični del, ki mora biti tesen na tlak. Kritična območja, kot so tesnilne površine, navojni luknji ali deleži, ki prenašajo pomembne mehanske obremenitve, bodo imela veliko strožje standarde kot necenovna območja. Inženirji kakovosti sodelujejo z načrtovalci in strankami, da določijo ta območja na delu ter določijo posebna merila za sprejem vsakega.

Industrijski standardi, kot jih navaja ASTM, zagotavljajo okvir za klasifikacijo poroznosti na podlagi njene velikosti in porazdelitve, kot je opazno na radiografijah (rentgenskih posnetkih). Na primer, standard lahko določa, da premer enojne pore na tesnilnem območju aluminijaste tlačno litine ne sme presegati 0,5 mm, verižne pore pa so prepovedane. V nasprotju s tem se na manj pomembnem območju istega dela lahko dovoli večje pore ali večja gostota majhnih por. To zagotavlja, da so napor za kontrolo kakovosti usmerjeni tam, kjer imajo največji pomen.

Analiza stroškov in koristi je osrednja za to razpravo. Zagon proti skoraj ničelni poroznosti zahteva bolj zapleteno orodje, počasnejše cikle, visoko kakovostne materiale in potencialno napredne postopke, kot je uporaba vakuuma, kar vse skupaj poveča strošek na kos. Z določitvijo sprejemljivih standardov lahko proizvajalci uravnotežijo stroške proizvodnje z zahtevanimi zmogljivostmi in zanesljivostjo končnega izdelka. To vključuje sodelovalno prizadevanje za jasno dokumentiranje teh standardov na risbah izdelkov in v načrtih kontrole kakovosti, da tako proizvajalec kot kupcu imata skupno razumevanje tega, kaj predstavlja sprejemljiv del.

Pogosto zastavljena vprašanja o litju pod tlakom in poroznosti

1. Kako litje izvesti brez poroznosti?

Doseči litje popolnoma brez poroznosti je izjemno težko. Vendar se temu lahko zelo približate s kombinacijo več strategij. To vključuje optimizacijo oblike dela in kalupa za gladko tokovanje kovine, zagotavljanje obsežnega in primerno razporejenega prezračevanja kalupa, uporabo sistema s podporno vakuumsko črpalko za odvajanje zraka iz votline ter natančno nadzorovanje hitrosti vbrizgavanja, tlaka in temperatur. Za kritične aplikacije se pogosto uporablja postranska vakuumsko impregnacija, da se zaprejo morebitne preostale mikroporoznosti.

2. Kako zmanjšati poroznost?

Poroznost se lahko bistveno zmanjša s sistematičnim pristopom. Ključne metode vključujejo: zagotavljanje čiste taline brez plina; optimizacijo sistema vlivnikov in kanalov za zmanjšanje turbulenc; dodajanje ali povečanje prezračevalnih odprtin, da ujeti zrak lahko izstopi; povečanje intenzivnega tlaka, da se omogoči dotakanje območij, ki so nagnjena k strjanju; ter nadzorovanje temperature kalupa in kovine za spodbujanje enakomernega strjevanja.

3. Kolikšna poroznost je dopustna v litju?

Dovoljena količina poroznosti je popolnoma odvisna od namena dela. Nekritični, nestrukturni deli lahko prenesejo precejšnjo notranjo poroznost. Vendar pa so za komponente, ki morajo biti tesne na tlak ali prenašati pomembne mehanske obremenitve, standardi veliko strožji. Kriteriji za sprejem, ki jih pogosto določajo industrijski standardi, določajo največjo dovoljeno velikost, število in lokacijo por v kritičnih in nekritičnih območjih litja.