Porenost pri litju aluminija pod tlakom: vzroki in rešitve

POVZETEK

Poroznost pri aluminijastem litju pod tlakom se nanaša na majhne praznine ali votline, ki nastanejo znotraj kovine med strjevanjem. Ta pogosta proizvodna napaka se deli predvsem na dva tipa: plinsko poroznost, ki jo povzročijo ujeti plini, in krčno poroznost, ki nastane zaradi zmanjšanja prostornine med hlajenjem. Poroznost ogroža strukturno celovitost, tesnost pod tlakom in kakovost površine dele, kar lahko vodi do okvare komponente. Vendar se jo lahko učinkovito nadzoruje in zmanjša s točnim nadzorom kakovosti materiala, konstrukcije kalupa in postopka litja. Razumevanje njegovih vzrokov je prvi korak k preprečevanju.

Opredelitev poroznosti pri aluminijastem litju pod tlakom

Na področju visokotlačnega litja je doseganje brezhibnega, homogenega elementa končni cilj. Kljub temu pa proizvajalci pogosto srečujejo izziv v obliki poroznosti. Z drugimi besedami, poroznost pomeni prisotnost majhnih, neželenih praznin, lukenj ali zračnih žepov znotraj končnega litega dela. Po mnenju strokovnjakov za proizvodnjo je ta napaka glavni problem, saj neposredno ogroža mehanske lastnosti in delovanje končnega izdelka. Te praznine lahko bistveno zmanjšajo trdnost, vzdržljivost in odpornost delov na utrujanje.

Poroznost ni en sam tip napake; pojavlja se na več načinov, ki vplivajo na uporabnost komponente. Te oblike so ponavadi razvrščene glede na njihovo lokacijo in povezanost:

• Slepa poroznost: To so praznine, odprte proti površini litja, vendar se ne raztezajo popolnoma skozi del. Čeprav lahko strukturno ne oslabijo sestavnega dela, lahko zadržujejo tekočine ali čistilne kemikalije iz nadaljnjih obdelav, kot je anodizacija, kar sčasoma povzroči površinske napake in korozijo.
• Prebitala poroznost: Ta vrsta ustvarja neprekinjeno pot puščanja z ene površine litja na drugo. Pri komponentah, ki morajo biti tesne na tlak, kot so rezervoarji za tekočine ali ohišja za pneumatske sisteme, je prebita poroznost kritična točka odpovedi, zaradi katere del postane neuporaben.
• Popolnoma zaprta poroznost: To so notranje praznine, popolnoma zaprte znotraj sten litja. Nevidne so od zunaj in morda niso problem, razen če pridejo do izraza med nadaljnjimi obdelavami, kot je obdelava z orodjem, pri čemer postanejo slepe ali prebita pore.

Posledice poroznosti so hude, zlasti v kritičnih aplikacijah, kot so avtomobilski in letalski sestavni deli. Porozni del se lahko pokvari ob napetosti, pušča tekočine ali pline ali pa ima po obdelavi slabo površino. Zato je razumevanje njegovih vzrokov bistvenega pomena za vsako proizvodnjo visoke kakovosti.

Glavne vrste: plinska kontra strjevalna poroznost

Čeprav je več dejavnikov, ki lahko vodijo do poroznosti, napake skoraj vedno izhajajo iz dveh osnovnih vzrokov: ujetega plina ali strjevanja kovine. Razlikovanje med tema dvema je ključno za učinkovito odpravljanje težav in preprečevanje, saj se njuni videzi in korenski vzroki razlikujeta. Vsaka vrsta predstavlja edinstvene izzive in zahteva različne rešitve.

Plinska poroznost

Plinska poroznost nastane zaradi zaporjanja plina v taljenem aluminiju med procesoma polivanja in strjevanja. Glavni krivci so vodik, ki je visoko topen v taljenem aluminiju, vendar ne v trdnem stanju, ter zrak, ki se ujame v votlino kalupa. Ko kovina ohlaja, se raztopljeni plini izločijo iz raztopine in oblikujejo mehurčke. Ti mehurčki postanejo trajno ujeti, ko se kovina strdi okoli njih. Plinske pore ponavadi zaznamuje gladka, okrogla ali ovalna oblika in se pogosto nahajajo v bližini površine litja.

Zmrščenostna poroznost

Krčenje povzroča nastanek poroznosti, ker je aluminij, kot večina kovin, v trdnem stanju gostejši kot v tekočem. Ko se taljena kovina ohlaja in strdi, se zmanjšuje njeno prostornino. Če ni na voljo dovolj tekoče kovine za zapolnitev praznin, ki nastanejo zaradi krčenja, se oblikujejo votline. Ta napaka se najpogosteje pojavlja v debelejših delih odlitka, ki so zadnji strdijo. Za razliko od gladkih mehurčkov plinske poroznosti se poroznost zaradi krčenja pojavlja kot ozobčani, kotni ali linearni razpoki. Gre za neposreden rezultat neustrezne prehranjevanja taljene kovine v končnih fazah strjevanja.

Za pojasnitev razlik spodaj primerjamo dve glavni vrsti poroznosti:

Osnovni vzroki in proaktivne strategije preprečevanja

Preprečevanje poroznosti je veliko učinkovitejše in ekonomičnejše kot odpravljanje napak po izdelavi. Uspešna strategija preprečevanja zahteva celostni pristop, ki zajema konstrukcijo kalupa, material in sam postopek litja. Z nadzorom ključnih spremenljivk lahko proizvajalci znatno zmanjšajo pojav napak zaradi plinov in strjevanja.

Odpravljanje vzrokov, povezanih s plini

Plinska poroznost nastane zaradi vnašanja plina v kovino ali zaradi ujetja plina v kalupu. Preprečevanje se osredotoča na izključitev plinov.

• Nadzor kakovosti taline: Uporabljajte čiste in suhe surovine, da se izognete vnosu vlage, ki ustvarja vodikov plin v taljenem aluminiju. Odplinjanje taline z dušikom ali argonom pred litjem je zelo učinkovita metoda.
• Optimizirajte nanos maziva: Čeprav je nujno, prekomerno ali neustrezno nanašano oblikovalno mazivo lahko upari med vbrizgavanjem in ustvari plin, ki se ujame. Uporabite minimalno količino visokokakovostnega maziva in ga enakomerno nanesite.
• Zagotovite primerno prezračevanje: Pritiskalna kalibr mora imeti ustrezne ventilacijske kanale in prelivne komore, da omogoči izhod zraka iz votline, ko se vbrizgava taljen kovina. Zamaščeni ali slabo zasnovani ventili so glavni vzrok ujetega zraka.
• Urejanje procesa vbrizgavanja: Turbulenten postopek polnjenja lahko zajema zrak v kovino. Optimizacija hitrosti in tlaka vbrizgavanja zagotovi gladko in postopno polnjenje, ki zrak iztisne pred tokom kovine.

Kontrola vzrokov, povezanih s krčenjem

Krčenje zaradi poroznosti je boj proti fiziki, ki se ga uravnava z nadzorom hlajenja odlitka. Ključno je zagotoviti, da imajo debelejše dele stalni dotok taline, dokler se popolnoma ne strdijo.

• Ohranite visok tlak kovine: Faza visokega tlaka pri litju pod tlakom je ključna za boj proti krčenju. Kot pojasnjujejo strokovnjaki iz industrije, med strjevanjem sistem intenzivirajočega tlaka uporablja ogromen tlak, s katerim talino prisilno vtisne v nastajajoče praznine zaradi krčenja. Ohranjanje ustrezni statični in intenzivirani tlak je bistveno.
• Optimizirajte temperaturo orodja: Neenakomerno hlajenje povzroča vroče točke, ki so nagnjene k krčenju. Z uporabo ciljno postavljenih hladilnih in grelnih kanalov v orodju lahko proizvajalci spodbujajo usmerjeno strjevanje, pri katerem se odlitek zaporedno strdi proti vratom, kar omogoča neprekinjen dovod taline.
• Izboljšajte konstrukcijo dela in orodja: Načrtovanje delov z enakomerno debelino sten je najboljši način, da se izognemo krčenju. Tam, kjer debelejše odseke ni mogoče izogniti, jih je treba postaviti blizu vrat. Namesto ostrih kotov je treba uporabljati obilne zaokrožitve in zaobljene vogale, saj ostre kote lahko ustvarijo izolirane toplotne točke.

Preprečevanje poroznosti se na koncu začne s trdnim načrtovanjem in proizvodnim procesom. Sodelovanje s dobaviteljem, ki kaže globoko strokovno znanje pri nadzoru procesov, je ključnega pomena. Na primer, dobavitelji, ki imajo certifikat IATF16949 za avtomobilske dele, poudarjajo strogen nadzor kakovosti in notranje načrtovanje orodij, kar že od začetka projekta neposredno naslavlja osnovne vzroke napak, kot je poroznost.

Metode pregleda za odkrivanje poroznosti

Ker ni vsa poroznost vidna na površini, se proizvajalci zanašajo na različne metode pregleda, da zagotovijo, da deli izpolnjujejo kakovostne standarde. Te tehnike, ki se pogosto imenujejo nedestruktivno testiranje (NDT), omogočajo odkrivanje notranjih napak brez poškodbe komponente. Izbira prave metode je odvisna od pomembnosti dela, vrste sumljive poroznosti in proračuna.

Pogoste metode pregleda vključujejo:

• Vizualna pregledovanja: Najenostavnejša metoda, uporabljena za prepoznavo poroznosti na ravni površine, kot so mehurčki ali odprte luknje. Čeprav je enostavna za izvedbo, ne more odkriti notranjih napak.
• Rentgenski pregled (radiografija): To je ena najzanesljivejših metod za odkrivanje notranje poroznosti. Del je izpostavljen rentgenskim žarkom in rezultirajoča slika razkrije spremembe gostote. Praznine se na radiogramu pojavijo kot temnejše točke, kar pregledovalcem omogoča, da vidijo njihovo velikost, obliko in lokacijo.
• Računalniška tomografija (CT): Napredna oblika rentgena, CT skeniranje ustvari popoln 3D model dela, ki omogoča celovit pregled vseh notranjih in zunanjih značilnosti. Zelo natančno določi prostornino in porazdelitev poroznosti, vendar je tudi najdražja metoda.
• Preizkušanje tlaka: Ta metoda se posebej uporablja za odkrivanje prebodne poroznosti v delih, ki so zasnovani tako, da so tesni na tlak. Litje se zapre in pod tlak postavi z zrakom ali tekočino. Padec tlaka ali pojav mehurčkov, ko se potopi v vodo, kaže na puščanje.

V mnogih primerih sprejemni standardi, kot jih določa ASTM International, opredeljujejo dovoljeno količino in velikost poroznosti za dano uporabo. Kot opažajo strokovnjaki za litje, so te netlačne metode ključne za preverjanje, da komponente izpolnjujejo zahtevane standarde kakovosti in varnosti, preden se postavijo v obratovanje. To preverjanje je pomemben del proizvodnega procesa .

Pogosta vprašanja

1. Kaj povzroča poroznost pri aluminijastem litju?

Porenost pri litju aluminija je predvsem posledica dveh dejavnikov: raztapljanje in nato sproščanje vodikovega plina med strjevanjem (plinska porenost) ter zmanjšanje prostornine oziroma krčenje kovine ob ohlajanju iz tekočega v trdno stanje (porenost zaradi krčenja). Drugi prispevajoči dejavniki vključujejo ujet zrak zaradi slabe ventilacije, prekomerno mazivo za kalupe in neenakomeren tlak kovine.

2. Kako se kaže porenost pri tlačnem litju?

Pri tlačnem litju porenost pomeni prisotnost majhnih lukenj, praznin ali zračnih mehurčkov znotraj kovinske strukture litega dela. Šteje se za napako, ker zmanjšuje gostoto in mehansko trdnost sestavnega dela ter lahko povzroči puščanje v delih, ki morajo biti tesni na tlak.

3. Kako preveriti porenost pri aluminijastem litju?

Poroznost pri aluminijastih litinah se lahko preveri z več metodami nedestruktivnega testiranja (NDT). S vizualnim pregledom je mogoče ugotoviti napake na površini, tlak testiranje pa se uporablja za odkrivanje puščanj. Za notranje votline sta najučinkovitejši metodi rentgenski pregled (radiografija) in industrijsko CT skeniranje, saj omogočata razkritje velikosti, oblike in lokacije poroznosti znotraj dela, ne da bi ga poškodovala.

4. Kako se izogniti poroznosti pri litju?

Izogibanje poroznosti vključuje nadzor celotnega postopka litja. Ključne strategije vključujejo uporabo čistega, suhega in ustrezno odplinjenega taljenega kovine, načrtovanje kalupa z zadostnimi ventilacijskimi odprtinami in prelivniki, optimizacijo hitrosti in tlaka vbrizgavanja, vzdrževanje enakomerne temperature kalupa za zagotavljanje enakomernega hlajenja ter načrtovanje dela z enakomerno debelino sten za zmanjšanje krčenja.