อธิบายสาเหตุสำคัญของปัญหาการเกิดพองในกระบวนการหล่อตาย

สรุปสั้นๆ

การเกิดพองในกระบวนการหล่อตายเป็นข้อบกพร่องที่ผิวหน้า ซึ่งแสดงออกโดยการปรากฏเป็นฟองนูนขึ้นมา เกิดจากก๊าซที่ถูกกักไว้ใต้ผิวโลหะและขยายตัว สาเหตุหลักคือการกักตัวของก๊าซหรืออากาศที่เกิดจากการไหลของโลหะที่ไม่สม่ำเสมอและการระบายอากาศของแม่พิมพ์ไม่เพียงพอ ปัจจัยสำคัญอื่น ๆ ได้แก่ อุณหภูมิของโลหะหลอมเหลวหรือแม่พิมพ์สูงเกินไป การใช้สารหล่อลื่นแม่พิมพ์ไม่เหมาะสม รวมถึงสิ่งปนเปื้อนหรือความบกพร่องทางกายภาพภายในโลหะผสมอลูมิเนียมเอง

บทบาทของการกักตัวของก๊าซและอากาศในการก่อตัวของพอง

สาเหตุพื้นฐานที่สุดของการเกิดพอง (blistering) ในการหล่อตายคือ การที่ก๊าซถูกดักอยู่ภายในช่องโพรงแม่พิมพ์ในระหว่างการฉีดโลหะ รอยพองเป็นลักษณะหนึ่งของรูพรุนจากก๊าซ โดยก๊าซที่ถูกดักจะอยู่ใต้ผิวของชิ้นงานที่หล่อขึ้นมา เมื่อโลหะหลอมเหล็วเริ่มแข็งตัว ก๊าซที่ถูกดักไว้จะอยู่ภายใต้แรงดันสูงมาก เมื่อนำชิ้นงานออกจากแม่พิมพ์ การรองรับภายนอกจะหายไป และผิวโลหะที่ยังนิ่มอยู่อาจถูกดันออกด้านนอกโดยก๊าซที่กำลังขยายตัว ทำให้เกิดรอยพองที่มองเห็นได้ชัดเจน

ก๊าซนี้อาจมาจากหลายแหล่งที่มา แต่พบบ่อยที่สุดคือ อากาศที่มีอยู่แล้วภายในช่องโพรงแม่พิมพ์และระบบทางนำก่อนการฉีด หากฉีดโลหะหลอมเหลวเข้าไปเร็วเกินไป หรือเส้นทางการไหลไม่เหมาะสม จะทำให้เกิดการปั่นป่วนของการไหล ซึ่งการไหลที่ปั่นป่วนและไม่เป็นระเบียบนี้จะพับทับกันเอง ทำให้กักอากาศไว้เป็นก้อนเล็กๆ ที่ไม่สามารถระบายออกได้ก่อนที่โลหะจะแข็งตัว ตามที่ได้อธิบายไว้ในรายงานการวิเคราะห์ทางเทคนิคโดย CEX Casting , การออกแบบเกตและรันเนอร์ที่ไม่ดีมักเป็นสาเหตุหลัก เนื่องจากไม่สามารถทำให้โลหะไหลเข้าสู่แม่พิมพ์ได้อย่างเรียบลื่นและเป็นชั้นเดียว

การระบายอากาศไม่เพียงพออีกหนึ่งปัจจัยสำคัญ ช่องระบายอากาศเป็นช่องขนาดเล็กที่ออกแบบมาเพื่อให้อากาศในโพรงแม่พิมพ์สามารถหลุดออกไปได้ขณะที่โลหะหลอมเหลวเติมเต็มพื้นที่ หากช่องระบายถูกอุดตัน มีขนาดเล็กเกินไป หรือติดตั้งในตำแหน่งที่ไม่เหมาะสม อากาศจะไม่มีทางออกและถูกกักอยู่ภายในชิ้นงานหล่อ ส่งผลให้เกิดรูพรุน และหากอยู่ใกล้ผิวหน้าก็จะทำให้เกิดพองขึ้น (blisters) การปรับปรุงระบบระบายอากาศให้มีประสิทธิภาพจึงเป็นขั้นตอนสำคัญในการป้องกันข้อบกพร่องประเภทนี้

เพื่อลดปัญหาการกักเก็บแก๊สและอากาศ ควรดำเนินการตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดหลายประการ ดังนี้

• ปรับปรุงการออกแบบระบบเกตและรันเนอร์ ใช้ซอฟต์แวร์จำลองการไหลของแม่พิมพ์ในการออกแบบระบบที่ช่วยให้การเติมเต็มโพรงแม่พิมพ์เป็นไปอย่างเรียบลื่นและไม่เกิดการปั่นป่วน
• ให้มั่นใจว่ามีการระบายอากาศเพียงพอ ออกแบบและรักษาระบบช่องระบายอากาศและเกตระบายให้อยู่ในสภาพสะอาดและมีประสิทธิภาพ เพื่อให้อากาศสามารถถูกขจัดออกได้อย่างสมบูรณ์
• ควบคุมความเร็วในการฉีด ปรับโพรไฟล์การฉีด โดยเฉพาะช่วงการฉีดช้าเริ่มต้น เพื่อผลักอากาศออกจากโพรงอย่างเบามือ ก่อนที่จะเริ่มขั้นตอนการเติมเต็มด้วยความเร็วสูง
• ใช้ระบบช่วยสูญญากาศ: สำหรับชิ้นส่วนสำคัญ การนำกระบวนการหล่อตายแบบสุญญากาศมาใช้อาจช่วยดูดอากาศออกจากโพรงก่อนการฉีดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ลดความเสี่ยงจากข้อบกพร่องจากแก๊สที่ถูกดักไว้จนเกือบเป็นศูนย์

พารามิเตอร์กระบวนการ: อุณหภูมิและสารหล่อลื่นก่อให้เกิดรอยพองได้อย่างไร

นอกจากการดักจับอากาศในเชิงกายภาพแล้ว พารามิเตอร์การดำเนินงานของกระบวนการยังมีบทบาทสำคัญในการสร้างสภาวะที่ก่อให้เกิดรอยพอง อุณหภูมิและการใช้สารหล่อลื่นมีความสำคัญสูงสุดในการควบคุม ซึ่งอุณหภูมิที่สูงเกินไป ไม่ว่าจะเป็นในโลหะเหลวหรือแม่พิมพ์เอง สามารถทำให้ปัญหาเกี่ยวกับแก๊สแย่ลง ตามคำอธิบายสรุปจาก ซันไรส์ เมทัล อุณหภูมิที่สูงเกินไปอาจเพิ่มแรงดันไอภายในโลหะผสมเหลว และทำให้สารหล่อลื่นสำหรับแม่พิมพ์สลายตัว ปล่อยแก๊สออกมาซึ่งจะถูกดักไว้ในชิ้นงาน

น้ำหล่อลื่นแม่พิมพ์ หรือตัวช่วยปลดปล่อย มีความจำเป็นเพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นงานหล่อติดอยู่กับแม่พิมพ์ แต่การใช้งานที่ผิดวิธีถือเป็นสาเหตุสำคัญของรูพรุนจากแก๊สและฟองพอง เมื่อมีการใช้น้ำหล่อลื่นมากเกินไป หรือฉีดพ่นไม่สม่ำเสมอ ของเหลวส่วนเกินอาจรวมตัวกันอยู่ในแม่พิมพ์ เมื่อสัมผัสกับโลหะหลอมเหลวร้อนจัด น้ำหล่อลื่นส่วนเกินจะกลายเป็นไอระเหยทันที สร้างปริมาตรของแก๊สจำนวนมากซึ่งไม่มีเวลาพอที่จะระบายออกทางช่องระบายอากาศ ตามที่ระบุไว้ในรายงานโดย The Hill & Griffith Company น้ำหล่อลื่นสำหรับลูกสูบมักเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลมากที่สุด โดยเฉพาะเมื่อมีการใช้น้ำหล่อลื่นเพิ่มเติมเพื่อชดเชยปลายลูกสูบที่สึกหรอ

ความชื้นเป็นอีกหนึ่งปัจจัยสำคัญ ความชื้นที่เหลือค้างอยู่ในแม่พิมพ์ ไม่ว่าจะมาจากท่อน้ำรั่ว หัวฉีดหยด หรือแม้แต่ตัวช่วยปลดปล่อยเอง จะเปลี่ยนเป็นไอน้ำทันทีในขณะฉีดเข้าไป ไอน้ำนี้จะทำตัวเหมือนแก๊สอื่นๆ ที่ถูกกักไว้ สร้างแรงดันใต้ผิวของชิ้นงานหล่อ ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดฟองพองได้ ดังนั้น การรักษาระบบแม่พิมพ์ให้แห้งจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

เพื่อป้องกันการเกิดพองจากพารามิเตอร์กระบวนการ ผู้ปฏิบัติงานควรยึดถือตามมาตรการแก้ไขดังต่อไปนี้:

1. ควบคุมอุณหภูมิอย่างเข้มงวด: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าทั้งโลหะผสมหลอมเหลวและแม่พิมพ์อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด เพื่อป้องกันการร้อนเกินไปและการเกิดก๊าซมากเกิน
2. ใช้น้ำหล่อเย็นอย่างพอเหมาะและสม่ำเสมอ: ใช้ระบบพ่นอัตโนมัติในการพ่นสารปล่อยตัวชนิดคุณภาพสูงที่ตกค้างน้อยในปริมาณน้อยและสม่ำเสมอ
3. เวลารอให้ระเหย: ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีช่วงเวลาหน่วงหลังจากการพ่น เพื่อให้สารตัวทำละลายหรือน้ำในน้ำหล่อเย็นระเหยออกอย่างสมบูรณ์ ก่อนที่แม่พิมพ์จะปิด
4. ดำเนินการบำรุงรักษาเป็นประจำ: ตรวจสอบและซ่อมแซมท่อรั่วของน้ำหรือไฮดรอลิกอย่างสม่ำเสมอ และตรวจสอบให้แน่ใจว่าหัวพ่นไม่มีการหยด

ข้อบกพร่องของวัสดุและทางกายภาพเป็นสาเหตุราก

หมวดหมู่สุดท้ายของสาเหตุเกี่ยวข้องกับความสมบูรณ์ของวัสดุที่ใช้หล่อและการมีอยู่ของความไม่ต่อเนื่องทางกายภาพภายในกระบวนการไหลของโลหะ แผลพุพอง (Blisters) อาจเกิดจากสิ่งปนเปื้อนในโลหะผสมเอง ตัวอย่างเช่น ธาตุที่มีจุดเดือดต่ำ เช่น ตะกั่ว หรือ แคดเมียม สามารถกลายเป็นไอระหว่างกระบวนการหล่อหรือการอบร้อนขั้นตอนถัดไป ทำให้เกิดแรงดันก๊าซภายใน นอกจากนี้ โลหะผสมอลูมิเนียมสามารถดูดซับไฮโดรเจนขณะหลอมเหลว ซึ่งจะพยายามระเหยออกในช่วงการแข็งตัว ส่งผลให้เกิดรูพรุนและแผลพุพอง

ข้อบกพร่องทางกายภาพที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเติมวัสดุก็ส่งผลกระทบอย่างรุนแรงเช่นกัน การวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Engineering Failure Analysis ชี้ให้เห็นว่าฟลากเย็น—ชิ้นส่วนโลหะที่แข็งตัวบางส่วนและหลุดลอกออกมาจากผนังชอตสลีฟ—เป็นสาเหตุหลักของตุ่มพองขนาดใหญ่ โดยเฉพาะในบริเวณใกล้ระบบเกต การมีอยู่ของฟลากเหล่านี้ทำให้โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานหล่อไม่ต่อเนื่องกัน ก๊าซที่ติดค้างอยู่ในช่องว่างเหล่านี้จะขยายตัวระหว่างกระบวนการอบความร้อน ส่งผลให้เกิดตุ่มพองบนผิวอย่างชัดเจน ข้อบกพร่องที่คล้ายกันอื่นๆ ได้แก่ หยดเย็น (cold drops), ชอตเย็น (cold shots) และฟิล์มออกไซด์ ซึ่งทั้งหมดนี้ล้วนทำให้ความสม่ำเสมอของโลหะถูกรบกวน และกลายเป็นจุดเริ่มต้นของการเกิดตุ่มพอง

การป้องกันความบกพร่องเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้ จําเป็นต้องควบคุมกระบวนการทั้งหมดอย่างเข้มงวด ตั้งแต่การจัดการวัสดุแท้จนถึงการผลิตสุดท้าย การร่วมมือกับผู้จําหน่ายที่แสดงความมุ่งมั่นอย่างแข็งแกร่งต่อการควบคุมคุณภาพเป็นสิ่งจําเป็น ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตอะไหล่รถยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงมักจะพึ่งพาการรับรองกระบวนการ เช่น IATF16949 และการควบคุมคุณภาพภายในเพื่อรับรองความสมบูรณ์แบบของวัสดุตั้งแต่เริ่มต้นจนจบ ซึ่งเป็นแนวปฏิบัติที่สําคัญในการป้องกันอาการบก

เพื่อให้เข้าใจดีขึ้นถึงสาเหตุที่แตกต่างกันนี้ ตารางต่อไปนี้เปรียบเทียบผุ้งที่เกิดจากสารก๊าซที่มีขุมขัดกับผุ้งที่เกิดจากความบกพร่องทางกายภาพหรือทางเคมี

แนวทางแก้ไขรวมถึงการอุ่นล่วงหน้าและทำให้วัตถุดิบแห้งอย่างทั่วถึง การใช้อัลลอยที่มีความบริสุทธิ์สูง และการนำวิธีการกำจัดก๊าซออกอย่างมีประสิทธิภาพมาใช้ โดยใช้ไนโตรเจนหรืออาร์กอนเพื่อกำจัดไฮโดรเจนที่ละลายอยู่ก่อนการหล่อ

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับตุ่มนูนจากการหล่อตาย

1. สาเหตุหลักของตุ่มนูนในการหล่อตายคืออะไร

สาเหตุหลักของตุ่มนูนคือก๊าซที่ถูกกักไว้ โดยมากเป็นอากาศจากโพรงแม่พิมพ์ ซึ่งถูกกักไว้เนื่องจากการไหลของโลหะเหลวที่ปั่นป่วนและการระบายก๊าซไม่เพียงพอ ก๊าซนี้ตั้งอยู่ใต้ผิวของการหล่อ จะขยายตัวและดันผิวโลหะที่อ่อนออกด้านนอก จนเกิดเป็นตุ่ม

2. การบำบัดความร้อนสามารถทำให้เกิดตุ่มพองบนชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยแรงดันได้หรือไม่

ใช่ การบำบัดความร้อนเป็นสาเหตุหนึ่งที่พบได้บ่อยสำหรับการเกิดตุ่มพอง ชิ้นส่วนอาจดูสมบูรณ์แบบในสภาพหลังจากหล่อ แต่หากมีก๊าซถูกกักอยู่หรือมีความไม่ต่อเนื่องของโครงสร้างทางกายภาพอยู่ใต้ผิว ความร้อนสูงจากการบำบัดจะทำให้ก๊าซขยายตัวอย่างมาก ส่งผลให้เกิดตำหนิในรูปแบบของตุ่มพองที่ผิว

3. จะแยกแยะระหว่างตุ่มพองกับรูพรุนทั่วไปอย่างไร

ตุ่มพองเป็นตำหนิที่เกิดขึ้นที่ผิวหรือใกล้ผิว โดยปรากฏเป็นตุ่มโป่งนูนขึ้นมาบนผิวของชิ้นงานหล่อ ในขณะที่รูพรุนทั่วไปหมายถึงโพรงว่างที่อาจเกิดขึ้นได้ทุกตำแหน่งภายในชิ้นงานหล่อ รวมถึงลึกเข้าไปภายในชิ้นส่วน แม้ว่าทั้งสองอย่างจะเกิดจากก๊าซถูกกักไว้ แต่ตุ่มพองนั้นเฉพาะเจาะจงไปยังรูพรุนที่อยู่ใกล้ผิวพอที่จะทำให้ผิวบิดเบี้ยว