Газові та усадкові пори: виявлення критичних дефектів лиття

Коротко

Газова пористість і усадкова пористість — поширені дефекти лиття, що мають різні причини виникнення та зовнішній вигляд. Газова пористість виникає через захоплений газ під час затвердіння, утворюючи гладенькі, сферичні порожнини. Навпаки, усадкова пористість виникає через недостатню кількість розплавленого металу для компенсації об'ємного стиснення під час охолодження виливка, що призводить до утворення шорстких, кутастих порожнин. Розуміння цих фундаментальних відмінностей у причині та морфології є критично важливим для діагностики та запобігання дефектам у виливках із металу.

Розуміння газової пористості: причини та характеристики

Газова пористість є поширеним дефектом у литті металів, який характеризується утворенням пустот через захоплені гази в твердіючому металі. Під час охолодження розплавленого металу його здатність утримувати розчинені гази, такі як водень в алюмінієвих сплавах, значно зменшується. Надлишковий газ виділяється з розчину і утворює бульбашки, які захоплюються, коли метал твердне навколо них. Ці дефекти можуть порушити структурну цілісність і герметичність готового виробу, тому запобігання їм має важливе значення для високоефективних застосувань.

Однією з найхарактерніших ознак газової пористості є її зовнішній вигляд. Порожнини зазвичай мають сферичну або видовжену форму з гладкими, часто блискучими внутрішніми стінками. Така морфологія виникає тому, що бульбашки газу утворюються всередині рідкого або напіврідкого металу, дозволяючи силам поверхневого натягу формувати їх у низькоенергетичну сферичну форму до того, як навколишня структура стане жорсткою. Ці пори можуть проявлятися в різних формах, включаючи підповерхневі раковини, пухирі на поверхні виливка або дрібні розсіяні точкові пори, які часто знаходяться в верхніх частинах виливка.

Причини газової пористості різноманітні, але майже завжди пов’язані з потраплянням матеріалів або умов, що виділяють газ, під час процесів плавлення та лиття. Ефективна діагностика вимагає ретельного дослідження всього виробничого ланцюга. До найпоширеніших причин належать:

• Розчинені гази в розплаві: Розплавлений метал може поглинати гази з атмосфери або від вологих чи забруднених шихтових матеріалів. Водень є основною причиною багатьох дефектів у кольорових сплавах.
• Турбулентність під час розливання: Заповнення форми з високою швидкістю або турбулентним потоком може призвести до фізичного захоплення повітря всередині розплавленого металу, що потім утворює порожнини.
• Волога та забруднювачі: Будь-яка волога від недостатньо просушених форм, стержнів, ковшів або інструментів може випаровуватися при контакті з розплавленим металом, утворюючи пару, яка залишається у виливку. Мастила та зв'язувачі також можуть розкладатися й виділяти гази.
• Низька проникність форми: Якщо матеріал форми або стержня не може достатньо ефективно виводити гази з порожнини, вони мають більшу ймовірність залишитися у плавильному металі під час кристалізації.

Розуміння усадкової пористості: причини та характеристики

Усадкові пори виникають через принципово інший механізм: об'ємне стиснення металу під час переходу з рідкого стану в твердий. Більшість металів є щільнішими у твердому стані, тобто займають менший об'єм. Якщо додатковий розплавлений метал, відомий як живильний метал, не може безперервно надходити в ділянки, які затвердівають останніми, усадка матеріалу призведе до утворення порожнин. Ці дефекти є прямим наслідком переривання шляху живлення на останніх етапах кристалізації.

На відміну від гладких пор у газових пустотах, усадкові пори характеризуються кутастою, нерівною формою та шорсткими внутрішніми поверхнями. Це пов'язано з тим, що пори утворюються в складних, вузьких просторах між переплетеними деревоподібними кристалічними структурами, відомими як дендрити, які ростуть під час затвердіння. Утворена порожнина — це не бульбашка, а саме пустота, яка повторює складний, фрагментований малюнок міждендритних просторів. Дефекти усадки можуть проявлятися у вигляді більших відкритих порожнин на поверхні (трубчасті усадки) або внутрішніх, взаємоз’єднаних мереж тонких тріщин (губчаста або ниткоподібна усадка).

Основною причиною усадкової пористості є недостатньо ефективне керування процесом затвердіння. Під час лиття ідеальне затвердіння має відбуватися направлено, послідовно замерзаючи від найвіддаленішої точки від джерела рідкого металу до приливника або системи живлення. Усадкова пористість виникає, коли цей процес порушується. Основні чинники, що сприяють цьому:

• Недостатня система живлення: Живильники, що є надто малими або замерзають до основного виливка, не можуть подати необхідну кількість розплавленого металу для компенсації усадки.
• Гарячі точки: Товсті ділянки виливка остигають повільніше, ніж прилеглі тонкі ділянки. Ці «гарячі точки» можуть стати ізольованими зонами рідкого металу, і коли вони нарешті затвердівають та усаджуються, немає шляху для живлення металом, щоб заповнити утворену порожнечу.
• Погані температурні градієнти: Неправильний розподіл температури по формі може перешкоджати направленому затвердінню, що призводить до ізольованих ділянок рідини, схильних до усадки.
• Геометрія виливка: Складні конструкції з різкими змінами товщини перерізу за своєю природою більш схильні до утворення гарячих точок та дефектів усадки.

Порівняння: газопроникність проти усадкової пористості

Визначення різниці між газовими та усадковими порами є першим критичним кроком у виявленні дефектів лиття. Хоча обидва типи погіршують якість готової деталі, їхні різні причини вимагають різних рішень. Найбільш надійний метод ідентифікації — це візуальний огляд морфології пори. Порожнини від газу зазвичай сферичні з гладенькими стінками, тоді як ті, що утворилися внаслідок усадки, мають кутасту форму та шорсткі стінки. Детальне порівняння показує додаткові відмінності у їхньому утворенні та розташуванні.

Наведена нижче таблиця містить пряме порівняння ключових характеристик, що відрізняють ці два поширених дефекти лиття:

Час їх утворення є ключовим чинником, що відрізняє їх. Газопроникність може утворитися порівняно рано в піврідкому стані, як тільки температура металу знижується достатньо, щоб зменшити розчинність газу. Пори утворюються у вигляді бульбашок в ще рідкому або напіврідкому середовищі. Навпаки, усадочна пористість — це дефект пізнього етапу. Вона виникає глибоко в піврідкому стані, коли дендритна структура вже добре сформована і щільна, що ускладнює протікання залишкового рідкого металу та живлення останніх кристалізуючихся ділянок. Ця різниця пояснює, чому газові пори мають гладку та круглу форму, тоді як усадочні пори набувають складної форми міждендритних проміжків.

Стратегії запобігання та зменшення пористості при литті

Ефективне запобігання пористості вимагає цільового підходу, заснованого на конкретному типі виявленого дефекту. Стратегії боротьби з газовою пористістю спрямовані на контроль джерел газу, тоді як для ліквідації усадкової пористості важливе значення має управління процесом затвердіння та живленням. Комплексна стратегія контролю якості враховує обидва аспекти.

Запобігання газовій пористості

Зменшення газової пористості передбачає суворий контроль над матеріалами та технологічними процесами, щоб запобігти потраплянню або поглинанню газів у розплавлений метал. Основні профілактичні заходи включають:

1. Обробка розплаву: Застосовуйте методи дегазації, такі як ротаційна дегазація або обробка флюсами, щоб видалити розчинений водень та інші гази з розплаву перед розливкою.
2. Підготовка матеріалів та інструментів: Ретельно просушуйте та нагрівайте всі шихтові матеріали, інструменти, ковші та форми, щоб усунути будь-які джерела вологи. Переконайтесь, що шихтові матеріали чисті, не мають корозії чи масла.
3. Оптимізована система живлення та розливка: Спроектуйте систему живлення для забезпечення плавного, безтурбулентного потоку металу в порожнину форми. Це мінімізує фізичне захоплення повітря під час заповнення.
4. Належна вентиляція форми: Переконайтеся, що форма та будь-які сердечники мають належні вентиляційні отвори, щоб дозволити повітрю та іншим газам виходити з порожнини під час заповнення її розплавленим металом.

Запобігання усадковій пористості

Ключем до запобігання усадці є забезпечення постійної подачі рідкого металу до всіх частин виливки до завершення затвердіння. Цього досягають шляхом ретельного проектування та контролю процесу:

1. Ефективний дизайн прибиків та системи живлення: Спроектуйте прибики достатньо великими, щоб вони залишалися розплавленими довше, ніж ділянка виливки, яку вони живлять. Система живлення повинна забезпечувати напрямлене затвердіння, при якому виливка затвердіває поступово у напрямку до прибика.
2. Контроль затвердіння за допомогою холодильників та втулок: Використовуйте холодильники (металеві вставки), щоб прискорити охолодження товстих ділянок і запобігти гарячим точкам. Ізолюючі або екзотермічні рушниці можуть бути використані на піднімачах, щоб тримати їх розплавленими довше.
3. Геометричні модифікації: Якщо це можливо, модифікуйте конструкцію частини, щоб уникнути різких змін товщини просекції та створити більш плавні переходи, зменшуючи ймовірність виникнення гарячих точок.

Для таких галузей, як автомобільна промисловість, де неспроможність компонентів не є варіантом, партнерство зі спеціалістами з передового металевого формовання є ключовим. Наприклад, такі постачальники, як Shaoyi (Ningbo) Metal Technology продемонструвати рівень точної техніки та контролю процесу, від проектування штампу до масового виробництва, необхідного для виробництва бездефектних компонентів, у випадку з ковінням автомобілів. Ця відданість якості є важливою для зменшення дефектів, таких як пористості, забезпечення надійності в критичних застосуваннях.

Поширені запитання

1. Яка різниця між пористістю і скороченням?

Основна різниця полягає в їхній причині і зовнішності. Поростість, особливо газові пористість, викликається ув'язненим газом і призводить до гладких круглих порожнин. Смаження або смажувальна пористості викликана об'ємним скороченням металу під час охолодження без достатньої кількості рідкого металу, щоб заповнити порожнечу, що призводить до грубих кутових порожнинь.

2. Що викликає сжигаючу пористоту?

Порічність скорочення викликана об'ємним скороченням металу при затвердженні. Якщо потоки розплавленого металу відрізають від частини лиття до того, як воно повністю затвердеться, це скорочення створить порожнечу. Це часто відбувається через недостатнє харчування з піднімаються або утворення ізольованих гарячих точок в товстій просекції.

3. Яке визначення пористості газу?

Газопроникність стосується порожнин у металевому виливку, які утворюються внаслідок захоплення бульбашок газу. Газ може походити від розчинених у розплаві газів, що виділяються під час охолодження, повітря, захопленого при турбулентному розливанні, або вологи та інших забруднювачів, які випаровуються при контакті з гарячим металом.

4. Як можна визначити, чи порожнини у виливку спричинені газовою пористістю чи усадкою?

Найефективнішим способом їх розрізнення є візуальний огляд морфології порожнини. Порожнини від газової пористості зазвичай мають сферичну форму з гладенькими внутрішніми стінками, нагадуючи бульбашку. Навпаки, порожнини від усадкової пористості мають кутасту форму та шорсткі, кристалічні поверхні, оскільки утворюються у проміжках між кристалізуючими дендритами.