Основні стратегії запобігання пористості у литті під тиском

Коротко

Запобігання пористості у литті під тиском, дефекту, спричиненого захопленим газом або усадкою металу, вимагає системного підходу. Ефективне запобігання ґрунтується на оптимізації конструкції форми та литникової системи, забезпеченні належного вентилювання прес-форми та точному контролі тиску та температури під час процесу лиття. Для вже пошкоджених деталей вакуумна імпрегнація є надійним методом після лиття для постійного герметизування внутрішніх порожнин і врятування компонентів.

Розуміння основних причин пористості

Пористість, наявність малих пор або отворів у готовому виливку, є однією з найпоширеніших проблем у процесі лиття під тиском. Вона погіршує структурну цілісність, герметичність за тиском і якість поверхні компонента. Ефективне запобігання цьому дефекту починається з чіткого розуміння двох основних його форм: газової та усадкової пористості. Кожен тип має окремі причини й характеристики, а правильне визначення наявного типу є першим кроком до впровадження потрібного рішення.

Газова пористість виникає, коли газ захоплюється в розплавленому металі під час його тверднення. Цей газ може мати кілька джерел. Це може бути повітря, яке залишилося у стріловому рукаві або формі під час процесу високошвидкісного лиття, пара, що утворилася внаслідок надмірного змащування форми або наявності вологи в ньому, або навіть водень, який виділяється з самого розплавленого сплаву, особливо в алюмінієвих виливках. Отримані пори зазвичай мають круглу форму, гладенькі стінки, а іноді — блискучу внутрішню поверхню, схожу на маленькі бульбашки. Вони можуть бути розташовані хаотично, хоча найчастіше з'являються поблизу верхньої поверхні виливка через свою плавучість.

У той же час усадкові пори виникають через природне зменшення об’єму металу під час переходу з рідкого стану в твердий. Якщо окремі ділянки виливка — зазвичай більш товсті — остигають і затвердівають повільніше, ніж оточуючі ділянки, вони можуть відокремитися від потоку розплавленого металу до того, як повністю затвердіють. Коли ця ізольована рідина продовжує остигати й усаджуватися, вона розривається, утворюючи гострокутні, лінійні або схожі на тріщини внутрішні порожнини. На відміну від гладеньких бульбашок газових пор, дефекти усадки мають кутасту форму і часто повторюють дендритну структуру зерен затверділого металу.

Діагностика типу пористості має вирішальне значення для ефективного усунення несправностей. Ретельний огляд, який часто вимагає збільшення, може виявити форму та характер порожнин. Розуміння того, чи є первинною причиною захоплений газ або недостатнє заповнення під час кристалізації, визначає, чи полягає рішення в покращенні вентиляції та параметрів вливання, чи в переробці геометрії деталі та теплового режиму. Наступна таблиця містить чітке порівняння цих двох основних типів дефектів.

Основні стратегії профілактики під час проектування та експлуатації

Найефективнішим способом боротьби з пористістю є запобігання її утворенню з самого початку. Це вимагає багатофакторного підходу, який поєднує інтелектуальне проектування деталей і форми з суворим контролем робочих параметрів. Превентивні заходи, вжиті на етапах проектування та лиття, набагато економніші, ніж спроби усунути дефекти у готових деталях.

Першим рівнем захисту є оптимізація форми та системи живлення. Розливна система та литник мають бути спроектовані так, щоб забезпечувати плавний, нетурбулентний потік розплавленого металу в порожнину матриці. Згідно з посібником FLOW-3D , погана конструкція розливної системи може створювати турбулентність, яка захоплює повітря, що потім потрапляє в деталь. Також важливо підтримувати постійну товщину стінок при проектуванні виливка, щоб запобігти окремим гарячим ділянкам, які призводять до усадкової пористості. Гострі кути слід уникати, оскільки вони можуть порушувати потік металу та створювати концентрації напружень.

Правильна вентиляція має не менш важливе значення для запобігання газопористості. Вентиляційні канали — це невеликі канали, виконані у формі, які дозволяють повітрю, що міститься у порожнині, виходити, коли розплавлений метал стрімко надходить. Якщо вентиляція недостатня, повітря немає куди виходити і воно захоплюється у виливку. Як зазначають експерти Lethiguel USA, використання відповідних за розміром зон евакуації, таких як вентиляційні блоки, є обов’язковим для ефективного видалення повітря. Розташування вентиляційних каналів так само важливе, як і їхній розмір; їх слід розміщувати в останніх точках заповнення та в будь-яких глибоких карманах, де ймовірне затримання повітря.

Контроль температури та тиску є основоположним для мінімізації обох типів пористості. Температура матриці впливає на структуру затвердіння; її регулювання допомагає запобігти передчасному замерзанню затворів і забезпечує належне заповнення більш товстих ділянок. Тиск, що застосовується під час та після ін’єкції, є потужним інструментом у боротьбі з усадкою. Як пояснюють Гілл і Ґріффіт, високий підсилювальний тиск, що застосовується під час затвердіння, сприяє додатковому втисненню розплавленого металу у формуючі порожнини усадки, збільшуючи щільність виробу. Такий рівень контролю процесу має критичне значення в галузях, таких як автомобілебудування, де компанії, що спеціалізуються на високоякісних деталях з лиття під тиском, розраховують на дбайливе проектування та забезпечення якості для запобігання дефектам.

Для забезпечення узгодженості оператори та інженери можуть дотримуватися систематичного контрольного списку перед початком виробничих циклів:

1. Перевірка конструкції форми: Переконайтеся, що система затворів і литникових каналів розроблена для ламінарного потоку, а товщина стінок є максимально рівномірною.
2. Перевірка вентиляції: Переконайтеся, що всі вентиляційні отвори чисті, мають правильний розмір і розташовані в останніх точках заповнення.
3. Перевірка якості матеріалу: Використовуйте чисті сухі злитки сплаву, щоб мінімізувати потрапляння водню та вологи.
4. Калібрування параметрів машини: Встановіть і контролюйте правильну швидкість пострілу, тиск вливання та підвищений тиск відповідно до технологічних специфікацій.
5. Контроль температури: Переконайтеся, що розплавлений метал і форма перебувають при оптимальних робочих температурах перед початком виробництва.
6. Контроль змащення форми: Наносіть мінімальну кількість мастила, необхідну для випуску деталі, уникайте надлишку, який може випаровуватися й спричиняти газопроникність.

Сучасні методи та рішення після лиття

Навіть за умови використання найкращих профілактичних заходів певний рівень мікропористості може бути притаманним процесу лиття під тиском, особливо у складних компонентів. Для застосунків, де абсолютна герметичність є обов’язковою, або для врятування високовартісних деталей, які мають пористість, використовують передові методи та операції після лиття. Найпоширенішим і найефективнішим з них є вакуумне просочування.

Вакуумне імпрегнування — це процес, призначений для постійного ущільнення пористості, яка може створювати шляхи витоку в готовій деталі. Він не додає структурної міцності, але є дуже ефективним для забезпечення герметичності литих заготовок під тиском. Процес включає кілька ключових етапів. По-перше, пористі виливки розміщують у камері, і створюється вакуум для видалення всього повітря з внутрішніх порожнин. Далі, у камеру подається рідкий герметик, який під тиском проникає глибоко в мікропори. Нарешті, деталі виймають, надлишок герметика з поверхні змивають, а герметик усередині пор затвердіває (часто за допомогою нагріву), перетворюючись на суцільний інертний полімер, який назавжди ущільнює шляхи витоку. Цей метод цінують за його здатність ущільнювати деталі без зміни їхніх розмірних допусків чи зовнішнього вигляду.

Ще однією передовою технікою, яка застосовується безпосередньо під час процесу лиття, є використання системи вакуумного підсилювача. Це передбачає підключення вакуумного насоса до форми та активне відкачування повітря з порожнини безпосередньо перед і під час вливання розплавленого металу. Шляхом створення часткового вакууму значно зменшується кількість повітря, яке може залишитися у полостях, що докорінно зменшує газопроникність. Це профілактична заходи, на відміну від виправних методів, таких як пропитування. Вибір між системою вакуумного підсилювача та пропитуванням після лиття часто залежить від конкретних вимог до деталі, обсягу виробництва та економічних факторів.

Рішення щодо використання рішення після лиття, такого як вакуумне пропитування, залежить від важливості застосування. Розгляньте такі сценарії:

• Компоненти, що витримують тиск: Для деталей, які мають утримувати рідини або гази, наприклад компоненти паливної системи, блоки двигунів або гідравлічні розподільники, обов’язковим є герметизація всіх потенційних шляхів витоку.
• Відновлення дорогоцінних виливків: Якщо після обробки виявиться, що складне та дороге лиття має пористість, імпрегнування може бути економічно вигідним способом зберегти деталь від утилізації.
• Покращення якості покриття або нанесення плівки: Герметизація сліпих поверхневих пор запобігає затримці розчинів для очищення та кислот під час попередньої обробки, що згодом може призвести до виділення речовин і виникнення дефектів або пухирів на готовій поверхні.

Встановлення та вимірювання стандартів прийняття пористості

Хоча метою є мінімізація пористості, досягнення нульової пористості у кожному виливку часто технічно неможливе та економічно недоцільне. Тому важливим аспектом контролю якості у литті під тиском є встановлення чітких і реалістичних стандартів прийняття пористості. Ці стандарти визначають максимально допустиму кількість, розмір і тип пористості для певного компонента залежно від його призначення та вимог до експлуатаційних характеристик. Такий прагматичний підхід забезпечує придатність деталей для їхнього призначення без надмірних витрат, пов’язаних із прагненням до абсолютної досконалості.

Допустимий рівень пористості значною мірою залежить від призначення деталі. Компонент, що використовується виключно для декоративних цілей, може мати вищий ступінь внутрішньої пористості, ніж конструктивна деталь, яка піддається високому навантаженню, або гідравлічний компонент, який має бути герметичним під тиском. Критичні ділянки, такі як поверхні ущільнення, різьбові отвори чи зони, що несуть значне механічне навантаження, мають набагато суворіші стандарти, ніж некритичні зони. Інженери з якості працюють разом з конструкторами та замовниками, щоб визначити ці зони на деталі та встановити конкретні критерії прийняття для кожної з них.

Промислові стандарти, такі як ті, на які посилається ASTM, забезпечують основу для класифікації пористості за розміром і розподілом, як це видно на радіографічних знімках (рентгенівських знімках). Наприклад, стандарт може передбачати, що для зони ущільнення алюмінієвого лиття під тиском діаметр окремої пори не повинен перевищувати 0,5 мм, а ланцюгоподібні пори заборонені. Навпаки, в некритичній зоні того самого виробу можуть допускатися більші пори або більша густота малих пор. Це забезпечує те, що зусилля з контролю якості зосереджуються там, де вони найважливіші.

Аналіз витрат та ефективності є центральним у цій дискусії. Прагнення до майже нульової пористості вимагає складнішого оснащення, повільніших циклів, матеріалів вищого ґатунку та, можливо, передових процесів, таких як вакуумне підсилення, що все збільшує вартість кожного окремого виробу. Встановлюючи прийнятні стандарти, виробники можуть збалансувати витрати на виробництво з необхідною продуктивністю та надійністю кінцевого продукту. Це передбачає спільні зусилля щодо чіткого документування цих стандартів у кресленнях деталей та планах контролю якості, забезпечуючи загальне розуміння між виробником і замовником того, що вважається прийнятною деталлю.

Поширені запитання про пористість у литті під тиском

1. Як виливати без пористості?

Досягнення виливки, абсолютно вільної від пористості, є надзвичайно складним. Однак можна досягти близького результату, поєднуючи кілька стратегій. Це включає оптимізацію конструкції деталі та форми для плавного руху металу, забезпечення наявності достатньої кількості добре розташованих вентиляційних каналів у матриці, використання вакуумної системи для видалення повітря з порожнини, а також точний контроль швидкості вливання, тиску та температур. Для критичних застосувань після виливки часто використовується вакуумне імпрегнування для герметизації будь-якої залишкової мікропористості.

2. Як зменшити пористість?

Пористість можна значно зменшити за допомогою системного підходу. Основні методи включають: забезпечення чистоти розплавленого металу та відсутності в ньому газів; оптимізацію системи живлення та литникової системи для зменшення турбулентності; додавання або збільшення вентиляційних отворів, щоб дозволити виходити захопленому повітрю; підвищення тиску інтенсифікації, щоб допомогти заповненню схильних до усадки ділянок; а також контроль температури форми та металу для забезпечення рівномірної кристалізації.

3. Яка кількість пористості є прийнятною у виливці?

Допустима кількість пористості цілком залежить від призначення деталі. Некритичні, неструктурні деталі можуть мати певну кількість внутрішньої пористості. Однак для компонентів, які мають бути герметичними або витримувати значні механічні навантаження, вимоги набагато суворіші. Критерії прийняття, які часто визначаються галузевими стандартами, вказують максимально допустимі розмір, кількість і розташування пор у критичних та некритичних зонах виливка.