Пористість при алюмінієвому литті під тиском: причини та рішення

Коротко

Пористість при алюмінієвому литті під тиском — це маленькі пори або порожнини, що утворюються всередині металу під час його затвердіння. Цей поширений виробничий дефект поділяється на два основні типи: газову пористість, спричинену захопленими газами, та усадкову пористість, що виникає внаслідок зменшення об’єму під час охолодження. Пористість погіршує структурну міцність деталі, герметичність за тиском і якість поверхні, що може призвести до виходу компонента з ладу. Проте її можна ефективно контролювати та мінімізувати шляхом точного регулювання якості матеріалу, конструкції форми та технологічного процесу лиття. Розуміння її причин — перший крок до запобігання.

Визначення пористості при алюмінієвому литті під тиском

У світі високоточного лиття під тиском досягнення бездоганної, міцної деталі є остаточною метою. Проте поширеною проблемою, з якою стикаються виробники, є пористість. Простіше кажучи, пористість — це наявність невеликих небажаних порожнин, отворів або бульбашок повітря всередині готового виливка. За словами експертів у виробництві, цей дефект є основною проблемою, оскільки він безпосередньо підриває механічні властивості та експлуатаційні характеристики кінцевого продукту. Ці порожнини можуть значно зменшити міцність, довговічність і стійкість деталі до втомлення.

Пористість — це не одиничний вид дефекту; вона проявляється кількома способами, що впливають на придатність компонента. Ці форми, як правило, класифікуються за їхнім розташуванням і зв'язністю:

• Сліпа пористість: Це порожнини, які відкриті до поверхні виливка, але не проходять повністю крізь деталь. Хоча вони можуть і не послаблювати конструкцію компонента, вони можуть утримувати рідини чи чистячі хімікати після додаткової обробки, наприклад анодування, що з часом призводить до дефектів поверхні та корозії.
• Крізна пористість: Такий тип створює неперервний шлях витоку від однієї поверхні виливка до іншої. Для компонентів, які мають бути герметичними, наприклад резервуарів для рідин або корпусів пневматичних систем, крізна пористість є критичною точкою відмови, через яку деталь стає непридатною для використання.
• Повністю закрита пористість: Це внутрішні порожнини, цілком запечатані всередині стінок виливка. Вони невидимі ззовні і можуть не становити проблеми, якщо тільки не будуть виявлені під час подальших операцій механічної обробки, після чого перетворюються на сліпі або крізні пори.

Наслідки пористості є серйозними, особливо в критичних застосуваннях, таких як автотранспортні та авіаційні компоненти. Пориста деталь може руйнуватися під навантаженням, пропускати рідини або гази, або мати погану поверхневу обробку після механічної обробки. Тому розуміння її походження є обов’язковим для будь-якого виробництва високої якості.

Основні типи: пористість від газу та усадки

Хоча існує багато чинників, що призводять до пористості, дефекти майже завжди зводяться до однієї з двох основних причин: захопленого газу або усадки металу. Розрізнення між цими двома типами є вкрай важливим для ефективного виявлення та запобігання проблемам, оскільки їхній зовнішній вигляд і первинні причини суттєво відрізняються. Кожен тип створює унікальні труднощі і вимагає різних рішень.

Газова пористість

Газова пористість виникає через захоплення газу в розплавленому алюмінії під час процесу вливання та затвердіння. Основними винуватцями є водень, який добре розчиняється в розплавленому алюмінії, але погано — в твердому стані, і повітря, яке захоплюється в формі. Під час охолодження металу розчинені гази виділяються з розчину, утворюючи бульбашки. Ці бульбашки назавжди залишаються у пастці, коли метал тверзнеть навколо них. Газові пори зазвичай мають гладку, сферичну або овальну форму та найчастіше розташовані поблизу поверхні виливка.

Усадочна пористість

Усадкові пори виникають тому, що алюміній, як і більшість металів, у твердому стані має більшу густину, ніж у рідкому. Під час охолодження та затвердіння розплавлений метал зменшується в об'ємі. Якщо немає достатньо рідкого металу для заповнення порожнин, утворених цим усаданням, виникають порожнечі. Цей дефект найчастіше трапляється в товстих ділянках виливка, які затвердівають останніми. На відміну від гладких бульбашок газопроникності, усадкова пористість має вигляд шипуватих, кутастих або лінійних тріщин. Вона є прямим наслідком недостатнього живлення розплавленим металом на фінальному етапі кристалізації.

Для з'ясування відмінностей нижче наведено порівняння двох основних типів пористості:

Основні причини та проактивні стратегії профілактики

Запобігання пористості набагато ефективніше та економічніше, ніж виправлення дефектних деталей після виробництва. Успішна стратегія профілактики вимагає комплексного підходу, який враховує конструкцію форми, матеріал і сам процес лиття. Контролюючи ключові параметри, виробники можуть значно зменшити виникнення як газової, так і усадкової пористості.

Усунення причин, пов’язаних із газами

Газова пористість виникає через потрапляння газу в метал або його утримання в формі. Профілактика полягає в тому, щоб не допустити присутності газу.

• Контроль якості розплаву: Використовуйте чисті, сухі сировинні матеріали, щоб уникнути потрапляння вологи, яка утворює водень у розплавленому алюмінію. Дегазація розплаву за допомогою азоту або аргону перед литтям є дуже ефективним методом.
• Оптимізуйте подачу змащувача: Хоча це необхідно, надмірне або неправильне нанесення змащувача для форми може випаровуватися під час інжекції, утворюючи газ, який захоплюється. Використовуйте мінімальну кількість змащувача високої якості та наносіть його рівномірно.
• Забезпечте належну вентиляцію: Форма повинна мати достатню кількість вентиляційних отворів і перепускних каналів, щоб повітря в порожнині могло виходити під час вприскування розплавленого металу. Забруднені або погано спроектовані вентиляційні отвори є основною причиною затримки повітря.
• Регулюйте процес інжекції: Турбулентний процес заповнення може захоплювати повітря в метал. Оптимізація швидкості пострілу та профілю тиску забезпечує плавне, поступове заповнення, яке витискає повітря попереду потоку металу.

Контроль причин, пов’язаних із усадкою

Усадкові пори — це боротьба з фізикою, яку можна контролювати шляхом регулювання охолодження виливка. Ключовим є забезпечення товстих ділянок постійним живленням розплавленим металом до повного затвердіння.

• Підтримуйте високий тиск металу: Фаза високого тиску при литті під тиском має вирішальне значення для боротьби з усадкою. Як пояснюють експерти галузі, система інтенсифікації створює величезний тиск під час кристалізації, щоб примусити розплавлений метал заповнювати формуючі усадкові пори. Підтримання достатнього статичного та інтенсивного тиску є необхідним.
• Оптимізуйте температуру матриці: Нерівномірне охолодження призводить до гарячих зон, схильних до усадки. Використовуючи стратегічно розташовані канали охолодження та нагріву в матриці, виробники можуть сприяти напрямленому затвердінню, коли виливок кристалізується послідовно у напрямку до литникового каналу, що дозволяє постійно живити його розплавленим металом.
• Покращте конструкцію деталі та матриці: Створення деталей із однаковою товщиною стінок — найкращий спосіб уникнути усадки. Там, де неможливо уникнути товстих ділянок, їх слід розташовувати ближче до виливка. Замість гострих кутів слід використовувати великі фаски та заокруглені кути, оскільки гострі кути можуть створювати ізольовані гарячі зони.

У кінцевому підсумку, запобігання пористості починається з надійного проектування та виробничого процесу. Важливо співпрацювати з постачальником, який має глибоку експертизу у контролі процесів. Наприклад, постачальники, які мають сертифікацію IATF16949 для автозапчастин, роблять акцент на суворому контролі якості та внутрішньому проектуванні матриць, що безпосередньо усуває первинні причини дефектів, таких як пористість, ще з початку проекту.

Методи перевірки для виявлення пористості

Оскільки не вся пористість видима на поверхні, виробники покладаються на низку методів перевірки, щоб забезпечити відповідність деталей стандартам якості. Ці методи, які часто називають неруйнівним контролем (NDT), дозволяють виявляти внутрішні дефекти без пошкодження компонента. Вибір правильного методу залежить від критичності деталі, типу передбачуваної пористості та обмежень бюджету.

Поширені методи перевірки включають:

• Візуальна перевірка: Найпростіший метод, який використовується для виявлення пористості на поверхні, наприклад пухирів або відкритих отворів. Хоча цей метод легко виконувати, він не може виявити внутрішні дефекти.
• Рентгенівська інспекція (радіографія): Це один із найбільш надійних методів виявлення внутрішньої пористості. Деталь опромінюється рентгенівськими променями, а отримане зображення показує зміни густини. Порожнечі виглядають як темніші ділянки на радіограмі, що дозволяє інспекторам бачити їхній розмір, форму та місце розташування.
• Комп'ютерна томографія (CT-сканування): Просунута форма рентгенівського випромінювання, комп'ютерна томографія створює повну тривимірну модель деталі, забезпечуючи всебічний огляд усіх внутрішніх і зовнішніх особливостей. Цей метод є дуже точним для визначення точного об’єму та розподілу пористості, але також є найбільш дорогим.
• Тест на тиск: Цей метод спеціально використовується для виявлення проникної пористості в деталях, призначених для герметичності під тиском. Виливок герметизують і нагнітають повітрям або рідиною. Зниження тиску або поява бульбашок під час занурення у воду вказує на наявність шляху витоку.

У багатьох випадках стандарти прийняття, наприклад, від ASTM International, визначають допустиму кількість і розмір пористості для певного застосування. Як зазначають фахівці з лиття, ці методи неруйнівного контролю мають вирішальне значення для перевірки того, що компоненти відповідають необхідним стандартам якості та безпеки перед їх введенням в експлуатацію. Ця перевірка є критично важливою частиною виробничого процесу .

Поширені запитання

1. Що спричиняє пористість у алюмінієвому литті?

Пористість у алюмінієвому литті виникає переважно через два фактори: розчинення та наступне виділення газоподібного водню під час затвердіння (газова пористість) і зменшення об’єму або усадки металу під час охолодження від рідкого до твердого стану (усаджувальна пористість). Інші чинники включають захоплене повітря через погану вентиляцію, надлишок мастила для форми та нестабільний тиск металу.

2. Що таке пористість при литті під тиском?

При литті під тиском пористість означає наявність малих отворів, порожнин або бульбашок повітря всередині металевої структури виливка. Це вважається дефектом, оскільки знижує щільність і механічну міцність деталі та може створювати шляхи протікання в деталях, які мають бути герметичними під тиском.

3. Як перевірити пористість у алюмінієвому литті?

Пористість у алюмінієвих виливках можна перевірити за допомогою кількох методів неруйнівного контролю (NDT). Візуальний огляд дозволяє виявити поверхневі дефекти, тоді як перевірка під тиском використовується для виявлення витоків. Для внутрішніх порожнин найефективнішими є рентгенівський контроль (радіографія) та промислове комп’ютерне томографування, оскільки вони дозволяють визначити розмір, форму та місце розташування пористості всередині деталі без її пошкодження.

4. Як уникнути пористості у литті?

Щоб уникнути пористості, необхідно контролювати весь процес лиття. Основні стратегії включають використання чистого, сухого та належним чином продегазованого розплавленого металу, проектування форми з належною вентиляцією та перепусками, оптимізацію швидкості та тиску ін’єкції, підтримання стабільної температури форми для забезпечення рівномірного охолодження, а також проектування деталі з однаковою товщиною стінок, щоб мінімізувати усадку.