Giải thích các nguyên nhân chính gây hiện tượng phồng rộp trong đúc khuôn áp lực

TÓM TẮT NHANH

Blistering trong đúc đấm là một khiếm khuyết bề mặt đặc trưng bởi các bong bóng tăng lên do sự mở rộng của khí bị mắc kẹt ngay bên dưới da kim loại. Nguyên nhân chính là khí hoặc không khí bị mắc kẹt do dòng chảy kim loại hỗn loạn và không khí mốc không đủ. Các yếu tố quan trọng khác bao gồm nhiệt độ kim loại nóng chảy hoặc die quá cao, áp dụng chất bôi trơn die không đúng cách và chất gây ô nhiễm hoặc sự bất toàn vật lý trong chính hợp kim nhôm.

Vai trò của khí và không khí bị mắc kẹt trong sự hình thành phồng

Nguyên nhân cơ bản nhất của hiện tượng phồng rộp trong quá trình đúc khuôn áp lực là sự giữ lại khí bên trong buồng khuôn trong quá trình tiêm kim loại. Các vết phồng rộp về cơ bản là một dạng cụ thể của độ xốp do khí, trong đó khí bị giữ lại nằm ngay dưới bề mặt của vật đúc. Khi kim loại nóng chảy đông đặc, lượng khí bị giữ này chịu áp suất rất lớn. Khi chi tiết được đẩy ra khỏi khuôn, lớp kim loại bên ngoài mất đi sự hỗ trợ, và lớp vỏ kim loại vẫn còn mềm có thể bị khí giãn nở đẩy ra ngoài, tạo thành vết phồng rộp rõ rệt.

Khí này có thể bắt nguồn từ nhiều nguồn khác nhau. Thường gặp nhất là không khí đã tồn tại sẵn trong buồng khuôn và hệ thống rãnh dẫn trước khi thực hiện lần tiêm. Nếu kim loại nóng chảy được tiêm vào quá nhanh hoặc nếu đường dòng không được tối ưu hóa, sẽ gây ra hiện tượng xoáy loạn. Dòng chảy hỗn loạn này cuộn ngược lên chính nó, làm bẫy các túi khí mà không thể thoát ra trước khi kim loại đông đặc. Như đã phân tích chi tiết trong một báo cáo kỹ thuật bởi CEX Casting , thiết kế cổng và rãnh dẫn kém là nguyên nhân phổ biến, không đảm bảo dòng chảy kim loại vào khuôn một cách trơn tru và tầng dòng.

Việc thoát khí không đầy đủ là một yếu tố quan trọng khác. Các khe thoát khí là những kênh nhỏ được thiết kế để cho phép không khí trong lòng khuôn thoát ra khi kim loại nóng chảy điền đầy vào. Nếu các khe này bị tắc, quá nhỏ hoặc bố trí không hợp lý, không khí sẽ không thể thoát ra và bị giữ lại bên trong vật đúc. Hậu quả là tạo ra độ xốp và, nếu gần bề mặt, sẽ gây phồng rộp. Tối ưu hóa hệ thống thoát khí là bước quan trọng để ngăn ngừa loại khuyết tật này.

Để giảm thiểu hiện tượng giữ khí và không khí, cần thực hiện một số biện pháp tốt nhất sau:

• Tối ưu hóa thiết kế cổng và rãnh dẫn: Sử dụng phần mềm mô phỏng dòng chảy khuôn để thiết kế hệ thống giúp điền đầy lòng khuôn một cách trơn tru, không gây xáo động.
• Đảm bảo thoát khí đầy đủ: Thiết kế và duy trì các khe thoát khí và cổng tràn sạch sẽ, hiệu quả để cho phép không khí thoát hoàn toàn.
• Kiểm soát tốc độ tiêm: Điều chỉnh cấu hình shot, đặc biệt là giai đoạn shot chậm ban đầu, để nhẹ nhàng đẩy không khí ra khỏi lòng khuôn trước khi bắt đầu điền đầy tốc độ cao.
• Sử dụng Hỗ trợ Chân không: Đối với các bộ phận quan trọng, việc áp dụng quá trình đúc khuôn chân không có thể chủ động loại bỏ không khí khỏi lòng khuôn trước khi tiêm, gần như loại bỏ hoàn toàn nguy cơ khuyết tật do khí bị mắc kẹt.

Thông số Quy trình: Nhiệt độ và Chất bôi trơn Gây ra Hiện tượng Bong bóng như thế nào

Ngoài việc không khí bị giữ lại về mặt vật lý, các thông số vận hành của quy trình cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo điều kiện hình thành bong bóng. Kiểm soát nhiệt độ và việc sử dụng chất bôi trơn là hai trong số những yếu tố quan trọng nhất cần quản lý. Nhiệt độ quá cao, dù là ở kim loại nóng chảy hay ở bản thân khuôn, đều có thể làm trầm trọng thêm các vấn đề liên quan đến khí. Theo một tổng quan từ Sunrise Metal , nhiệt độ cao có thể làm tăng áp suất hơi bên trong hợp kim nóng chảy và khiến chất bôi trơn khuôn bị phân hủy, giải phóng khí và gây ra hiện tượng khí bị mắc kẹt.

Các chất bôi trơn khuôn, hay các tác nhân tách khuôn, là cần thiết để ngăn vật đúc dính vào khuôn, nhưng việc sử dụng sai cách lại là nguyên nhân chính gây ra rỗ khí và phồng rộp. Khi lượng chất bôi trơn được dùng quá nhiều hoặc phun không đều, lượng chất lỏng dư thừa có thể đọng lại trong khuôn. Khi tiếp xúc với kim loại nóng chảy, lượng chất bôi trơn dư này lập tức hóa hơi, tạo ra một thể tích khí lớn không kịp thoát ra qua các van thông hơi. Như đã nêu trong báo cáo của The Hill & Griffith Company , chất bôi trơn pít-tông thường là tác nhân đóng góp lớn nhất, đặc biệt khi dùng thêm chất bôi trơn để bù đắp cho đầu pít-tông đã mài mòn.

Độ ẩm cũng là một yếu tố quan trọng khác. Bất kỳ độ ẩm còn sót lại trong khuôn, từ các đường ống nước bị rò rỉ, vòi phun nhỏ giọt, hay thậm chí từ bản thân chất tách khuôn, sẽ chuyển thành hơi nước ngay khi tiêm vào. Hơi nước này hoạt động giống như bất kỳ khí bị giữ lại nào khác, tạo áp suất dưới bề mặt vật đúc có thể dẫn đến hiện tượng phồng rộp. Do đó, việc duy trì môi trường khuôn khô ráo là điều tối quan trọng.

Để ngăn ngừa các vết phồng rộp do thông số quy trình gây ra, người vận hành cần tuân thủ các biện pháp khắc phục sau:

1. Duy trì kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt: Đảm bảo cả hợp kim nóng chảy và khuôn đều được giữ trong phạm vi nhiệt độ quy định để tránh quá nhiệt và hình thành khí quá mức.
2. Sử dụng chất bôi trơn ít và đồng đều: Sử dụng hệ thống phun tự động để phủ một lớp chất tách khuôn chất lượng cao, ít cặn với lượng tối thiểu và đồng nhất.
3. Đảm bảo thời gian bay hơi: Đảm bảo có đủ thời gian chờ sau khi phun để nước hoặc dung môi trong chất bôi trơn bay hơi hoàn toàn trước khi đóng khuôn.
4. Thực hiện bảo trì định kỳ: Thường xuyên kiểm tra và sửa chữa các đường ống dẫn nước hoặc thủy lực bị rò rỉ, và đảm bảo vòi phun không bị nhỏ giọt.

Các khuyết tật về vật liệu và vật lý là nguyên nhân gốc rễ

Nhóm nguyên nhân cuối cùng liên quan đến độ bền của vật liệu đúc và sự hiện diện của các gián đoạn vật lý trong dòng chảy kim loại. Các vết phồng rộp có thể bắt nguồn từ các tạp chất trong chính hợp kim. Ví dụ, các nguyên tố có điểm sôi thấp như chì hoặc cadimi có thể hóa hơi trong quá trình đúc hoặc xử lý nhiệt sau đó, tạo ra áp suất khí bên trong. Tương tự, hợp kim nhôm có thể hấp thụ hydro trong quá trình nóng chảy, và khi đông đặc, hydro sẽ cố thoát ra ngoài, dẫn đến hiện tượng xốp và phồng rộp.

Các khuyết tật vật lý phát sinh trong quá trình điền đầy cũng rất pernicious. Nghiên cứu công bố trên Engineering Failure Analysis nhấn mạnh rằng các mảnh vụn lạnh — những mẩu kim loại bán đông đặc tách ra từ thành ống bắn — là nguyên nhân chính gây ra các vết phồng lớn, đặc biệt ở những khu vực gần hệ thống cổng rót. Những mảnh vụn này tạo ra các khoảng ngắt quãng trong cấu trúc vi mô của vật đúc. Khí tồn tại trong các khoảng trống này sẽ giãn nở trong quá trình xử lý nhiệt, hình thành các vết phồng bề mặt đáng kể. Các khuyết tật tương tự khác bao gồm giọt lạnh, hạt lạnh và màng oxit, tất cả đều làm phá vỡ tính đồng nhất của kim loại và trở thành các điểm khởi phát hiện tượng phồng rộp.

Việc ngăn ngừa các khuyết tật liên quan đến vật liệu đòi hỏi phải kiểm soát nghiêm ngặt toàn bộ quá trình, từ xử lý nguyên vật liệu đến sản xuất cuối cùng. Việc hợp tác với một nhà cung cấp thể hiện cam kết mạnh mẽ về kiểm soát chất lượng là điều thiết yếu. Ví dụ, các nhà sản xuất linh kiện ô tô hiệu suất cao thường dựa vào các quy trình được chứng nhận như IATF16949 và kiểm soát chất lượng nội bộ để đảm bảo độ bền vật liệu từ đầu đến cuối, đây là một thực hành quan trọng nhằm ngăn ngừa các khuyết tật như vậy.

Để hiểu rõ hơn về những nguyên nhân khác biệt này, bảng dưới đây so sánh các vết phồng rộp do xốp khí gây ra với những vết do khuyết tật vật lý hoặc hóa học:

Các giải pháp bao gồm làm nóng sơ bộ và sấy khô nguyên liệu kỹ lưỡng, sử dụng hợp kim độ tinh khiết cao, và thực hiện các biện pháp khử khí hiệu quả bằng nitơ hoặc argon để loại bỏ hydro hòa tan trước khi đúc.

Câu hỏi thường gặp về hiện tượng bong bóng khí trong đúc khuôn ép

1. Nguyên nhân chính gây ra bong bóng khí trong đúc khuôn ép là gì?

Nguyên nhân chủ yếu gây ra bong bóng khí là khí bị mắc kẹt, thường là không khí từ buồng khuôn, bị nhốt lại do dòng chảy xáo động của kim loại nóng chảy và hệ thống thoát khí không đủ. Khí này, nằm ngay dưới bề mặt vật đúc, giãn nở và đẩy lớp vỏ kim loại mềm lên phía ngoài, tạo thành bong bóng.

2. Xử lý nhiệt có thể gây ra hiện tượng phồng rộp trên chi tiết đúc áp lực không?

Có, xử lý nhiệt là nguyên nhân phổ biến gây ra hiện tượng phồng rộp. Một chi tiết có thể trông hoàn hảo ở trạng thái đúc ban đầu, nhưng nếu có khí bị mắc kẹt hoặc một khiếm khuyết vật lý nằm dưới bề mặt, thì nhiệt độ cao trong quá trình xử lý nhiệt sẽ làm khí giãn nở mạnh, khiến khuyết tật hiện rõ thành vết phồng trên bề mặt.

3. Làm thế nào để phân biệt giữa vết phồng rộp và độ xốp nói chung?

Vết phồng rộp là khuyết tật ở mức bề mặt hoặc gần bề mặt, xuất hiện dưới dạng các vùng phồng lên trên lớp vỏ của vật đúc. Ngược lại, độ xốp nói chung ám chỉ các khoảng rỗng có thể nằm ở bất kỳ vị trí nào bên trong vật đúc, kể cả sâu bên trong chi tiết. Mặc dù cả hai đều do khí bị mắc kẹt gây ra, nhưng vết phồng rộp cụ thể là những lỗ rỗng nằm đủ gần bề mặt để làm biến dạng nó.