Độ xốp do khí và co ngót: Nhận diện các khuyết tật đúc nghiêm trọng

TÓM TẮT NHANH

Độ xốp do khí và độ xốp do co ngót là những khuyết tật đúc phổ biến với nguyên nhân và hình dạng khác biệt. Độ xốp do khí xảy ra khi khí bị giữ lại trong quá trình đông đặc, tạo thành các lỗ rỗng trơn, hình cầu. Ngược lại, độ xốp do co ngót được gây ra bởi lượng kim loại lỏng không đủ để bù lại sự co thể tích khi vật đúc nguội, dẫn đến hình thành các khoang rỗng gồ ghề, có dạng góc cạnh. Việc hiểu rõ những khác biệt cơ bản về nguyên nhân và hình thái này là rất quan trọng để chẩn đoán và ngăn ngừa khuyết tật trong các sản phẩm đúc kim loại.

Hiểu về độ xốp do khí: Nguyên nhân và đặc điểm

Độ xốp do khí là một khuyết tật phổ biến trong quá trình đúc kim loại, được đặc trưng bởi sự hình thành các khoảng rỗng do khí bị giữ lại bên trong kim loại đang đông đặc. Khi kim loại nóng chảy nguội đi, khả năng giữ các khí hòa tan, chẳng hạn như hydro trong hợp kim nhôm, giảm đáng kể. Lượng khí dư thừa này bị đẩy ra khỏi dung dịch và tạo thành các bọt khí, sau đó bị giữ lại khi kim loại đông đặc xung quanh chúng. Những khuyết tật này có thể làm ảnh hưởng đến độ bền cấu trúc và độ kín áp suất của chi tiết cuối cùng, do đó việc ngăn ngừa chúng là rất cần thiết đối với các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao.

Sự xuất hiện của xốp khí là một trong những đặc điểm nhận dạng rõ rệt nhất. Các khoảng trống thường có hình cầu hoặc hình elip với thành bên trong nhẵn, thường bóng. Dạng thức này xảy ra do các bọt khí hình thành bên trong kim loại ở trạng thái lỏng hoặc bán lỏng, cho phép lực căng bề mặt kéo chúng thành dạng hình cầu - dạng có năng lượng thấp - trước khi cấu trúc xung quanh trở nên cứng chắc. Những lỗ xốp này có thể biểu hiện dưới nhiều hình thức khác nhau, bao gồm các lỗ rỗ nằm dưới bề mặt, các vết phồng rộp trên bề mặt vật đúc, hoặc các lỗ nhỏ li ti phân bố rải rác, thường xuất hiện ở phần trên của vật đúc.

Nguyên nhân gốc rễ gây ra xốp khí rất đa dạng nhưng gần như luôn liên quan đến việc đưa vào các vật liệu hoặc điều kiện sinh khí trong quá trình nấu chảy và đúc. Việc chẩn đoán hiệu quả đòi hỏi phải kiểm tra cẩn thận toàn bộ chuỗi sản xuất. Một số nguyên nhân phổ biến nhất bao gồm:

• Khí hòa tan trong mẻ nấu: Kim loại nóng chảy có thể hấp thụ khí từ khí quyển hoặc từ vật liệu nạp ẩm hoặc bị nhiễm bẩn. Hydrogen là nguyên nhân chính gây ra nhiều vấn đề trong các hợp kim màu.
• Xáo trộn trong quá trình rót: Việc điền đầy khuôn với tốc độ cao hoặc xáo trộn mạnh có thể làm không khí bị cuốn vào bên trong kim loại nóng chảy, dẫn đến hình thành các khoảng rỗng.
• Độ ẩm và tạp chất: Bất kỳ độ ẩm nào từ khuôn, lõi, muôi, hay dụng cụ sấy không đúng cách đều có thể hóa hơi khi tiếp xúc với kim loại nóng chảy, tạo ra hơi nước bị giữ lại trong vật đúc. Các chất bôi trơn và chất kết dính cũng có thể phân hủy và giải phóng khí.
• Độ thấm khí thấp của khuôn: Nếu vật liệu khuôn hoặc lõi không thể thoát khí một cách đầy đủ khỏi buồng khuôn, khí sẽ dễ bị giữ lại bởi kim loại đang đông đặc.

Hiểu về rỗ co: Nguyên nhân và đặc điểm

Độ co ngót do co rút phát sinh từ một cơ chế hoàn toàn khác: sự co thể tích của kim loại khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Hầu hết các kim loại có mật độ cao hơn ở dạng rắn, nghĩa là chúng chiếm ít thể tích hơn. Nếu kim loại nóng chảy bổ sung, còn gọi là kim loại nuôi, không thể liên tục tiếp cận các vùng đông đặc muộn nhất, sự co rút vật liệu sẽ tạo ra các khoảng rỗng. Những khuyết tật này là kết quả trực tiếp của việc gián đoạn đường cấp kim loại trong giai đoạn cuối của quá trình đông đặc.

Khác với các khoảng trống trơn nhẵn do rỗ khí gây ra, rỗ co ngót được đặc trưng bởi hình dạng góc cạnh, sắc sảo và bề mặt bên trong gồ ghề. Điều này xảy ra vì các khoảng trống hình thành trong những không gian hẹp, ngoằn ngoèo còn lại giữa các cấu trúc tinh thể đan xen dạng cây gọi là dendrit, vốn phát triển trong quá trình đông đặc. Khoảng trống tạo thành không phải là bọt khí mà là một vùng trống rỗng theo mô hình phức tạp, bị vỡ vụn của các khe gian dendrit này. Các khuyết tật co ngót có thể xuất hiện dưới dạng các hốc lớn, hở trên bề mặt (gọi là pipe) hoặc dưới dạng mạng lưới liên kết bên trong gồm các vết nứt nhỏ (rỗ co xốp hay rỗ co dạng sợi).

Nguyên nhân chính gây ra rỗ co ngót là sự thất bại trong việc kiểm soát hiệu quả quá trình đông đặc. Khi một vật đúc đông đặc, lý tưởng nhất là quá trình này diễn ra theo hướng, lần lượt đóng băng từ điểm xa nhất so với nguồn kim loại lỏng về phía đậu ngót hoặc hệ thống cấp kim loại. Rỗ co ngót xảy ra khi quá trình này bị gián đoạn. Các yếu tố chính góp phần bao gồm:

• Hệ thống cấp liệu không đầy đủ: Các ống đậu ngót quá nhỏ hoặc đóng rắn trước vật đúc chính thì không thể cung cấp đủ kim loại lỏng để bù lại sự co ngót.
• Điểm nóng: Các phần dày của vật đúc nguội chậm hơn các phần mỏng liền kề. Những "điểm nóng" này có thể trở thành các vùng kim loại lỏng bị tách biệt, và khi chúng cuối cùng đông đặc và co ngót, sẽ không có đường dẫn nào để kim loại cấp bù điền vào khoảng trống hình thành.
• Gradient nhiệt độ kém: Sự phân bố nhiệt độ không đúng trong khuôn có thể ngăn cản quá trình đông đặc theo hướng, dẫn đến các vùng lỏng bị cô lập dễ bị co ngót.
• Hình dạng vật đúc: Các thiết kế phức tạp có sự thay đổi đột ngột về độ dày tiết diện vốn dĩ dễ bị hình thành điểm nóng và các khuyết tật co ngót hơn.

So sánh trực tiếp: Rỗ khí vs. Rỗ co

Phân biệt giữa độ xốp do khí và co ngót là bước đầu tiên quan trọng trong việc xử lý các khuyết tật đúc. Mặc dù cả hai đều làm giảm độ bền của chi tiết cuối cùng, nhưng nguyên nhân khác nhau của chúng đòi hỏi các giải pháp khác nhau. Phương pháp xác định đáng tin cậy nhất là kiểm tra trực quan hình dạng của lỗ xốp. Các khoang do khí thường có dạng cầu với thành nhẵn, trong khi những khoang do co ngót thì có dạng góc cạnh và thô ráp. Một so sánh chi tiết sẽ cho thấy thêm các điểm khác biệt về quá trình hình thành và vị trí xuất hiện.

Bảng dưới đây cung cấp bảng so sánh trực tiếp các đặc điểm chính phân biệt hai loại khuyết tật đúc phổ biến này:

Thời điểm hình thành của chúng là yếu tố khác biệt quan trọng. Rỗ khí có thể hình thành tương đối sớm trong vùng bán lỏng, ngay khi nhiệt độ kim loại giảm đủ để làm giảm độ hòa tan khí của nó. Các lỗ rỗ hình thành dưới dạng bọt khí trong môi trường vẫn còn lỏng hoặc bán lỏng. Ngược lại, rỗ co ngót là khuyết tật xảy ra ở giai đoạn muộn. Nó xuất hiện sâu bên trong vùng bán lỏng khi mạng dendrit đã phát triển đầy đủ và dày đặc, khiến kim loại lỏng còn lại khó chảy và cung cấp đầy đủ cho các vùng kết tinh cuối cùng. Sự khác biệt này giải thích tại sao các lỗ khí thường trơn tru và tròn, trong khi các lỗ rỗ co ngót lại có hình dạng phức tạp giống như các khe gian dendrit.

Các chiến lược phòng ngừa và giảm thiểu rỗ trong đúc

Việc ngăn ngừa hiệu quả hiện tượng xốp đòi hỏi một phương pháp tiếp cận có trọng tâm dựa trên loại khuyết tật cụ thể đã xác định. Các chiến lược đối với lỗ rỗ khí tập trung vào việc kiểm soát nguồn khí, trong khi các chiến lược đối với lỗ rỗ co ngót tập trung vào việc quản lý quá trình đông đặc và cấp liệu. Một chiến lược kiểm soát chất lượng toàn diện sẽ giải quyết cả hai vấn đề này.

Ngăn ngừa lỗ rỗ khí

Giảm thiểu lỗ rỗ khí đòi hỏi phải kiểm soát nghiêm ngặt các vật liệu và quy trình để ngăn không cho khí được đưa vào hoặc hòa tan vào kim loại nóng chảy. Các biện pháp phòng ngừa chính bao gồm:

1. Xử lý nấu chảy: Áp dụng các kỹ thuật khử khí, chẳng hạn như khử khí bằng rotor hoặc sử dụng chất trợ flux, nhằm loại bỏ hydro hòa tan và các loại khí khác khỏi mẻ nấu trước khi rót.
2. Chuẩn bị vật liệu và dụng cụ: Làm khô kỹ lưỡng và sấy nóng trước tất cả các nguyên liệu nạp, dụng cụ, muôi rót và khuôn để loại bỏ mọi nguồn ẩm. Đảm bảo nguyên liệu nạp sạch sẽ và không bị ăn mòn hay dính dầu mỡ.
3. Tối ưu hóa hệ thống rót và quy trình rót: Thiết kế hệ thống rót để đảm bảo dòng chảy kim loại vào lòng khuôn được trơn tru, không cuộn xoáy. Điều này giảm thiểu việc giữ chặt không khí do tác động cơ học trong quá trình điền đầy.
4. Thoát khí khuôn đúng cách: Đảm bảo khuôn và các lõi có đủ rãnh thoát khí để cho phép không khí và các khí khác thoát ra khỏi lòng khuôn khi kim loại nóng chảy điền đầy vào.

Ngăn ngừa rỗ co

Chìa khóa để ngăn ngừa rỗ co là phải đảm bảo cung cấp liên tục kim loại lỏng đến tất cả các phần của vật đúc cho đến khi quá trình đóng rắn hoàn tất. Điều này đạt được thông qua thiết kế và kiểm soát quy trình cẩn thận:

1. Thiết kế bẫu feeder và hệ thống rót hiệu quả: Thiết kế bẫu feeder đủ lớn để duy trì trạng thái nóng chảy lâu hơn phần vật đúc mà nó đang cấp kim loại. Hệ thống rót cần thúc đẩy quá trình đóng rắn theo hướng, trong đó vật đúc đông đặc dần từ xa về phía bẫu feeder.
2. Kiểm soát quá trình đóng rắn bằng các tấm làm nguội nhanh (chills) và ống lót: Sử dụng các miếng làm nguội nhanh (các chi tiết kim loại chèn vào) để tăng tốc độ làm nguội ở những phần dày và ngăn ngừa các điểm nóng. Có thể sử dụng ống lót cách nhiệt hoặc phản ứng tỏa nhiệt trên các bẫy rót để giữ chúng nóng chảy lâu hơn.
3. Các Thay Đổi Về Hình Học: Nếu có thể, hãy điều chỉnh thiết kế chi tiết để tránh sự thay đổi đột ngột về độ dày tiết diện và tạo ra các chuyển tiếp mượt mà hơn, giảm khả năng xuất hiện các điểm nóng.

Đối với các ngành công nghiệp như ô tô, nơi mà sự cố của bộ phận là điều không thể chấp nhận, thì việc hợp tác với các chuyên gia trong lĩnh vực tạo hình kim loại tiên tiến là yếu tố then chốt. Ví dụ, các nhà cung cấp như Công nghệ kim loại Shaoyi (Ningbo) thể hiện trình độ kỹ thuật chính xác và kiểm soát quy trình cao, từ thiết kế khuôn đến sản xuất hàng loạt, cần thiết để sản xuất các bộ phận không lỗi, trong trường hợp này là rèn các bộ phận ô tô. Cam kết về chất lượng này là rất quan trọng để giảm thiểu các khuyết tật như rỗ khí, đảm bảo độ tin cậy trong các ứng dụng quan trọng.

Các câu hỏi thường gặp

1. Sự khác nhau giữa rỗ khí và co ngót là gì?

Sự khác biệt chính nằm ở nguyên nhân và hình dạng bên ngoài. Tính xốp, cụ thể là tính xốp do khí, xảy ra do khí bị giữ lại và tạo thành các lỗ rỗng trơn, tròn. Co ngót, hay còn gọi là xốp co ngót, xảy ra do sự co thể tích của kim loại khi nguội mà không có đủ kim loại lỏng để lấp đầy khoảng trống, dẫn đến các lỗ rỗng gồ ghề, có hình dạng góc cạnh.

2. Nguyên nhân gây ra xốp co ngót là gì?

Xốp co ngót xảy ra do sự co thể tích của kim loại khi đông đặc. Nếu dòng chảy của kim loại nóng chảy bị cắt đứt khỏi một phần của vật đúc trước khi phần đó hoàn toàn đông đặc, thì sự co này sẽ tạo thành một khoảng trống. Tình trạng này thường do việc cấp kim loại từ bẫu feeder không đủ hoặc do sự hình thành các điểm nóng cách ly trong các phần dày.

3. Xốp do khí được định nghĩa như thế nào?

Khí rỗ đề cập đến các khoảng trống bên trong vật đúc kim loại được hình thành do sự giữ lại của các bọt khí. Khí này có thể xuất phát từ các khí hòa tan trong mẻ nấu bị đẩy ra trong quá trình nguội, không khí bị cuốn vào do rót chảy rối loạn, hoặc độ ẩm và các tạp chất khác bay hơi khi tiếp xúc với kim loại nóng.

4. Làm thế nào để nhận biết các khoang rỗng trong vật đúc là do rỗ khí hay co ngót?

Cách hiệu quả nhất để phân biệt chúng là kiểm tra trực quan hình dạng của khoang rỗng. Các khoang rỗ khí thường có dạng hình cầu với thành bên trong nhẵn, giống như một bong bóng. Ngược lại, các khoang rỗ co ngót có dạng góc cạnh và bề mặt gồ ghề, kết tinh, vì chúng hình thành ở các khe hở giữa các dendrit đang đông đặc.