Chiến Lược Thiết Yếu Để Ngăn Ngừa Độ Xốp Trong Đúc Khuôn

TÓM TẮT NHANH

Việc ngăn ngừa độ xốp trong đúc áp lực, một khuyết tật do khí bị giữ lại hoặc co ngót kim loại, đòi hỏi một phương pháp tiếp cận hệ thống. Việc phòng ngừa hiệu quả phụ thuộc vào việc tối ưu hóa thiết kế khuôn và hệ thống rót, đảm bảo thoát khí khuôn đúng cách, và kiểm soát chính xác áp suất và nhiệt độ trong quá trình đúc. Đối với các chi tiết đã bị ảnh hưởng, ngâm chân không là một phương pháp sau đúc đáng tin cậy để bịt kín vĩnh viễn các khoảng rỗng bên trong và cứu chữa các bộ phận.

Hiểu rõ nguyên nhân gốc rễ của độ xốp

Độ xốp, hiện tượng xuất hiện các lỗ rỗng hoặc lỗ nhỏ trong vật đúc thành phẩm, là một trong những thách thức dai dẳng nhất trong quá trình đúc khuôn. Nó làm giảm độ bền cấu trúc, độ kín áp suất và chất lượng bề mặt của chi tiết. Việc ngăn ngừa hiệu quả khuyết tật này bắt đầu bằng việc hiểu rõ hai dạng chính của nó: độ xốp do khí và độ xốp do co ngót. Mỗi loại có nguyên nhân và đặc điểm riêng biệt, và việc xác định chính xác loại nào đang tồn tại là bước đầu tiên để thực hiện giải pháp phù hợp.

Lỗ rỗ khí xảy ra khi khí bị mắc kẹt bên trong kim loại nóng chảy khi nó đông đặc. Khí này có thể bắt nguồn từ nhiều nguồn khác nhau. Đó có thể là không khí bị giữ lại trong áo nòng hoặc buồng khuôn trong quá trình tiêm tốc độ cao, hơi nước sinh ra từ chất bôi trơn khuôn quá nhiều hoặc bị nhiễm ẩm, hoặc thậm chí là khí hydro được giải phóng từ chính hợp kim nóng chảy, đặc biệt phổ biến trong các sản phẩm đúc nhôm. Các khoảng rỗng tạo thành thường có dạng tròn, thành nhẵn và đôi khi có bề mặt nội thất sáng bóng, giống như những bọt khí nhỏ. Vị trí của chúng có thể xuất hiện ngẫu nhiên, mặc dù thường thấy gần bề mặt trên của vật đúc do tính nổi của khí.

Mặt khác, độ xốp do co ngót là kết quả của sự giảm thể tích tự nhiên khi kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Nếu một số khu vực nhất định của vật đúc—thường là những vùng dày hơn—nguội và đông đặc chậm hơn các khu vực xung quanh, chúng có thể bị tách biệt khỏi dòng chảy kim loại lỏng trước khi hoàn toàn đông đặc. Khi phần kim loại lỏng bị cô lập này tiếp tục nguội và co lại, nó sẽ bị kéo giãn, tạo thành các khoảng rỗng bên trong dạng jagged, tuyến tính hoặc giống như vết nứt. Khác với các bọt khí trơn tru của hiện tượng xốp do khí, các khuyết tật do co ngót có hình dạng góc cạnh và thường đi theo cấu trúc hạt dạng dendrit của kim loại đã đông đặc.

Chẩn đoán loại xốp là rất quan trọng để khắc phục sự cố một cách hiệu quả. Việc kiểm tra cẩn thận, thường cần dùng kính hiển vi, có thể tiết lộ hình dạng và bản chất của các khoảng rỗng. Việc hiểu rõ nguyên nhân gốc rễ là do khí bị giữ lại hay do cấp liệu không đủ trong quá trình đông đặc sẽ quyết định giải pháp nằm ở việc cải thiện hệ thống thoát khí và thông số tiêm hay ở việc thiết kế lại hình dạng sản phẩm và quản lý nhiệt. Bảng dưới đây cung cấp so sánh rõ ràng giữa hai loại khuyết tật cơ bản này.

Chiến lược Phòng ngừa Cốt lõi Trong Thiết kế và Vận hành

Cách hiệu quả nhất để chống lại hiện tượng xốp là ngăn chặn sự hình thành của nó ngay từ đầu. Điều này đòi hỏi một phương pháp toàn diện, tích hợp thiết kế chi tiết và khuôn hợp lý với việc kiểm soát nghiêm ngặt các thông số vận hành. Các biện pháp chủ động được thực hiện trong giai đoạn thiết kế và đúc sẽ tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với việc cố gắng khắc phục các khuyết tật trên các chi tiết đã hoàn thiện.

Một hàng rào phòng thủ chính là tối ưu hóa khuôn và hệ thống rót. Hệ thống rãnh dẫn và cổng rót cần được thiết kế để thúc đẩy dòng chảy kim loại nóng chảy vào buồng khuôn một cách trơn tru, không gây xáo động. Theo một hướng dẫn từ FLOW-3D , thiết kế rãnh dẫn kém có thể gây ra sự xáo động, dẫn đến không khí bị bẫy và sau đó được tiêm vào chi tiết. Việc duy trì độ dày thành đồng đều trong thiết kế chi tiết đúc cũng rất quan trọng để ngăn ngừa các điểm nóng biệt lập gây ra hiện tượng xốp co. Các góc nhọn cần được tránh, vì chúng có thể làm gián đoạn dòng chảy kim loại và trở thành các điểm tập trung ứng suất.

Việc thông hơi đúng cách cũng rất quan trọng để ngăn ngừa hiện tượng rỗ khí. Các khe thông hơi là những rãnh nhỏ được gia công trên khuôn, cho phép không khí trong lòng khuôn thoát ra khi kim loại nóng chảy tràn vào. Nếu thông hơi không đủ, không khí sẽ không có lối thoát và bị giữ lại trong vật đúc. Như các chuyên gia của Lethiguel USA đã chỉ ra, việc sử dụng các khu vực thoát khí phù hợp như khối thông hơi là yếu tố thiết yếu để thoát khí hiệu quả. Vị trí đặt các khe thông hơi cũng quan trọng không kém kích thước của chúng; chúng cần được bố trí ở những điểm cuối cùng được điền đầy và ở bất kỳ khu vực lõm sâu nào mà không khí có khả năng bị mắc kẹt.

Việc kiểm soát nhiệt độ và áp suất là yếu tố cơ bản để giảm thiểu cả hai loại xốp. Nhiệt độ khuôn ảnh hưởng đến kiểu đông đặc; việc quản lý nhiệt độ này có thể giúp ngăn chặn hiện tượng đóng rắn quá sớm ở các cổng và đảm bảo cấp liệu đầy đủ cho các phần dày hơn. Áp suất được áp dụng trong và sau khi tiêm là công cụ mạnh mẽ chống lại hiện tượng co ngót. Như Hill & Griffith đã giải thích, áp suất tăng cường cao được duy trì trong quá trình đông đặc sẽ thúc đẩy kim loại nóng chảy bổ sung vào các lỗ rỗng co ngót đang hình thành, làm tăng mật độ của chi tiết. Mức độ kiểm soát quy trình này rất quan trọng trong các ngành công nghiệp như ô tô, nơi các công ty chuyên sản xuất linh kiện đúc khuôn độ bền cao phải dựa vào thiết kế cẩn thận và đảm bảo chất lượng để ngăn ngừa khuyết tật.

Để đảm bảo tính nhất quán, người vận hành và kỹ sư có thể tuân theo một danh sách kiểm tra hệ thống trước các ca sản xuất:

1. Xác minh Thiết kế Khuôn: Đảm bảo hệ thống cổng và rãnh dẫn được thiết kế để tạo dòng chảy tầng và độ dày thành càng đồng đều càng tốt.
2. Kiểm tra Hệ thống Thoát khí: Xác nhận rằng tất cả các lỗ thông hơi đều sạch, có kích cỡ phù hợp và được đặt ở những điểm cuối cùng của quá trình điền đầy.
3. Kiểm tra chất lượng vật liệu: Sử dụng thỏi hợp kim sạch, khô để giảm thiểu việc đưa vào hydro và độ ẩm.
4. Hiệu chuẩn các thông số máy: Thiết lập và giám sát tốc độ ép, áp lực tiêm và áp lực tăng cường đúng theo thông số quy trình.
5. Quản lý nhiệt độ: Đảm bảo cả kim loại nóng chảy và khuôn đều ở nhiệt độ hoạt động tối ưu trước khi bắt đầu sản xuất.
6. Kiểm soát bôi trơn khuôn: Áp dụng lượng chất bôi trơn tối thiểu cần thiết để hỗ trợ đẩy chi tiết ra, tránh dư thừa có thể bay hơi và gây rỗ khí.

Các kỹ thuật tiên tiến và giải pháp sau đúc

Ngay cả với các biện pháp phòng ngừa tốt nhất, mức độ vi xốp nhất định có thể là đặc tính vốn có của quá trình đúc khuôn, đặc biệt là ở các chi tiết phức tạp. Đối với những ứng dụng yêu cầu độ kín áp suất tuyệt đối không thể thương lượng hoặc để cứu vãn các chi tiết có giá trị cao bị xốp, người ta sử dụng các kỹ thuật tiên tiến và các xử lý sau đúc. Kỹ thuật nổi bật và hiệu quả nhất trong số này là tẩm chân không.

Tẩm chân không là một quá trình được thiết kế để bịt kín vĩnh viễn độ xốp có thể tạo ra các đường rò rỉ trong chi tiết hoàn chỉnh. Quá trình này không làm tăng độ bền cấu trúc nhưng rất hiệu quả trong việc làm kín áp suất cho các chi tiết đúc. Quy trình bao gồm một số bước chính. Trước tiên, các chi tiết đúc xốp được đặt vào buồng kín, sau đó tạo chân không để hút toàn bộ không khí ra khỏi các khoảng trống bên trong. Tiếp theo, một chất bịt kín dạng lỏng được đưa vào buồng và dưới áp lực, chất này được ép sâu vào các lỗ mao dẫn vi mô. Cuối cùng, các chi tiết được lấy ra, phần chất bịt kín dư thừa trên bề mặt được rửa sạch, và chất bịt kín nằm trong các lỗ xốp được làm đông cứng (thường bằng nhiệt) để tạo thành một polymer rắn, trơ, bịt kín vĩnh viễn các đường rò rỉ. Phương pháp này được đánh giá cao nhờ khả năng bịt kín các chi tiết mà không làm thay đổi dung sai kích thước hay hình dạng bên ngoài.

Một kỹ thuật tiên tiến khác, được áp dụng trong chính quá trình đúc, là sử dụng hệ thống hỗ trợ chân không. Phương pháp này bao gồm việc kết nối một máy bơm chân không với khuôn và chủ động rút không khí ra khỏi buồng khuôn ngay trước và trong khi tiêm kim loại nóng chảy. Bằng cách tạo ra một môi trường chân không một phần, lượng không khí bị mắc kẹt sẽ giảm đáng kể, từ đó làm giảm mạnh độ xốp do khí gây ra. Đây là một biện pháp phòng ngừa, trái ngược với tính chất khắc phục của phương pháp tẩm lấp. Việc lựa chọn giữa hệ thống hỗ trợ chân không và tẩm lấp sau đúc thường phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của chi tiết, khối lượng sản xuất và các yếu tố về chi phí.

Việc quyết định khi nào nên sử dụng giải pháp sau đúc như tẩm chân không phụ thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng. Hãy xem xét các tình huống sau:

• Các Bộ Phận Kín Áp Suất: Đối với các chi tiết phải chứa chất lỏng hoặc khí, chẳng hạn như các bộ phận hệ thống nhiên liệu, thân máy động cơ hoặc các thân van thủy lực, thì bắt buộc phải bịt kín mọi đường rò rỉ tiềm ẩn.
• Tái Sử Dụng Các Chi Tiết Đúc Giá Trị Cao: Nếu một bộ phận đúc phức tạp và đắt tiền được phát hiện có độ xốp sau khi gia công, việc tẩm ngâm có thể là cách tiết kiệm chi phí để cứu bộ phận đó khỏi bị loại bỏ.
• Cải thiện Chất lượng Mạ hoặc Phủ: Bít các lỗ rỗng bề mặt kín ngăn không cho dung dịch làm sạch và axit bị giữ lại trong quá trình xử lý trước, điều này sau đó có thể rò rỉ ra và gây ra các vết lỗi hoặc bong bóng trên bề mặt hoàn thiện.

Thiết lập và Đo lường Tiêu chuẩn Chấp nhận Độ xốp

Mặc dù mục tiêu là giảm thiểu độ xốp, nhưng việc đạt được độ xốp bằng không trong mọi sản phẩm đúc thường là không khả thi về mặt kỹ thuật và không hiệu quả về mặt kinh tế. Do đó, một yếu tố quan trọng trong kiểm soát chất lượng trong quá trình đúc khuôn là thiết lập các tiêu chuẩn chấp nhận độ xốp rõ ràng và thực tế. Các tiêu chuẩn này xác định lượng độ xốp, kích thước và loại độ xốp tối đa được cho phép đối với một bộ phận cụ thể dựa trên chức năng và yêu cầu hiệu suất dự kiến của nó. Cách tiếp cận thực tế này đảm bảo các chi tiết phù hợp với mục đích sử dụng mà không phát sinh chi phí quá mức liên quan đến việc theo đuổi sự hoàn hảo tuyệt đối.

Mức độ xốp cho phép phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng của bộ phận. Một chi tiết được sử dụng với mục đích trang trí hoàn toàn có thể chấp nhận mức độ xốp bên trong cao hơn so với chi tiết cấu trúc chịu ứng suất lớn hoặc chi tiết thủy lực phải kín áp lực. Các khu vực quan trọng, chẳng hạn như bề mặt làm kín, lỗ ren hoặc các phần chịu tải cơ học đáng kể, sẽ có tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn nhiều so với các khu vực không quan trọng. Các kỹ sư chất lượng làm việc cùng với thiết kế viên và khách hàng để xác định các vùng này trên chi tiết và định rõ các tiêu chí chấp nhận cụ thể cho từng vùng.

Các tiêu chuẩn ngành, chẳng hạn như những tiêu chuẩn được viện dẫn bởi ASTM, cung cấp một khuôn khổ để phân loại độ xốp dựa trên kích thước và phân bố của nó như quan sát được trong các hình ảnh phóng xạ (chụp X-quang). Ví dụ, một tiêu chuẩn có thể quy định rằng đối với vùng kín khí trên một bộ phận đúc áp lực nhôm, đường kính của một lỗ rỗng đơn lẻ không được vượt quá 0,5 mm, và các lỗ rỗng dạng chuỗi bị cấm. Trong khi đó, một khu vực không quan trọng trên cùng chi tiết có thể cho phép các lỗ lớn hơn hoặc mật độ các lỗ nhỏ cao hơn. Điều này đảm bảo rằng các nỗ lực kiểm soát chất lượng được tập trung vào những nơi quan trọng nhất.

Phân tích chi phí - lợi ích là trọng tâm của cuộc thảo luận này. Việc hướng tới độ xốp gần bằng không đòi hỏi khuôn phức tạp hơn, thời gian chu kỳ chậm hơn, vật liệu chất lượng cao hơn và có thể cần các quy trình tiên tiến như hỗ trợ chân không, tất cả những điều này làm tăng chi phí cho mỗi bộ phận. Bằng cách xác định các tiêu chuẩn chấp nhận được, các nhà sản xuất có thể cân bằng giữa chi phí sản xuất với hiệu suất và độ tin cậy yêu cầu của sản phẩm cuối cùng. Điều này đòi hỏi nỗ lực hợp tác để ghi rõ các tiêu chuẩn này trong bản vẽ chi tiết và kế hoạch kiểm soát chất lượng, đảm bảo rằng cả nhà sản xuất và khách hàng đều có sự thấu hiểu chung về một bộ phận chấp nhận được là như thế nào.

Các Câu Hỏi Thường Gặp Về Độ Xốp Trong Đúc Khuôn Ép

1. Làm cách nào để đúc mà không có độ xốp?

Việc đạt được một sản phẩm đúc hoàn toàn không có độ xốp là cực kỳ khó khăn. Tuy nhiên, bạn có thể tiến gần đến điều đó bằng cách kết hợp nhiều chiến lược khác nhau. Điều này bao gồm việc tối ưu hóa thiết kế chi tiết và khuôn để dòng kim loại chảy trơn tru, đảm bảo hệ thống thoát khí khuôn được bố trí rộng rãi và hợp lý, sử dụng hệ thống hỗ trợ chân không để hút không khí ra khỏi buồng khuôn, đồng thời duy trì kiểm soát chính xác tốc độ tiêm, áp suất và nhiệt độ. Đối với các ứng dụng quan trọng, quá trình ngâm tẩm chân không sau khi đúc thường được sử dụng để bịt kín bất kỳ độ xốp vi mô nào còn sót lại.

2. Làm cách nào để giảm độ xốp?

Độ xốp có thể được giảm đáng kể thông qua một phương pháp tiếp cận hệ thống. Các phương pháp chính bao gồm: đảm bảo kim loại nóng chảy sạch và không lẫn khí; tối ưu hóa hệ thống rót và hệ thống dẫn để giảm sự xáo động; thêm hoặc mở rộng các khe thoát khí để cho phép không khí bị giữ lại thoát ra ngoài; tăng áp lực nén cao để hỗ trợ cấp liệu vào các khu vực dễ co ngót; và kiểm soát nhiệt độ khuôn và kim loại nhằm thúc đẩy quá trình đông đặc đồng đều.

3. Lượng độ xốp chấp nhận được trong sản phẩm đúc là bao nhiêu?

Lượng xốp chấp nhận được hoàn toàn phụ thuộc vào ứng dụng của chi tiết. Các chi tiết không quan trọng, không chịu lực có thể chấp nhận một mức độ xốp bên trong nhất định. Tuy nhiên, đối với các bộ phận phải kín áp suất hoặc chịu tải cơ học lớn, tiêu chuẩn sẽ nghiêm ngặt hơn nhiều. Các tiêu chí chấp nhận, thường được quy định bởi các tiêu chuẩn ngành, sẽ nêu rõ kích thước, số lượng và vị trí tối đa của các lỗ rỗng được cho phép trong các khu vực quan trọng và không quan trọng của vật đúc.