Độ xốp trong đúc khuôn áp lực nhôm: Nguyên nhân và giải pháp

TÓM TẮT NHANH

Độ xốp trong quá trình đúc nhôm áp lực đề cập đến những lỗ rỗng hoặc khoảng trống nhỏ hình thành bên trong kim loại khi nó đông đặc. Khuyết tật sản xuất phổ biến này chủ yếu được phân thành hai loại: xốp do khí, gây ra bởi khí bị giữ lại, và xốp do co ngót, xảy ra do giảm thể tích trong quá trình làm nguội. Độ xốp làm suy giảm độ bền cấu trúc, khả năng kín áp suất và chất lượng bề mặt của chi tiết, có thể dẫn đến hư hỏng bộ phận. Tuy nhiên, hiện tượng này có thể được kiểm soát và giảm thiểu hiệu quả thông qua việc kiểm soát chính xác chất lượng vật liệu, thiết kế khuôn và quy trình đúc. Hiểu rõ nguyên nhân là bước đầu tiên để phòng ngừa.

Định nghĩa độ xốp trong đúc nhôm áp lực

Trong lĩnh vực đúc áp lực cao, việc đạt được một chi tiết hoàn hảo và đặc chắc là mục tiêu tối thượng. Tuy nhiên, một thách thức phổ biến mà các nhà sản xuất gặp phải là hiện tượng xốp. Nói một cách đơn giản, hiện tượng xốp là sự xuất hiện của những khoảng trống, lỗ nhỏ hoặc những túi khí không mong muốn bên trong sản phẩm đúc hoàn chỉnh. Theo các chuyên gia sản xuất, khuyết tật này là mối quan tâm hàng đầu vì nó làm suy giảm trực tiếp các tính chất cơ học và hiệu suất của sản phẩm cuối cùng. Những khoảng trống này có thể làm giảm đáng kể độ bền, tuổi thọ và khả năng chống mỏi của chi tiết.

Hiện tượng xốp không chỉ là một dạng lỗi duy nhất; nó biểu hiện theo nhiều cách khác nhau ảnh hưởng đến tính năng sử dụng của chi tiết. Các dạng này thường được phân loại dựa trên vị trí và mức độ liên kết của chúng:

• Xốp kín: Đây là những khoảng rỗng thông ra bề mặt của vật đúc nhưng không xuyên hoàn toàn qua chi tiết. Mặc dù chúng có thể không làm giảm độ bền cấu trúc của bộ phận, nhưng chúng có thể giữ lại chất lỏng hoặc hóa chất tẩy rửa từ các quá trình xử lý sau như anot hóa, dẫn đến khuyết tật bề mặt và ăn mòn theo thời gian.
• Độ xốp xuyên suốt: Loại này tạo ra một đường rò rỉ liên tục từ bề mặt này sang bề mặt khác của vật đúc. Đối với các bộ phận yêu cầu kín áp suất, chẳng hạn như bình chứa chất lỏng hoặc vỏ khí nén, độ xốp xuyên suốt là điểm lỗi nghiêm trọng khiến chi tiết không thể sử dụng được.
• Độ xốp kín hoàn toàn: Đây là những khoảng rỗng bên trong hoàn toàn bị bao kín trong thành vật đúc. Chúng không nhìn thấy được từ bên ngoài và có thể không gây vấn đề, trừ khi bị lộ ra trong các thao tác gia công tiếp theo, lúc đó chúng trở thành lỗ rỗng dạng kín hoặc lỗ xuyên.

Hậu quả của độ xốp rất nghiêm trọng, đặc biệt trong các ứng dụng quan trọng như các bộ phận ô tô và hàng không vũ trụ. Một chi tiết xốp có thể bị hỏng dưới tác động của ứng suất, rò rỉ chất lỏng hoặc khí, hoặc có bề mặt kém sau khi gia công. Do đó, việc hiểu rõ nguồn gốc của hiện tượng này là yếu tố thiết yếu đối với mọi hoạt động sản xuất chất lượng cao.

Các Dạng Chính: Độ Xốp Do Khí và Do Co Ngót

Mặc dù có nhiều yếu tố khác nhau có thể dẫn đến độ xốp, nhưng các khuyết tật gần như luôn được truy nguyên về một trong hai nguyên nhân cơ bản: khí bị giữ lại hoặc co ngót kim loại. Việc phân biệt giữa hai loại này là rất quan trọng để khắc phục sự cố và phòng ngừa hiệu quả, vì hình dạng biểu hiện và nguyên nhân gốc rễ của chúng là khác biệt. Mỗi loại đều đặt ra những thách thức riêng biệt và đòi hỏi các giải pháp khác nhau.

Xốp do khí

Độ xốp do khí gây ra là kết quả của việc khí bị giữ lại trong nhôm nóng chảy trong quá trình tiêm và đông đặc. Các tác nhân chính là hydro, loại khí này tan rất tốt trong nhôm nóng chảy nhưng không tan trong trạng thái rắn, và không khí bị mắc kẹt trong buồng khuôn. Khi kim loại nguội đi, các khí hòa tan bị đẩy ra khỏi dung dịch, tạo thành các bọt khí. Những bọt khí này bị giữ lại vĩnh viễn khi kim loại đông cứng xung quanh chúng. Các lỗ xốp do khí thường có đặc điểm là hình dạng trơn, hình cầu hoặc bầu dục, và thường xuất hiện gần bề mặt của vật đúc.

Xốp do co ngót

Độ rỗ co ngót xảy ra vì nhôm, giống như hầu hết các kim loại khác, có mật độ lớn hơn ở trạng thái rắn so với trạng thái lỏng. Khi kim loại nóng chảy nguội đi và đông đặc, thể tích của nó bị co lại. Nếu không có đủ kim loại lỏng để lấp đầy các khoảng trống do hiện tượng co này tạo ra, các khoang rỗ sẽ hình thành. Khuyết tật này thường gặp nhất ở những phần dày của vật đúc, nơi đông đặc muộn nhất. Không giống như các bọt khí tròn trơn của rỗ khí, rỗ co ngót xuất hiện dưới dạng các vết nứt sắc cạnh, góc cạnh hoặc dạng đường thẳng. Đây là kết quả trực tiếp của việc cung cấp kim loại nóng chảy không đầy đủ trong giai đoạn cuối của quá trình đông đặc.

Để làm rõ sự khác biệt, dưới đây là bảng so sánh hai dạng rỗ chính:

Nguyên nhân gốc rễ và chiến lược phòng ngừa chủ động

Ngăn ngừa độ xốp hiệu quả hơn nhiều và tiết kiệm chi phí hơn so với việc xử lý các bộ phận lỗi sau sản xuất. Một chiến lược phòng ngừa thành công đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện nhằm giải quyết thiết kế khuôn, vật liệu và bản thân quá trình đúc. Bằng cách kiểm soát các biến số chính, các nhà sản xuất có thể giảm đáng kể sự xuất hiện của cả hai loại khuyết tật do khí và co ngót.

Xử lý các nguyên nhân liên quan đến khí

Độ xốp do khí bắt nguồn từ việc đưa khí vào kim loại hoặc giữ khí lại trong khuôn. Việc phòng ngừa tập trung vào việc ngăn không cho khí xâm nhập.

• Kiểm soát chất lượng kim loại lỏng: Sử dụng nguyên liệu sạch, khô để tránh đưa độ ẩm vào, vì độ ẩm sẽ tạo ra khí hydro trong nhôm nóng chảy. Khử khí khối nấu bằng nitơ hoặc argon trước khi đúc là một phương pháp rất hiệu quả.
• Tối ưu hóa việc bôi trơn: Mặc dù cần thiết, nhưng lượng chất bôi trơn khuôn quá nhiều hoặc được áp dụng không đúng cách có thể bay hơi trong quá trình tiêm, tạo ra khí bị mắc kẹt. Hãy sử dụng lượng nhỏ nhất chất bôi trơn chất lượng cao và phun đều.
• Đảm bảo thông hơi đúng cách: Khuôn phải có các rãnh thông hơi và kênh tràn đầy đủ để cho phép không khí trong buồng thoát ra khi kim loại nóng chảy được tiêm vào. Các rãnh thông hơi bị tắc hoặc thiết kế kém là nguyên nhân chính gây kẹt khí.
• Điều chỉnh quá trình tiêm: Quá trình điền đầy hỗn loạn có thể cuốn theo không khí vào kim loại. Tối ưu hóa tốc độ tiêm và áp suất đảm bảo quá trình điền đầy mượt mà, tuần tự, đẩy không khí ra phía trước dòng chảy kim loại.

Kiểm soát các nguyên nhân liên quan đến co ngót

Độ co ngót do co rút là một thách thức liên quan đến vật lý, được kiểm soát bằng cách điều chỉnh quá trình nguội của vật đúc. Mấu chốt là đảm bảo các phần dày được cung cấp liên tục kim loại nóng chảy cho đến khi chúng đông đặc hoàn toàn.

• Duy trì áp suất kim loại cao: Giai đoạn áp suất cao trong quá trình đúc khuôn ép rất quan trọng để chống lại hiện tượng co ngót. Như các chuyên gia trong ngành đã giải thích, hệ thống tăng áp sẽ tạo ra lực ép cực lớn trong quá trình đông đặc nhằm đẩy kim loại nóng chảy vào các lỗ rỗng do co ngót hình thành. Duy trì áp suất tĩnh và áp suất tăng cường đầy đủ là điều cần thiết.
• Tối ưu hóa nhiệt độ khuôn: Sự làm nguội không đồng đều gây ra các điểm nóng dễ dẫn đến co ngót. Bằng cách sử dụng các kênh làm mát và gia nhiệt được bố trí hợp lý trong khuôn, các nhà sản xuất có thể thúc đẩy quá trình đông đặc theo hướng, trong đó vật đúc đóng rắn dần về phía cổng nạp, cho phép liên tục cung cấp kim loại nóng chảy.
• Cải thiện thiết kế chi tiết và khuôn: Thiết kế các bộ phận có độ dày thành đồng đều là cách tốt nhất để tránh co ngót. Khi không thể tránh khỏi các phần dày, chúng nên được đặt gần cổng nạp. Các góc lượn và cạnh bo tròn cần được sử dụng thay vì các góc nhọn, vì chúng có thể tạo ra các điểm nóng biệt lập.

Cuối cùng, việc ngăn ngừa xốp bắt đầu từ một thiết kế và quy trình sản xuất vững chắc. Việc hợp tác với nhà cung cấp chứng minh được năng lực chuyên môn sâu về kiểm soát quy trình là rất quan trọng. Ví dụ, các nhà cung cấp có chứng nhận IATF16949 đối với phụ tùng ô tô nhấn mạnh vào kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt và thiết kế khuôn trong nội bộ, từ đó giải quyết trực tiếp các nguyên nhân gốc rễ gây ra các khuyết tật như xốp ngay từ giai đoạn khởi đầu dự án.

Các phương pháp kiểm tra để phát hiện độ xốp

Vì không phải tất cả các lỗ rỗng đều nhìn thấy được trên bề mặt, các nhà sản xuất dựa vào nhiều phương pháp kiểm tra khác nhau để đảm bảo các bộ phận đạt tiêu chuẩn chất lượng. Những kỹ thuật này, thường được gọi là Kiểm tra Không phá hủy (NDT), cho phép phát hiện các khuyết tật bên trong mà không làm hư hại chi tiết. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào mức độ quan trọng của bộ phận, loại lỗ rỗng nghi ngờ và các giới hạn về ngân sách.

Các kỹ thuật kiểm tra phổ biến bao gồm:

• Kiểm tra trực quan: Phương pháp đơn giản nhất, dùng để xác định các lỗ rỗng trên bề mặt như các vết phồng rộp hoặc lỗ hở. Mặc dù dễ thực hiện, phương pháp này không thể phát hiện các khuyết tật bên trong.
• Kiểm tra bằng tia X (Chiếu điện): Đây là một trong những phương pháp đáng tin cậy nhất để phát hiện lỗ rỗng bên trong. Bộ phận được chiếu tia X và hình ảnh thu được sẽ cho thấy sự thay đổi về mật độ. Các khoảng trống xuất hiện dưới dạng các điểm tối hơn trên phim chụp, cho phép người kiểm tra xác định kích thước, hình dạng và vị trí của chúng.
• Chụp cắt lớp vi tính (CT): Một dạng nâng cao của tia X, chụp cắt lớp vi tính (CT) tạo ra mô hình 3D đầy đủ của chi tiết, cung cấp cái nhìn toàn diện về tất cả các đặc điểm bên trong và bên ngoài. Phương pháp này rất chính xác để xác định thể tích và sự phân bố lỗ rỗng một cách chính xác, nhưng cũng là phương pháp tốn kém nhất.
• Thử áp lực: Phương pháp này được sử dụng đặc biệt để phát hiện lỗ rỗng xuyên suốt trong các chi tiết được thiết kế kín về mặt áp suất. Vật đúc được bịt kín và nén bằng không khí hoặc chất lỏng. Sự giảm áp suất hoặc xuất hiện bong bóng khi ngâm trong nước cho thấy có đường rò rỉ.

Trong nhiều trường hợp, các tiêu chuẩn chấp nhận, như những tiêu chuẩn từ ASTM International, định nghĩa lượng lỗ rỗng và kích thước cho phép đối với một ứng dụng cụ thể. Như các chuyên gia về đúc đã lưu ý, các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) này rất quan trọng để xác minh rằng các bộ phận đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng và an toàn yêu cầu trước khi đưa vào sử dụng. Việc xác minh này là một phần thiết yếu của quá trình sản xuất .

Các câu hỏi thường gặp

1. Điều gì gây ra lỗ rỗng trong đúc nhôm?

Độ xốp trong đúc nhôm chủ yếu do hai yếu tố gây ra: sự hòa tan và giải phóng sau đó của khí hydro trong quá trình đông đặc (độ xốp do khí), và sự giảm thể tích hay co ngót của kim loại khi nguội từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn (độ xốp do co ngót). Các yếu tố góp phần khác bao gồm không khí bị giữ lại do thông hơi kém, chất bôi trơn khuôn quá mức, và áp lực kim loại không ổn định.

2. Độ xốp trong đúc khuôn ép là gì?

Trong đúc khuôn ép, độ xốp đề cập đến sự hiện diện của các lỗ nhỏ, khoảng rỗng hoặc túi khí bên trong cấu trúc kim loại của chi tiết đúc. Đây được xem là một khuyết tật vì làm giảm mật độ và độ bền cơ học của bộ phận, đồng thời có thể tạo ra các đường rò rỉ trong các chi tiết cần kín áp suất.

3. Cách kiểm tra độ xốp trong đúc nhôm?

Độ rỗ trong các bộ phận đúc nhôm có thể được kiểm tra bằng nhiều phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT). Kiểm tra bằng mắt thường có thể phát hiện các khuyết tật bề mặt, trong khi thử áp suất được dùng để tìm rò rỉ. Đối với các khoảng rỗng bên trong, phương pháp chụp X-quang (radiography) và quét CT công nghiệp là hai cách hiệu quả nhất, vì chúng có thể hiển thị kích thước, hình dạng và vị trí của độ rỗ bên trong chi tiết mà không làm hư hại chi tiết đó.

4. Làm cách nào để tránh độ rỗ trong quá trình đúc?

Việc tránh độ rỗ đòi hỏi phải kiểm soát toàn bộ quá trình đúc. Các chiến lược chính bao gồm sử dụng kim loại nóng chảy sạch, khô và đã được khử khí đúng cách, thiết kế khuôn có các van thông hơi và khoang tràn đầy đủ, tối ưu hóa tốc độ và áp lực tiêm, duy trì nhiệt độ khuôn ổn định để đảm bảo làm nguội đồng đều, và thiết kế chi tiết với độ dày thành đồng nhất nhằm giảm thiểu co ngót.