کنترل تخلخل ریخته گری آلومینیوم

تخلخل محرک کیفیت و عملکرد غالب در آن است ریخته گری آلومینیوم. قدرت را کاهش می دهد, عمر خستگی را کوتاه می کند, یکپارچگی فشار را به خطر می اندازد, ماشینکاری و تکمیل را پیچیده می کند, و ریسک گارانتی را افزایش می دهد.

کنترل تخلخل موثر یک مشکل سیستمی است: متالورژی (آلیاژ و شیمی مذاب), دست زدن به ذوب, طراحی دروازه و قالب, کنترل نمایه شات و فشار حفره, فن آوری های کمکی (خلاء, فشردن, باسن), و اندازه گیری/بازخورد دقیق همه باید با هم کار کنند.

این مقاله هر حوزه فنی را با تشخیص عملی گسترش می دهد, اقدامات اصلاحی اولویت بندی شده, قوانین طراحی, و بهترین شیوه های کنترل فرآیند که مهندسان و تیم های ریخته گری می توانند بلافاصله اعمال کنند.

چرا تخلخل مهم است

تخلخل سطح مقطع موثر را کاهش می دهد و متمرکز کننده های تنش ایجاد می کند که محدودیت های استقامت کششی و خستگی را به شدت کاهش می دهد..

در قطعات هیدرولیک یا حاوی فشار, حتی کوچک, منافذ متصل مسیرهای نشتی ایجاد می کنند.

در قطعات ماشینکاری شده, منافذ زیر سطحی منجر به پچ پچ ابزار می شود, ناپایداری ابعادی پس از عملیات حرارتی, و ضایعات غیر قابل پیش بینی در طول عملیات پایانی.

زیرا تخلخل چند علت است, تنظیمات ad-hoc به ندرت آن را برای همیشه حل می کند - اندازه گیری و تجزیه و تحلیل علت ریشه ضروری است.

1. انواع تخلخل در ریخته گری آلومینیوم

• تخلخل گاز (هیدروژن): منافذ بسته یا کروی از هیدروژن محلول که در طول انجماد از محلول خارج می شود.
• تخلخل انقباضی: فضاهای خالی ناشی از تغذیه ناکافی در طول انجماد (انقباض حجمی).
• تخلخل بین دندریتی: تخلخل شبکه ای در آخرین مایع یخ زده, اغلب با دامنه های انجماد گسترده یا سیستم های آلیاژی جداکننده همراه است.
• هوای محبوس شده / تخلخل آشفتگی: حباب های نامنظم و چین های اکسیدی که در اثر جریان آشفته و گیر افتادن هوا ایجاد می شوند.
• سوراخ سوراخ / تخلخل سطح: حفره های کوچک نزدیک به سطح اغلب به واکنش های سطحی گره خورده اند, رطوبت, یا خروج گاز از پوسته/هسته.

هر نوع نیاز به تاکتیک های پیشگیری متفاوتی دارد; تشخیص اولین قدم است.

2. علل ریشه ای اساسی - فیزیکی که باید به آن تسلط داشته باشید

دو محرک فیزیکی تسلط دارند:

گاز (هیدروژن) حلالیت و هسته زایی

آلومینیوم مذاب هیدروژن را حل می کند; همانطور که فلز سرد و جامد می شود, حلالیت کاهش می یابد و هیدروژن به صورت حباب خارج می شود.

مقدار هیدروژن محلول در زمان ریزش, سینتیک هسته زایی, و تاریخچه فشار در طول انجماد تعیین می کند که آیا هیدروژن منافذ ریز توزیع شده یا حباب های بزرگتر را تشکیل می دهد.

قرار گرفتن در معرض رطوبت ذوب می شود, شارهای مرطوب, آشفتگی در انتقال, و زمان نگهداری طولانی‌تر همگی هیدروژن محلول را افزایش می‌دهند.

تغذیه & مسیر انجماد (تخلخل کوچک)

آلومینیوم در انجماد جمع می شود. اگر مسیر مایعی برای تغذیه مناطق آخرین انجماد وجود نداشته باشد, حفره ها تشکیل می شود.

محدوده انجماد آلیاژ, ضخامت بخش, شیب حرارتی, و اینکه آیا فشار حفره در طول بازه انجماد نهایی حفظ می شود، همگی حساسیت انقباض را کنترل می کنند.

یک سوم, مکانیسم به همان اندازه حیاتی است به دام افتادن اکسید/دو لایه: جریان های آشفته، فیلم های اکسیدی را به داخل مذاب تا می زند, ایجاد دو لایه داخلی که تخلخل را هسته می کند و به عنوان آغازگر ترک عمل می کند.

به حداقل رساندن تلاطم و اجتناب از پاشش / حباب هوا، بسیاری از مسائل تخلخل غیر قابل حل را از بین می برد..

3. شیمی مذاب و جابجایی

کنترل سمت مذاب بالاترین ناحیه اهرمی برای تخلخل گاز است:

• دیسیپلین گاز زدایی: از گاز زدایی پروانه چرخشی استفاده کنید (آرگون یا نیتروژن) با چرخه های مستند و نقاط پایانی قابل اندازه گیری.
  آزمایش کاهش فشار را دنبال کنید (RPT) یا شاخص چگالی به عنوان معیار کنترل فرآیند برای خطر هیدروژن و گنجاندن. روش های نمونه گیری پایه را ایجاد کنید تا داده ها در طول زمان قابل مقایسه باشند.
• روان شدن و اسکیمینگ: گاز زدایی را با شار مایع یا اسکیمینگ ترکیب کنید تا اکسیدها و تفاله ها حذف شوند. انتخاب شار باید با آلیاژ و فیلتراسیون پایین دست سازگار باشد.
• فیلتراسیون: فیلترهای سرامیکی (با نمره مناسب) حذف اجزاء غیر فلزی و خوشه های اکسیدی که بعداً به عنوان مکان هسته برای حفره ها عمل می کنند..
• مدیریت شارژ و ضایعات: کنترل مخلوط قراضه, از عناصر مسی/آهنی که رفتار انجماد را تغییر می دهند اجتناب کنید, و ضایعات برگشتی را مدیریت کنید تا آلوده کننده یا رطوبت نباشد.
• دما & زمان برگزاری: حرارت فوق العاده را به حداقل برسانید و زمان را مطابق با نیازهای فرآیند نگه دارید. سوپرهیت بالاتر جریان را بهبود می بخشد اما افزایش گاز و تولید اکسید را افزایش می دهد.
  منحنی های دمای مذاب را برای هندسه و آلیاژ قطعه بهینه کنید.

4. دروازه, طراحی دونده و هواکش

هندسه دروازه و دونده رفتار پر کردن و قابلیت تغذیه را تعیین می کند:

• محل دروازه برای انجماد جهت دار: دروازه‌هایی را برای تغذیه سنگین‌ترین بخش‌ها و تقویت انجماد جهت‌دار قرار دهید تا آخرین مایع در یک منطقه قابل تغذیه باقی بماند. (دونده یا سرریز).
  از دروازه‌هایی که ابتدا دیوارهای نازک را تغذیه می‌کنند و دنده‌های ضخیم گرسنه می‌مانند، خودداری کنید.
• کنترل اندازه دونده و سرعت پر کردن: دونده هایی با اندازه برای کاهش تلاطم و اجازه جریان آرام در بخش های نازک، تشکیل دو لایه را کاهش می دهند.. از انتقال های صاف استفاده کنید و از چرخش های تند خودداری کنید.
• تهویه و سرریز: در نواحی پر از آخرین دریچه دریچه ایجاد کنید; سرریزهای کنترل شده به گازهای به دام افتاده اجازه خروج می دهد. برای هسته های پیچیده, کانال های هواکش و ویژگی های تهویه اختصاصی ضروری هستند.
• استفاده از خنک کننده ها و تعدیل کننده های حرارتی: برای تغییر توالی انجماد محلی، لرز را قرار دهید - جابجایی نقاط داغ به مناطقی که می توان ماشین کاری یا تغذیه کرد..

5. نمایه شات و کنترل فشار حفره (مشخصات HPDC)

در ریخته گری فشار بالا, نمایه شات و برنامه تشدید ابزارهای درون قالب برای کنترل تخلخل هستند:

• مرحله پر کردن: از یک شات آهسته اولیه برای پر کردن آرام و تغییر به سرعت بالا برای جلوگیری از تشکیل زودرس پوست جامد و در عین حال به حداقل رساندن تلاطم استفاده کنید..
• زمان تشدید و بزرگی: شروع به تشدید (فشردن) به طوری که فشار حفره در هنگام یخ زدن آخرین مایع وجود دارد; فشار تشدید کافی با وادار کردن فلز به شبکه های دندریتی همگرا، انقباض را کاهش می دهد.
  تنظیم تجربی و مبتنی بر حسگر حیاتی است - فشارهای تشدید بیشتر معمولاً تخلخل را کاهش می دهند., اما فشار بیش از حد می تواند باعث فلاش و چسبندگی قالب شود.
• نظارت بر فشار حفره: نصب سنسورهای فشار حفره و استفاده از تجزیه و تحلیل منحنی فشار-زمان به عنوان معیار کیفیت و برای کنترل حلقه بسته.
  ردیابی فشار به همبستگی نقاط تنظیم فرآیند با نتایج تخلخل کمک می کند و باید به عنوان بخشی از سوابق تولید ذخیره شود..

6. کمک خلاء, کم فشار & ریخته گری فشاری

زمانی که اقدامات متعارف نمی تواند اهداف تخلخل را برآورده کند, انواع فرآیند را در نظر بگیرید:

• ریخته گری به کمک خلاء: تخلیه حفره قبل از پر کردن باعث کاهش هوای خارج شده می شود, فشار جزئی را برای رشد حباب هیدروژن کاهش می دهد, و تخلخل را کاهش می دهد - به ویژه در برابر منافذ هوا و گاز موثر است.
  کمک خلاء نشان داده شده است که تخلخل را به شدت کاهش می دهد و خواص مکانیکی قطعات پیچیده را بهبود می بخشد.
• ریخته گری فشرده / ریخته گری کم فشار: در حالی که فلز جامد می شود، فشار پایدار را اعمال می کند, بهبود تغذیه و بسته شدن تخلخل انقباض.
  این فرآیندها برای مقاطع ضخیم بسیار موثر هستند, قطعات بحرانی فشار اما زمان چرخه و محدودیت های ابزار را اضافه کنید.
• استراتژی های ترکیبی: خلاء + تشدید بهترین های هر دو جهان را به ارمغان می آورد اما با سرمایه و هزینه نگهداری بالاتر.

7. طراحی قالب, تعمیر و نگهداری ابزار, و کنترل حرارتی

شرایط قالب و مدیریت حرارتی ضروری است و اغلب نادیده گرفته می شود:

• شرایط سطح قالب و عوامل رهاسازی: آستین های گلوله ای پوشیده شده, دروازه های تخریب شده یا روان کننده های نامناسب باعث افزایش تلاطم و سرباره می شوند.
  حفظ ابزار و کنترل روانکاری قالب برای به حداقل رساندن آئروسلیزاسیون و برداشت هیدروژن.
• مدیریت حرارتی & خنک کننده منسجم: کنترل حرارتی قوی نقشه های انجماد را تثبیت می کند; برای جلوگیری از نقاط داغ و هدایت الگوهای انجماد می‌توان از خنک‌سازی منسجم استفاده کرد.
• مونتاژ ابزار تکراری و پشتیبانی از هسته: تغییر هسته یا شل شدن هسته ها باعث انقباض موضعی و دوباره کاری می شود.
  چاپ‌های هسته مثبت و تکیه‌گاه‌های مکانیکی را طراحی کنید که در چرخه‌های جابجایی و پوشش مجدد پوسته زنده می‌مانند.

نگهداری خوب قالب از رانش فرآیند که به صورت تخلخل متناوب نشان داده می شود، جلوگیری می کند.

8. تشخیص, معیارهای اندازه گیری و کیفیت

شما نمی توانید چیزی را که اندازه گیری نمی کنید کنترل کنید.

• تست فشار کاهش یافته (RPT) / شاخص چگالی: ساده, آزمایش‌های کف ریخته‌گری که یک مطالعه سریع در مورد تمایل مذاب برای تشکیل تخلخل گاز ارائه می‌دهد; استفاده به عنوان کنترل دسته ای و متریک روند.
  استانداردسازی نمونه گیری, پیش گرم کردن قالب و زمان بندی برای مقایسه DI.
• سنسورهای درون خطی: فشار حفره, دمای ذوب کردن, و سنسورهای جریان همبستگی عکس‌های منفرد را با نتایج تخلخل ممکن می‌سازند. ردیابی هشدارهای SPC و SPC را ذخیره کنید.
• NDT (اشعه ایکس / سی تی اسکن): رادیوگرافی برای نمونه برداری تولید; CT برای نقشه برداری دقیق منافذ سه بعدی هنگام بررسی علل ریشه ای. از CT برای تعیین کمیت کسر حجمی منافذ و توزیع فضایی استفاده کنید.
• فلز شناسی: تجزیه و تحلیل مقطعی گاز را در مقابل متمایز می کند. تخلخل انقباض و نشانه های دو فیلم را نشان می دهد.
• تست مکانیکی: آزمون های خستگی و کشش بر روی قطعات ریخته گری نماینده یا کوپن های فرآیند تأیید می کند که تخلخل باقیمانده برای کاربرد قابل قبول است..

9. اصلاح پس از ریخته گری

زمانی که پیشگیری کافی نیست, اصلاح می تواند قطعات را نجات دهد:

• فشار ایزوستاتیک داغ (باسن): منافذ داخلی را با دمای بالا و فشار همسانگرد فرو می‌ریزد, تراکم تقریباً کامل را بازیابی می کند و عمر خستگی را تا حد زیادی بهبود می بخشد.
  HIP زمانی مناسب است که ارزش قطعه و عملکرد هزینه را توجیه کند.
• اشباع خلاء / آب بندی رزینی: تخلخل های متصل به سطح دیوار یا سطح را در کاربردهای بدون فشار با هزینه کمتر نسبت به HIP آب بندی می کند; به طور گسترده برای محفظه ها و پمپ های هیدرولیک استفاده می شود.
• ماشینکاری محلی & درج می کند: برای مناطق غیر بحرانی, ماشینکاری از بین بردن پوست متخلخل یا نصب درج می تواند عملکرد را بازیابی کند.
• بازسازی و طراحی مجدد: هنگامی که تخلخل از طراحی ناشی می شود که نمی توان آن را در فرآیند ثابت کرد (به عنوان مثال, جزایر ضخیم اجتناب ناپذیر), طراحی مجدد برای سازگاری بخش یا اضافه کردن ویژگی های خوراک.

اصلاح را با ریسک عملکردی مطابقت دهید: از HIP برای قطعات خستگی/باربر استفاده کنید; اشباع برای کنترل نشت در قطعات تحت فشار.

10. طراحی برای به حداقل رساندن تخلخل

انتخاب های طراحی که زودتر انجام شده اند تأثیر زیادی دارند:

• ضخامت دیوار را یکنواخت نگه دارید: انتقال ضخامت زیاد باعث ایجاد نقاط داغ می شود; برای سفت شدن به جای ضخامت آبکاری از دنده ها و پیچ ها استفاده کنید.
• فیله ها را به گوشه های تیز ترجیح دهید: فیله ها غلظت تنش را کاهش می دهند و جریان مذاب را بهبود می بخشند.
• فیدرهای طرح / دروازه ها به بخش های ضخیم: حتی در HPDC که فیدرهای خارجی غیرعملی هستند, دروازه ای به دوندگان که می توانند به عنوان خوراک عمل کنند.
• از طولانی اجتناب کنید, هسته های نازک بدون پشتیبانی در حفره: انحراف هسته باعث انقباض موضعی و اشتباه می شود.
• طراحی برای اعمال فشار درون قالب: جایی که امکان پذیر است, هندسه ای که از فشار حفره در هنگام انجماد سود می برد، متراکم تر خواهد بود.

DFM برای ریخته‌گری همیشه در برابر عملکرد و هزینه متعادل است - ریسک تخلخل باید ورودی اولیه تصمیم‌گیری‌های هندسی برای قطعات حیاتی باشد..

11. ماتریس عیب یابی

1. منافذ کروی بالا در سراسر قسمت: سطح هیدروژن مذاب را بررسی کنید / RPT; گاز زدایی می کند و مدیریت مذاب را بهبود می بخشد.
2. منافذ چین خورده نامنظم / امضاهای اکسید: تلاطم را کاهش دهید (دروازه ها را دوباره کاری کنید, پر شدن اولیه آهسته), بهبود فیلتراسیون و اسکیمینگ.
3. تخلخل در دنده های ضخیم متمرکز شده است: بهبود تغذیه (طراحی مجدد دروازه), از لرز استفاده کنید یا فشار حفره را مدت بیشتری حفظ کنید.
4. سوراخ های سطحی که در نواحی مرکزی قرار دارند: برنامه های خشک کردن هسته و پخت پوسته را بررسی کنید, رطوبت یا آلودگی نسوز را بررسی کنید.
5. تخلخل متناوب در بین عکس ها: تغییرات ابزار/روانکار و رانش پروفیل شات را بررسی کنید; بررسی آثار فشار حفره برای انحرافات.

همیشه بازرسی فیزیکی را جفت کنید (متالوگرافی / سی تی) با بررسی داده های فرآیند (RPT, فشار حفره, سیاهه ذوب) برای تایید اثربخشی اصلاح.

12. نتیجه گیری

کنترل تخلخل در آلومینیوم دایکستینگ مشکل تک دستگیره نیست; لایه ای است, چالش مهندسی سیستم.

با اندازه گیری دقیق شروع کنید (شاخص چگالی, RPT), سپس منابع ذوب گاز و مشکلات تمیزی را از بین ببرید.

بعدی, جریان حمله و انجماد با استفاده از تنظیم نمایه شات, دریچه/تهویه و کنترل حرارتی.

در صورت لزوم و مقرون به صرفه, کمک خلاء یا ریخته گری فشاری را اعمال کنید و با اصلاحات هدفمند پس از ریخته گری مانند اشباع یا HIP به پایان برسانید..

معیارهای پذیرش کمی را در مشخصات تعبیه کنید و حلقه را با نظارت بر فرآیند ببندید تا اقدامات اصلاحی مبتنی بر داده باشد., حکایتی نیست.

 

سوالات متداول

موثرترین قدم برای کاهش تخلخل گاز چیست؟?

گاز زدایی چرخشی با آرگون مقرون به صرفه ترین و کارآمدترین روش است. حفظ محتوای هیدروژن ≤0.12 cm³/100g Al پس از گاز زدایی، تخلخل گاز را 70 تا 85 درصد کاهش می دهد..

طراحی دروازه چگونه بر تخلخل تاثیر می گذارد?

دروازه های کم اندازه یا غیر مخروطی سرعت ذوب را افزایش می دهند, ایجاد تلاطم و حباب هوا.

یک دروازه مخروطی که به درستی طراحی شده است (1:10 مخروطی, 10– 15 درصد سطح مقطع) با افزایش جریان آرام، تخلخل را 30 تا 40 درصد کاهش می دهد.

آیا ریخته گری تحت خلاء می تواند تمام تخلخل ها را از بین ببرد?

خیر. ریخته گری تحت خلاء در درجه اول تخلخل هوای محبوس شده را از بین می برد (70-80 درصد کاهش) اما هیچ تاثیری بر تخلخل گاز ناشی از هیدروژن محلول ندارد.

برای دستیابی به تخلخل کل ≤0.3٪، ترکیب ریخته گری خلاء با گاز زدایی موثر لازم است..

تفاوت بین انقباض و تخلخل گاز چیست؟?

تخلخل گاز کروی است (5-50 میکرومتر), ناشی از بارش هیدروژن, و به طور یکنواخت توزیع می شود.

تخلخل انقباض نامنظم است (10-200 میکرومتر), ناشی از انقباض انجماد, و در مقاطع ضخیم موضعی می شود. آنالیز متالوگرافی یا سی تی اسکن به راحتی این دو را متمایز می کند.

چه زمانی باید از HIP به جای اشباع استفاده شود?

HIP برای قطعاتی که نیاز به استحکام مکانیکی بهبود یافته دارند استفاده می شود (به عنوان مثال, اجزای باربر هوافضا), زیرا تخلخل داخلی را از بین می برد و حفره ها را ایجاد می کند.

برای قطعات حامل مایع از اشباع استفاده می شود (به عنوان مثال, منیفولدهای هیدرولیک) در جایی که آب بندی حیاتی است اما مقاومت مکانیکی کافی است, زیرا فقط منافذ سطحی را می‌بندد.