Kawalan Porositi Die-Casting Aluminium

Keliangan adalah pemacu kualiti dan prestasi yang dominan dalam tuangan die aluminium. Ia merendahkan kekuatan, memendekkan hayat keletihan, menjejaskan integriti tekanan, menyukarkan pemesinan dan kemasan, dan meningkatkan risiko jaminan.

Kawalan keliangan yang berkesan adalah masalah sistem: metalurgi (aloi dan kimia cair), pengendalian cair, reka bentuk gating dan die, kawalan profil tembakan dan rongga-tekanan, teknologi tambahan (kosong, memerah, Hip), dan pengukuran/maklum balas yang ketat semua mesti bekerjasama.

Artikel ini mengembangkan setiap domain teknikal dengan diagnostik praktikal, tindakan pembetulan yang diutamakan, peraturan reka bentuk, dan amalan terbaik kawalan proses yang boleh digunakan oleh jurutera dan pasukan faundri dengan segera.

Mengapa keliangan penting

Keliangan mengurangkan keratan rentas yang berkesan dan mewujudkan penumpu tekanan yang secara drastik merendahkan had ketahanan tegangan dan keletihan.

Dalam bahagian hidraulik atau yang mengandungi tekanan, walaupun kecil, liang bersambung menghasilkan laluan kebocoran.

Dalam komponen mesin, liang bawah permukaan membawa kepada perbualan alat, ketidakstabilan dimensi selepas rawatan haba, dan sekerap yang tidak dapat diramalkan semasa operasi penamat.

Kerana keliangan adalah pelbagai sebab, pelarasan ad-hoc jarang menyelesaikannya secara kekal — pengukuran dan analisis punca adalah penting.

1. Jenis keliangan dalam tuangan die aluminium

• Keliangan gas (Hidrogen): liang tertutup atau sfera daripada hidrogen terlarut yang keluar daripada larutan semasa pemejalan.
• Keliangan pengecutan: lompang yang disebabkan oleh pemberian makanan yang tidak mencukupi semasa pemejalan (penguncupan isipadu).
• Keliangan interdendritik: keliangan rangkaian dalam cecair terakhir untuk membeku, sering dikaitkan dengan julat pembekuan yang luas atau sistem aloi pengasingan.
• Terperangkap-udara / keliangan pergolakan: gelembung tidak sekata dan lipatan oksida yang terhasil oleh aliran bergelora dan terperangkap udara.
• Lubang jarum / keliangan permukaan: lompang kecil berhampiran permukaan selalunya terikat dengan tindak balas permukaan, kelembapan, atau keluar gas shell/teras.

Setiap jenis memerlukan taktik pencegahan yang berbeza; diagnosis adalah langkah pertama.

2. Punca asas — fizik yang anda mesti kuasai

Dua pemandu fizikal mendominasi:

Gas (Hidrogen) keterlarutan dan nukleasi

Aluminium cair melarutkan hidrogen; apabila logam menyejuk dan memejal, keterlarutan jatuh dan hidrogen dikeluarkan sebagai gelembung.

Jumlah hidrogen terlarut pada masa tuang, kinetik nukleasi, dan sejarah tekanan semasa pemejalan menentukan sama ada hidrogen membentuk liang teragih halus atau buih yang lebih besar.

Pendedahan cair kepada kelembapan, fluks basah, pergolakan dalam pemindahan, dan masa pegangan yang dilanjutkan semuanya meningkatkan hidrogen terlarut.

Memberi makan & laluan pemejalan (keliangan pengecutan)

Aluminium mengecut pada pemejalan. Jika tiada laluan cecair untuk memberi makan kepada zon pembekuan terakhir, bentuk lompang.

Julat pembekuan aloi, ketebalan seksyen, Kecerunan terma, dan sama ada tekanan rongga dikekalkan semasa selang pemejalan akhir semuanya mengawal kerentanan pengecutan.

Satu pertiga, mekanisme yang sama kritikal ialah perangkap oksida/bifilem: aliran bergelora lipatan filem oksida ke dalam leburan, mencipta bifilm dalaman yang menukleus keliangan dan bertindak sebagai pemula retak.

Meminimumkan pergolakan dan mengelakkan percikan/pemerangkapan udara menghapuskan banyak isu keliangan yang sukar diatasi.

3. Cairkan kimia dan pengendalian

Kawalan sisi cair ialah kawasan leveraj tertinggi untuk keliangan gas:

• Disiplin degassing: gunakan penyahgasan pendesak berputar (argon atau nitrogen) dengan kitaran yang didokumenkan dan titik akhir yang boleh diukur.
  Jejaki ujian tekanan rendah (RPT) atau indeks ketumpatan sebagai metrik kawalan proses untuk risiko hidrogen dan kemasukan. Wujudkan prosedur persampelan garis dasar supaya data dapat dibandingkan dari semasa ke semasa.
• Fluxing dan skimming: gabungkan penyahgasan dengan fluks cecair atau skimming untuk menghilangkan oksida dan kotoran. Pilihan fluks mestilah serasi dengan penapisan aloi dan hiliran.
• Penapisan: Penapis Seramik (dengan gred yang sesuai) keluarkan rangkuman bukan logam dan kelompok oksida yang kemudiannya bertindak sebagai tapak nukleasi untuk lompang.
• Pengurusan caj dan sekerap: mengawal campuran sekerap, elakkan unsur gelandangan tembaga/besi yang mengubah tingkah laku pemejalan, dan uruskan sekerap pemulangan supaya ia tidak membawa bahan cemar atau lembapan.
• Suhu & masa menahan: meminimumkan haba lampau dan masa tahan selaras dengan keperluan proses. Haba lampau yang lebih tinggi meningkatkan aliran tetapi meningkatkan pengambilan gas dan penjanaan oksida.
  Optimumkan keluk suhu cair untuk bahagian geometri dan aloi.

4. Gating, reka bentuk pelari dan pengudaraan

Geometri gating dan pelari menentukan gelagat isian dan kebolehsuapan:

• Lokasi pintu untuk pemejalan arah: letakkan pagar untuk memberi makan bahagian yang paling berat dan menggalakkan pemejalan arah supaya cecair terakhir berada di kawasan yang boleh disuap (pelari atau limpahan).
  Elakkan pintu pagar yang memberi makan dinding nipis terlebih dahulu dan biarkan tulang rusuk tebal kelaparan.
• Kawalan saiz pelari dan isian halaju: pelari bersaiz untuk mengurangkan pergolakan dan membenarkan aliran laminar ke bahagian nipis mengurangkan pembentukan bifilem. Gunakan peralihan yang lancar dan elakkan pusingan tajam.
• Menghembus dan melimpah: menyediakan lubang di kawasan yang terakhir diisi; limpahan terkawal membenarkan gas terperangkap keluar. Untuk teras kompleks, saluran bolong dan ciri pengudaraan khusus adalah penting.
• Penggunaan penyederhana sejuk dan haba: letakkan kesejukan untuk mengubah urutan pemejalan setempat—mengalihkan titik panas ke kawasan yang boleh dimesin atau diberi makan.

5. Profil syot dan kawalan tekanan rongga (Spesifikasi HPDC)

Dalam tuangan die tekanan tinggi, profil pukulan dan jadual intensifikasi adalah alat dalam-mati untuk kawalan keliangan:

• Pentas isi: gunakan pukulan perlahan awal untuk pengisian yang tenang dan beralih kepada halaju tinggi untuk mengelakkan pembentukan kulit pepejal pramatang sambil meminimumkan pergolakan.
• Masa dan magnitud intensifikasi: mulakan intensifikasi (memerah) supaya tekanan rongga hadir semasa cecair terakhir membeku; tekanan intensifikasi yang mencukupi mengurangkan pengecutan dengan memaksa logam ke dalam rangkaian dendritik yang menumpu.
  Penalaan empirikal dan berasaskan sensor adalah kritikal—tekanan intensifikasi yang lebih tinggi secara amnya mengurangkan keliangan, tetapi tekanan yang berlebihan boleh menyebabkan kilat dan mati melekat.
• Pemantauan tekanan rongga: pasang penderia tekanan rongga dan gunakan analitik lengkung tekanan masa sebagai metrik kualiti dan untuk kawalan gelung tertutup.
  Surih tekanan membantu mengaitkan titik set proses dengan hasil keliangan dan harus disimpan sebagai sebahagian daripada rekod pengeluaran.

6. Bantuan vakum, tekanan rendah & memerah tuang

Apabila langkah konvensional tidak dapat memenuhi sasaran keliangan, pertimbangkan varian proses:

• Die-casting berbantukan vakum: mengosongkan rongga sebelum mengisi mengurangkan udara yang terperangkap, merendahkan tekanan separa untuk pertumbuhan gelembung hidrogen, dan mengurangkan keliangan—terutamanya berkesan terhadap udara terperangkap dan liang gas.
  Bantuan vakum telah ditunjukkan dapat mengurangkan keliangan dan meningkatkan sifat mekanikal pada bahagian yang kompleks.
• Picit tuang / tuangan tekanan rendah: menggunakan tekanan berterusan semasa logam menjadi pejal, menambah baik pemakanan dan menutup keliangan pengecutan.
  Proses ini sangat berkesan untuk bahagian tebal, bahagian kritikal tekanan tetapi menambah masa kitaran dan kekangan alatan.
• Strategi gabungan: kosong + intensifikasi memberikan yang terbaik daripada kedua-dua dunia tetapi pada modal yang lebih tinggi dan kos penyelenggaraan.

7. Reka bentuk mati, penyelenggaraan alatan, dan kawalan haba

Keadaan die dan pengurusan terma adalah penting dan sering diabaikan:

• Keadaan permukaan mati dan agen pelepas: lengan pukulan yang dipakai, pintu terdegradasi atau pelincir yang tidak betul meningkatkan pergolakan dan sanga.
  Mengekalkan perkakas dan mengawal pelinciran die untuk meminimumkan aerosolisasi dan pengambilan hidrogen.
• Pengurusan terma & penyejukan konformal: kawalan haba yang mantap menstabilkan peta pembekuan; penyejukan konformal boleh digunakan untuk mengelakkan bintik panas dan untuk mengarahkan corak pemejalan.
• Pemasangan alatan berulang dan sokongan teras: peralihan teras atau teras longgar menyebabkan pengecutan dan kerja semula setempat.
  Reka bentuk cetakan teras positif dan sokongan mekanikal yang bertahan dalam pengendalian dan kitaran penyalut semula cangkang.

Penyelenggaraan acuan yang baik menghalang proses hanyut yang muncul sebagai keliangan terputus-putus.

8. Diagnostik, ukuran dan metrik kualiti

Anda tidak boleh mengawal apa yang tidak anda ukur.

• Ujian Tekanan Dikurangkan (RPT) / Indeks Ketumpatan: Mudah, ujian lantai faundri yang memberikan bacaan cepat tentang kecenderungan cair untuk membentuk keliangan gas; gunakan sebagai kawalan kelompok dan metrik arah aliran.
  Seragamkan persampelan, prapanas acuan dan pemasaan untuk menjadikan DI setanding.
• Penderia dalam talian: tekanan rongga, suhu cair, dan penderia aliran membolehkan korelasi tangkapan individu dengan hasil keliangan. Simpan jejak untuk penggera SPC dan SPC.
• Ndt (X-ray / Pengimbasan CT): radiografi untuk pensampelan pengeluaran; CT untuk pemetaan liang 3-D terperinci semasa menyiasat punca punca. Gunakan CT untuk mengira pecahan isipadu liang dan taburan ruang.
• Metallography: analisis keratan rentas membezakan gas vs. keliangan pengecutan dan mendedahkan tandatangan bifilem.
• Ujian mekanikal: ujian keletihan dan tegangan pada tuangan perwakilan atau kupon proses mengesahkan bahawa keliangan sisa boleh diterima untuk aplikasi.

9. Pemulihan pasca pemutus

Apabila pencegahan tidak mencukupi, pemulihan boleh menyelamatkan bahagian:

• Menekan isostatik panas (Hip): meruntuhkan liang dalaman dengan suhu tinggi dan tekanan isotropik serentak, memulihkan ketumpatan hampir penuh dan meningkatkan hayat keletihan.
  HIP adalah paling sesuai apabila nilai bahagian dan prestasi mewajarkan kos.
• Impregnasi vakum / pengedap resin: mengelak keliangan melalui dinding atau permukaan yang disambungkan dalam aplikasi ketat tekanan pada kos yang lebih rendah daripada HIP; digunakan secara meluas untuk perumah hidraulik dan pam.
• Pemesinan setempat & sisipan: untuk kawasan yang tidak kritikal, memesin kulit berliang atau memasang sisipan boleh memulihkan fungsi.
• Penyusunan semula dan reka bentuk semula: apabila keliangan berpunca daripada reka bentuk yang tidak boleh diperbaiki dalam proses (Mis., pulau tebal yang tidak dapat dielakkan), reka bentuk semula untuk ketekalan bahagian atau tambah ciri suapan.

Padankan pemulihan dengan risiko fungsian: gunakan HIP untuk bahagian yang letih/beban; impregnasi untuk kawalan kebocoran di bahagian tekanan.

10. Reka bentuk untuk Peminimakan Porositi

Pilihan reka bentuk yang dibuat awal mempunyai kesan yang lebih besar:

• Pastikan ketebalan dinding seragam: peralihan ketebalan yang besar mewujudkan titik panas; gunakan rusuk dan gussets untuk mengeras dan bukannya ketebalan penyaduran.
• Lebih suka fillet daripada sudut tajam: fillet mengurangkan kepekatan tegasan dan meningkatkan aliran cair.
• Penyumpan pelan / pintu masuk ke bahagian tebal: malah di HPDC di mana penyuap luaran tidak praktikal, gerbang kepada pelari yang boleh bertindak sebagai suapan.
• Elakkan panjang, teras nipis tidak disokong dalam rongga: pesongan teras mewujudkan pengecutan tempatan dan salah larian.
• Reka bentuk untuk aplikasi tekanan dalam mati: di mana boleh dilaksanakan, geometri yang mendapat manfaat daripada tekanan rongga semasa pemejalan akan menjadi lebih tumpat.

DFM untuk tuangan sentiasa seimbang terhadap fungsi dan kos—risiko keliangan harus menjadi input utama kepada keputusan geometri untuk bahagian kritikal.

11. Matriks penyelesaian masalah

1. Liang sfera tinggi di seluruh bahagian: Periksa tahap hidrogen cair / RPT; degas dan meningkatkan pengendalian cair.
2. Liang pori tidak teratur / tandatangan oksida: Kurangkan pergolakan (kerja semula pintu, pengisian awal yang perlahan), mempertingkatkan penapisan dan penyaringan.
3. Keliangan tertumpu pada rusuk tebal: Perbaiki pemakanan (reka bentuk semula pintu pagar), gunakan kesejukan atau tahan tekanan rongga lebih lama.
4. Lubang jarum permukaan disetempatkan ke kawasan teras: Sahkan jadual pengeringan teras dan bakar kulit, periksa untuk kelembapan atau pencemaran refraktori.
5. Keliangan terputus-putus merentas syot: Periksa perubahan alatan/pelincir dan drift profil pukulan; semak kesan tekanan rongga untuk penyimpangan.

Sentiasa berpasangan pemeriksaan fizikal (metalografi / Ct) dengan semakan data proses (RPT, tekanan rongga, log cair) untuk mengesahkan keberkesanan pembaikan.

12. Kesimpulan

Kawalan keliangan dalam aluminium Mati Casting bukan masalah satu tombol; ia adalah berlapis, cabaran kejuruteraan sistem.

Mulakan dengan pengukuran yang ketat (indeks ketumpatan, RPT), kemudian hapuskan sumber gas cair dan masalah kebersihan.

Seterusnya, aliran serangan dan pemejalan menggunakan penalaan profil pukulan, gating/venting dan kawalan haba.

Di mana perlu dan berpatutan, gunakan bantuan vakum atau picit tuangan dan selesaikan dengan pembetulan pasca tuang yang disasarkan seperti impregnasi atau HIP.

Benamkan kriteria penerimaan kuantitatif dalam spesifikasi dan tutup gelung dengan pemantauan proses supaya tindakan pembetulan dipacu data, bukan anekdot.

 

Soalan Lazim

Apakah satu-satunya langkah yang paling berkesan untuk mengurangkan keliangan gas?

Penyahgasan berputar dengan argon adalah kaedah yang paling kos efektif dan cekap. Mengekalkan kandungan hidrogen ≤0.12 cm³/100g Al selepas penyahgasan mengurangkan keliangan gas sebanyak 70–85%.

Bagaimanakah reka bentuk pintu memberi kesan keliangan?

Pintu bersaiz kecil atau tidak tirus meningkatkan halaju cair, menyebabkan pergolakan dan kemasukan udara.

Pintu tirus yang direka dengan betul (1:10 tirus, 10–15% daripada bahagian keratan rentas) mengurangkan keliangan sebanyak 30–40% dengan menggalakkan aliran laminar.

Bolehkah vakum die casting menghapuskan semua keliangan?

Tidak. Tuangan die vakum terutamanya menghapuskan keliangan udara yang terperangkap (70– Pengurangan 80%.) tetapi tidak mempunyai kesan ke atas keliangan gas yang disebabkan oleh hidrogen terlarut.

Menggabungkan tuangan vakum dengan penyahgasan yang berkesan diperlukan untuk mencapai jumlah keliangan ≤0.3%.

Apakah perbezaan antara pengecutan dan keliangan gas?

Keliangan gas adalah sfera (5-50 μm), disebabkan oleh pemendakan hidrogen, dan diedarkan secara seragam.

Keliangan pengecutan adalah tidak teratur (10-200 μm), disebabkan oleh penguncupan pemejalan, dan disetempatkan di bahagian tebal. Analisis metalografi atau pengimbasan CT dengan mudah membezakan keduanya.

Bilakah HIP harus digunakan dan bukannya impregnasi?

HIP digunakan untuk bahagian yang memerlukan kekuatan mekanikal yang lebih baik (Mis., komponen aeroangkasa yang menanggung beban), kerana ia menghapuskan keliangan dalaman dan mengikat lompang.

Impregnasi digunakan untuk bahagian pembawa bendalir (Mis., manifold hidraulik) di mana pengedap adalah kritikal tetapi kekuatan mekanikal adalah mencukupi, kerana ia hanya menutup pori-pori permukaan.