Defekter ved trykstøbning af zink

Trykstøbning under højt tryk ligner humlebiflyvning; begge dele er teoretisk umulige. Men mere end 150 års effektiv drift med stadig stigende produktivitet og komponentkvalitet har vist, at trykstøbning i sig selv er robust og i stand til at nå høje niveauer af proceskapacitet. Selv i de bedst drevne værksteder opstår der skrot, og nedenfor diskuterer vi diagnose, årsager og behandling af fejl, der kan opstå i zinkstøbegods, og alle disse problemer er de samme for aluminiumsstøbegods og magnesiumstøbegods.

Der er flere måder at organisere fejl på for at give en konsekvent behandling af emnet. I denne artikel tages der et skridt ad gangen, fra modtagelse af legeringsblokken til afsendelse af det færdige produkt, og der præsenteres oplysninger om hver type fejl på det sted, hvor de opstår. Andre metoder til at identificere fejl og forskellige fejlfindingssystemer vil blive diskuteret senere. Procesfaserne er anført nedenfor:

Desuden vil løb og skrot blive genbrugt i forskellige faser, og der skal tages højde for opbevaring og håndtering mellem processerne. Ikke alle støbegods skal igennem alle procedurer.

Zinklegering Ingot Specifikationer:

Sammensætningen af zinkstøbelegeringer blev metodisk udviklet over en periode på 75 år. Legeringselementerne er blevet afstemt, og maksimumværdierne for farlige forurenende stoffer er blevet nøje fastlagt. For at lave pålidelige støbegods skal der bruges barrer, der opfylder internationalt accepterede krav. Desuden skal legeringskvaliteten opretholdes under smeltning og støbning for at sikre, at de støbte komponenter opfylder kriterierne for støbesammensætning.

De mindre afvigelser mellem standarderne for barrer (tabel 1) og støbning (tabel 2) for hver legeringstype er beregnet til at tage højde for variation forårsaget af almindelige forarbejdnings- og genbrugsprocesser. Det er aldrig forsvarligt at bruge uspecificerede barrer, især ikke dem, der er fyldt med meget giftige urenheder som bly, tin eller cadmium.

Legeringerne er inddelt i tre familier: 4%-aluminiumlegeringer (Zamak 3 og 5 samt nr. 2 og 7), ZA-legeringer med højere aluminium (nr. 8, 12 og 27) og kobberlegeringer (A cu-zink 5 og 10).

Desuden er visse andre legeringer ikke blevet accepteret kommercielt. Næsten alle zinklegeringsstøbegods fremstilles i Zamak No3 eller No5, og andre specificeres kun, når der kræves specifikke kvaliteter.

Effekt af forurening

Virkningerne af forurenende elementer, som f.eks. bly på støbegods, er sammenlignelige i alle legeringer. Det angivne maksimum for urenheder afspejler den varierende sværhedsgrad af effekten samt den lethed, hvormed barrer kan fremstilles med lave sporelementniveauer.

Bly, tin og cadmium

These elements, together with the comparable but less common indium and thallium, can cause catastrophic failure by intergranular corrosion.’Impurities segregate to grain boundaries, facilitating intergrain corrosion, particularly in warm, humid environments. Castings swell and break up, resulting in mounds of grey powder (figure l).

Hvis magnesiumniveauerne holdes over minimumsværdierne, er effekten ubetydelig i støbegods, der indeholder op til de foreskrevne maksimumsværdier af disse forurenende stoffer. Forebyggende metoder omfatter korrekt indkøb af barrer og god husholdning for at undgå forurening fra omsmeltning eller værkstedsmiljøet, som f.eks. lodning.

Jern

Iron is only slightly soluble in zinc, and excess iron combines with the aluminium in the alloy to generate the intermetallic complex iron aluminide (FeAl3). This compound is extremely hard, and if it enters the casting, it can create machining issues, excessive tool wear, and polishing issues, as particles will stand proud or rip out. Excessive amounts can limit the alloy’s fluidity, and hence its ability to fill dies. Finally, if concentrated in stressed places, the strength and ductility may decrease. There is evidence that the size of the particles, rather than the total amount present, determines machinability because iron comes from the melting pot. The key protection is to keep metal temperatures under control.

Nikkel, krom, mangan og silicium

For høje niveauer af disse komponenter har samme effekt på støbningen som ekstra jern. Det skal bemærkes, at nikkel ikke er en forurening i legering nr. 7; snarere er den lille mængde, der er angivet (mindre end opløselighedsgrænsen), en tilsigtet tilføjelse for at reducere intergranulær korrosion i denne magnesiumfri legering med høj fluiditet.

Effekt af legeringselementer

Aluminium
Bortset fra Acuzinc-legeringer er aluminium det mest almindelige legeringselement. Både legeringernes styrke og støbbarhed er afhængige af, at deres niveau er inden for specifikationerne. Egenskaberne kan hurtigt ændre sig uden for de meget begrænsede intervaller, der er angivet, især i zinklegering 2, 3, 5 og 7.
Overskydende aluminium i disse 4%Al-legeringer reducerer slagstyrken betydeligt (figur 2), og derfor bør der ikke opsamles aluminium under behandlingen. Hvis aluminiumniveauet falder til under det foreskrevne minimum, er virkningerne mindre mærkbare. Mulige konsekvenser omfatter en tendens til hot ripping, som reducerer styrken, nedsat flydeevne og en øget tendens til, at legeringen klæber til matricen (lodning).

Variationer i aluminiumsindholdet har en mindre mærkbar effekt på egenskaberne i ZA-legeringer med højere aluminiumsindhold, hvilket resulterer i bredere tilladte intervaller. Men ligesom 4%-legeringerne er sammensætningerne blevet optimeret til at give den optimale kombination af egenskaber, og overskridelse af grænserne vil resultere i ændringer, der kan være skadelige.

Magnesium

Selvom magnesiumtilsætningen har en forstærkende effekt, er dens primære formål at forhindre intergranulær korrosion i legeringer, der indeholder bly, tin og andre metaller i niveauer op til det tilladte maksimum. Støbegods, der indeholder mindre magnesium end minimumsgrænsen, kan korrodere under brug. Et magnesiumniveau, der overskrider det tilladte område, kan forårsage varm rivning, hvilket resulterer i tab af styrke eller problemer med belægningen. Højt magnesiumindhold sænker legeringens flydeevne, hvilket kan give problemer med fyldning.

Kobber

Tilsætningen af kobber til den grundlæggende 4%Al-legering øger styrken og hårdheden på bekostning af duktiliteten og får legeringerne til at ændre dimension mere under ældning. Slagstyrken i legeringer med højt kobberindhold falder også med ældningen. Som følge heraf vil legeringer, der falder uden for de gældende kobberbegrænsninger, have kvaliteter, der ligger mellem de specificerede legeringer.
Kobberkomponenten i ZA-legeringerne har en betydelig indvirkning på deres mekaniske egenskaber. Generelt reducerer et højt kobberindhold duktiliteten, mens et lavt kobberindhold reducerer trækstyrken.

Den vigtigste legeringstilsætning i Acuzinc-legeringer er kobber, som giver større hårdhed og styrke ved høje temperaturer end andre zinkbaserede legeringer. De relative kobber- og aluminiumsniveauer i Acuzinc-legeringer er blevet optimeret for at skabe balance mellem egenskaber og støbbarhed. Fordi det høje kobberniveau forekommer i et særskilt fasesystem, kan dets effekt på dimensionelle ældningsændringer afvige fra det, der er rapporteret i 4%Al-legeringer.
Smeltning, overførsel og fastholdelse af metal

Med undtagelse af legeringerne ZA-12, ZA-27 og Acuzinc10, som angriber jern og stål i et uacceptabelt højt tempo, kan zinklegeringer smeltes og opbevares i metalbeholdere. Det gør det muligt at støbe dem ved hjælp af varmekammerprocessen, som anvender et neddykket injektionssystem.

Denne værdifulde egenskab kan dog kun opnås gennem streng temperaturkontrol. Under ca. 450 °C opløser zinklegeringen jern så langsomt, at man kan bruge metaldele, der er i kontakt med legeringen. Fordi reaktionshastigheden vokser eksponentielt med temperaturen, er den følsom over for beskedne temperatursvingninger.
Reaktionen sker mellem aluminium i legeringen og jern i smeltediglen og maskindele.

Aluminium + jern > Intermetallisk partikel
3Al + Fe > FeAl3

Det intermetalliske jernaluminid flyder op til overfladen og reagerer med oxidlaget, så der dannes slagger. Hvis slaggen røres ind i metallet, eller hvis grydeniveauet falder så lavt, at metal under overfladen suges ind i svanehalsen, vil støbningen indeholde hårde partikler, hvilket resulterer i de fejl, der er angivet under jern i afsnittet om forurening.
For høje temperaturer medfører også tab af magnesium, fordi det er et flygtigt element, der koges væk. Lavt magnesiumindhold udsætter støbningen for betydelige korrosionsvanskeligheder under brug.

Det er værd at bemærke, at den samlede smeltetemperatur ikke er den eneste faktor, der skal tages i betragtning. Hvis der er et varmt sted i ovnen, f.eks. en dårligt kalibreret brænder, vil den høje temperatur forårsage jernoptagelse. I værste fald kan smeltediglen blive ædt igennem, hvilket fører til udløb.

Anbefalet metal Afstøbning temperaturer er:

Zamak nr. 2,3,5,7	415-4S0°C
ZA8	420-445°C
ZA12	465-495°C
ZA27	550-580°C
Acuzinc 5	~ 480°C
Acuzinc 10	~ 5S0°C

Når ZA-legeringer, især ZA-27, smeltes, har de en tendens til at adskille sig ved hjælp af tyngdekraften i lag med et højt indhold af aluminium og zink. Lodret omrøring vil blande smelten; stærk omrøring bør undgås, da det vil fremme oxidation. Når smelten er blandet, skal den forblive stabil. Det er vigtigt, at eventuelle slagger ikke formodes at blive adskilt og omrørt. ZA-27 bør ikke opbevares under 540 °C, fordi jern i opløsning udfældes som massive intermetalliske partikler.

Smeltning og opbevaring af ingots, der opfylder specifikationerne, bør være problemfri, så længe der opretholdes en passende temperaturkontrol, og der ikke sker utilsigtet forurening. Ved omsmeltning af løbere og skrot skal forskellige aspekter tages i betragtning.
Returmaterialet skal holdes strengt adskilt, især i værksteder, der også smelter aluminiumslegeringer. Hvis man blander nogle aluminiumløbere med 4%-zinklegeringerne, får man støbegods med et højt aluminiumsindhold, som gør dem skøre. Det samme problem vil opstå, hvis ZA-legering kombineres med normal legering.

Direkte omsmeltning af spåner, flammer og andet let overfladeforurenet materiale giver for meget slagger og har potentiale til at optage urenheder. Sådant materiale behandles bedst separat, så sammensætningen af den omsmeltede ingot kan bestemmes. Slagger skal behandles individuelt af samme grund. Flussmidlet har en tendens til at trække magnesium ud, især når metallet opvarmes. Galvaniseret støbegods kræver særlig opmærksomhed. Under smeltningen forbliver galvaniseringshuden på overfladen og kan skummes. Pladen bør ikke brydes op og blandes i smelten, fordi især nikkel kan skabe hårde pletter.

Under smeltning og støbning mister legeringen en lille mængde magnesium (ved fordampning) og aluminium (via interaktion med jern og efterfølgende fjernelse som slagger). Kontinuerlig omsmeltning af det samme metal vil i sidste ende resultere i støbegods uden for specifikationerne. Test af No3-legering har vist, at det tager syv cyklusser at reducere magnesium til mindre end det specificerede niveau. For at undgå denne eventuelle nedbrydning skal der løbende tilføres nye barrer til processen.

Defekter ved trykstøbning af zink

Nedenfor er listet almindelige fejl i Trykstøbning af zinkNår det gælder trykstøbning af aluminium og magnisium, vil der være stort set de samme problemer som ved zinkstøbning,

Internt Fejl i trykstøbning af zink

Krympning Porøsitet

Når legeringen overgår fra flydende til fast form, krymper den med flere procent af støbevolumenet. Der dannes et tomrum, hvis der ikke er ekstra flydende metal til rådighed til at drive krympningen. Dette er krympende porøsitet. Den forekommer ofte i isolerede tunge dele som store uregelmæssige huller (figur S), men den kan også være i en interdendritisk, revneagtig form, især i legeringer med langt fryseområde som ZA-27 og Acuzinc.

Internal porosity may be disclosed if surfaces such as flanges or bores must be machined, resulting in rejection. Porosity can also lead to tool wear and drill drift during machining processes. The influence on strength will be determined by both the distribution and the quantity of porosity. It is important to recall that the “book” strength ratings stated for the alloys were achieved on specimens with typical porosity levels.

For at begrænse krympeporøsitet skal du øge metaltrykket og sørge for, at porten er tyk nok til at være aktiv under størkningen. Stemplet må ikke krybe så langt ned, at det rammer bunden af svanehalsen, hvilket kan resultere i manglende tryk på metallet. Pakningstiden skal være tilstrækkelig til at tillade fuldstændig størkning; ellers vil metallet blive trukket ud af hulrummet, når stemplet vender tilbage. Lokal afkøling kan minimere hot spots og dermed forhindre produktionen af isolerede pletter af flydende metal, som, når de er frosne, producerer porer.

Interdendritic porosity can lead to leakage in pressure-tight components. The longer the alloy’s freezing range, the greater the likelihood of leaking. Casting at a low die temperature thickens the casting skin and reduces the possibility of leaking. However, this process may be hampered by the necessity for a high enough die temperature to provide a desirable surface look. Die face temperatures typically range from 170°C to 240°C.

Gasporøsitet

Når matricen fyldes hurtigt, kan enorme mængder gas blive fanget. Efter højtryksstørkning danner gassen kvasi-kugleformede bobler, som regel omkring midterlinjen (figur 4). Gas og svindporøsitet kan eksistere side om side; i dette tilfælde har gassen en tendens til at afrunde svindporøsiteten.

Gasporøsitet forårsager de samme fejl som krympeporøsitet, men det er mindre sandsynligt, at der opstår lækager, da gashuller sjældent er indbyrdes forbundne. Desuden er gasporøsitet den primære årsag til blærer i støbegods. Hvis legeringen er svag som følge af opvarmning til høje temperaturer, kan det enorme gastryk i poren blæse den omgivende metalhud væk. Ved at øge afkølingstiden og/eller sænke matricetemperaturen kan man reducere forekomsten af blærer kort efter udstøbning.

Ideelt set skal mængden af gas, der er fanget i hulrummet, minimeres. Dette opnås ved at anvende det størst mulige slag i første trin og den længst mulige fyldetid (samtidig med at man holder sig det modstridende behov for korte fyldeperioder for at opnå et acceptabelt overfladeudseende for øje). Ventilationsåbninger skal maksimeres og placeres korrekt. Det er en fordel at holde formsprøjt på et minimum. Porøsitet er ofte et mindre problem og giver i hvert fald færre blærer, når den findes i form af mange mikroskopiske porer i stedet for nogle få store. Små porer fremmes ved at bruge høje metalhastigheder; porthastigheder på 40 m/s bør være målet. Vakuumstøbning vil eliminere denne type porøsitet.

Mikroporøsitetsdefekter i trykstøbning

Ud over den synlige porøsitet vil der være porøsitet af en størrelse, der kun kan observeres med et mikroskop. Hvis denne mikroporøsitet ikke er til stede i støbehuden (hvilket den ofte er), har den ingen negativ indvirkning, medmindre den senere udsættes for poleringsprocesser før overfladebelægning.

Tårer aog Sprækker

Varme tårer opstår, som navnet antyder, ved temperaturer nær størkningsområdet. Revnen er forårsaget af støbesvigt under høj belastning, lav spændingsdeformation, og den følger ofte et ujævnt mønster (figur 5). Dette står i kontrast til de betydeligt mere lige revner, der kan opstå ved lavere temperaturer under forhold med høj spænding og lav belastning. Desuden varierer brudfladens udseende mellem disse to typer fejl.

Komponentens form bidrager væsentligt til hot tearing. Det sker, når størkningskrympningen er begrænset til et lille område, især hvis dette område også er en varm zone. ZA-27 og Acuzinc er mere tilbøjelige til denne fejl end de andre legeringer, medmindre deres aluminiumsindhold er under specifikationerne, eller de indeholder et overskud af magnesium. Bortset fra temperaturfordelingen i matricen har støbeparametrene ingen effekt på hot tearing. Afkøling af de varme områder i matricen kan hjælpe med at løse problemet.

Revnedannelse sker under udstødning, når der opstår for store kræfter som følge af, at støbegodset sætter sig fast i matricen. Det er ofte resultatet af fejl i værktøjsfremstillingen, som har forårsaget underskæringer, utilstrækkeligt træk eller flammer. Forlængelse af køleperioden for at gøre støbningen hårdere og bedre i stand til at absorbere udstødningsspændinger kan hjælpe med at forhindre revnedannelse. Men hvor kraften skyldes, at støbningen krymper hårdt på matricen, er lange afkølingstider ineffektive, og det kan være en fordel at udstøde tidligere.

Problemer med inklusioner

Dette er et langt mindre problem i zinklegeringer end i dem med stærkere oxidfilmdannere. Faktisk er intermetalliske jernforbindelser, der er skabt af utilstrækkelig smeltehåndtering, ofte de eneste, der giver problemer i praksis. Metalniveauet i gryden må ikke falde til det punkt, hvor metal under overfladen kommer ind i svanehalsen.

Overfladefejl ved trykstøbning

Guldomgange.

Denne fejl (også kendt som flowmarks eller cold flow) opstår, når strømme af metal, der er størknet i kontakt med matricen, ikke smeltes tilbage til hovedparten af støbningen, når der kommer yderligere metal til. Overfladen fremstår som en ujævn rille med en fiskeskælseffekt, der varierer i dybde afhængigt af skødets sværhedsgrad (figur 6). Tværsnittet viser det definerende træk ved en kold omgang, som er det omfang, hvori overfladebruddet fortsætter horisontalt og skaber en diskontinuitet under overfladen (figur 7).

Cold laps degrade the appearance of castings and cause issues with future finishing procedures, particularly electroplating, resulting in coating failure. If severe, laps can impair the casting’s ductility. The cavity fill time and die temperature are the key casting parameters that influence the production of cold laps. Less important characteristics are flow pattern, flow distance, metal speed, die surface, and metal temperature. The thickness of the casting is crucial. Laps are more common in thin section castings.

Sammenhængen mellem overfladeudseende, vægtykkelse, matricetemperatur og fyldetid er blevet bestemt. Surface Predictor (figur 8) kan bruges til at bestemme den maksimale fyldningstid i kaviteten og den mindste matricetemperatur, der vil resultere i en elektropletterbar overflade. Hvis emnet skal males, er længere fyldetider og lavere matricetemperaturer acceptable. En struktureret overflade på matricen kan øge den maksimale fyldningstid med 50%.

Nogle gange vil der forekomme laps, selv om matricen er varm og kavitetsfyldningstiden kort. når dette sker De er normalt forbundet med et hvirvelstrømningsmønster, der har fanget gas. Modtrykket, der udøves af gas på den slut af hulrum fylde bremser den omringende metal damp og Derfor producerer den betingelser nødvendigt for lokal skød dannelse. I dette sag, det vilje være nødvendigt til reducere den luft indespærret i den dø (se afsnit om porøsitet) eller ændre fyldningsmønsteret for at forhindre dannelsen af sådanne overgange.