Defekter ved støping av sink

Støping under høyt trykk er som å fly som en humlebi; begge deler er teoretisk umulig. Mer enn 150 års effektiv drift, med stadig økende produktivitet og komponentkvalitet, har imidlertid vist at trykkstøping i seg selv er robust og i stand til å nå høye nivåer av prosesskapasitet. Selv i de best drevne verkstedene oppstår det skrap, og nedenfor diskuterer vi diagnostisering, årsaker og behandling av feil som kan oppstå i sinkstøpegods, og alle disse problemene er de samme som for aluminiums- og magnesiumstøpegods

Det finnes flere måter å organisere feil på for å gi en konsekvent behandling av emnet. I denne artikkelen tar vi for oss en trinnvis tilnærming, fra mottak av legeringsblokken til utsendelse av det ferdige produktet, og presenterer informasjon om hver type feil på det punktet der den oppstår. Andre metoder for å identifisere feil og ulike feilsøkingssystemer vil bli omtalt senere. Prosessfasene er listet opp nedenfor:

I tillegg vil støpeskiver og skrap bli resirkulert i ulike faser, og det må tas hensyn til lagring og håndtering mellom prosessene. Ikke alle støpegods vil gå gjennom alle prosedyrer.

Sinklegering Ingot Spesifikasjoner:

Sammensetningene av sinkstøpelegeringene ble metodisk utviklet over en periode på 75 år. Legeringselementene er blitt justert, og maksimumsverdiene for farlige forurensninger er nøye fastsatt. For å kunne lage pålitelige støpegods må det brukes barrer som oppfyller internasjonalt aksepterte krav. I tillegg må legeringskvaliteten opprettholdes under smelte- og støpeoperasjonene for å sikre at de støpte komponentene oppfyller kriteriene for støpesammensetning.

De mindre avvikene mellom standardene for ingots (tabell 1) og støpegods (tabell 2) for hver legeringstype er ment å ta hensyn til variasjoner som skyldes vanlig bearbeiding og resirkuleringsprosesser. Det er aldri forsvarlig å bruke ukurante barrer, spesielt ikke barrer som inneholder svært giftige urenheter som bly, tinn eller kadmium.

Legeringene er delt inn i tre familier: 4%-aluminiumslegeringer (Zamak 3 og 5, samt nr. 2 og 7), ZA-legeringer med høyere aluminium (nr. 8, 12 og 27) og kobberlegeringer (A cu sink 5 og 10).

I tillegg har enkelte andre legeringer ikke blitt kommersielt akseptert. Nesten alle støpegods i sinklegeringer produseres i Zamak No3 eller No5, og andre legeringer spesifiseres bare når det kreves spesifikke kvaliteter.

Effekt av forurensning

Effekten av forurensende elementer, som for eksempel bly, på støpegods er sammenlignbar for alle legeringer. De spesifikke maksimumsverdiene for urenheter som er angitt, gjenspeiler den varierende alvorlighetsgraden av effekten, samt hvor enkelt det er å fremstille ingots med lave sporelementnivåer.

Bly, tinn og kadmium

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 magnesiumnivåene holdes over minimumsverdiene, er effekten ubetydelig i støpegods som inneholder opp til de foreskrevne maksimumsverdiene av disse miljøgiftene. Forebyggende metoder omfatter riktig innkjøp av støpegods og god rengjøring for å unngå forurensning fra omsmelting eller fra miljøet i verkstedet, for eksempel lodding.

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 silisium

For høye nivåer av disse komponentene har samme effekt på støpegodset som ekstra jern. Det bør bemerkes at nikkel ikke er en forurensning i legering nr. 7; den lille mengden som er oppgitt (mindre enn løselighetsgrensen) er snarere en tilsiktet tilsetning for å redusere intergranulær korrosjon i denne magnesiumfrie legeringen med høy flyteevne.

Effekten av legeringselementer

Aluminium
Med unntak av acuzinklegeringer er aluminium det vanligste legeringselementet. Både styrken og støpbarheten til legeringene er avhengig av at nivået er innenfor spesifikasjonene. Egenskapene kan endre seg raskt utenfor de svært begrensede områdene som er angitt, spesielt i sinklegeringene 2, 3, 5 og 7.
Overflødig aluminium i disse 4%Al-legeringene reduserer slagfastheten betydelig (figur 2), og derfor bør det ikke tas opp aluminium under bearbeidingen. Hvis aluminiumnivået faller under det foreskrevne minimumsnivået, er effekten mindre merkbar. Mulige konsekvenser er en tendens til varmrivning, noe som reduserer styrken, redusert flytbarhet og en økt tendens til at legeringen fester seg til støpeformen (lodding).

Variasjoner i aluminiumsinnhold har en mindre merkbar effekt på egenskapene i ZA-legeringer med høyere aluminiumsinnhold, noe som resulterer i et bredere tillatt område. I likhet med 4%-legeringene er imidlertid sammensetningene optimalisert for å gi en optimal kombinasjon av egenskaper, og overskridelse av grensene vil føre til endringer som kan være skadelige.

Magnesium

Selv om magnesiumtilsetningen har en forsterkende effekt, er det primære formålet å forhindre korrosjon mellom kornene i legeringer som inneholder bly, tinn og andre metaller i nivåer opp til det tillatte maksimumsnivået. Støpegods som inneholder mindre magnesium enn minimumsnivået, kan korrodere under bruk. Et magnesiumnivå som overskrider det tillatte området, kan føre til varmripping, noe som kan resultere i tap av styrke eller problemer med belegget. Høyt magnesiuminnhold reduserer legeringens flyteevne, noe som kan føre til problemer med fylling.

Kobber

Tilsetningen av kobber til basislegeringen 4%Al øker styrken og hardheten på bekostning av duktiliteten og fører til at legeringene endrer dimensjon mer under aldring. Slagstyrken i legeringer med høyt kobberinnhold avtar også ved aldring. Som et resultat av dette vil legeringer som faller utenfor de gjeldende kobberbegrensningene, ha kvaliteter som ligger mellom de spesifiserte legeringene.
Kobberandelen i ZA-legeringer har en betydelig innvirkning på de mekaniske egenskapene. Generelt reduserer høy kobberandel duktiliteten, mens lav kobberandel reduserer strekkfastheten.

Det viktigste legeringstilsetningsstoffet i Acuzinc-legeringer er kobber, som gir større hardhet og styrke ved høye temperaturer enn andre sinkbaserte legeringer. Det relative innholdet av kobber og aluminium i Acuzinc-legeringene er optimalisert for å balansere egenskaper og støpbarhet. Fordi det høye kobberinnholdet forekommer i et distinkt fasesystem, kan effekten på dimensjonsendring ved aldring avvike fra det som er rapportert i 4%Al-legeringer.
Smelting, overføring og oppbevaring av metall

Med unntak av legeringene ZA-12, ZA-27 og Acuzinc10, som angriper jern og stål i uakseptabelt høy grad, kan sinklegeringer smeltes og lagres i metallbeholdere. Dette gjør det mulig å støpe dem ved hjelp av varmkammerprosessen, som benytter et nedsenket injeksjonssystem.

Denne verdifulle egenskapen er imidlertid bare mulig å oppnå gjennom streng temperaturkontroll. Under ca. 450 °C løser sinklegeringen opp jern i et tempo som er lavt nok til at metalldeler som kommer i kontakt med legeringen, kan brukes. Fordi reaksjonshastigheten vokser eksponentielt med temperaturen, er den følsom for beskjedne temperatursvingninger.
Reaksjonen skjer mellom aluminium i legeringen og jern i smeltedigelen og maskindelene.

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

Jernaluminidmetallet flyter opp til overflaten og reagerer med oksidlaget slik at det dannes slagg. Hvis slaggen røres inn i metallet, eller hvis grytenivået faller så lavt at metall under overflaten suges inn i svanehalsen, vil støpestykket inneholde harde partikler, noe som resulterer i feilene som er angitt under jern i avsnittet om forurensning.
For høy temperatur fører også til tap av magnesium, fordi det er et flyktig grunnstoff som kokes bort. Lavt magnesiuminnhold utsetter støpegodset for betydelige korrosjonsproblemer under bruk.

Det er verdt å merke seg at den totale smeltetemperaturen ikke er den eneste faktoren man må ta hensyn til. Hvis det er et varmt punkt i ovnen, for eksempel en dårlig kalibrert brenner, vil den høye temperaturen føre til jernoppsamling. I verste fall kan smeltedigelen bli gjennomtært, noe som kan føre til utløp.

Anbefales metall støping 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, spesielt ZA-27, smeltes, har de en tendens til å skille seg i lag med høyt innhold av aluminium og sink. Vertikal omrøring vil blande smelten; sterk omrøring bør unngås, da det vil fremme oksidasjon. Når smelten er blandet, skal den forbli jevn. Det er viktig at eventuelle slagglag som dannes, ikke forutsettes å bli separert og rørt inn. ZA-27 bør ikke lagres ved temperaturer under 540 °C, fordi jern i oppløsning utfelles som massive intermetalliske partikler.

Smelting og oppbevaring av ingots som er i henhold til spesifikasjonene, bør være problemfritt så lenge temperaturen er tilstrekkelig kontrollert og det ikke oppstår utilsiktet forurensning. Ved omsmelting av løpere og skrap er det flere aspekter som må tas i betraktning.
Returen må holdes strengt adskilt, spesielt i verksteder som også smelter aluminiumslegeringer. Hvis man blander noen aluminiumslegeringer med 4%-sinklegeringer, får man støpegods med høyt aluminiumsinnhold, noe som gjør dem sprø. Det samme problemet vil oppstå hvis ZA-legeringer kombineres med normale legeringer.

Direkte omsmelting av spon, flammer og annet lett overflateforurenset materiale gir for mye slagg og har potensial til å plukke opp urenheter. Slikt materiale behandles best separat, slik at sammensetningen av den omsmeltede ingoten kan bestemmes. Av samme grunn bør slagg behandles separat. Flussmidlet har en tendens til å trekke ut magnesium, spesielt når metallet varmes opp. Galvanisert støpegods krever spesiell oppmerksomhet. Under smeltingen blir den galvaniske huden liggende på overflaten og kan skummes av. Platen bør ikke brytes opp og blandes inn i smelten fordi spesielt nikkel kan skape harde flekker.

Under smelting og støping mister legeringen en liten mengde magnesium (ved forflytning) og aluminium (via interaksjon med jern og påfølgende fjerning som slagg). Kontinuerlig omsmelting av det samme metallet vil til slutt resultere i støpegods som ikke oppfyller spesifikasjonene. Tester på No3-legering har vist at det tar syv sykluser å redusere magnesiuminnholdet til under det spesifiserte nivået. For å unngå denne nedbrytningen må det kontinuerlig tilføres nytt råmetall til prosessen.

Defekter ved støping av sink

Nedenfor er det listet opp vanlige feil i trykkstøping av sinkFor aluminiumstøping, magnisiumstøping, vil det være stort sett de samme problemene som sinkstøping,

Internt Defekter i trykkstøping av sink

Krymping Porøsitet

Når legeringen går fra flytende til fast form, krymper den med flere prosent av støpevolumet. Hvis det ikke finnes ekstra flytende metall tilgjengelig for å drive krympingen, dannes det et tomrom. Dette er krympende porøsitet. Den forekommer ofte i isolerte, tunge partier som store, uregelmessige hull (figur S), men den kan også ha en interdendritisk, sprekklignende form, særlig i legeringer med lang fryseavstand, 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 å begrense krympeporøsitet må du øke metalltrykket og sørge for at porten er tykk nok til å være aktiv under størkningen. Stempelet må ikke krype så langt at det treffer bunnen av svanehalsen, noe som kan føre til manglende trykk på metallet. Pakketiden må være tilstrekkelig lang til at størkningen blir fullstendig, ellers vil metallet trekkes ut av hulrommet når stempelet returnerer. Lokal avkjøling kan minimere varme punkter og dermed forhindre at det oppstår isolerte flekker av flytende metall, som når de fryser, danner 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.

Gassporøsitet

Når formen fylles raskt, kan enorme mengder gass bli innestengt. Etter størkning under høyt trykk danner gassen kvasi-kuleformede bobler, vanligvis rundt midtlinjen (figur 4). Gass og krympeporøsitet kan eksistere side om side; i dette tilfellet har gassen en tendens til å avrunde krympeporøsiteten

Gassporøsitet forårsaker de samme feilene som krympeporøsitet, men det er mindre sannsynlig at det oppstår lekkasjer siden gasshullene sjelden er forbundet med hverandre. Videre er gassporøsitet den viktigste årsaken til blemmer i støpegods. Hvis legeringen er svak som følge av at den varmes opp til høye temperaturer, kan det enorme gasstrykket i porene sprenge bort den omkringliggende metallhuden. Ved å øke avkjølingstiden og/eller senke temperaturen i støpeformen kan man redusere forekomsten av blærer kort tid etter utstøping.

Ideelt sett bør mengden gass som fanges i hulrommet minimeres. Dette oppnås ved å bruke størst mulig slaglengde i første trinn og lengst mulig fyllingstid (samtidig som man tar hensyn til den motstridende nødvendigheten av korte fyllingsperioder for å oppnå et akseptabelt overflateutseende). Ventilasjonsåpningene bør maksimeres og plasseres riktig. Det er en fordel å holde sprøytespruten på et minimum. Porøsitet er ofte et mindre problem, og gir mindre blemmedannelse, når den finnes i form av mange mikroskopiske porer i stedet for noen få store. Små porer fremmes ved å bruke høye metallhastigheter, og målet bør være en gatehastighet på 40 m/s. Vakuumstøping vil eliminere denne typen porøsitet.

Mikroporøsitetsdefekter i pressstøping

I tillegg til synlig porøsitet vil det være porøsitet av en størrelse som bare kan observeres med mikroskop. Hvis denne mikroporøsiteten ikke finnes i støpehuden (noe den ofte gjør), har den ingen negativ innvirkning, med mindre den senere eksponeres ved polering før overflatebehandling.

Tårer aog Sprekker

Varme rifter oppstår, som navnet tilsier, ved temperaturer nær størkningsområdet. Sprekken skyldes støpesvikt under høy deformasjon med lav spenning, og den følger ofte et ujevnt mønster (figur 5). Dette står i kontrast til de betydelig rettere sprekkene som kan oppstå ved lavere temperaturer under forhold med høy spenning og lav tøyning. I tillegg varierer utseendet på bruddflatene mellom disse to typene feil.

Formen på komponenten bidrar betydelig til varmriving. Det skjer når størkningskrympingen er begrenset til et lite område, særlig hvis dette området også er en varm sone. ZA-27 og Acuzinc er mer utsatt for denne feilen enn de andre legeringene, med mindre aluminiuminnholdet er under spesifikasjonene eller de inneholder et overskudd av magnesium. Bortsett fra temperaturfordelingen i støpeformen har ikke støpeparametrene noen innvirkning på varmavrivning. Kjøling av de varme områdene i støpeformen kan bidra til å løse problemet.

Sprekkdannelser oppstår under utstøting når det genereres for store krefter som følge av at støpegodset tetter seg i formen. Dette er ofte et resultat av feil i verktøyfremstillingen som har ført til underskjæring, utilstrekkelig trekk eller flammer. Forlengelse av avkjølingsperioden for å gjøre støpegodset seigere og bedre i stand til å absorbere utstøtingskreftene kan bidra til å forhindre sprekkdannelser. Men i tilfeller der kraften skyldes at støpegodset krymper hardt mot støpeformen, er lang avkjølingstid ineffektivt, og det kan være en fordel å støpe ut tidligere.

Problemer med inkludering

Dette er et langt mindre problem i sinklegeringer enn i legeringer med sterkere oksidfilmdannere. Faktisk er det ofte bare intermetalliske jernforbindelser som oppstår på grunn av utilstrekkelig smeltehåndtering, som skaper problemer i praksis. Metallnivået i gryten må ikke synke så mye at metall under overflaten kommer inn i svanehalsen.

Overflatedefekter i pressstøping

Gullrunder.

Denne defekten (også kjent som flytmerker eller kaldflyt) oppstår når metallstrømmer som har størknet i kontakt med støpeformen, ikke smeltes tilbake til støpemassen når det tilføres mer metall. Overflaten fremstår som et ujevnt spor med en fiskeskjellaktig effekt som varierer i dybde avhengig av hvor alvorlig overlappingen er (figur 6). Tverrsnittet viser det som kjennetegner en kald overlapping, nemlig i hvilken grad overflatebruddet fortsetter horisontalt og skaper en diskontinuitet under overflaten (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.

Sammenhengen mellom overflateutseende, veggtykkelse, matrisetemperatur og fyllingstid er fastslått. Surface Predictor (figur 8) kan brukes til å bestemme den maksimale fyllingstiden og minimumstemperaturen som gir en elektroplaterbar overflate. Hvis delen skal lakkeres, kan lengre fylltider og lavere matrisetemperaturer aksepteres. En strukturert overflate på matrisen kan øke den maksimale fyllingstiden med 50%.

Noen ganger vil det oppstå runder selv om matrisen er varm og hulromsfyllingstiden kort. når dette skjer de er vanligvis forbundet med et virvelstrømningsmønster som har fanget gass. Mottrykket som utøves av gass på den slutt av hulrom fylle bremser den omkranser metall damp og dermed produserer den forhold nødvendig for lokale runde dannelse. I dette sak, det vilje være nødvendig til redusere den luft innesperret i den dø (se avsnittet om porøsitet) eller endre fyllingsmønsteret for å forhindre dannelse av slike overlappinger.