Wady odlewów cynkowych

Odlewanie wysokociśnieniowe jest podobny do lotu trzmiela; oba są teoretycznie niemożliwe. Jednak ponad 150 lat skutecznego działania, przy stale rosnącej wydajności i jakości komponentów, pokazało, że odlewanie ciśnieniowe jest z natury solidne i zdolne do osiągnięcia wysokiego poziomu wydajności procesu. Nawet w najlepiej prowadzonych warsztatach zdarzają się braki, a poniżej omówiono diagnostykę, przyczyny i leczenie wad, które mogą pojawić się w odlewach ciśnieniowych z cynku, wszystkie te kwestie są takie same dla odlewów ciśnieniowych z aluminium i magnezu

Istnieje kilka sposobów na uporządkowanie wad w celu zapewnienia spójnego podejścia do tematu. W tym artykule przyjęto podejście krok po kroku, od otrzymania wlewka stopowego do wysyłki gotowego produktu i przedstawiono informacje na temat każdego rodzaju wady w punkcie, w którym występuje. Inne metody identyfikacji wad i różne systemy wykrywania wad zostaną omówione później. Etapy procesu są wymienione poniżej:

Ponadto na różnych etapach recyklingowi będą poddawane wlewki i złom, a także należy wziąć pod uwagę składowanie i obsługę międzyprocesową. Nie wszystkie odlewy przejdą przez wszystkie procedury.

Zinc Alloy Ingot Specyfikacje:

Skład stopów odlewniczych cynku był metodycznie opracowywany przez 75 lat. Zakresy pierwiastków stopowych zostały dostrojone, a wartości maksymalne dla niebezpiecznych zanieczyszczeń zostały starannie określone. Aby uzyskać niezawodne odlewy, należy stosować wlewki spełniające międzynarodowe wymagania. Co więcej, jakość stopu musi być utrzymywana podczas operacji topienia i odlewania, aby zapewnić, że odlane komponenty spełniają kryteria składu odlewu.

Niewielkie rozbieżności między normami wlewków (tabela 1) i odlewów (tabela 2) dla każdego typu stopu mają na celu właściwe uwzględnienie zmienności spowodowanej regularnymi procesami przetwarzania i recyklingu. Używanie niespecyfikowanych wlewków, szczególnie tych zawierających wysoce toksyczne zanieczyszczenia, takie jak ołów, cyna lub kadm, nigdy nie jest uzasadnione.

Stopy są podzielone na trzy rodziny: 4% stopy aluminium (Zamak 3 i 5, a także nr 2 i 7), wyższe stopy aluminium ZA (nr 8, 12 i 27) oraz stopy miedzi (A cu cynk 5 i 10).

Ponadto niektóre inne stopy nie zostały zaakceptowane komercyjnie. Prawie wszystkie odlewy ze stopów cynku są wytwarzane ze stopów Zamak No3 lub No5, a inne są określane tylko wtedy, gdy wymagane są określone właściwości.

Wpływ zanieczyszczenia

Wpływ pierwiastków zanieczyszczających, takich jak ołów na odlewy, jest porównywalny dla wszystkich stopów. Określone maksymalne poziomy zanieczyszczeń odzwierciedlają zmienne nasilenie efektu, a także łatwość, z jaką wlewki mogą być wytwarzane przy niskich poziomach pierwiastków śladowych.

Ołów, cyna i kadm

Pierwiastki te, wraz z porównywalnymi, ale mniej powszechnymi indem i talem, mogą powodować katastrofalne uszkodzenia w wyniku korozji międzykrystalicznej. "Zanieczyszczenia segregują na granicach ziaren, ułatwiając korozję międzykrystaliczną, szczególnie w ciepłym i wilgotnym środowisku. Odlewy pęcznieją i pękają, tworząc kopce szarego proszku (rysunek l).

Jeśli poziomy magnezu są utrzymywane powyżej wartości minimalnych, efekt jest nieznaczny w odlewach zawierających do zalecanych wartości maksymalnych tych zanieczyszczeń. Metody zapobiegawcze obejmują właściwy zakup wlewków i dobre gospodarowanie w celu uniknięcia zanieczyszczenia z przetopu lub środowiska warsztatowego, takiego jak lutowanie.

Żelazo

Żelazo jest tylko w niewielkim stopniu rozpuszczalne w cynku, a jego nadmiar łączy się z aluminium w stopie, tworząc międzymetaliczny kompleks glinku żelaza (FeAl3). Związek ten jest niezwykle twardy, a jeśli dostanie się do odlewu, może powodować problemy z obróbką, nadmierne zużycie narzędzi i problemy z polerowaniem, ponieważ cząsteczki będą odstawać lub wyrywać się. Nadmierne ilości mogą ograniczyć płynność stopu, a tym samym jego zdolność do wypełniania matryc. Wreszcie, jeśli skoncentruje się w miejscach narażonych na naprężenia, wytrzymałość i plastyczność mogą się zmniejszyć. Istnieją dowody na to, że rozmiar cząstek, a nie ich całkowita ilość, decyduje o obrabialności, ponieważ żelazo pochodzi z tygla. Kluczowym zabezpieczeniem jest utrzymywanie temperatury metalu pod kontrolą.

Nikiel, chrom, mangan i krzem

Nadmierne poziomy tych składników mają taki sam wpływ na odlew jak dodatkowe żelazo. Należy zauważyć, że nikiel nie jest zanieczyszczeniem w stopie nr 7; raczej niewielka podana ilość (mniejsza niż limit rozpuszczalności) jest celowym dodatkiem w celu zmniejszenia korozji międzykrystalicznej w tym niezawierającym magnezu stopie o wysokiej płynności.

Wpływ pierwiastków stopowych

Aluminium
Z wyjątkiem stopów Acuzinc, aluminium jest najczęściej stosowanym pierwiastkiem stopowym. Zarówno wytrzymałość, jak i odlewalność stopów zależą od ich poziomu w specyfikacji. Właściwości mogą się szybko zmieniać poza bardzo ograniczonymi zakresami, szczególnie w przypadku stopów cynku 2, 3, 5 i 7.
Nadmiar aluminium w tych stopach 4%Al znacznie zmniejsza udarność (rysunek 2), dlatego podczas obróbki nie należy zbierać aluminium. Jeśli poziom aluminium spadnie poniżej zalecanego minimum, efekty są mniej zauważalne. Możliwe konsekwencje obejmują tendencję do zrywania na gorąco, co zmniejsza wytrzymałość, zmniejszoną płynność i zwiększoną tendencję do przywierania stopu do matrycy (lutowanie).

Różnice w zawartości aluminium mają mniej zauważalny wpływ na właściwości stopów ZA o wyższej zawartości aluminium, co skutkuje szerszymi dopuszczalnymi zakresami. Jednakże, podobnie jak w przypadku stopów 4%, skład został zoptymalizowany w celu zapewnienia optymalnej kombinacji właściwości, a przekroczenie limitów spowoduje modyfikacje, które mogą być szkodliwe.

Magnez

Chociaż dodatek magnezu ma działanie wzmacniające, jego głównym celem jest zapobieganie korozji międzykrystalicznej w stopach zawierających ołów, cynę i inne metale na poziomach do dopuszczalnego maksimum. Odlewy zawierające mniej magnezu niż minimum zakresu mogą korodować podczas pracy. Poziom magnezu przekraczający dopuszczalny zakres może powodować zrywanie na gorąco, co skutkuje utratą wytrzymałości lub trudnościami z powłoką. Wysoka zawartość magnezu obniża płynność stopu, co może powodować problemy z napełnianiem.

Miedź

Dodatek miedzi do podstawowego stopu 4%Al zwiększa wytrzymałość i twardość kosztem plastyczności i powoduje, że stopy bardziej zmieniają wymiary podczas starzenia. Udarność stopów o wysokiej zawartości miedzi również spada wraz ze starzeniem. W rezultacie stopy, które wykraczają poza obowiązujące ograniczenia miedzi, będą miały właściwości pośrednie w stosunku do określonych stopów.
Zawartość miedzi w stopach ZA ma znaczący wpływ na ich właściwości mechaniczne. Ogólnie rzecz biorąc, wysoka zawartość miedzi zmniejsza ciągliwość, podczas gdy niska zawartość miedzi zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie.

Głównym dodatkiem stopowym w stopach Acuzinc jest miedź, która zapewnia większą twardość i wytrzymałość w wysokich temperaturach niż inne stopy na bazie cynku. Względne poziomy miedzi i aluminium w stopach Acuzinc zostały zoptymalizowane w celu zrównoważenia właściwości i możliwości odlewania. Ponieważ wysoki poziom miedzi występuje w odrębnym układzie faz, jego wpływ na zmiany starzenia wymiarowego może różnić się od tego odnotowanego w stopach 4%Al.
Topienie, przenoszenie i przechowywanie metali

Z wyjątkiem stopów ZA-12, ZA-27 i Acuzinc10, które atakują żelazo i stal w niedopuszczalnie wysokim tempie, stopy cynku mogą być topione i przechowywane w metalowych pojemnikach. Ta cecha umożliwia ich odlewanie w procesie gorącej komory, który wykorzystuje zanurzony system wtrysku.

Ta cenna cecha jest jednak osiągalna tylko dzięki ścisłej kontroli temperatury. Poniżej około 450°C, stop cynku rozpuszcza żelazo w wystarczająco wolnym tempie, aby umożliwić użycie metalowych części w kontakcie ze stopem. Ponieważ szybkość reakcji rośnie wykładniczo wraz z temperaturą, jest ona podatna na niewielkie wahania temperatury.
Reakcja zachodzi między aluminium w stopie a żelazem w tyglu i częściach maszyny.

Aluminium + żelazo > Cząstka międzymetaliczna
3Al + Fe > FeAl3

Międzymetaliczny glinek żelaza wypływa na powierzchnię i reaguje z warstwą tlenku, tworząc kożuch żużlowy. Jeśli kożuch zostanie wymieszany z metalem lub jeśli poziom wlewu spadnie tak nisko, że metal podpowierzchniowy zostanie zassany do gęsiej szyi, odlew będzie zawierał twarde cząstki, co spowoduje powstanie wad wskazanych w części dotyczącej zanieczyszczeń w sekcji dotyczącej żelaza.
Nadmierna temperatura powoduje również utratę magnezu, ponieważ jest to pierwiastek lotny, który ulega wygotowaniu. Niski poziom magnezu naraża odlew na znaczne trudności z korozją podczas eksploatacji.

Warto zauważyć, że ogólna temperatura topienia nie jest jedynym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę. Jeśli w piecu znajduje się gorący punkt, taki jak źle skalibrowany palnik, wysoka temperatura spowoduje gromadzenie się żelaza. W poważnych okolicznościach tygiel może zostać przeżarty, co prowadzi do bicia.

Zalecane metal casting temperatury są:

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

Kiedy stopy ZA, szczególnie ZA-27, są topione, mają tendencję do grawitacyjnego rozdzielania się na warstwy bogate w aluminium i cynk. Pionowe mieszanie spowoduje wymieszanie stopu; należy unikać silnego mieszania, ponieważ sprzyja ono utlenianiu. Po zmieszaniu stopiony materiał powinien pozostać stabilny. Bardzo ważne jest, aby nie zakładać, że utworzona warstwa żużlu zostanie oddzielona i wymieszana. ZA-27 nie powinien być przechowywany w temperaturze poniżej 540°C, ponieważ żelazo w roztworze wytrąca się w postaci masywnych cząstek międzymetalicznych.

Topienie i przechowywanie wlewków zgodnych ze specyfikacją powinno przebiegać bezproblemowo, o ile utrzymywana jest odpowiednia kontrola temperatury i nie dochodzi do niezamierzonego zanieczyszczenia. Podczas przetapiania wlewków i złomu należy wziąć pod uwagę różne aspekty.
Zwroty muszą być ściśle posegregowane, szczególnie w zakładach, które topią również stopy aluminium. Mieszanie niektórych stopów aluminium ze stopami cynku 4% powoduje powstawanie odlewów o wysokiej zawartości aluminium, co czyni je kruchymi. Identyczny problem wystąpi w przypadku połączenia stopu ZA z normalnym stopem.

Bezpośrednie przetapianie wiórów, odprysków i innych lekkich materiałów zanieczyszczonych powierzchniowo powoduje powstawanie nadmiernej ilości żużlu i może powodować gromadzenie się zanieczyszczeń. Taki materiał najlepiej jest traktować oddzielnie, aby można było określić skład przetopionego wlewka. Żużel powinien być traktowany indywidualnie z tych samych powodów. Topnik ma tendencję do ekstrakcji magnezu, zwłaszcza gdy metal jest rozgrzany. Odlewy galwanizowane wymagają szczególnej uwagi. Podczas topienia, powłoka galwaniczna pozostaje na powierzchni i może zostać usunięta. Płytki nie należy rozbijać i mieszać ze stopionym metalem, ponieważ nikiel, w szczególności, może tworzyć twarde plamy.

Podczas topienia i odlewania stop traci niewielką ilość magnezu (poprzez ulatnianie) i aluminium (poprzez interakcję z żelazem i późniejsze usuwanie jako kożuch żużlowy). Ciągłe przetapianie tego samego metalu ostatecznie doprowadziłoby do powstania odlewów niezgodnych ze specyfikacją. Testy stopu No3 wykazały, że potrzeba siedmiu cykli, aby zmniejszyć zawartość magnezu do poziomu niższego niż określony. Aby uniknąć tej ostatecznej degradacji, pierwotny wlewek musi być stale dostarczany do procesu.

Wady odlewów cynkowych

Poniżej wymieniono typowe usterki w odlew cynkowyW przypadku odlewania ciśnieniowego aluminium, odlewania ciśnieniowego magnezu, będą występować prawie takie same problemy jak w przypadku odlewania cynku,

Wewnętrzny Wady odlewów cynkowych

Skurcz Porowatość

Gdy stop przechodzi ze stanu ciekłego w stały, kurczy się o kilka procent swojej objętości odlewu. Pustka tworzy się, jeśli dodatkowy ciekły metal nie jest dostępny do napędzania kurczenia się. Jest to porowatość skurczowa. Często występuje ona w izolowanych, ciężkich porcjach w postaci ogromnych, nieregularnych otworów (rysunek S), ale może również występować w postaci interdendrytycznej, przypominającej pęknięcia, szczególnie w przypadku stopów o długim zakresie krzepnięcia, takich jak ZA-27 i Acuzinc.

Porowatość wewnętrzna może zostać ujawniona w przypadku konieczności obróbki powierzchni takich jak kołnierze lub otwory, co skutkuje odrzuceniem produktu. Porowatość może również prowadzić do zużycia narzędzia i znoszenia wiertła podczas procesów obróbki. Wpływ na wytrzymałość zależy zarówno od rozkładu, jak i ilości porowatości. Ważne jest, aby pamiętać, że "książkowe" wartości wytrzymałości podane dla stopów zostały osiągnięte na próbkach o typowych poziomach porowatości.

Aby ograniczyć porowatość skurczową, należy zwiększyć ciśnienie metalu i upewnić się, że brama jest wystarczająco gruba, aby była aktywna podczas krzepnięcia. Tłok nie powinien pełzać tak daleko, aby uderzył w dno gęsiej szyi, co mogłoby spowodować brak nacisku na metal. Czas pakowania musi być wystarczający, aby umożliwić całkowite zestalenie; w przeciwnym razie metal zostanie wyciągnięty z wnęki, gdy tłok powróci. Lokalne chłodzenie może zminimalizować gorące punkty, a tym samym zapobiec powstawaniu odizolowanych plam ciekłego metalu, które po zamrożeniu tworzą pory.

Porowatość międzydendrytyczna może prowadzić do wycieków w elementach szczelnych ciśnieniowo. Im dłuższy zakres krzepnięcia stopu, tym większe prawdopodobieństwo wycieku. Odlewanie w niskiej temperaturze matrycy pogrubia powłokę odlewu i zmniejsza możliwość wycieku. Proces ten może być jednak utrudniony przez konieczność uzyskania wystarczająco wysokiej temperatury matrycy, aby zapewnić pożądany wygląd powierzchni. Temperatury czoła matrycy zazwyczaj wahają się od 170°C do 240°C.

Porowatość gazu

Ponieważ matryca szybko się wypełnia, ogromne ilości gazu mogą zostać uwięzione. Po zestaleniu pod wysokim ciśnieniem gaz tworzy quasi-sferyczne pęcherzyki, zwykle wokół linii środkowej (rysunek 4). Gaz i porowatość skurczowa mogą współistnieć; w tym przypadku gaz ma tendencję do zaokrąglania porowatości skurczowej

Porowatość gazowa powoduje te same wady, co porowatość skurczowa, jednak prawdopodobieństwo wycieku jest mniejsze, ponieważ otwory gazowe rzadko są ze sobą połączone. Co więcej, porowatość gazowa jest główną przyczyną powstawania pęcherzy w odlewach. Jeśli stop jest słaby, w wyniku podgrzania do wysokich temperatur, ogromne ciśnienie gazu w porach może zdmuchnąć otaczającą metalową powłokę. Wydłużenie czasu chłodzenia i/lub obniżenie temperatury matrycy może zmniejszyć występowanie pęcherzy wkrótce po wyrzuceniu.

W idealnym przypadku ilość gazu uwięzionego we wnęce powinna być zminimalizowana. Osiąga się to poprzez zastosowanie największego możliwego skoku pierwszego stopnia i najdłuższego możliwego czasu napełniania (pamiętając jednocześnie o sprzecznej konieczności krótkich okresów napełniania w celu uzyskania akceptowalnego wyglądu powierzchni). Otwory wentylacyjne powinny być zmaksymalizowane i odpowiednio rozmieszczone. Utrzymanie natrysku matrycy na minimalnym poziomie jest korzystne. Porowatość jest często mniejszym problemem i z pewnością powoduje mniej pęcherzy, gdy występuje w postaci wielu mikroskopijnych porów, a nie kilku dużych. Małe pory są wspierane przez stosowanie dużych prędkości metalu; celem powinny być prędkości bramy 40 m/s. Odlewanie próżniowe wyeliminuje ten rodzaj porowatości.

Wady mikroporowatości w odlewach ciśnieniowych

Oprócz widocznej porowatości, będzie występować porowatość o rozmiarze, który można zaobserwować tylko pod mikroskopem. Ta mikroporowatość, jeśli jest nieobecna w skórze odlewu (co często ma miejsce), nie ma negatywnego wpływu, chyba że zostanie później odsłonięta przez procesy polerowania przed powlekaniem powierzchni.

Łzy ai Pęknięcia

Gorące pęknięcia, jak sama nazwa wskazuje, występują w temperaturach zbliżonych do zakresu krzepnięcia. Pęknięcie jest spowodowane uszkodzeniem odlewu przy dużym odkształceniu i niskim naprężeniu i często ma nierównomierny wzór (rysunek 5). Kontrastuje to ze znacznie prostszymi pęknięciami, które mogą wystąpić w niższych temperaturach w warunkach wysokiego naprężenia i niskiego odkształcenia. Ponadto wygląd powierzchni pęknięć różni się w zależności od tych dwóch rodzajów wad.

Forma komponentu w znacznym stopniu przyczynia się do rozerwania na gorąco. Dzieje się tak, gdy skurcz krzepnięcia jest ograniczony do małego obszaru, zwłaszcza jeśli obszar ten jest również strefą gorącą. ZA-27 i Acuzinc są bardziej podatne na tę wadę niż inne stopy, chyba że ich zawartość aluminium jest poniżej specyfikacji lub zawierają nadmiar magnezu. Z wyjątkiem rozkładu temperatury matrycy, parametry odlewania nie mają wpływu na rozerwanie na gorąco. Chłodzenie gorących obszarów w matrycy może pomóc w rozwiązaniu problemu.

Pękanie występuje podczas wyrzucania, gdy generowane są nadmierne siły w wyniku zatkania odlewu w matrycy. Jest to często wynikiem błędów w produkcji narzędzi, które spowodowały podcięcie, nieodpowiedni ciąg lub wypływkę. Wydłużenie okresu chłodzenia, aby odlew był twardszy i lepiej absorbował naprężenia wyrzutowe, może pomóc w zapobieganiu pękaniu. Jednak tam, gdzie siła jest spowodowana twardym skurczem odlewu na matrycy, długi czas chłodzenia jest nieskuteczny, a wcześniejsze wyrzucenie może być korzystne.

Kwestie inkluzji

Jest to znacznie mniejszy problem w przypadku stopów cynku niż w przypadku stopów z silniejszymi tlenkami. W rzeczywistości, międzymetale żelaza powstałe w wyniku nieodpowiedniego zarządzania stopem są często jedynymi, które stwarzają problemy w praktyce. Poziom metalu w garnku nie może spaść do punktu, w którym metal podpowierzchniowy dostanie się do gęsiej szyjki.

Wady powierzchni odlewów ciśnieniowych

Złote okrążenia.

Wada ta (znana również jako flowmarks lub cold flow) powstaje, gdy strumienie metalu, które wstępnie zestaliły się w kontakcie z matrycą, nie są przetapiane z powrotem do większości odlewu, gdy pojawia się dodatkowy metal. Powierzchnia wygląda jak nierówny rowek z efektem rybiej łuski, którego głębokość zmienia się w zależności od stopnia zatarcia (rysunek 6). Przekrój poprzeczny pokazuje charakterystyczną cechę zimnego okrążenia, czyli zakres, w jakim pęknięcie powierzchniowe przebiega poziomo i generuje podpowierzchniową nieciągłość (rysunek 7).

Zimne zakładki pogarszają wygląd odlewów i powodują problemy z przyszłymi procedurami wykończeniowymi, w szczególności z galwanizacją, co prowadzi do uszkodzenia powłoki. Jeśli są one poważne, mogą pogorszyć plastyczność odlewu. Czas wypełniania wnęki i temperatura matrycy są kluczowymi parametrami odlewania, które wpływają na produkcję zimnych zakładek. Mniej ważne cechy to wzór przepływu, odległość przepływu, prędkość metalu, powierzchnia matrycy i temperatura metalu. Grubość odlewu ma kluczowe znaczenie. Zakłady są bardziej powszechne w odlewach o cienkich przekrojach.

Określono związek między wyglądem powierzchni, grubością ścianki, temperaturą matrycy i czasem napełniania. Surface Predictor (rysunek 8) może być użyty do określenia maksymalnego czasu wypełnienia wnęki i minimalnej temperatury matrycy, które spowodują powstanie powierzchni nadającej się do galwanizacji. Jeśli część ma być malowana, dopuszczalne są dłuższe czasy wypełniania i niższe temperatury matrycy. Teksturowana powierzchnia matrycy może wydłużyć maksymalny czas wypełniania o 50%.

Czasami okrążenia pojawiają się, mimo że matryca jest gorąca, a czas wypełniania wnęki jest krótki. Są one zwykle związane z przepływem wirowym, w którym uwięziony jest gaz. Ciśnienie wsteczne wywierane przez gaz na w koniec z wnęka wypełnienie zwalnia w otaczający metal pary i stąd produkuje w warunki niezbędny dla lokalny okrążenie formacja. W to przypadek, to będzie być niezbędny do zmniejszać się w powietrze uwięziony w w umierać (zob. sekcja dotycząca porowatości) lub zmodyfikować wzór wypełnienia, aby zapobiec tworzeniu się takich szczelin.