Defekter vid gjutning av zink

Gjutning under högt tryck är som att flyga som en humla; båda är teoretiskt omöjliga. Mer än 150 års effektiv drift, med ständigt ökande produktivitet och komponentkvalitet, har dock visat att tryckgjutning i sig är robust och kan nå höga nivåer av processkapacitet. Även i de bäst drivna butikerna uppstår skrot, och nedan diskuterar vi diagnos, orsaker och behandling av brister som kan uppstå i zinkgjutgods, alla dessa problem är desamma för aluminiumgjutgods och magnesiumgjutgods

Det finns flera sätt att organisera brister för att ge en konsekvent behandling av ämnet. I den här artikeln tar vi ett steg för steg, från mottagning av legeringsgöt till leverans av den färdiga produkten och presenterar information om varje typ av fel vid den punkt där det inträffar. Andra metoder för att identifiera fel och olika felsökningssystem kommer att diskuteras senare. Nedan följer en förteckning över processtegen:

Dessutom kommer löpare och skrot att återvinnas i olika faser, och lagring och hantering mellan processerna måste beaktas. Alla gjutgods kommer inte att genomgå alla procedurer.

Specifikationer för zinklegeringsgöt:

Sammansättningen av zinkgjutlegeringar har metodiskt utvecklats under en 75-årsperiod. Legeringselementens intervall har justerats och maxvärdena för farliga föroreningar har noggrant fastställts. För att kunna göra tillförlitliga gjutgods måste man använda göt som uppfyller internationellt accepterade krav. Dessutom måste legeringskvaliteten bibehållas under smältnings- och gjutningsprocesserna för att säkerställa att de gjutna komponenterna uppfyller kriterierna för gjutsammansättning.

De mindre skillnaderna mellan standarderna för göt (tabell 1) och gjutgods (tabell 2) för varje legeringstyp är avsedda att på ett korrekt sätt ta hänsyn till variationer som orsakas av vanliga bearbetnings- och återvinningsprocesser. Det är aldrig försvarbart att använda göt som inte uppfyller specifikationerna, särskilt inte sådana som är laddade med mycket giftiga föroreningar som bly, tenn eller kadmium.

Legeringarna är indelade i tre familjer: Aluminiumlegeringar 4% (Zamak 3 och 5 samt nr 2 och 7), ZA-legeringar med högre aluminiumhalt (nr 8, 12 och 27) samt kopparlegeringar (A cu zink 5 och 10).

Dessutom har vissa andra legeringar inte accepterats kommersiellt. Nästan alla gjutgods i zinklegeringar tillverkas i Zamak No3 eller No5, medan andra legeringar endast används när särskilda egenskaper krävs.

Effekt av kontaminering

Effekterna av förorenande element, t.ex. bly på gjutgods, är jämförbara för alla legeringar. De specifika maximala föroreningshalter som anges återspeglar den varierande allvarlighetsgraden av effekten samt hur lätt det är att tillverka göt med låga spårämneshalter.

Bly, tenn och 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).

Om magnesiumnivåerna hålls över miniminivåerna är effekten obetydlig i gjutgods som innehåller upp till de föreskrivna maximinivåerna av dessa föroreningar. Förebyggande metoder inkluderar korrekt inköp av göt och god hushållning för att undvika kontaminering från omsmältning eller butiksmiljön, såsom lödning.

Järn

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.

Nickel, krom, mangan och kisel

Alltför höga halter av dessa komponenter har samma effekt på gjutgodset som extra järn. Det bör noteras att nickel inte är en förorening i legering nr 7; snarare är den lilla mängd som anges (mindre än löslighetsgränsen) en avsiktlig tillsats för att minska intergranulär korrosion i denna magnesiumfria legering med hög fluiditet.

Effekt av legeringselement

Aluminium
Med undantag för acuzinklegeringar är aluminium det vanligaste legeringsämnet. Både hållfastheten och gjutbarheten hos legeringarna är beroende av att deras nivå ligger inom specifikationen. Egenskaperna kan förändras snabbt utanför de mycket begränsade intervall som anges, särskilt i zinklegeringar 2, 3, 5 och 7.
Överskott av aluminium i dessa 4%Al-legeringar minskar slaghållfastheten avsevärt (figur 2), och därför bör inget aluminium tas upp under bearbetningen. Om aluminiumhalten sjunker under den föreskrivna miniminivån blir effekterna mindre märkbara. Möjliga konsekvenser är en tendens till varmrivning, vilket minskar hållfastheten, minskad flytbarhet och en ökad tendens för legeringen att fastna på verktyget (lödning).

Variationer i aluminiuminnehåll har en mindre märkbar effekt på egenskaperna hos ZA-legeringar med högre aluminiumhalt, vilket resulterar i bredare tillåtna intervall. I likhet med 4%-legeringarna har emellertid sammansättningarna optimerats för att ge den optimala kombinationen av egenskaper, och överskridande av gränserna kommer att resultera i modifieringar som kan vara skadliga.

Magnesium

Även om magnesiumtillsatsen har en förstärkande effekt är dess primära syfte att förhindra korrosion mellan granuler i legeringar som innehåller bly, tenn och andra metaller i nivåer upp till det tillåtna maximumet. Gjutgods som innehåller mindre magnesium än miniminivån kan korrodera under drift. En magnesiumnivå som överstiger det tillåtna intervallet kan orsaka varmrivning, vilket leder till minskad hållfasthet eller beläggningssvårigheter. Hög magnesiumhalt sänker legeringens flytbarhet, vilket kan orsaka fyllningsproblem.

Koppar

Tillsatsen av koppar till den grundläggande 4%Al-legeringen ökar hållfastheten och hårdheten på bekostnad av duktiliteten och gör att legeringarna ändrar dimension mer under åldringen. Slaghållfastheten i legeringar med hög kopparhalt minskar också med åldringen. Som ett resultat av detta kommer legeringar som faller utanför de tillämpliga kopparbegränsningarna att ha kvaliteter som ligger mellan de specificerade legeringarna.
Kopparkomponenten i ZA-legeringarna har en betydande inverkan på deras mekaniska egenskaper. I allmänhet minskar hög kopparhalt duktiliteten, medan låg kopparhalt minskar draghållfastheten.

Den viktigaste legeringstillsatsen i Acuzinc-legeringar är koppar, som ger större hårdhet och hållfasthet vid höga temperaturer än andra zinkbaserade legeringar. De relativa koppar- och aluminiumhalterna i Acuzinc-legeringar har optimerats för att balansera egenskaper och gjutbarhet. Eftersom den höga kopparnivån förekommer i ett distinkt fassystem kan dess effekt på dimensionell åldringsförändring skilja sig från den som rapporterats för 4%Al-legeringar.
Smältning, överföring och fasthållning av metall

Med undantag för legeringarna ZA-12, ZA-27 och Acuzinc10, som angriper järn och stål i en oacceptabelt hög grad, kan zinklegeringar smältas och förvaras i metallbehållare. Detta gör att de kan gjutas i varmkammarprocessen, som använder sig av ett nedsänkt injektionssystem.

Denna värdefulla egenskap kan dock endast uppnås genom strikt temperaturkontroll. Under ca 450°C löser zinklegeringen upp järn tillräckligt långsamt för att metalldelar som kommer i kontakt med legeringen ska kunna användas. Eftersom reaktionshastigheten växer exponentiellt med temperaturen är den känslig för små temperaturfluktuationer.
Reaktionen sker mellan aluminium i legeringen och järn i degeln och maskindelarna.

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

Intermetallen järnaluminid flyter upp till ytan och reagerar med oxidskiktet och bildar slagg. Om slaggen rörs in i metallen, eller om grytans nivå sjunker så lågt att metall under ytan sugs in i svanhalsen, kommer gjutgodset att innehålla hårda partiklar, vilket resulterar i de defekter som anges under järn i avsnittet om föroreningar.
För hög temperatur orsakar också magnesiumförlust eftersom det är ett flyktigt element som kokas bort. Låg magnesiumhalt gör att gjutgodset utsätts för betydande korrosionsproblem under drift.

Det är värt att notera att den totala smälttemperaturen inte är den enda faktorn att ta hänsyn till. Om det finns en het punkt i ugnen, t.ex. en dåligt kalibrerad brännare, kommer den höga temperaturen att orsaka järnupptagning. I värsta fall kan degeln ätas igenom, vilket leder till en run-out.

Rekommenderas metall gjutning temperaturer är:

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

När ZA-legeringar, särskilt ZA-27, smälts tenderar de att separeras i skikt som är rika på aluminium och zink. Vertikal omrörning blandar smältan; stark omrörning bör undvikas eftersom det främjar oxidation. När smältan väl har blandats ska den förbli jämn. Det är viktigt att eventuella slaggskikt som bildas inte förutsätts vara separerade och omrörda. ZA-27 bör inte lagras under 540°C eftersom allt järn i lösningen fälls ut som massiva intermetalliska partiklar.

Smältning och förvaring av göt som uppfyller specifikationerna bör vara problemfri så länge som tillräcklig temperaturkontroll upprätthålls och ingen oavsiktlig kontaminering sker. Vid omsmältning av löpare och skrot måste olika aspekter beaktas.
Returerna måste hållas strikt åtskilda, särskilt i verkstäder som också smälter aluminiumlegeringar. Om man blandar vissa aluminiumlegeringar med 4%-zinklegeringar får man gjutgods med hög aluminiumhalt, vilket gör det sprött. Samma problem uppstår om ZA-legeringar kombineras med normala legeringar.

Direkt omsmältning av spån, flammor och annat lätt ytförorenat material ger överdriven slaggproduktion och har potential att ta upp orenheter. Sådant material behandlas bäst separat så att sammansättningen av det omsmälta götet kan bestämmas. Dross bör behandlas individuellt av samma skäl. Flussmedlet tenderar att extrahera magnesium, särskilt när metallen värms upp. Elektropläterade gjutgods kräver särskild uppmärksamhet. Under smältningen ligger galvaniseringshuden kvar på ytan och kan skummas. Plåten bör inte brytas upp och blandas i smältan eftersom framför allt nickel kan skapa hårda fläckar.

Under smältning och gjutning förlorar legeringen en liten mängd magnesium (genom förångning) och aluminium (via interaktion med järn och efterföljande avlägsnande som slagg). Kontinuerlig omsmältning av samma metall skulle så småningom resultera i gjutgods med avvikande specifikationer. Tester på legeringen No3 har visat att det krävs sju cykler för att reducera magnesiumhalten till under den specificerade nivån. För att undvika denna slutliga försämring måste nytt göt kontinuerligt tillföras processen.

Defekter i gjutning av zink

Nedan följer vanliga listade defekter i pressgjutning av zinkFör gjutning av aluminium, gjutning av magnisium, kommer det att finnas ungefär samma problem som zinkgjutning,

Internt Defekter vid pressgjutning av zink

Krympning Porositet

När legeringen övergår från flytande till fast form krymper den med flera procent av sin gjutvolym. Ett tomrum bildas om det inte finns ytterligare flytande metall tillgänglig för att driva krympningen. Detta är krympande porositet. Den uppträder ofta i isolerade tunga partier som stora oregelbundna hål (figur S), men den kan också ha en interdendritisk, sprickliknande form, särskilt i legeringar med lång frysintervall, t.ex. ZA-27 och 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.

För att begränsa krympporositeten ökar du metalltrycket och ser till att porten är tillräckligt tjock för att vara aktiv under stelningen. Kolven får inte krypa så långt att den träffar svanhalsens botten, vilket kan leda till att det inte finns något tryck på metallen. Packningstiden måste vara tillräcklig för att tillåta fullständig stelning, annars kommer metallen att dras ut ur hålrummet när kolven återvänder. Lokal kylning kan minimera heta punkter och därmed förhindra uppkomsten av isolerade fläckar av flytande metall, som när de fryses bildar 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.

Gasporositet

När formen fylls snabbt kan enorma gasvolymer bli instängda. Efter högtrycksstelning bildar gasen kvasisfäriska bubblor, vanligtvis runt mittlinjen (figur 4). Gas och krympporositet kan samexistera; i detta fall tenderar gasen att avrunda krympporositeten

Gasporositet orsakar samma fel som krympporositet, men det är mindre sannolikt att läckage uppstår eftersom gashål sällan är sammankopplade. Gasporositet är dessutom den främsta orsaken till blåsor i gjutgods. Om legeringen är svag, till följd av att den upphettas till höga temperaturer, kan det enorma gastrycket i poren blåsa bort det omgivande metallhöljet. Genom att öka kyltiden och/eller sänka temperaturen i gjutformen kan man minska förekomsten av blåsor strax efter utmatningen.

Helst ska mängden gas som fångas upp i kaviteten minimeras. Detta åstadkoms genom att använda största möjliga slaglängd i första steget och längsta möjliga fyllningstid (samtidigt som man beaktar det motstridiga behovet av korta fyllningstider för att uppnå ett acceptabelt ytutseende). Ventilationsöppningarna bör vara maximerade och korrekt placerade. Det är fördelaktigt att hålla formsprutningen på en minimal nivå. Porositet är ofta ett mindre problem, och ger definitivt mindre blåsor, när den finns i form av många mikroskopiska porer snarare än ett fåtal stora. Små porer uppmuntras genom att använda höga metallhastigheter; grindhastigheter på 40m/s bör vara målet. Vakuumgjutning eliminerar denna typ av porositet.

Mikroporositetsdefekter vid pressgjutning

Förutom den synliga porositeten finns det porositet av en storlek som endast kan observeras med ett mikroskop. Om denna mikroporositet saknas i gjutskalet (vilket ofta är fallet) har den ingen negativ inverkan, såvida den inte senare exponeras genom poleringsprocesser före ytbeläggning.

Tårar and Sprickor

Varmsprickor uppstår, som namnet antyder, vid temperaturer nära stelningsintervallet. Sprickan orsakas av gjutfel under hög töjning, låg spänningsdeformation, och den följer ofta ett ojämnt mönster (figur 5). Detta står i kontrast till de betydligt rakare sprickor som kan uppstå vid lägre temperaturer under förhållanden med hög spänning och låg töjning. Dessutom varierar sprickytornas utseende mellan dessa två typer av fel.

Komponentens form bidrar väsentligt till varmrivning. Det inträffar när stelningskrympningen är begränsad till ett litet område, särskilt om detta område också är en varm zon. ZA-27 och Acuzinc är mer benägna att drabbas av detta fel än de andra legeringarna, såvida inte aluminiumhalten är lägre än specifikationen eller om de innehåller ett överskott av magnesium. Förutom temperaturfördelningen i kokillen har gjutningsparametrarna ingen effekt på varmrivningen. Kylning av de heta regionerna i munstycket kan hjälpa till att lösa problemet.

Sprickbildning uppstår under utmatningen när alltför stora krafter genereras till följd av att gjutgodset täpps till i kokillen. Detta är ofta resultatet av verktygsfel som orsakat underskärning, otillräckligt drag eller flamma. Förlängning av kylperioden för att göra gjutgodset hårdare och bättre i stånd att absorbera utmatningsspänningar kan bidra till att förhindra sprickbildning. Men när kraften orsakas av att gjutgodset krymper hårt mot verktyget är långa kyltider ineffektiva och det kan vara fördelaktigt att mata ut gjutgodset tidigare.

Frågor om inkludering

Detta är ett mycket mindre problem i zinklegeringar än i legeringar med starkare oxidfilmsbildare. I själva verket är intermetalliska järnlegeringar som skapas genom otillräcklig smälthantering ofta de enda som ger upphov till problem i praktiken. Metallnivån i grytan får inte sjunka så mycket att metall under ytan tränger in i svanhalsen.

Ytdefekter vid pressgjutning

Guldvarv.

Denna defekt (även känd som flödesmärken eller kallflöde) uppstår när strömmar av metall som har förstelnat i kontakt med kokillen inte smälts tillbaka till gjutgodset när ytterligare metall tillförs. Ytan ser ut som ett ojämnt spår med en fiskfjällseffekt som varierar i djup beroende på varvets svårighetsgrad (figur 6). Tvärsnittet visar det utmärkande draget för ett kallt varv, nämligen i vilken utsträckning ytfrakturen fortsätter horisontellt och genererar en diskontinuitet under ytan (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.

Sambandet mellan ytans utseende, väggtjocklek, verktygstemperatur och fyllningstid har fastställts. Surface Predictor (fig. 8) kan användas för att bestämma den maximala fyllnadstiden och den lägsta matristemperaturen som ger en elektropläterbar yta. Om detaljen ska målas kan längre fyllnadstider och lägre matristemperaturer accepteras. En strukturerad yta på matrisen kan öka den maximala fyllningstiden med 50%.

Ibland uppstår varv även om matrisen är varm och kavitetsfyllningstiden kort. när detta inträffar de är vanligtvis förknippade med ett virvelflödesmönster som har fångat gas. Det mottryck som utövas av gas på den slut av hålrum fyllning saktar ner den omringande metall ångor och därav producerar den Villkor nödvändigt för lokal varv formation. I detta fall, den testamente vara nödvändigt till minska den luft instängd i den dö (se avsnitt om porositet) eller modifiera fyllningsmönstret för att förhindra att sådana överlappningar bildas.