Quali fattori influenzano la formatura della pressofusione di leghe di alluminio?

Come si forma effettivamente la pressofusione delle leghe di alluminio

La pressofusione dell'alluminio copre la famiglia di processi in cui la lega di alluminio fusa viene forzata in una cavità di acciaio temprato ad alta velocità e solidificata sotto pressione. Le leghe utilizzate sono quasi interamente sistemi Al-Si ipoeutettici, con composizione chimica definita da ISO 3522, EN 1706 e ASTM B85, e la qualità della fusione viene normalmente valutata rispetto a ASTM B85 o GB/T 15114. Una tipica lega per pressofusione come AlSi11Cu3 fonde a circa 580 gradi Celsius, viene mantenuta e colata a una temperatura compresa tra 650 e 700 gradi Celsius circa, e viene iniettata in uno stampo la cui superficie di lavoro si trova tra 180 e 250 gradi Celsius. Il tempo di riempimento viene misurato in decine di millisecondi e il metallo entra nella cavità attraverso un cancello ad alta velocità, quindi ogni parametro del ciclo interagisce con gli altri.

I getti in lega di alluminio vengono utilizzati nei settori aerospaziale, automobilistico, delle comunicazioni, dell'ingegneria meccanica, della costruzione navale e degli impianti chimici. I criteri di accettazione del settore per questi mercati sono severi: la superficie del getto deve essere esente da crepe, fratture, chiusure fredde, riempimento insufficiente, depressioni da ritiro e qualsiasi difetto che penetri nella parete. Il risultato della formatura dipende dal surriscaldamento della lega, dalla temperatura dello stampo, dalla complessità della parte, dal sistema di accesso e trabocco e dalla geometria del punto di accesso.

Porosità del gas derivante da raffinazione e degasaggio incompleti

L'idrogeno è l'unico gas con una apprezzabile solubilità nell'alluminio liquido e la sua solubilità nel liquido è circa venti volte la sua solubilità nel solido al punto di fusione. Durante la solidificazione l'idrogeno in eccesso viene respinto dal fronte di solidificazione e precipita sotto forma di bolle, producendo un gran numero di piccoli pori irregolari distribuiti nella sezione. La rimozione del gas prima dello sparo è quindi il primo requisito del processo.

Trattamento di fusione: il degasaggio rotativo con argon o azoto, combinato con un flusso adeguato, riduce l'idrogeno disciolto a un target tipico inferiore a 0,15 centimetri cubi per 100 grammi

Controllo della temperatura: un surriscaldamento eccessivo aumenta la raccolta-del gas, quindi la temperatura di mantenimento dovrebbe essere mantenuta vicino all'intervallo di lavoro anziché aumentata per comodità

Qualità della carica: i rottami umidi, oleosi o verniciati introducono idrogeno e devono essere esclusi o pre-essiccati

Trasferimento: la turbolenza durante il trasferimento dal forno al forno di attesa trascina gas e deve essere ridotta al minimo

Quando la raffinazione e il degasaggio sono adeguati, la porosità rimanente è solitamente dominata dagli altri meccanismi descritti di seguito piuttosto che dalla precipitazione dell'idrogeno.

Gas intrappolato da uno sfiato inadeguato dello stampo

L'aria e i prodotti di decomposizione del distaccante rimangono intrappolati nella cavità se non possono fuoriuscire davanti alla parte anteriore metallica. Il risultato sono pori arrotondati, spesso concentrati nelle ultime regioni riempite, in tasche cieche e alla fine di lunghi percorsi di flusso. Le misure correttive sono meccaniche piuttosto che metallurgiche:

Gli sfiati vengono tagliati in corrispondenza della linea di giunzione e alle estremità delle ultime regioni riempite, con una profondità generalmente compresa tra 0,05 e 0,15 millimetri in modo che il gas fuoriesca ma il metallo non esca

I pozzetti di troppopieno posizionati oltre le ultime aree riempite danno al metallo anteriore ossidato un posto dove andare invece di essere respinto nella parte

La pulizia dei canali di sfiato deve essere effettuata a scadenze fisse, poiché le pellicole di alluminio e i residui di distaccante li ostruiscono progressivamente

La fusione sotto vuoto, in cui la cavità viene evacuata prima e durante lo stampaggio, rimuove attivamente l'aria della cavità e riduce sostanzialmente questa classe di difetti

Potrebbe essere necessario rielaborare la velocità del cancello e il modello di riempimento della cavità in modo che l'ultimo punto riempito coincida con uno sfiato

Porosità da ritiro e alimentazione da solidificazione

L'alluminio si contrae durante la solidificazione, con un ritiro volumetrico compreso tra circa il 6 e l'8% per le leghe per pressofusione, che appare come una contrazione lineare di circa 0,4-0,7% che deve essere compensata nelle dimensioni della cavità dello stampo. Poiché nella pressofusione ad alta pressione non è presente un meccanismo di alimentazione del montante, la contrazione deve essere assorbita dalla pressione di intensificazione applicata prima che il cancello si congeli.

I pori di ritiro si formano nei punti che si solidificano per ultimi, quindi seguono i punti caldi termici della parte

I casi gravi appaiono come cavità allungate, filamentose o simili a maglie-che circondano i pori del gas, formando una rete anziché vuoti rotondi isolati

L'aumento della temperatura di colata aumenta il volume di ritiro e amplia lo spazio tra l'ultimo punto di solidificazione e la finestra di applicazione della pressione

L'aumento della pressione di intensificazione e il ritardo del punto di congelamento migliorano entrambi l'alimentazione, ma solo se la barriera non è ancora sigillata

Variazione dello spessore delle pareti e bilancio di raffreddamento

I disegni spesso combinano sporgenze pesanti con nervature e reti sottili. Il centro della parete più spessa è l'ultima regione a solidificarsi e il luogo più probabile per la porosità da ritiro, mentre le sezioni sottili si riempiono e si congelano quasi istantaneamente. Le raccomandazioni abituali sono di mantenere lo spessore nominale della parete nell'intervallo tra 1,5 e 4,5 millimetri a seconda delle dimensioni della parte, di evitare transizioni brusche e di utilizzare cambiamenti di spessore graduali con raggi ampi.

Aggiungi circuiti di raffreddamento, deflettori o gorgogliatori alle sezioni pesanti e riduci il raffreddamento in prossimità delle nervature sottili

Utilizzare nervature invece di pareti spesse dove è richiesta rigidità piuttosto che massa, perché una sezione nervata si raffredda in modo più uniforme

Bilanciare il campo termico in modo che tutte le regioni si avvicinino allo stesso tempo di solidificazione, che è la definizione pratica di solidificazione direzionale in una pressofusione

Simulare il riempimento e la solidificazione in fase di progettazione, poiché la porosità causata da un campo termico sbilanciato non può essere corretta regolando solo i parametri di iniezione

Controllo termico dello stampo e suoi effetti sulla qualità

Poiché la porosità da gas e da ritiro dipendono entrambe dalla storia termica del metallo, il controllo della temperatura dello stampo è la leva più diretta sulla qualità della fusione. I termoregolatori dello stampo, utilizzando olio o acqua come mezzo di trasferimento del calore, preriscaldano lo stampo alla sua temperatura di lavoro prima dell'inizio della produzione e poi lo mantengono lì, raffreddandolo e riscaldandolo secondo necessità.

Il preriscaldamento riduce il gradiente di temperatura tra la superficie dello stampo e il suo interno durante le prime colate, evitando rotture termiche e guasti prematuri dello stampo

Il mantenimento di una temperatura costante dello stampo tra le riprese riduce i tempi di avvio-e di riavvio dopo le interruzioni e stabilizza le dimensioni e la densità della fusione

Un campo termico stabile riduce la quantità di agente distaccante richiesto, che a sua volta riduce il gas fornito dalla decomposizione dell'agente distaccante

Meno cicli termici significano meno stress termico e una crescita più lenta del controllo termico sulla superficie dello stampo, prolungando la durata di uno stampo realizzato in acciaio per utensili per lavorazione a caldo al cromo come H13 specificato in ASTM A681

Il consumo ridotto di acqua di raffreddamento e il tempo di ciclo più breve derivano da una temperatura che non deve essere ristabilita-dopo ogni arresto

Riferimento alla finestra del processo

Verifica e accettazione dei difetti

Qualsiasi modifica alla lega, alla temperatura dello stampo o al punto di iniezione deve essere verificata rispetto a una base di accettazione definita. L'ispezione visiva copre i difetti superficiali e le chiusure fredde. La solidità interna viene valutata mediante esame radiografico, con livelli di gravità accettabili giudicati rispetto alle radiografie di riferimento di ASTM E505 per pressofusioni di alluminio e magnesio, oppure sezionando un primo campione e misurando la porosità su una sezione trasversale lucidata. Le parti a tenuta di pressione vengono sottoposte a test di tenuta e la conformità dimensionale viene confermata su una macchina di misura a coordinate prima che lo stampo venga rilasciato alla produzione. La registrazione della temperatura dello stampo, della temperatura di fusione e del livello di vuoto per ogni turno consente di far risalire un problema di porosità a una deviazione del processo piuttosto che al progetto.

Domande frequenti

D: Qual è la causa principale della porosità nei getti di alluminio pressofuso?
Le cause dominanti sono l’idrogeno disciolto che non viene rimosso mediante raffinazione e degasaggio, il gas della cavità intrappolato da uno sfiato inadeguato e i vuoti di ritiro nei punti caldi termici. Una singola fusione spesso contiene più di un tipo contemporaneamente.

D: Perché la porosità del gas aumenta quando la massa fusa viene surriscaldata?
La solubilità dell'idrogeno nell'alluminio liquido aumenta con la temperatura e diminuisce drasticamente durante la solidificazione, quindi un surriscaldamento più elevato significa che è necessario respingere più gas mentre il metallo congela, producendo pori più numerosi e più grandi.

D: Quanto devono essere profondi gli sfiati per la pressofusione?
Tra circa 0,05 e 0,15 millimetri. Il canale deve essere sufficientemente profondo da consentire al gas di fuoriuscire davanti al fronte metallico, ma sufficientemente profondo da impedire al metallo stesso di attraversarlo.

D: Il controllo della temperatura dello stampo cambia davvero la qualità della fusione?
SÌ. Mantenere lo stampo a una temperatura di esercizio costante stabilizza il riempimento e la solidificazione, riduce il consumo di agente distaccante, riduce lo stress termico nello stampo e rende le dimensioni e la densità della fusione più costanti da stampata a stampata.

D: Come si distingue la porosità da ritiro dalla porosità da gas?
I pori di ritiro seguono le ultime regioni di solidificazione, hanno forme allungate irregolari o simili a maglie- e sono circondati da pareti lisce, mentre i pori di gas sono arrotondati e più ampiamente dispersi, spesso concentrati nelle ultime aree riempite.

D: Quale spessore di parete dovrebbe essere utilizzato in un progetto pressofuso?
Sono tipiche pareti nominali da 1,5 a 4,5 millimetri. Pareti uniformi con transizioni graduali e raggi generosi si solidificano in modo più uniforme, mentre le sporgenze pesanti dovrebbero essere sostituite da sezioni nervate laddove la rigidità lo consente.