Häufige Herstellungsfehler beim Druckguss
2025-01-14 15:02:57 Zugriffe:0
Beim hocheffizienten und weit verbreiteten Metallumformungsprozess des Hochdruck-Kokillengusses können zwar hochpräzise und komplex geformte Gussteile hergestellt werden, da der Füll- und Erstarrungsprozess von geschmolzenem Metall unter hohem Druck und hoher Geschwindigkeit dadurch beeinflusst wird Durch das Zusammenspiel mehrerer Faktoren kann es zwangsläufig zu Herstellungsfehlern kommen. Ein tiefes Verständnis dieser häufigen Fehler ist entscheidend für die Optimierung des Druckgussprozesses, die Verbesserung der Qualität der Gussteile und die Reduzierung der Produktionskosten.
Gasporen
Ursachen der Generation
- Gaseinschluss: Beim Druckgussprozess füllt das geschmolzene Metall den Hohlraum mit extrem hoher Geschwindigkeit. Dieser Vorgang verläuft äußerst schnell und die Luft im Hohlraum kann oft nicht rechtzeitig vollständig entweichen. Dadurch wird es von der schnell fließenden Metallschmelze im Gussstück eingeschlossen und bildet Gasporen. Beispielsweise stieg bei der Druckgussproduktion einer Radnabe aus einer Automobilaluminiumlegierung die Füllgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls aufgrund der schlechten Abgase im Hohlraum plötzlich auf 5 m/s an und die Fehlerrate der Gasporen im Gussstück stieg plötzlich an von 5 % bei einer Füllgeschwindigkeit von 3 m/s auf 15 %. Wenn die Füllgeschwindigkeit der Metallschmelze mehrere Meter pro Sekunde oder sogar mehr erreicht, erhöht sich die Möglichkeit eines Gaseinschlusses erheblich.
- Gasentwicklung: Das Legierungsmaterial selbst entwickelt während des Erstarrungsprozesses allmählich Gas. Wenn beispielsweise eine Aluminiumlegierung zu hoch ist, verbinden sich Wasserstoffatome während der Erstarrungsphase des Gussstücks zu Wasserstoffgas, das in Form von Gasporen im Inneren des Gussstücks auftritt. Im Allgemeinen nimmt die Löslichkeit von Wasserstoff in Aluminiumlegierungen mit sinkender Temperatur ab. Wenn die Temperatur um ein bestimmtes Maß sinkt, wird übersättigter Wasserstoff freigesetzt. Untersuchungen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit von Gasporen im Gussstück deutlich zunimmt, wenn der Wasserstoffgehalt in einer Aluminiumlegierung 0,6 ml/100 g übersteigt. Bei der Herstellung eines Druckgussteils aus einer bestimmten Aluminiumlegierung wiesen aufgrund einer unsachgemäßen Kontrolle des Wasserstoffgehalts im Rohmaterial, der 0,8 ml/100 g erreichte, letztendlich 50 % der Produkte Gasporenfehler auf.
Einflüsse
- Rückgang der mechanischen Eigenschaften: Das Vorhandensein von Gasporen ist wie eine versteckte Gefahr im Inneren des Gussstücks. Es verringert die Dichte des Gussstücks und stört die Kontinuität seiner inneren Struktur. Wenn das Gussstück Druck oder äußeren Kräften ausgesetzt ist, kommt es zu einer Spannungskonzentration um die Gasporen herum, und in diesen schwachen Gasporenbereichen entstehen häufig Risse, die sich ausdehnen, wodurch die Gesamtfestigkeit und Zähigkeit des Gussstücks erheblich verringert wird. Wenn in den Druckgussteilen von Automobilmotoren Gasporen vorhanden sind, ist es bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Motors und bei großer Druck- und Wechselbelastung sehr wahrscheinlich, dass diese Teile eine Rissausbreitung durch die Gasporen erfahren. Dies führt letztendlich zu Undichtigkeiten oder Schäden an Teilen und beeinträchtigt den normalen Betrieb des Motors erheblich. Relevante Tests zeigen, dass die Zugfestigkeit eines Motorzylinderblocks aus Aluminiumdruckguss mit einem Gasporenvolumenanteil von 5 % um 20 % geringer ist als die eines Produkts ohne Gasporen und seine Ermüdungslebensdauer um 30 % verkürzt ist.
- Probleme mit der Luftdichtheit: Bei einigen Gussteilen mit strengen Anforderungen an die Luftdichtheit, wie z. B. Komponenten im Luft- und Raumfahrtbereich und Gaspipeline-Verbindungen, kann das Vorhandensein von Gasporen direkt zu Gas- oder Flüssigkeitslecks führen, wodurch das Produkt die Verwendungsanforderungen nicht mehr erfüllen kann und sogar schwerwiegende Folgen hat Sicherheitsunfälle. Bei der Druckgussproduktion einer Treibstoffdüse für Flugzeugtriebwerke kann es zu einem Treibstoffleck kommen, was zu einem Triebwerksausfall führen kann, sobald in der Hochtemperatur- und Hochdruck-Kraftstoffeinspritzumgebung Gasporen auftreten, selbst winzige. Laut Statistik machen Ausfälle von Flugzeugtriebwerkskomponenten, die durch Gasporen verursacht werden, 10 % aller Ausfallursachen aus.
Lunker und Porosität
Ursachen der Generation
- Erstarrungsschrumpfung: Während des Erstarrungsprozesses von geschmolzenem Metall schrumpft dessen Volumen. Wenn es während des Schrumpfvorgangs nicht rechtzeitig vom Anguss, Steigrohr und anderen Teilen versorgt wird, bilden sich Schrumpfhohlräume oder Porosität in den letzten – sich verfestigenden Teilen des Gussteils. Im Allgemeinen leiten die dickwandigen Teile des Gussteils die Wärme langsamer ab und haben eine längere Erstarrungszeit als die dünnwandigen Teile. Im späteren Erstarrungsstadium ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sie Lunker oder Porosität aufgrund unzureichender Zuführung aufweisen. Beim Druckgießen eines großen und komplexen Strukturteils kommt es beispielsweise aufgrund der ungleichmäßigen Wandstärke dazu, dass die dickeren Bereiche beim Erstarren stark schrumpfen, während die umgebenden dünnwandigen Teile bereits erstarrt sind und nicht mehr ausreichend geschmolzenes Metall liefern können Füttern. Dadurch kann es in den dickwandigen Bereichen zu Lunkerbildung oder Porositätsfehlern kommen. Beim Druckgussverfahren eines großen Aluminiumlegierungsträgers auf dem Markt ist die Abkühlgeschwindigkeit des dickwandigen Teils (Wandstärke 20 mm) dreimal langsamer als die des dünnwandigen Teils (Wandstärke 5 mm). Aufgrund der unzureichenden Zufuhr im dickwandigen Teil liegt die Fehlerquote in Form von Lunkern und Porosität bei bis zu 30 %.
- Erstarrungsmodus: Auch der Erstarrungsmodus der Legierung hat einen wichtigen Einfluss auf die Lunkerbildung und Porosität. Legierungen mit einer schichtweisen Erstarrungscharakteristik neigen stärker zur Bildung von Lunkerhöhlen, während Legierungen mit einem breiigen Erstarrungsmodus eher zur Bildung von Porosität neigen. Beispielsweise besteht bei einer Zinn-Bronze-Legierung aufgrund ihrer Nähe zum schichtweisen Erstarrungsmodus eine Wahrscheinlichkeit von etwa 25 % für das Auftreten von Schrumpfungshohlraumdefekten während des Druckgussprozesses. Im Vergleich zur matschig erstarrenden Aluminiumlegierung ist das Problem der Lunkerbildung stärker ausgeprägt.
Einflüsse
- Schwächung der inneren Struktur: Das Auftreten von Lunkern und Porosität beeinträchtigt die Kompaktheit des Inneren des Gussstücks, was zu vielen kleinen Hohlräumen oder porösen Bereichen im Inneren des Gussstücks führt. Dies verringert nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Gussstücks und macht es anfällig für Verformung und Bruch, wenn es äußeren Kräften ausgesetzt wird, sondern beeinträchtigt auch die Ermüdungslebensdauer des Gussstücks. Bei einigen Teilen, die wiederholt wechselnden Belastungen standhalten müssen, wie z. B. Druckgusskomponenten im Aufhängungssystem von Kraftfahrzeugen, verringern Lunker und Porosität die Ermüdungsfestigkeit erheblich, was zu einem vorzeitigen Ausfall der Teile führt. Experimentelle Tests zeigen, dass die Ermüdungslebensdauer eines Druckgussteils einer Automobilaufhängung mit Porositätsfehlern um 40 % kürzer ist als die eines normalen Teils.
- Reduzierung des Druckwiderstands: Bei Gussteilen, die hohem Druck standhalten müssen, wie z. B. hydraulische Ventilkörper und Hochdruckrohrverbindungen, können Schrumpfungshohlräume und Porosität zu einer Verschlechterung der Dichtleistung führen, was in Hochdruckumgebungen zu Undichtigkeiten führt und dazu führt, dass sie nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren . Beispielsweise erreichte bei der Druckgussproduktion eines Hydraulikventilkörpers durch ein Unternehmen auf dem Markt aufgrund von Lunker- und Porositätsfehlern die Leckagerate des Produkts während eines 20-MPa-Drucktests 15 % und erreichte damit nicht den tatsächlichen Wert Nutzungsanforderungen.
Kalte Schließungen
Ursachen der Generation
- Schlechte Füllbedingungen: Während des Füllvorgangs der Metallschmelze fließt die Metallschmelze aufgrund einer unangemessenen Anschnittkonstruktion ungleichmäßig und langsam, oder die Temperatur der Metallschmelze selbst ist zu niedrig und die Wärme wird während des Fließvorgangs zu schnell abgeführt, wodurch die Fließfähigkeit beeinträchtigt wird das geschmolzene Metall schlimmer. Wenn zwei oder mehr Ströme geschmolzenen Metalls aufeinander treffen, können sie nicht vollständig verschmelzen und bilden auf der Oberfläche des Gussteils einen Spalt, der unvollständig verschmolzen zu sein scheint, nämlich einen Kaltverschluss. Wenn beispielsweise beim Druckgießen eines komplex geformten dünnwandigen Gussstücks die Anschnittposition ungeeignet ist, sinkt die Temperatur des geschmolzenen Metalls schnell und die Fließgeschwindigkeit verlangsamt sich, wenn es durch den dünnwandigen Bereich fließt. Es ist sehr einfach, Kaltverschlüsse an den Kreuzungspunkten der dünnwandigen Bereiche oder an den Kontaktpunkten der geschmolzenen Metallströme herzustellen.
- Ungleichmäßige Formtemperatur: Die Oberflächentemperatur der Form ist ungleichmäßig und einige Teile haben eine zu niedrige Temperatur. Wenn das geschmolzene Metall mit diesen Bereichen mit niedriger Temperatur in Kontakt kommt, kühlt es schnell ab und erstarrt, was dazu führt, dass nachfolgende Ströme des geschmolzenen Metalls nicht mehr gut mit ihm verschmelzen können, was zu Kaltabschlüssen führt. Bei der Herstellung einer bestimmten Form war aufgrund eines Ausfalls des Kühlsystems die Temperatur in einem lokalen Bereich der Form um 50 °C niedriger als die normale Betriebstemperatur. Die Fehlerquote von Kaltverschlüssen bei den in diesem Bereich hergestellten Gussteilen lag bei bis zu 40 %.
Einflüsse
- Beeinträchtigung der Erscheinungsbildqualität: Kaltabschlüsse wirken sich direkt auf das Erscheinungsbild des Gussstücks aus, da dessen Oberfläche offensichtliche unregelmäßige Spuren aufweist, was die Ästhetik und die Gesamtqualität des Produkts beeinträchtigt. Bei einigen Produkten mit hohen Anforderungen an das Erscheinungsbild, wie z. B. Gehäuse und Verzierungen elektronischer Produkte, führen Kaltverschlussfehler direkt dazu, dass das Produkt verschrottet wird. Bei der Herstellung eines Aluminiumlegierungsgehäuses für ein elektronisches Produkt durch eine Gießerei auf dem Markt erreichte die Nichtkonformitätsrate des Produkts aufgrund von Kaltverschlussfehlern 10 %, was zu einem direkten wirtschaftlichen Verlust von Hunderttausenden Yuan führte.
- Leistungseinbußen: Die Metallbindungsstärke am Kaltverschluss ist relativ gering. Dadurch verringert sich nicht nur die Festigkeit des Gussstücks, sodass es bei Einwirkung äußerer Kräfte leichter aus dem Kaltverschluss bricht, sondern es beeinträchtigt auch die Dichtleistung des Gussstücks. Bei manchen Gussteilen, die abgedichtet werden müssen, wie z. B. Zylinderblöcke und Pumpenkörper von Automobilmotoren, können Kaltabschlüsse zu Flüssigkeits- oder Gaslecks führen, die den normalen Betrieb der Anlage beeinträchtigen. Untersuchungen zeigen, dass die Dichtleistung eines Zylinderblocks eines Automobilmotors mit Kaltverschlussdefekten um 30 % sinkt und es bei Hochdrucktests eher zu Undichtigkeiten kommt.
Blitz
Ursachen der Generation
- Übermäßiger Schimmelfreiraum: Wenn während des Druckgussverfahrens der Abstand zwischen der Trennfläche der Form oder zwischen dem Gleitblock und der Kavität zu groß ist, fließt das geschmolzene Metall unter der Einwirkung von Hochdruckschmelze aus diesen Zwischenräumen über und bildet sich Blitz. Bei längerem Gebrauch der Form kommt es aufgrund der Auswaschung der unter hohem Druck stehenden Metallschmelze, der mechanischen Einwirkung beim Öffnen und Schließen der Form sowie der thermischen Ausdehnung und Kontraktion zu einem allmählichen Verschleiß der Trennfläche, wodurch sich der Spalt vergrößert. Wenn außerdem die Genauigkeit der Formherstellung nicht hoch ist und im Anfangsstadium das Problem eines zu großen Spiels besteht, kann es auch leicht zu Graten kommen. Durch Experimente erhöhte sich nach 5000-maliger Verwendung einer bestimmten Druckgussform der Abstand der Trennfläche von anfänglich 0,05 mm auf 0,15 mm und die Fehlerrate von Graten stieg von 2 % auf 10 %.
- Unzureichende Klemmkraft: Beim Druckguss ist eine ausreichende Schließkraft erforderlich, um dem Druck standzuhalten, der durch das geschmolzene Metall im Hohlraum erzeugt wird. Wenn die Schließkraft unzureichend ist und das Öffnen der Trennfläche der Form nicht wirksam verhindern kann, läuft das geschmolzene Metall aufgrund der Druckdifferenz über die Trennfläche und bildet Grate. Wenn beispielsweise große Gussteile oder dünnwandige Gussteile im Druckgussverfahren hergestellt werden, kann es aufgrund des hohen Fülldrucks der Metallschmelze bei falscher Wahl der Schließkraft sehr leicht zu Graten kommen. Beim Druckgießen eines großen Gussteils aus einer Aluminiumlegierung mit einer Größe von 500 mm × 300 mm stieg die Fehlerrate der Grate von 5 % auf 25 %, wenn die Schließkraft weniger als 80 % der theoretischen Anforderung betrug.
Einflüsse
- Erhöhter Arbeitsaufwand für die Nachbearbeitung: Das Vorhandensein von Graten erhöht den nachfolgenden Reinigungs- und Bearbeitungsaufwand des Gussteils erheblich. Das Entfernen von Graten erfordert viel Personal, Materialressourcen und Zeit, was die Produktionskosten erhöht. Gängige Methoden zum Entfernen von Graten umfassen manuelles Schleifen, mechanische Bearbeitung, chemische Korrosion usw. Allerdings sind unabhängig von der verwendeten Methode zusätzliche Prozesse und Ressourceneinsatz erforderlich. Laut Statistik stiegen in einer bestimmten Druckgussfabrik die Nachbearbeitungskosten aufgrund von Gratfehlern um 20 %, was zu zusätzlichen jährlichen Kosten von etwa 500.000 Yuan führte.
- Maßgenauigkeit und Montageprobleme: Grat kann dazu führen, dass die Gussgröße den vorgesehenen Toleranzbereich überschreitet, was die Montagegenauigkeit mit anderen Teilen beeinträchtigt. In einigen Montagesituationen mit extrem hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit, wie beispielsweise bei der Montage von Flugzeugtriebwerkskomponenten, kann die durch Grate verursachte Maßabweichung dazu führen, dass die gesamte Montage nicht abgeschlossen werden kann und sogar die Leistung und Sicherheit des Produkts beeinträchtigt. Während des Montageprozesses eines bestimmten Flugtriebwerksblatts stieg die Montagefehlerrate aufgrund von Graten am Blatt, die eine Maßabweichung von 0,1 mm verursachten, von 1 % auf 10 %, was den Produktionsfortschritt erheblich beeinträchtigte.
Oberflächenkratzer
Ursachen der Generation
- Reibungseffekt: Während des Druckgussprozesses entsteht eine große Reibungskraft zwischen dem Gussstück und der Formoberfläche. Wenn die Formoberfläche nicht glatt genug ist und kleine Vorsprünge, Kratzer oder Kratzer vorhanden sind, kann die Oberfläche des Gussstücks durch die Defekte auf der Formoberfläche während des Entformungsprozesses leicht zerkratzt werden, wodurch Oberflächenkratzer entstehen. Darüber hinaus erhöht ein ungleichmäßiger Beschichtungsauftrag, der keine wirksame Schmierisolationsschicht zwischen dem Gussstück und der Formoberfläche bildet, die Reibungskraft und führt zu Oberflächenkratzern. Beispielsweise berührt der Guss in Bereichen mit zu geringer Beschichtung die Form direkt, wodurch die Reibungskraft zunimmt und leicht Kratzer auf der Oberfläche entstehen. Wenn bei einer bestimmten Druckgussproduktion der Oberflächenrauheitswert Ra der Form von 0,8 μm auf 1,6 μm anstieg, stieg die Fehlerrate von Oberflächenkratzern auf dem Gussstück von 3 % auf 10 %.
- Unangemessene Prozessparameter: Unangemessene Einstellungen der Druckgussprozessparameter wie Druckgussgeschwindigkeit und Formschräge erhöhen ebenfalls das Risiko von Oberflächenkratzern. Eine zu hohe Druckgussgeschwindigkeit erhöht sofort die Reibungskraft zwischen dem Gussstück und der Formoberfläche, und ein zu kleiner Entformungswinkel erhöht den Widerstand beim Entformen des Gussstücks, was beides zu Oberflächenkratzern führen kann. Wenn in einem bestimmten Druckgussverfahren die Druckgussgeschwindigkeit von 3 m/s auf 5 m/s erhöht und der Entformungswinkel von 3° auf 1° verringert wurde, stieg die Fehlerrate von Oberflächenkratzern auf dem Gussstück von 10 bis 19 % an 5 % bis 20 %.
Einflüsse
- Reduzierung der Oberflächenqualität: Oberflächenkratzer beeinträchtigen direkt die Oberflächenintegrität des Gussstücks und verringern dessen Oberflächenqualität. Dies beeinträchtigt nicht nur das Aussehen des Gussstücks und macht seine Oberfläche rau und uneben, sondern verringert auch die Korrosionsbeständigkeit des Gussstücks. In einer Umgebung mit feuchtem oder korrosivem Medium neigen die zerkratzten Teile dazu, Ausgangspunkte für Korrosion zu werden, was die Korrosionsschäden am Gussstück beschleunigt. Experimente ergaben, dass in einer Salzsprühnebel-Korrosionsumgebung die Korrosionsrate eines Gussstücks mit Oberflächenkratzfehlern 50 % schneller ist als die eines normalen Gussstücks.
- Stresskonzentration und Verkürzung der Ermüdungslebensdauer: Die zerkratzten Bereiche bilden Spannungskonzentrationspunkte. Wenn das Gussstück äußeren Kräften oder wechselnden Belastungen ausgesetzt ist, neigen diese Spannungskonzentrationspunkte dazu, Risse auszulösen und auszudehnen, wodurch sich die Ermüdungslebensdauer des Gussstücks verringert. Bei manchen Teilen, die dauerhaft wechselnden Belastungen standhalten müssen, wie zum Beispiel Kurbelwellen und Pleuelstangen von Automobilmotoren, verkürzen Oberflächenkratzer die Lebensdauer erheblich. Untersuchungen zeigen, dass die Ermüdungslebensdauer einer Pleuelstange eines Automobilmotors mit Oberflächenkratzfehlern 35 % kürzer ist als die einer normalen Pleuelstange.
Der Schlüssel zur Lösung und Vermeidung dieser Mängel liegt darin, die häufigen Herstellungsfehler beim Hochdruckguss sowie deren Ursachen und Einflüsse zu verstehen. Durch vielfältige Maßnahmen wie die Optimierung des Formendesigns, die Verbesserung der Parameter des Druckgussprozesses, die Stärkung der Wartung und Instandhaltung der Formen und die Verbesserung der Bedienerkompetenzen kann das Auftreten von Herstellungsfehlern effektiv reduziert und die Qualität und Zuverlässigkeit von Hochdruckgussformen verbessert werden. Gussteile können verbessert werden, um den Anforderungen verschiedener Branchen an qualitativ hochwertige Gussteile gerecht zu werden.
