Газовые пузыри в металле

Обновлено: 02.07.2024

В большинстве случаев плавку цветных металлов ведут на воздухе. Металлические расплавы взаимодействуют с атмосферой и огнеупорными материалами, они по ходу плавки могут загрязняться различного рода примесями.

Газовой средой, с которой при плавке и разливке соприкасается металлический расплав, является не только обыкновенный воздух, но и продукты сгорания органического топлива, различные специально используемые газы (аргон, азот, гелий), т.е. в газовой среде над расплавом могут содержаться кислород, азот, пары воды, оксиды углерода (СО и СО₂), сернистый газ SO ₂ , метан СН₄.

- первый тип - расплав не вступает во взаимодействие с газами и не растворяет в себе газ (полная инертность); так ведут себя все жидкие металлы в атмосфере инертных газов (аргон, гелий и др.). Практически полная инертность наблюдается между многими элементами и азотом (медь - азот, цинк - азот и др.), а также водородом (олово - водород, свинец - водород) и кислородом (золото -кислород);

- второй тип - образуется устойчивое соединение металл - газ; это происходит между кислородом и жидким алюминием, магнием, цинком, оловом. Расплав загрязняется частицами этих соединений;

- третий тип - в расплаве образуются растворы газа; подобный тип взаимодействия наблюдается во многих системах металл - водород (М§, Al , Cu , Ni , Fe ), металл - кислород ( Cu , Ni , Fe ).

Водород обычно составляет основную долю газов, обнаруживаемых в растворенном состоянии в металлах. Главный источник водорода - вода, которая реагирует с расплавом по реакции Ме + Н₂О — МеО + 2[Н]_Ме, т.е. металл восстанавливает водород, который в атомарном состоянии легко растворяется в расплаве (табл.1). Вода содержится в шихте, футеровке, шлаках.

Кислород активно взаимодействует с большинством металлов, образуя оксиды и растворы кислорода. Если кислород находится в растворенном виде, то необходимо раскисление, т.е. перевод кислорода в нерастворимую форму. Нерастворимые оксиды удаляются из расплава отстаиванием, фильтрованием и пр.

Легкоплавкие металлы , включая Mg и Al , не растворяют кислород (табл.1), их взаимодействие выражается только в образовании на поверхности расплавов пленки нерастворимых оксидов. Сплавы на основе легкоплавких металлов при любых легирующих элементах ведут себя с кислородом подобно чистым металлам.

Особенность поведения растворов кислорода в жидких металлах при плавке на воздухе состоит в том, что при охлаждении и кристаллизации расплава этот газ никогда не выделяется в свободном виде, а переходит либо целиком в твердый раствор (система Ti - O ), либо в твердые соединения - оксиды (системы Cu - O , Fe - O ).

Азот в легкоплавких металлах не растворяется (табл.1). Более тугоплавкие металлы, начиная с марганца, растворяют азот, причем в Mn , Ni и Fe при понижении температуры, особенно при кристаллизации, растворимость азота в металлах снижается, и это может вызвать появление газовой пористости азотного происхождения. В расплавах Ti , V и Cr , насыщенных азотом, наоборот, при снижении температуры азот полностью переходит в твердый раствор ( Ti - N ) или образует нитриды ( Cr - Ni ).

Азот, оставшийся в твердом металле, является причиной резкого снижения пластичности металла, особенно если образует хрупкие нитридные фазы.

Пары воды взаимодействуют почти со всеми металлами при тех температурах, когда они находятся в жидком состоянии. Легкоплавкие металлы не растворяют в себе ни кислород, ни водород. Следовательно, в жидком состоянии эти металлы будут окисляться парами воды и покрываться пленкой нерастворимых оксидов. Жидкий Mg и Al будут растворять выделяющийся водород. Поэтому плавка этих металлов в атмосфере, содержащей вредные пары, будет вызывать не только загрязнение расплава неметаллическими включениями оксидного характера, но и насыщать его водородом. Все остальные металлы (табл.7) способны растворять и кислород и водород. Поэтому при плавке в атмосфере, содержащей водяные пары, они будут загрязняться и водородом и кислородом.

Оксид углерода СО с легкоплавкими металлами (до алюминия) взаимодействует по реакции Ме + СО = МеО + С. Более активные металлы из данной группы ( Mg , Al ) будут окисляться в атмосфере СО при обычных температурах плавления. Поэтому атмосфера этого газа для данного металла является окислительной, вызывающей загрязнение расплава неметаллическими включениями.

Жидкие медь и серебро способны растворять кислород, но в контакте с СО расплавы устойчивы. Это объясняется тем, что реакция между металлом и СО практически не идет. Оксид углерода является надежной защитной средой при плавке этих металлов.

Все остальные жидкие металлы, указанные в табл. 1, растворяют и кислород и углерод. Поэтому они насыщаются при плавке растворенными углеродом и кислородом, и при кристаллизации в металле возникает пористость, образованная ионооксидом углерода.

Диоксид углерода (СО₂) практически не взаимодействует с жидким металлом, обладающим малым сродством к кислороду ( Bi, Pb , Аg, С u ). Поэтому плавку этих элементов можно производить в среде СО₂. Для всех остальных металлов чистый СО₂ является окислительным газом.

Сернистый газ ( SO )₂ c металлами, которые не растворяют кислород, но растворяют серу ( Sn , Рв, Al ), взаимодействуют по реакции

Следовательно, расплавы этих металлов будут загрязняться включениями оксидов и растворенной серой. Для металлов, способных растворять кислород и серу ( Ag , Cu , Mn , Ni , Fe ), реакция с SO ₂ может быть записана в следующем образом:

При понижении температуры у всех металлов равновесие сдвигается вправо, в сторону разложения SO ₂ . Исключение составляют медь и серебро, у которых снижение температуры смещает равновесие влево, в сторону образования SO 2.

Метан (СН₄) может присутствовать в атмосфере газовых печей, работающих на мазуте и природном газе. Метан при температуре выше 1000 о С диссоциирует на элементы, что может вызвать насыщение расплава водородом и углеродом одновременно.

Жидкие металлы, находясь в плавильных печах и тиглях, соприкасаются с материалами, используемыми для футеровки ванн плавильных печей и разливочных ковшей, а также для изготовления плавильных тиглей. Эти материалы можно разделить на оксидные, оксидно-графитовые, чисто графитные, карборундовые, металлические.

Наиболее опасным является взаимодействие металлического расплава с оксидом футеровки по реакции Ме + RO ↔ Me + [ R ]. При таком взаимодействии не только разрушается футеровка, но и происходит загрязнение расплава восстановленным элементом R и оксидами Ме или растворенным кислородом.

Оксидно-графитовые материалы, представляющие собой смесь шамота с 30 - 40% графита, имеют огнеупорность 1300 - 1400 о С и используются для плавки металлов, не взаимодействующих с С и SiO ₂ . Шамотно-графитовые тигли и спользуют для плавки алюминия, меди и их сплавов, а также сплавов на основе золота и серебра.

Графит на воздухе очень быстро сгорает, начиная с 600 - 700 о С, хотя сам по себе способен работать до 2500 о С. Графитовые огнеупоры пригодны для плавки легкоплавких металлов. Наиболее часто графит применяют для плавки меди и ее сплавов, однако, начиная с 600 о С, необходима защита от их окисления.

Карборундовые материалы (~ 80% SiC , остальное - тугоплавкие оксиды) очень огнеупорны (~ 2000 о С) и химически стойки. Карборундовая футеровка применяется для плавки алюминиевых и медных сплавов, которые практически не реагируют с SiC .

Металлические материалы используются для изготовления плавильных емкостей, предназначенных для выплавки сравнительно легкоплавких материалов. Этими материалами в основном являются чугун и сталь. Основной вид взаимодействия расплавов с подобными материалами - простое растворение железа, причем загрязнение железом некоторых металлов может быть достаточно велико, например: при 700 о С в алюминии может раствориться 2,5% Fe . Чтобы предотвратить насыщение расплавов железом, внутреннюю поверхность тиглей окрашивают специальным составом.

Таким образом, получаемые при плавке расплавы могут содержать различные примеси, которые вносятся исходными материалами (шихтой), появляются в ходе плавки в результате взаимодействия с атмосферой и огнеупорными материалами.

Примеси в металлических расплавах могут присутствовать в растворенном виде и в виде нерастворимых взвешенных частиц. К растворимым примесям относятся:

- металлы (Р b , Sn , Al в сплавах на основе железа, никеля и меди; Fe в сплавах на основе алюминия и магния);

Если при взаимодействии с воздухом на поверхности расплава образуются нерастворимые соединения и возникающая пленка этих соединений замедляет дальнейшее взаимодействие, то в этом случае плавку ведут при прямом контакте с атмосферой (например, плавление большинства алюминиевых сплавов). Если же образующаяся пленка непрочна и неспособна защитить расплав от дальнейшего взаимодействия, то принимают специальные меры, используя флюсы, шлаки или защитные атмосферы.

Защитные флюсы и шлаки - это сложные сплавы солей и оксидов, загружаемых на поверхность расплава. Флюсы вводят для образования жидких шлаков, очищающих металл от нежелательных примесей. В зависимости от назначения флюсы подразделяют на покровные (защитные), рафинирующие и универсальные. Флюсы и шлаки должны быть более легкоплавкими, чем защищаемый металлический расплав, менее плотными, чем жидкий металл и быть непроницаемыми для газов воздуха. Например, защитный шлак для плавки медных сплавов состоит из 73% SiО₂ и 27% NaO и плавится при 795 о С (водный раствор этого соединения называют жидким стеклом). Недостаток - испарение.

В тех случаях, когда невозможно или нежелательно использовать шлак или флюс, например при приготовлении сложных сплавов с химически активными добавками, а также из-за опасности разъедания футеровки и загрязнения расплава используют защитные атмосферы, например аргон, или применяют плавку в вакууме (это наиболее надежный способ получения чистых металлов). Но, несмотря на защиту, металлические расплавы все же загрязняются различными примесями металлов и неметаллов, растворимыми и нерастворимыми в расплаве.

Растворимые примеси удаляют химическими способами, нерастворимые (неметаллические включения) примеси - механическими способами.

Рафинирование расплавов от растворенных примесей проводят во время приготовления сплава путем окисления, хлорирования, обработки флюсами или вакуумной дистилляцией.

Рафинирование окислением применяют в тех случаях, когда сплав способен растворять кислород. Этим методом можно очистить расплав от примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем основной компонент рафинируемого сплава.

Окислительное рафинирование проводят продувкой воздухом или введением в расплав окислителей. При контакте расплава с кислородом прежде всего происходит окисление основного металла, и расплав насыщается кислородом. После этого растворенные примеси, соединяясь с кислородом, образуют нерастворимые оксиды, которые переходят в шлак.

Хлорирование - это продувка расплавов газообразным хлором. Применяется для удаления примесей, обладающих большим сродством к хлору, чем основной металл и главные легирующие компоненты сплавов (например, удаление примесей Na и Mg из алюминиевых сплавов).

Рафинирование флюсованием применяют для удаления примесей, которые образуют летучие или легко шлакующиеся соединения с флюсом, не растворяющиеся в основном металле (например, очистка алюминиевых сплавов от магния криолитом).

Рафинирование вакуумной дистилляцией применяют для удаления примесей, имеющих большее давление пара, чем основной металл (например, удаление цинка из алюминия).

Нерастворимые примеси могут иметь самые разнообразные размеры - от долей микрометра до миллиметров. В основном это оксидные соединения, хотя могут быть нитриды, карбиды, карбонитриды. Их называют неметаллическими включениями. Они резко снижают пластичность металлов, особенно при ударных нагрузках и низких температурах, а также существенно понижают коррозионную стойкость сплавов.

Источниками этих включений являются частицы футеровки, шлака, флюса, шихты, продукты физико-химических процессов, протекающих в расплаве.

Неметаллические включения можно удалить отстаиванием, продувкой газами, вакуумированием, обработкой флюсами и шлаками, фильтрованием.

Отстаивание, как правило, процесс длительный. Крупные частицы (более 100 мкм) отделяются за несколько минут, средние (10 - 100 мкм) - за десятки минут, а мелкие (менее 5 мкм) практически невозможно отделить отстаиванием. Этот прием неспособен дать глубокую очистку, но из-за своей доступности применяется часто.

Сущность рафинирования путем продувки газами или обработкой летучими веществами заключается в том, что газовые пузыри, проходя через расплав, захватывают встречающиеся на своем пути инородные включения и выносят их на поверхность расплава. Продувка газами позволяет удалить как крупные, так и мелкие (до 1 мкм) частицы. Для продувки обычно применяют аргон или азот. Иногда к аргону добавляют хлор (например, при продувке алюминиевых сплавов). Хлор разрушает оксидную пленку на внутренней поверхности газового пузырька, в результате чего улучшается прилипание пузырьков к частицам. Вместо газов для рафинирования алюминиевых сплавов используются также летучие твердые соединения - хлориды алюминия и марганца, хлористый цинк, гексахлорэтан и др. При обработке расплавов хлоритсый алюминий AlCl ₃ , хлористый аммоний NH ₄ Cl возгоняются, так как имеют низкую температуру возгонки: первый 180 о С, второй 338 о С. Хлориды марганца и цинка вступают во взаимодействие с расплавом:

При вакуумном рафинировании используется флотирующее действие пузырьков газа, выделяющихся из раствора. Остаточное давление при вакуумировании составляет 500 - 1000 Па.

Рафинирование обработкой флюсами основано на переходе частиц нерастворенных примесей в шлак или флюса в результате растворения или смачивания. Флюсы содержат повышенное количество фтористых солей и оксида натрия в виде Na ₂ CO ₃ . При этом способе необходимо активное перемешивание расплава с флюсом или шлаком. После рафинирования проводят отстаивание для всплытия капель шлака или флюса.

Наиболее эффективным способом удаления из расплава частиц нерастворимых примесей является фильтрование.

Рафинирование расплавов от растворенных газов (дегазация) - это удаление из расплавов водорода, азота, оксида углерода. Удаление растворенного кислорода осуществляется раскислением. Дегазацию осуществляют вымораживанием, продувкой газами, вакуумированием, обработкой флюсами, различными физическими воздействиями на металл.

Дегазация вымораживанием основана на уменьшении растворимости газов с понижением температуры. В печи расплав медленно охлаждают (вплоть до частичной кристаллизации), при этом растворенные газы выделяются в атмосферу через открытую поверхность расплава. После этого металл снова нагревают с максимальной скоростью. Этот способ весьма длительный, но достаточно эффективный.

Дегазация расплавов продувкой нерастворимыми газами основана на том, что в пузырьке такого газа парциальное давление растворенного в расплаве газа равно нулю и растворенный газ переходит из расплава в пузырек. В этом случае необходима большая поверхность пузырьков, т.е. желателен наименьший их размер (не более 0,1 - 0,5 мм).

Для продувки используют аргон (все сплавы), азот (медные и алюминиевые сплавы), азот с хлором (алюминиевые сплавы). Иногда используют летучие соединения - хлористый марганец (для медных и алюминиевых сплавов), хлористый цинк и гексахлорэтан (для алюминиевых сплавов).

Наиболее надежно позволяет дегазировать металлические расплавы вакуумирование. Понижение давления над расплавом приводит к выделению газов не только через поверхность расплава, но и во всем объеме в виде пузырьков. Центрами выделения растворенного газа являются мельчайшие пары и трещины на поверхности частиц примесей, всегда присутствующих в расплавах. Поэтому вместе с газовыми пузырьками на поверхность расплава всплывают и частицы примесей.

При обработке расплавов шлаками и флюсами также происходит дегазация. Однако механизм такого воздействия до конца не изучен.

Установлено, что некоторые физические воздействия на расплав (например, ультразвуковые колебания или обработка постоянным током) приводит к дегазации. Точная природа этих процессов пока не выяснена.

Раскисление (удаление растворенного кислорода) производят лишь при плавке тех металлов и сплавов, которые способны, находясь в жидком состоянии растворять кислород. Из цветных металлов обязательному раскислению подвергают никель и сплавы никеля с медью, железом, хромом, марганцем при обычной плавке на воздухе. Чистую медь и сплавы меди с серебром и никелем также необходимо раскислять. Сплавы меди с такими активными по отношению к кислороду металлами, как Zn , Al , Cr , Zr , почти не способны растворять кислород и для них раскисление не имеет смысла.

Сплавы на основе алюминия, магния, цинка, олова, свинца никогда не раскисляют. Кислород присутствует в расплавах этих металлов и их сплавов в связанном состоянии в виде нерастворимых неметаллических включений.

Модифицирование - это изменение структуры твердого металла за счет введения специальных добавок или в результате определенных условий плавки и обработки расплава. При модифицировании, как правило, происходит измельчение структуры. Это приводит к улучшению технологической пластичности и повышению механических свойств.

Модифицировать можно путем перегрева расплава и быстрого его охлаждения. Такое модифицирование весьма эффективно для многих алюминиевых и медных сплавов. Наложение на кристаллизующийся расплав механических или ультразвуковых колебаний также приводит к измельчению структуры. Разработана так называемая суспензионная заливка - это вид модифицирования путем растворения в струе расплава твердого сплава того же состава.

Наиболее распространенный способ модифицирования - это введение добавок - модификаторов. Эти добавки или являются дополнительными центрами кристаллизации (например, AlP , Al ₃ Ti , AsSc и др.), или затрудняют рост кристаллов (например, Na в алюминиевых сплавах).

Модифицирование с помощью добавок выполняют в конце плавки, так как модифицирующее действие добавок ограничено во времени. Количество добавок не превышает 0,1% от массы расплава.

Источник:
Л.П. Кочеткова «Металлургические процессы в машиностроительном производстве» Киров 2004

Особенности плавки цветных металлов и сплавов

12.9. Газовые пузыри

Внутренние газовые пузыри в литом металле  это не связанные с поверхностью газовые полости округлой или вытянутой, канальной формы, располагающиеся в виде отдельных образований, строчек, скоплений отдельных пузырей, соединенных между собой каналами во внутренних объемах слитка или отливки (рис. 12.15, а). Внутренние пузыри, расположенные в виде скоплений, называют обычно сотовыми пузырями. Пузыри имеют гладкую поверхность в отличие от усадочной рыхлости, на поверхности которой наблюдается дендритная структура. Иногда вокруг крупных пузырей располагаются более мелкие. Размеры пузырей колеблются от долей до нескольких миллиметров.

Газовые пузыри выявляются на макрошлифах и в изломах. Крупные скопления выявляются методами неразрушающего контроля (НК).

В образовании внутренних пузырей основную роль играет высокая концентрация растворенных в жидком металле газов. Причинами высокой газонасыщенности расплава являются высокая температура металла при выплавке и недостаточная степень его раскисления и рафинирования.

Рис. 12.15. Газовые пузыри: а - внутренние, поперечное сечение отливки, сталь, темплет; б, в - подкорковые, прессованный профиль, алюминиевый сплав; г - подкорковый, прессованный профиль, макроструктура; д - подкорковые, поверхность листа, алюминиевый сплав; е - свищ в сварном шве, алюминиевый сплав.

Для предупреждения возникновения внутренних пузырей используются:

- сушка (прокалка) и подогрев шихты, ферросплавов и шлакообразующих материалов;

- оптимальное рафинирование и раскисление жидкого металла;

- защита от вторичного окисления при выпуске и разливке жидкого металла (защита аргоном, разливка под слоем шлака и т.д.);

- подготовка и применение просушенных изложниц, прибыльных надставок, сифонного припаса;

- подогрев и нанесение тонким слоем противопригарных покрытий на стенки изложниц;

- соблюдение оптимальных температурно-временных параметров наполнения слитка (отливки);

- обеспечение эффективного функционирования прибыли за счет засыпки поверхности металла термоизоляционной смесью.

Если расположение пузырей локализовано, для устранения дефекта можно обрезать донную или прибыльную часть слитка в необходимых пропорциях.

Дефект при дальнейшем деформировании металла может стать причиной возникновения расслоений.

Поверхностные (подкорковые) газовые пузыри в литом металле

Данный дефект представляет собой сообщающиеся с поверхностью отливки или слитка газовые полости округлой или вытянутой формы (рис. 12.15 б, в). Пузыри в виде тонких каналов, ориентированных перпендикулярно к поверхности металла, образуют так называемые сотовые пузыри (сотовая пористость). Диаметр пузырей может достигать нескольких миллиметров, протяженность каналов – свыше 10 мм. Дефекты располагаются, как правило, группами в поверхностном слое отливки. Вокруг подкорковых газовых пузырей часто располагаются ликваты.

Газовые пузыри выявляются на макрошлифах и в изломах.

Образование подкорковых газовых пузырей обусловлено следующими причинами:

- толстым и влажным слоем смазки на стенках изложницы (при этом продукты окисления не успевают всплыть и застревают в застывшем подкорковом слое);

- использованием изложниц или форм с изношенными поврежденными стенками или моделей с поврежденной поверхностью (источником образования газов являются скопления влаги и смазки в дефектных местах поверхности, которые служат центрами и концентра-торами зарождения пузырей на поверхности формы;

- повышенной влажностью изложниц и прибыльных надставок;

- недостаточной газопроницаемостью формы и некачественным противопригарным покрытием.

Для предупреждения образования поверхностных пузырей необходимо:

- соблюдение технологии выплавки, рафинирования, раскисления и разливки металла; тщательная подготовка форм, изложниц, прибыльных надставок и сифонной (литниковой) системы (применение высококачественных сухих сифонных припасов, чистых, согретых и правильно смазанных изложниц, просушенных и тщательно нанесенных на поверхность форм противопригарных покрытий);

- применение шихты, лигатур и шлакообразующих добавок с влажностью, не превыша-ющей допустимую.

Если подкорковые газовые пузыри локализованы и их размеры не выходят за допуски по техническим условиям, они удаляются зачисткой и, если это возможно, заваркой.

Подкорковые газовые пузыри, окислившиеся в процессе нагрева, при горячей деформации не завариваются и выходят на поверхность металла в виде мелких прерывистых трещин с окисленной поверхностью, вытянутых в направлении деформации и располагающихся обычно группами. При дальнейшем деформировании металла они могут стать причиной возникновения расслоений.

Поверхностные газовые пузыри в деформированном металле

Вздутия округлой или овальной формы, вытянутые вдоль направления деформации (могут сопровождаться отшелушиванием поверхностного слоя металла). Пузыри могут быть единичными или в виде скоплений, вытянутыми в строчку или располагающимися группами

произвольно на поверхности деформированных полуфабрикатов.

Размеры пузырей, как правило, не превышают 100 мм 2 . Пузыри выявляются визуально после горячей деформации и идентифицируются на макрошлифах.

На образование поверхностных пузырей оказывают влияние:

- повышенное содержание газов в металле, обусловленное нарушением режима плавки или нагрева металла перед деформацией; в этом случае возникают мелкие, так называемые бисерные пузыри, беспорядочно располагающиеся на поверхности;

- наличие микропор в поверхностных слоях слитка, адсорбировавших влагу из атмосферы; в этом случае возникают крупные пузыри, единичные или располагающиеся группами;

- при прокатке – наличие микронадрывов на поверхности проката, возникших при фрезеровке слитков или на первых проходах прокатки, адсорбировавших влагу из атмосферы; в этом случае возникают строчки пузырей;

- при прессовании – наводораживание металла при нагреве его перед прессованием из-за нарушения технологического процесса; это может быть следствием проникновения в под-поверхностные несплошности в металле под большим давлением газовой фазы, возникшей от неполного сгорания технологической смазки (расширение газовой фазы сопровождается вспучиванием поверхностного слоя металла при выходе полуфабриката из канала матрицы);

- при штамповке – наличие наслоений в исходной прессовой заготовке.

Для предупреждения образования поверхностных пузырей необходимы:

- снижение содержания газов в слитках;

- повышение качества металла исходной заготовки;

- контроль за содержанием водяных паров в печной атмосфере при нагреве металла для деформирования;

- повышение качества фрезерования слитков;

- тщательная очистка поверхности слитков перед горячей деформацией.

Дефект устраняется зачисткой или строжкой, если его размеры не выходят за пределы допуска, оговоренного техническими условиями.

Крупные пузыри являются браковочным признаком. Мелкие пузыри не оказывают заметного влияния на механические свойства проката, но ухудшают декоративный вид изделия. Решение о допуске дефектов принимается в соответствии с требованиями технических условий на металлопродукцию.

Литье под давлением: как избавиться от пузырей

Сначала выясните, являются ли пузыри газовыми раковинами или вакуумными пустотами. А затем следуйте инструкции для их устранения.

Один из самых распространенных косметических дефектов отливок – это пузыри. Это доставляющий неудобства дефект влияет не только на внешний вид изделия, но и на физические характеристики. Пузыри – это обычное явление, от которого порой сложно избавиться.

Производители часто неправильно определяют природу происхождения пузырей, а затем приступают к немедленному исправлению настроек литья с целью убрать дефект. Я советую вам удержаться от искушения сразу подстроить параметры оборудования для литья пластмасс, сначала определите, что из себя представляют пузыри.

Существует лишь 2 типа:

Захваченный газ, включая воздух, пар, летучие газы из резины или газы, образующиеся при распаде полимеров и добавок.
Вакуумные пустоты.

Очень важно определить тип пузыря и установить источник проблемы, чтобы выработать последовательность действий по устранению дефекта. Как же понять, газ это или вакуумная пустота. Многие (как и я когда-то) утверждают, что можно определить по форме, расположению или другим характеристикам пузыря. Но вероятность ошибки при таком подходе велика. Вместо этого, вы можете воспользоваться простым тестом, занимающим менее 15 минут, однако требующим немного терпения.

Аккуратно нагревайте ту часть изделия, которая содержит пузыри, до тех пор, пока она не станет мягкой. Обратите внимание на слово «аккуратно», потому что некоторые операторы берут первую попавшуюся под руку горелку и направляют на отливку. Пластик медленно пропускает тепло через номинальную стенку, поэтому человек с горелкой, вероятнее всего, просто сожжет изделие.

Вместо горелки используйте тепловую пушку или что-то подобное. Тогда, по мере того, как вы нагреваете место с пузырем, пузырь будет менять форму. Если он содержит газ, то газ нагреется и расширится, приподнимая поверхность, а зачастую даже разрывая ее, после того как она стала мягкой. Если в пузыре не воздух, а вакуум, то пузырь сомнется из-за атмосферного давления, давящего на поверхность отливки. Таким образом, вы получите больше информации о проблеме.

Однако существует несколько условий для выполнения данного теста. В идеале пузырь должен иметь диаметр более 3 мм, а отливка отлита не позднее 4 часов назад. Есть вероятность, что изначально пузырь был пустотой, но со временем воздух перемещается через пластик и пустота становится газовым пузырем. В это, возможно, трудно поверить, но я сам лично наблюдал это явление во время своего последнего публичного семинара.

Рис. 1. Изделие с пузырьком перед нагревом. После короткого осмотра вы, вероятнее всего, заключите, что пузырь наполнен газом.

Рис. 2. Только отлитая часть после нагрева. При осмотре спустя несколько минут после изготовления дефект выглядит как усадочная раковина.

Рис. 3. Спустя 16 часов пузырь увеличился. Оказалось, что внутри не газ и не воздух, а вакуумная пустота.

Посмотрите на Рис. 1, 2 и 3. На Рис. 1 изображено изделие перед нагревом. На Рис. 2 мы видим деталь, отлитую несколько минут назад. На Рис. 3 деталь отлита 16 часов назад. На Рис. 1 вы видите пузырь. Похоже, что внутри газ, не так ли? Большинство сделают именно такой вывод. На Рис. 2 отливка после тестирования, видна вмятина или раковина. На Рис. 3 отливка спустя 16 часов, пузырь надулся. Изначально это был не газовый пузырь, а вакуумная пустота, потому что на свежеотлитом изделии появилась впадина при нагреве.

ЗАХВАЧЕННЫЙ ГАЗ

Давайте начнем нашу инструкцию по устранению проблемы с предположения, что тест показал, что это действительно пузырь с газом, т.е. пузырь увеличился и даже лопнул с хлопком.

Газовые пузыри могут появляться по причинам, связанным с направлением движения потоков расплава, таким как слияние потоков, впрыскивание струей, или из-за проблем с пресс-формой/термопластавтоматом, таким как невентилируемые оформляющие шпильки, плохое удаление газов (попробуйте вакуумный отсос), слишком сильная декомпрессия или распад пластика из-за перегрева или долгой выдержки. Газ также может появиться из водяного пара, летучих веществ из пластика или распада побочных продуктов. Воздух, захваченный на ребрах или на невентилируемых проекциях вне номинальных стенок, будет продвигаться по мере заполнения изделия, оставляя след из пузырьков. В большинстве случаев определение откуда идет газ имеет большее значение, чем знание состава газа. И есть один простой метод узнать это.

Первым этапом процедуры является отключение удержания или второй фазы с помощью настройки давления удержания до минимальных значений. Посмотрите, остались ли пузыри. Если да, то, по крайней мере, вам не надо беспокоиться о настройках второй фазы. Следующий этап – понять направление заполнения, чтобы определить, захватывается ли газ во время проливания.

Когда вторая фаза закончена и изделие пролито на 99%, осуществите неполный впрыск, т.е. снизьте массу впрыска с 99% до 5% с 10%-ным приростом. Не начинайте быстро и не увеличивайте массу впрыска, потому что в этом случае направление заполнения может измениться. Кроме того, данный тест требует контроля скорости на первой фазе впрыска. Если будет задан предел для давления на первой фазе, вы не получите стабильность, которая необходима для получения точных результатов.

Где и когда появляются пузыри? Проверьте схему заполнения каждой отливки, чтобы понять, поворачивается ли поток сам или есть задержка перед заполнением узких мест. Пузыри появляются в одних и тех же местах? Если да, то происхождение пузырей каждый раз одинаковое. Отметьте, присутствует ли эффект закольцевания или впрыск струей, которые могут быть причиной захвата воздуха.

Проверьте ребра и все ответвления от номинальной стенки. Если они короткие, это значит, что в этой области захватывается воздух, а затем при заполнении ребер выталкивается, образуя пузыри. Иногда вы даже можете увидеть след от движения пузырей на этих ответвлениях. Появляются ли пузыри только тогда, когда изделие отлито на 85%? Если да, то проблема может быть связана с плохим воздухоотводом. Проверьте вентиляционные отверстия.

Один из источников образования пузырей довольно странный – это эффект Вентури (эффект инжекции потока). Есть разные пути засасывания воздуха в расплав при эффекте Вентури: ребра, толкатели, неплотное прилегание кончика сопла к литниковой втулке, неотрегулированное сопло, разделенные плиты в горячем канале. Эти проблемы обнаружить гораздо сложнее, но если остальные варианты вы исключили, то их следует проверить. Нанесите синьку в районе горячеканального литника и на поверхности, прилегающие к плите. Если синька показалась при запуске, вы нашли источник проблемы. Слишком сильная декомпрессия, особенно это касается горячеканальных пресс-форм.

Другой вероятной причиной может быть шнек, особенно задняя зона и зона загрузки. Например, шнеки общего назначения с соотношением длины к диаметру равным 18:1 или ниже. Попробуйте задать более низкую температуру задней зоны шнека и/или более высокое противодавление. Другим решением может стать создание вакуума в пресс-форме прямо перед впрыском.

ПУСТОТЫ

Пустота образуется во время охлаждения, пока изделие находится внутри или вне пресс-формы, обычно в местах утолщений. В утолщениях центр остывает медленно и усадка выражена сильнее, в ходе усадки образуется пузырь. Если вы увеличите температуру в пресс-форме, пузырь исчезнет, но вы получите последствия в виде утяжин. Это доказательство того, что пузырь был пустотой. Пустоты и утяжины – это показатели внутреннего стресса, они предупреждают, что изделие будет вести себя не так, как планировалось.

Недостаточное количество пластика – это основная причина появления пустот и утяжин, поэтому рекомендуется заполнение гнезда большим количеством расплава. Убедитесь, что используете достаточную подушку и не отводите слишком сильно шнек, тогда изделие будет отлито нужным образом. Более высокое давление удержания или более долгое время удержания могут помочь, однако материал, остающийся в литнике, успеет не раз затвердеть прежде чем центр номинальной стенки прольется.

Попробуйте медленное заполнение, газовое опорное давление или увеличение противодавления для решения проблемы появления пустот или утяжин. Убедитесь, что материал в литниковом канале или втулке на застывает раньше времени и что более длительное время удержания способствует большему заполнению во второй фазе. Если литниковая втулка застывает быстро, то решением может быть простое приоткрытие втулки, поскольку небольшое изменение диаметра приводит к значительному увеличению времени закрытия втулки. Кроме того, можно попробовать снизить температуру плавления, если это возможно.

Еще одним методом устранения пустот и утяжин является уменьшение толщины номинальной стенки. В пластиковых изделиях толще не всегда значит прочнее. Толстые номинальные стенки необходимо заменить на тонкие с ребрами прочности. Это позволит сэкономить материал и время цикла.

Сделайте выемки в толстых частях по возможности. Если расположить литники таким образом, чтобы сначала заполнялись более толстые места, то благодаря этому больше расплава успеет попасть в изделие, прежде чем литник застынет. Вы также можете попробовать увеличить температуру пресс-формы и/или выталкивать изделие раньше, что может помочь избавить от образования пустот, позволяя внешним стенкам оседать во время охлаждения, однако это может привести к появлению утяжин.

Читайте также: