defectos de porosidad de gas en piezas de aluminio inyectadas … · 2019-04-30 · defectos de...

Defectos de Porosidad de Gasen piezas de Aluminio inyectadas a presión

Introducción

Abril 2019

Alberto Forcato – Tecnologíainfo@forcatotecnologia.com.ar

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Bibliografía

• Publicaciones de Society of Die Casting Enginneers• Eng. John Bennett – The Complete Book of Trades • Ing. F. Valecky – Machinery and Production Engineering • Artículos de N.A.D.C.A. • Artículos de la Cámara de Aluminio de Italia • Seminario de Córdoba (Alberto Forcato) – Hotel del ACA – año 2014 • L. Frommer – Handbuch der Spritzgusstechnik • Eberhar Ambos – University of Magdeburg Germany – Encyclopedia of Aluminum and its Alloys

• V. Davos - Modeling for Casting and Solidification Precessing

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▪ Descripción de los Defectos

▪ Matriz▪ Número de boca de matriz▪ Por máquina▪ Por turno▪ Por operador▪ Por inspector▪ Por partida y colada▪ Por puesta a punto de matriz

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Defectos Superficiales

Definición:

En general atribuimos los defectos a una o pocas causas, por ejemplo la alimentación y atribuimos que corrigiendo esta seeliminan todos los defectos, en realidad las causas son la interacción de severos factores de proceso que se relacionan, en die casting podemos hablar de unas 64 variables

dependientes que gobiernan el proceso

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Variables que influyen

▪ Espesor de pared▪ B- Forma de la pieza▪ C- Tiempo de llenado▪ D- Modelo de flujo▪ E- Temperatura de matriz▪ F- Velocidad en los canales de alimentación▪ G- Metalurgia▪ H- Pulmones de ventilación

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Espesores de pared

• Hablar claramente con los diseñadores• Trabajar para obtener espesores consistentes• Chequear si el actual espesor es un problema• Utilizar la tolerancia de espesor para la producción• Alimentar directamente los espesores finos desde los

gates (sección de ataque de colada).• Utilizar para espesores finos tiempos cortos de llenado• Utilizar para espesores finos altas temperaturas de

matriz• Utilizar altas velocidades de segunda fase sin provocar

erosión de matriz

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Forma de la Pieza

▪ Distancia de flujo▪ Complejidad de flujo de metal▪ Llenado de puntos ciegos▪ Áreas con sombras▪ Giros y radios permitidos▪ Ubicación de canales de alimentación▪ Forma

.Alberto Forcato – Tecnología

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Tiempo de llenado

• Máximo tiempo de llenado = K x (Ti - Tf + SZ) x T(Tf – Td)

• K = una constante• T = espesor medio de colada• Ti = Temperatura de inyección del metal• Tf = Temperatura de Solidus metal• T = Temperatura de la Matriz• S = % de sólido a cavidad llena• Z = factor de conversión del calor latente del aluminio

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Tiempo de llenado

Aleación

Tiempo de Llenado

espesores menores a 2,3 mm

espesores mayores a 2,3 mm

Al (piezas hasta 2,5 Kg) 0,09 seg 0,1 seg

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.Control del tiempo de llenado• Cambios en el control de velocidad de pistón• Cambios en los canales de colada• Cambios en la presión hidráulica• Arrastre de pistón

- lubricación del pistón- desgaste del contenedor- desgaste del pistón- enfriamiento deficiente del pistón- deformación del contenedor

• Cámara caliente (cuello de ganso o condición del anillo)• Baja ó alta carga de nitrógeno en el acumulador

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.Patrón de Flujo de Metal

La velocidad mínima (Gv) para que se genere un flujo atomizado viene dado por la fórmula:

(Gv)1,7 x (espesor del canal de alimentación) x densidad > 750El patrón de flujo debe ser diseñado para:▪ Velocidad correcta del gate (sección de entrada de colada)▪ Dividir la pieza en zonas de igual resultado de calidad ó patrón de flujo▪ Canales de alimentación proporcionales▪ Estudio del flujo para que el camino sea más corto▪ Evitar mezclas de flujos▪ Alimentación directa▪ Evitar el flujo tipo yet ▪ Colocación de pulmones de ventilación opuestos a los canales de alimentación▪ Evitar flujos directos sobre noyos▪ Longitud de los canales de alimentación iguales▪ Evitar remolinos

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Temperaturas promedio de matriz para buena calidad superficial de piezas

Aleación Buena Calidad Promedio finalaluminio 246 - 315 ºC 190 - 315 ºCzinc 232 - 287 ºC 190 - 287 ºC

magnesio 232 - 287 ºC 204 - 287 ºC

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.Control de la Temperatura

El control de la temperatura de la matriz está manejada por:

• El spray del desmoldante acuoso sobre la matriz• La termorregulación de la matriz• El tiempo total de ciclo

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.Técnica de manejo del spray de lubricaciónAlgunas técnicas para el manejo del spray son:

- Incrementar el tiempo de aplicación de spray en períodos de 2 a 3 segundos con ajustes cuidadosos.

- Aplicar el spray en las áreas que necesitan enfriamiento no solamente donde las piezas se sueldan.

- Automatizar el spray con un set de manifolds para cada pieza.

- Mantener el equipo lubricador en perfectas condiciones, esto constituye el mejor factor para lograr consistencia en el trabajo.

- Documentar los parámetros operativos y utilizar este set up siempre.

- Deben evitarse los cambios de variables no documentados.

- Evitar sobreenfriar los fondos de cavidades pequeñas.

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.Consideraciones de diseño para la termo-regulación de matriz

- No colocar líneas de agua alrededor de agujeros ó cavidades pues se producen enfriamientos en zonas frías.

- Dar prioridad para colocar líneas de enfriamiento/calentamiento para los extractores.

- No usar la misma línea de control para áreas calientes ó frías.

- La profundidad de las líneas es crítica, setearlas con cuidado.

- Colocar termocuplas en la matriz, no constituyen costos extras y proveen el control térmico básico.

- Evitar depósitos de sarros en los caños, un depósito de 0,125mm de espesor hacen disminuir la transferencia térmica un 40%.

- Utilizar una presión constante en la línea.

- Controlar los caudales de líquido (aceite y/o agua) de termorregulación

- Utilizar computadores para realizar un balance térmico.

- Utilizar aceite caliente para precalentar la matriz en los arranques.

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.Arranque de matriz fría (Start Up)

Es usual que el scrap en el Star Up (largada con matriz fría) sea del orden del 30 al 50% del total del scrap del ciclo de producción.

Se debe realizar lo siguiente:• Utilizar aceite caliente• Precalentar eléctricamente la matriz• No iniciar el ciclo de producción hasta que la matriz esté a

temperatura.• Se pueden utilizar desmoldante base sintética no base agua ó • pastas auxiliares para lubricar la matriz en los primeros tiros.

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.Correcciones de temperatura de matriz

• Minimizar el scrap de puesta a punto de matriz mediante el precalentamiento de la misma.

• Medición de la temperatura de matriz para conocer los cambios que se producen.• Establecer la temperatura óptima de matriz para una mínima cantidad de defectos.• Incrementar la temperatura de matriz en las áreas defecto por:• _ reducción del spray• _ reducción del caudal de agua de enfriamiento• Incrementar la temperatura de matriz por:

– reducción del tiempo de ciclo– incrementar la temperatura del aceite

• Utilizar buenas prácticas de aplicación de spray.• Utilizar un sistema computarizado de control de temperatura.• Medir los caudales de líquido y establecer un proceso disciplinado.• Utilizar una buena ingeniería de termorregulación

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Esta porosidad de gas podría ser causada por poca ventilación de gases.

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.Temperatura de Metal Líquido en el Horno de Mantenimiento

Aluminio 680ºC

– hay que mantener la temperatura constante dentro de ± 5 ºC para no causar problemas el horno de mantenimiento y el control de temperatura debe mantenerse en perfectas condiciones y se deberán respetar estos límites.

– En cámara fría, las pérdidas de temperatura de metal en la cuchara y contenedor debe ser la mínima posible (termorregulación del contenedor, utilización de camisa de enfriamiento en el contenedor).

– Usar tiempos consistentes entre carga de metal y tiro de inyección

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.Influencia de la composición química de la aleación

• Aleaciones de Al cercanas al eutéctico tienen mayor fluidez y mejor calidad superficial, ejemplo: 384.

• El contenido de Si es un factor importante en la aleación y deberá ser mantenido en el rango mayor permitido por la aleación.

• Las aleaciones eutécticas tienen menor rango de solidificación y son más sensibles a los rangos de mantenimiento de temperatura y son difíciles de colar.

• La utilización de bombas de vacío y ventilaciones correctas de gases pueden ser significativas para obtener piezas libres de porosidad.

• La presencia de poros o blister causan zonas difíciles de llenar con metal líquido, especialmente en zonas ciegas.

• Para remover gases de zonas ciegas es necesario colocar bombas de vacío.

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Porosidad de Gas

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Causa de Porosidad de Gas

▪ Consecuencia no buscada de la alta velocidad de inyección.

▪ Turbulencia de llenado.

▪ Espesores finos implica alta velocidad de llenado.

▪ Alto vacío ayuda el proceso.

▪ Flujo atomizado en la segunda fase.

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Causa de Porosidad de Gas

▪ Consecuencia no buscada de la alta velocidad de inyección.

▪ Turbulencia de llenado.

▪ Espesores finos implica alta velocidad de llenado.

▪ Alto vacío ayuda el proceso.

▪ Flujo atomizado en la segunda fase.

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Reconocimiento de la porosidad de gas

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Reconocimiento de la Porosidad de Gas

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Reconocimiento de la Porosidad de Gas• .

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Causas

La porosidad por gas proviene de tres causas importantes en die casting:

• Aire atrapado• Vapor• Lubricante quemado

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Exceso de Lubricante de Pistón

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Aire Atrapado en el Contenedor

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Aire atrapado enla primera fase

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La Velocidad Mínima Crítica puede calcularse:

Css = (22,8) [ (100-% llenado)/100 ] x √ diámetro del pistón

(en unidades imperiales)

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Los factores que reducen el aire atrapado son

generalmente pequeños ajustes

• Velocidad de flujo• Tiempo muerto antes del tiro• Baja aceleración del avance del pistón• Velocidad de flujo a pistón lleno.• Inicio de la rápida velocidad de tiro

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Aire atrapado, pulmones de ventilación y vacío

Área de ventilación = Q / 8000

• donde Q = flujo del metal entrante (área del pistón y su tiempo de desplazamiento)

• 8000 = constante que representa aproximadamente la máxima velocidad alcanzada en la ventilación (cerca al 70% de la velocidad std del aire)

• todas las unidades en medidas imperiales

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.Un proceso de ingeniería debe contar con un check list

de la manera siguiente:• Canales de colada

• No esquinas vivas• Eliminación de pins• Las áreas deben decrecer suavemente cuando el flujo de metal desciende

• Ventilaciones

• Localización en las mejores ubicaciones• Deben ir afuera de la matriz• Los procedimientos deben mantener limpia la matriz en cada colada

• Vacío

• Apropiados canales de vacío• Medir el vacío en la cavidad• Controlar el funcionamiento de la válvula de vacío (mecánica ó automática)• Filtros del sistema limpios.

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Probablemente el factor más importante es que la matriz deber estar seca antes del cierre

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Blister(Porosidad de gas en la superficie)

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Blister. Causas y Correcciones:

• Reducir el aire atrapado (ver capítulo anterior)• Reducir el spray de lubricación y la lubricación de pistón

para minimizar el gas generado por el vapor del lubricante

• Eliminar el agua ó exceso de lubricación de matriz• Corregir la ventilación ó los problemas de vacío

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Blister. Causas y Correcciones:

• Reducir el aire atrapado (ver capítulo anterior)• Reducir el spray de lubricación y la lubricación de pistón

para minimizar el gas generado por el vapor del lubricante

• Eliminar el agua ó exceso de lubricación de matriz• Corregir la ventilación ó los problemas de vacío

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Escondiendo el Blister:

Las técnicas más comunes son:

• Enfriar las áreas de blister con una aplicación extra de spray de lubricante.

• Enfriar la zona de blister con mayores líneas de agua ó agregando líneas de agua.

• Enfriar con aire la zona de la matriz donde el blister ocurre.

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aleación Temperatura de inyección agregado de flux Temperatura de matriz sección de ataque de colada espesor medio de colada ventilación por bolsonesPor condiciones de flujo de Metal incrementar temperatura de metal incrementar temperatura de matriz 1.- cambiar la velocidad del gate. 2.- cambiar la ubicación del gate.InyectoraPiel de óxidoFlash capturadoAire atrapado 1.- verificar área de ventilación. 2.- verificar ubicación. 3.- verificar limpieza de los mismoslubricante Metal MatrizLaminaciónPorosidad

vapor aumentar sección de bolsonesaumentar temperatura aumentar temperatura enfriamiento excesivo del metal en el espesor medio bajodisminuir temperatura en espesores finos controlar temperatura de matriz, en espesores mayor a 4 mm no se ve afectada la porosidad por contracción verificar tiempo de solidificación en el gate disminiuir espesores1.- enfriar zonas calientes 2.- calentar zonas frías si es posible igualar espesorespor rotura de la piel al mecanizar ambas caras minimizar diferencias de temperatura en la inyección minimizar diferencias de temperatura en la inyecciónpor piel de óxidopor piel de óxidoPorosidad por ContracciónDepresiónPorosidad de Flujoión a Presión de Aluminio PérdidasBlister

contracción 1.- eliminar puntos calientes cerca de la superficie 2.- eliminar cantos vivos disminuir espesorescomposición química controlar Si - Cu - Fecausas mecánicasóxido de Al 1.- filtrar el metal 2.- mejorar tratamiento de metal líquido 3.- controlar quemadores disminuir temperaturamaterial refractario 1.- filtrar el metal 2.- mejorar tratamiento de metal líquidopuntos duros 1.- filtrar el metal 2.- mejorar técnicas de fusión. 3.- controlar quemadores disminuir temperaturabarros 1.- controlar : % Fe - % Cr - % Mn aumentar temperatura minimizar diferencias de temperatura mejorar tratamiento de metal líquido reducir temperatura de metalreducir temperatura de metalDefectos de Calidad en la Inyección a Pres InclusionesGrietasSoldaduraCarbón sobre la matrizErosiónCavitación

estudiar diseño para evitar acumulación de calor 1.- chequear diseño de pulmones. 2.- chequear área de ventilaciónmantener constante la temperatura de metal mantener constante para mantener estabilidad dimensionalreducir temperatura de metalchequear composición química chequear temperaturamejorar control de temperatura, metal frío puede ser la causa mala ubicación puede ocasionar escupida de materialManchas de ColadaOlas y LagosArrastresPorosidad de bordesCombaFlashMarcas de extractores

utilizar mayor temperatura 1.- agregado correcto 2.- entrenamiento del personalwww.forcatotecnologia.com.ar011-15-4045-7074preparado por: ALBERTO FORCATO - TECNOLOGIAinfo@forcatotecnologia.com.arEscamas FríasExceso de flux

Matriz y Propiedades Mecánicas de la Matriz enfriamiento de matriz bomba de Vacío velocidad de primera fase velocidad de segunda fase velocidad de tercera fase tiempo de llenado espesor del taco de colada tipo de flujodisminuir tiempo de llenado cambiar el patrón de flujocontrolar dureza y espesor verificar tiemposel diseño de matriz debe ser robusto aplicar ingeniería de enfriamiento para no permitir expansión térmica inadecuada recalcular presión 1.-diseño correcto de canales de colada. 2.- mantener limpia de chala la matriz entre tiro y tiro 1.diseño apropiado de canal de vacío. 2. medir vacío en la cavidad. 3. verificar válvula. 4. verificar filtros 1.- baja aceleración del pistón. 2.- alta aceleración del pistón controlar velocidad de flujoModo de Correcciónz Ingeniería de Proceso (PQ²)

1. fisuras 2. falta de secado de la matriz. 3. Pérdida de agua glicol en los sistemas hidraúlicos de la matriz pérdidas de agua en la línea de enfriamiento1. sobreenfriar zonas de blister 2. enfriar con aire reducir cantidad de agua corregir seteado de parámetros reducir aire atrapado 1.- reducir aire atrapado. 2.- evitar turbulencias 1. verificar flujo tipo spray 2. diseño del gate, ventilación, velocidad del gate, velocidad del pistón, tipo de flujo son variables dependientesaumentar carga del acumulador de N2 calcular el máximo tiempo de llenado 1. aumentar taco de colada 2.chequear los start upubicación del gate puede cambiar la posición de la porosidad por contracción el aumento de la presión disminuye el tamaño y cantidad 1. verificar si el espesor es pequeño 2.- verificar consistencia de espesor chequear diseño de proceso1.- minimizar diferencias de temperatura en la inyección 2.- minimizar porosidad por contracción minimizar diferencias de temperatura en la inyección incrementar la presión lograr una buena piel por flujo sprayincrementar la presión reducir tiemposincrementar la presión reducir tiempos evitar flujo yet

enfriar canal de colada enfriar puntos calientes enfriar1.- chequear plato extractor. 2.- verificar pernos extractores disminuirdisminuir1.- mejorar líneas de enfriamiento de matriz 2.- disminuir rugosidad superficial enfriar puntos calientes reducir presión estática reducir multiplicación reducir para reducir transferencia térmica reducir velocidad en el gateaumentar enfriamiento de matriz trabajar con condiciones de flujo tipo spray1.-eliminar ángulos rectos de canales de colada

controlar carga de nitrógeno reducir espesor de taco de coladamantener constante la termoregulación1.- ajustar matriz. 2.- limpiar circuítos de refrigeración. 3.- localizar matriz en el centro de la máquina. controlar presión de segunda fase reducir presión de tercera fasechequear prácticas de aplicación1.- multicanales pueden desbalancear el flujo. 2.- recalcular tiempo de llenado por canal controlar velocidad de flujo tipo spray1.- revisar diseño de matriz. 2.- chequear puntos calientes. 3.- chequear erosión ó corrosión. 4.- mejorar extracción de piezas. chequear condiciones de enfriamiento1.- aumentar nro de extractores. 2.- mejorar ubicación de extractores 3.- controlar longitud de extractores

minimizar tiempo de ciclo aumentar espesor de taco de colada

espesor del taco de colada sección de ataque de colada Potencia de la inyectora Inyectora Pistón Contenedor Desmoldante de matriz Lubricante de Pistón Temperatura de Eyección pieza inyectada1.- cambiar la velocidad del gate. 2.- cambiar la ubicación del gate. calcular fuerza de apertura de matriz 1.- verificar temperatura del fluído hidraúlico. 2.- verificar columnas minimizar tiempo de retardo 1ra fase/2da fase1.- cálculo de presión de cierre. 2.- centrar la matriz controlar tiempo muerto antes del tiro 1. exceso de concentración 2. composición químicaPieza FundidaLubricantesMáquina de Inyección

demasiada aguareducir lubricacióncambioar de inyectura por una de mayor capacidad si hay flash evitar arrastre de pistón aumentar temperatura1. verificar si el espesor es pequeño 2.- verificar consistencia de espesor entre distintos tiros verificar tiempo de solidificación en el gate chequear estado chequear estadosi es posible igualar espesores cambiar la máquina por una de mayor capacidad evitar pérdida de temperatura de metal

enfriar eyectar la pieza rápidamente1.-reducir cantidad de lubricante 2.- reducir concentración reducir cantidad de lubricante de pistón eliminar causas de porosidad por gas

reducir espesor de taco de colada estudiar diseño para evitar acumulación de calor revisar estado del pistón revisar estado del contenedor secar perfectamente la matrizverificar paralelismo de placa fija y placa móvil mantener constante el spray mantener constante la temperatura corregir motivos de arrastre1.- controlar columnas. 2.- controlar paralelismo de platens. aumentar diámetro de pistón 1.- revisar cantidad de lubricante . 2.- reducir cantidad de lubricante. medir la cantidad de lubricante de pistón y verificar vs cantidad stdmala ubicación puede ocasionar escupida de material

aumentar espesor de taco de colada 1.- aumentar % de llenado 2.- aumentar temperatura del contenedor

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