Các trường hợp nghiên cứu và biện pháp đối phó cho khuyết tật đúc nhôm: Nguyên nhân và giải pháp cho các vấn đề về độ rỗng, vết nứt và sai lệch kích thước

◆Mục lục

Giới thiệu

Trong ngành công nghiệp sản xuất của Nhật Bản, các sản phẩm đúc nhôm nhẹ và có độ bền cao là những bộ phận cốt lõi thiết yếu, được sử dụng trong mọi lĩnh vực từ phụ tùng ô tô đến máy móc công nghiệp và vật liệu xây dựng. Tuy nhiên, quy trình sản xuất của chúng rất phức tạp, và các khuyết tật đúc như “rỗ khí”, “nứt”, và “sai lệch kích thước” có thể trở thành những thách thức kinh doanh nghiêm trọng, dẫn đến chi phí phát sinh trong các công đoạn sau và thậm chí là thu hồi sản phẩm. Giữa những yêu cầu về việc ổn định chuỗi cung ứng và nâng cao khả năng cạnh tranh về chi phí, việc hiểu rõ cách ngăn chặn những khuyết tật này để cải thiện chất lượng và năng suất là một vấn đề cấp bách đối với các nhà quản lý mua hàng. Bài viết này tập trung vào ba khuyết tật chính thường gặp trong đúc nhôm. Chúng tôi sẽ cung cấp một lời giải thích toàn diện, từ cơ chế phát sinh đến các biện pháp đối phó cụ thể, kết hợp các dữ liệu và trường hợp nghiên cứu mới nhất. Bằng cách hiểu rõ nguyên nhân gốc rễ và thực hiện các giải pháp phù hợp, chúng tôi hy vọng bài viết này sẽ hỗ trợ công ty của bạn trong việc cải thiện chất lượng, giảm chi phí và đạt được nguồn cung cấp linh kiện ổn định.

3 khuyết tật chính thường gặp trong đúc nhôm và tác động của chúng

Mặc dù có nhiều loại khuyết tật trong đúc nhôm, nhưng “rỗ khí”, “nứt”, và “sai lệch kích thước” có tác động đáng kể nhất đến chất lượng, chi phí và thời gian giao hàng. Những khuyết tật này không chỉ làm giảm đáng kể độ bền cơ học của sản phẩm mà còn có thể là những sai sót chết người đối với các bộ phận yêu cầu độ kín khí và khả năng chịu áp lực (ví dụ: lốc máy, thân van). Một số nghiên cứu báo cáo rằng tỷ lệ phế phẩm trong quá trình đúc có thể vượt quá 5%, với phần lớn thuộc về ba loại khuyết tật này. Sự xuất hiện của khuyết tật không chỉ dẫn đến tăng chi phí trực tiếp từ việc nấu lại, sửa chữa và kiểm tra bổ sung mà còn làm mất cơ hội kinh doanh do chậm trễ giao hàng và tổn hại đến niềm tin của khách hàng. Do đó, một phương pháp tiếp cận có hệ thống để ngăn chặn chúng là điều cần thiết.

Trường hợp khuyết tật ①: Rỗ khí (Lỗ rỗ & Lỗ kim) – Nguyên nhân và biện pháp đối phó

“Rỗ khí” là gì? – Các khuyết tật dạng hốc làm suy giảm chất lượng bên trong

Rỗ khí là một thuật ngữ chung cho các khuyết tật dạng hốc xảy ra bên trong vật đúc. Chúng được phân thành hai loại chính dựa trên nguyên nhân. Một là “rỗ do khí (lỗ rỗ, lỗ kim)”, xảy ra khi khí chứa trong kim loại nóng chảy được giải phóng trong quá trình đông đặc. Nhôm đặc biệt dễ bị rỗ do khí vì nó dễ dàng hòa tan khí hydro, và khả năng hòa tan của nó giảm mạnh theo nhiệt độ (ví dụ: giảm xuống còn khoảng 1/20 khi làm nguội từ trạng thái nóng chảy ở 660°C xuống trạng thái rắn ở 550°C). Loại còn lại là “rỗ do co ngót”, xảy ra khi việc cung cấp kim loại không thể bù đắp kịp sự co ngót thể tích trong quá trình đông đặc. Vì tỷ lệ co ngót khi đông đặc của hợp kim nhôm có thể đạt tới 6-8%, việc kiểm soát rỗ do co ngót là cực kỳ quan trọng.

5 nguyên nhân hàng đầu gây ra rỗ khí

Khí Hydro trong kim loại nóng chảy: Hơi ẩm trong không khí hoặc khí đốt từ lò nấu (khí tự nhiên, LPG, v.v.) phản ứng với kim loại nóng chảy, sau đó được hấp thụ dưới dạng khí hydro.
Khí từ khuôn và lõi: Hơi ẩm trong cát khuôn hoặc chất kết dính trong lõi (khuôn cát được sử dụng để tạo các phần rỗng) bị phân hủy nhiệt khi tiếp xúc với kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao, tạo ra khí. Khuyến nghị quản lý lượng chất kết dính gốc nhựa ở mức 1.0% hoặc ít hơn.
Dòng chảy rối và cuốn khí: Nếu dòng chảy của kim loại nóng chảy (dòng kim loại) bị rối khi rót vào khuôn, nó có thể cuốn theo không khí, gây ra rỗ khí.
Kiểm soát đông đặc không đúng cách (Rỗ do co ngót): Nếu sản phẩm có độ dày thành không đồng đều, việc cung cấp kim loại nóng chảy không thể đến được phần thành dày đông đặc cuối cùng, dẫn đến một hốc (rỗ do co ngót) do sự co lại.
Sử dụng chất tách khuôn hoặc lớp phủ không đúng cách: Trong đúc áp lực, nếu sử dụng quá nhiều chất tách khuôn hoặc nếu việc thổi khí sau khi áp dụng không đủ, nó có thể bay hơi khi tiếp xúc với kim loại nóng chảy và gây ra khuyết tật. Đối với lớp phủ gốc nước, có thể cần sấy khô ít nhất 2 giờ ở nhiệt độ 180-200°C.

Các biện pháp đối phó cụ thể để ngăn ngừa rỗ khí

Chiến lược cơ bản để chống lại rỗ khí là loại bỏ các nguồn khí, tạo điều kiện cho khí thoát ra và kiểm soát quá trình đông đặc một cách hợp lý.

Quản lý kim loại nóng chảy kỹ lưỡng: Kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ nấu chảy ở mức 750°C hoặc thấp hơn để ngăn chặn sự hấp thụ khí do quá nhiệt. Ngoài ra, việc thực hiện xử lý khử khí (fluxing) bằng khí argon hoặc nitơ trong khoảng 8-10 phút để giảm nồng độ khí hydro trong kim loại nóng chảy xuống 0.1 cc/100g hoặc ít hơn là rất hiệu quả.
Tối ưu hóa kế hoạch đúc: Sử dụng CAE (Kỹ thuật hỗ trợ bằng máy tính) để mô phỏng dòng chảy và đông đặc nhằm thiết kế các cổng vào và lỗ thoát khí giúp ngăn chặn dòng chảy rối và cho phép khí thoát ra một cách trơn tru.
Quản lý khuôn và lõi: Sấy khô kỹ cát khuôn và lõi trước khi sử dụng và chọn các chất kết dính có lượng khí thải thấp.
Áp dụng đúc áp lực chân không: Bằng cách đổ đầy kim loại nóng chảy vào khuôn sau khi đã hút chân không trong hốc khuôn đến khoảng 50-100 hPa, có thể ngăn chặn triệt để việc cuốn khí, tạo ra các sản phẩm đúc chất lượng cao.
Ép nóng đẳng tĩnh (HIP): Là một phương pháp xử lý sau đúc, việc tạo áp suất cho sản phẩm bằng khí trơ ở mức 100-200 MPa (khoảng 1.000-2.000 atm) ở nhiệt độ cao khoảng 500°C có thể đóng lại và loại bỏ hiệu quả các lỗ rỗ vi mô bên trong.

Trường hợp khuyết tật ②: Nứt (Nứt đông đặc & Nứt nóng) – Nguyên nhân và biện pháp đối phó

Các loại và cơ chế của vết nứt

Nứt trong vật đúc là những khuyết tật nghiêm trọng làm suy yếu cơ bản độ tin cậy của sản phẩm. Chúng được phân loại theo phạm vi nhiệt độ mà chúng xảy ra: “nứt đông đặc (nứt nóng)”, xảy ra ở giai đoạn cuối của quá trình đông đặc khi kim loại nóng và giòn, và “nứt nguội”, xảy ra sau khi làm nguội hoặc trong quá trình xử lý nhiệt. Cụ thể, nứt đông đặc là do ứng suất kéo phát triển khi vật đúc đang đông đặc bị khuôn cản trở co ngót. Nó có nhiều khả năng xảy ra ở các hợp kim như Al-Si và Al-Cu. Vì những vết nứt này có thể trở thành điểm khởi đầu cho sự phá hủy do mỏi, làm rút ngắn đáng kể tuổi thọ sản phẩm, nên việc phát hiện và ngăn chặn 100% là bắt buộc.

4 nguyên nhân hàng đầu gây ra nứt

Hình dạng sản phẩm không phù hợp: Các khu vực có sự thay đổi đột ngột về độ dày thành hoặc các góc nhọn (bán kính góc lượn nhỏ) tạo ra sự tập trung ứng suất, có thể trở thành điểm khởi đầu cho các vết nứt.
Ứng suất co ngót khi đông đặc: Trong các vật đúc có hình dạng phức tạp, thời gian đông đặc thay đổi giữa các phần, dẫn đến ứng suất co ngót không đồng đều và sự tích tụ biến dạng bên trong.
Sự cản trở của khuôn: Khuôn cát, khuôn kim loại hoặc lõi có thể cản trở vật đúc khi nó cố gắng co lại, tạo ra ứng suất kéo dẫn đến nứt.
Sai sót trong việc tháo khuôn, làm nguội hoặc xử lý nhiệt: Việc tháo khuôn bằng lực ở nhiệt độ cao, làm nguội quá nhanh hoặc xử lý nhiệt không đúng cách (ví dụ: gia nhiệt/làm nguội nhanh) có thể tạo ra ứng suất nhiệt đáng kể và gây ra nứt.

Các biện pháp đối phó cụ thể để ngăn ngừa nứt

Chìa khóa để ngăn ngừa nứt là một thiết kế giúp giảm thiểu sự tập trung ứng suất và một kế hoạch đúc giúp ngăn chặn sự phát sinh ứng suất trong quá trình đông đặc và làm nguội.

Xem xét lại thiết kế sản phẩm: Để tránh tập trung ứng suất, hãy sử dụng bán kính góc lượn (R) lớn nhất có thể ở các góc. Thực hiện các thay đổi về độ dày thành một cách từ từ và xem xét thêm các gân để tăng độ cứng. Nói chung, khuyến nghị sử dụng bán kính từ 2 đến 4 lần độ dày thành.
Cải tiến kế hoạch đúc: Đặt các đậu ngót (резервуары расплавленного металла для компенсации усадки) hoặc kim loại nguội (các miếng kim loại được nhúng vào khuôn để làm nguội cưỡng bức) tại các phần dày (điểm nóng) đông đặc cuối cùng để thúc đẩy quá trình đông đặc định hướng (một kỹ thuật để làm cho vật đúc đông đặc tuần tự từ một hướng).
Tối ưu hóa thiết kế khuôn: Trong khuôn đúc áp lực, tối ưu hóa vị trí của các chốt đẩy để đảm bảo rằng ứng suất được tác dụng đều trong quá trình tháo sản phẩm. Ngoài ra, quản lý đúng nhiệt độ khuôn bằng nước làm mát ở 40-50°C để ngăn ngừa kẹt khuôn hoặc nứt do nhiệt.
Quản lý các điều kiện đúc và xử lý sau đúc: Kiểm soát thời gian đông đặc bằng cách tối ưu hóa nhiệt độ rót và tốc độ phun. Tuân thủ nghiêm ngặt thời gian tháo khuôn và, theo quy tắc, làm nguội vật đúc từ từ sau khi lấy ra khỏi khuôn.

Trường hợp khuyết tật ③: Sai lệch kích thước – Nguyên nhân và biện pháp đối phó

Các vấn đề do sai lệch kích thước gây ra

Sai lệch kích thước trực tiếp dẫn đến các vấn đề lắp ráp ở các công đoạn sau và không đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất sản phẩm. Khi các sản phẩm hiện đại đòi hỏi lắp đặt mật độ cao và khớp nối chính xác, các yêu cầu về độ chính xác kích thước ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn. Dung sai kích thước điển hình cho đúc áp lực nhôm là khoảng ±0.1-0.2 mm, nhưng các phương pháp có độ chính xác cao hơn (ví dụ: đúc áp lực bán rắn) có thể nhắm đến ±0.02 mm. Để đạt được mức độ chính xác này một cách nhất quán, cần có sự hiểu biết sâu sắc về hiện tượng vật lý của sự co ngót và quản lý tích hợp trên tất cả các quy trình từ thiết kế đến sản xuất.

4 nguyên nhân hàng đầu gây ra sai lệch kích thước

Độ chính xác của thiết kế và chế tạo khuôn/mẫu: Sai sót trong bản vẽ thiết kế, dung sai gia công lỏng lẻo và sự lệch của các nửa khuôn là những nguyên nhân trực tiếp.
Lỗi dự đoán tỷ lệ co ngót của vật đúc: Tỷ lệ co ngót của hợp kim nhôm là 0.6-0.8%, nhưng nó thay đổi một chút tùy thuộc vào loại hợp kim, hình dạng vật đúc và điều kiện đúc. Việc đánh giá sai tỷ lệ này dẫn đến sai số kích thước.
Biến dạng nhiệt của khuôn: Nhiệt độ cao trong quá trình đúc (600-700°C) làm cho khuôn nở ra vì nhiệt. Nếu biến dạng này không được tính đến, nó sẽ dẫn đến sự không chính xác về kích thước của sản phẩm sau khi làm nguội.
Biến dạng sau đúc: Vật đúc có thể bị cong vênh hoặc xoắn do các lực tác động trong quá trình tháo khuôn hoặc do sự giải phóng ứng suất dư trong quá trình xử lý nhiệt, phun bi, v.v.

<div class=”data-box”>Dữ liệu chính: Mục tiêu độ chính xác kích thước trong đúc nhôm– Dung sai đúc áp lực thông thường: ±0.1mm đến ±0.2mm- Dung sai mục tiêu cho đúc áp lực cao: ±0.05mm- Dung sai mục tiêu cho phương pháp bán rắn (Thixoforming): ±0.02mm- Dung sai mục tiêu cho gia công CNC sau đúc: ±0.01mm- Tỷ lệ co ngót khi đông đặc của một hợp kim nhôm điển hình (ADC12): Khoảng 0.6% Nguồn: CEX Casting, Daiwa Ketal Vietnam</div>

Các biện pháp đối phó để đạt được độ chính xác kích thước cao

Thiết kế và chế tạo khuôn có độ chính xác cao: Sử dụng 3D CAD/CAM cho một quy trình thiết kế và chế tạo tích hợp bao gồm mô hình sản phẩm, mô hình khuôn và mô hình điện cực. Độ chính xác của “mô hình bù trừ”, tính đến sự co ngót và biến dạng nhiệt, là đặc biệt quan trọng.
Sử dụng mô phỏng đúc (CAE): Mô phỏng trước quy trình đúc để dự đoán hành vi điền đầy kim loại nóng chảy, phân bố nhiệt độ, quá trình đông đặc và biến dạng vật đúc. Điều này cho phép xác định và khắc phục các vấn đề tiềm ẩn ở giai đoạn thiết kế trước khi chế tạo khuôn.
Quản lý chặt chẽ các điều kiện đúc: Tiêu chuẩn hóa các thông số như áp suất phun (có thể đạt 100-200 MPa trong đúc áp lực cao), tốc độ phun, nhiệt độ khuôn và thời gian làm nguội, và sản xuất một cách nhất quán trong cùng điều kiện, là chìa khóa cho sự ổn định về kích thước.
Kiểm soát chất lượng có hệ thống: Thường xuyên kiểm tra kích thước sản phẩm và sự hiện diện của các khuyết tật bên trong bằng máy đo tọa độ (CMM) và máy quét CT. Điều này đòi hỏi các hoạt động cải tiến liên tục kết hợp các phương pháp kiểm soát chất lượng thống kê (SQC), chẳng hạn như duy trì chỉ số năng lực quá trình (Cpk) ở mức 1.33 hoặc cao hơn.

Kết luận

Mặc dù “rỗ khí”, “nứt”, và “sai lệch kích thước” làm suy yếu chất lượng của các sản phẩm đúc nhôm có vẻ là những vấn đề riêng biệt, nhưng nguyên nhân gốc rễ của chúng lại liên quan sâu sắc đến các quy trình sản xuất cơ bản như “quản lý kim loại nóng chảy”, “kế hoạch đúc”, “thiết kế khuôn”, và “kiểm soát nhiệt độ”. Để loại bỏ những khuyết tật này, cần phải có một cách tiếp cận hệ thống xem xét toàn bộ quy trình—từ thiết kế sản phẩm đến đúc và xử lý sau đúc—thay vì chỉ dựa vào một biện pháp đối phó duy nhất. Đặc biệt, việc sử dụng mô phỏng CAE là một công cụ mạnh mẽ để tìm ra các điều kiện sản xuất tối ưu trong khi giảm chi phí, vì nó đóng góp đáng kể vào việc giảm số lượng nguyên mẫu và rút ngắn thời gian phát triển. Chúng tôi khuyến khích bạn sử dụng các nguyên nhân và biện pháp đối phó được giải thích trong bài viết này để xem xét lại những thách thức của chính mình và đào sâu các cuộc thảo luận kỹ thuật với các đối tác đúc của bạn, nhằm mục đích xây dựng một chuỗi cung ứng mạnh mẽ hơn, đạt được cả chất lượng và khả năng cạnh tranh về chi phí.

Dịch vụ đúc nhôm & khuôn mẫu trọn gói