CC BY
393
Определение и исправление дефектов при центробежном литье
Зуев И. М.
Зуев Илья Михайлович / Zuev Ilya Mikhaylovich - студент, кафедра «Сварка, литье и технология конструкционных материалов», механико-технологический факультет, Тульский государственный университет, Политехнический институт, г. Тула
Аннотация: в данной статье рассмотрены самые основные дефекты в отливках при центробежном литье, как исправимые, так и неисправимые, также представлены методы их обнаружения и борьбы с этими недостатками.
Ключевые слова: трещина, усадочная раковина, усадка, термическое сжатие, сплошность, брак, контроль, шероховатость.
Наиболее распространенными видами дефектов отливок являются газовые, песчаные, шлаковые и усадочные раковины, холодные и горячие трещины, заливы, отбел, пористость, несоответствие сплава техническим условиям по химическому составу и микроструктуре и др. Различные раковины могут быть открытыми и закрытыми (внутренними), одиночными и гнёздными. В основном раковины образуются из-за недостаточной газопроницаемости и повышенной влажности формовочных смесей, низкой температуры и насыщения газами заливаемого в центробежную стальную форму жидкого металла, а также из-за дефектов отдельных кольцевых частей и замков или при небрежной сборке кольцевой металлической формы.
Как правило, усадочные раковины образуются в утолщенных местах отливки, которые затвердевают в последнюю очередь. За счет ликвации при затвердевании отливки металл в усадочной раковине имеет повышенное содержание серы и фосфора. Если же скорость охлаждения металла в отливке была одинаковой по всему объему до момента затвердевания, а это значит, что кристаллизация происходила бы одновременно во всем объеме, то концентрированная усадочная раковина отсутствовала. Затвердевание начинается с поверхности отливки. После образования сплошной корочки металла, оставшийся жидкий металл затвердевает как бы в сосуде. Из-за продолжающейся усадки образуется зазор между уровнем жидкого металла и верхней затвердевшей корочкой, что и соответствует началу образования усадочной раковины. По мере затвердевания отливки расстояние между корочкой и жидким расплавом увеличивается до полного затвердевания отливки, а сечение раковины постепенно уменьшается. Остатки усадочных раковин при дальнейшей обработке не завариваются и превращаются в различные нарушения сплошности, снижающие прочность. Также причинами образования усадочных раковин являются: неправильный подвод в форму, заливка форм слишком перегретым расплавом, неправильная конструкция отливки, допускающая большое скопление расплава в отдельных ее частях. Для предотвращения образования усадочных раковин угол сопряжения двух стенок должен быть скругленным. Значительное влияние на образование усадочных дефектов оказывает химический состав сплава. Увеличение содержания углерода в доэвтетическом чугуне приводит к заметному уменьшению объема усадочных раковин за счет увеличения в нем количества выделяющегося при кристаллизации графита. Чем выше содержание углерода в чугуне, тем меньше в отливках усадочной пористости и больше концентрированных усадочных раковин. Пористость отливок уменьшается при выделении в чугуне мелкого графита и увеличивается при выделении его в виде грубых пластин.
Влияние кремния на возникновение усадочных дефектов зависит от влияния его на процесс образования в чугуне графита. При повышении степени графитизации объем усадочных раковин уменьшается. Вместе с тем отмечено, что плотность и герметичность чугунных отливок повышается с уменьшением содержания углерода и кремния вследствие измельчения выделений графита. Марганец и сера, понижая степень графитизации, увеличивают объем усадочных раковин в чугуне. Таким образом, влияние легирующих элементов на количество усадочных дефектов в чугуне связано, в основном, с их влиянием на процесс графитизации. Особенно большое развитие усадочные раковины получают при полном торможении графитизации, когда чугун затвердевает белым. Поэтому введение элементов (медь, никель и др.), способствующих графитизации, может привести к уменьшению объема усадочных раковин. Охлаждение жидкого сплава, его кристаллизация и последующее охлаждение в твердом состоянии сопровождается уменьшением объема или его усадкой, количественной мерой которой являются коэффициенты термического сжатия. С усадкой связано возникновение в отливках пустот в виде раковин и пор, внутренних напряжений и трещин, зазора между отливкой и поверхностью формы. На конечные размеры отливки влияет изменение объема твердого металла в результате различных фазовых превращений. Если бы во время формирования отливки в литейной форме уменьшение объема происходило во всех ее частях одновременно, то следствием усадки было бы только уменьшение размеров. В реальных условиях затвердевания различных частей отливки происходит неравномерно. Когда наружные слои затвердеют и изменят объем и размеры, во внутренних зонах еще находится жидкий сплав, который должен претерпеть значительно большую усадку по сравнению с затвердевшими слоями. После окончания охлаждения окажется, что объем внутренней части отливки уменьшился больше, чем объем, ограниченный внешними контурами всей отливки. Внутри отливки окажутся усадочные полости, не заполненные металлом. В ходе затвердевания отливки объемная усадка проявляется в виде крупных пустот - усадочных раковин и многочисленных мелких пор - усадочной
пористости. Большая часть литейных сплавов не позволяет получать отливки с однородным химическим составом. В них наблюдается ликвация - неоднородность химического состава. При центробежном способе изготовления отливок ликвация чаще всего наблюдается в радиальном направлении и реже в осевом. Ликвация происходит при изготовлении отливок из сплавов, компоненты которых взаимно нерастворимы и не образуют эвтектик, химических соединений. Сплошность сплава в отливке может нарушаться не только усадочными раковинами и порами, но и газовыми дефектами. Различают два вида газовых дефектов: эндогенные, образующиеся при выделении газа из металла, и экзогенные, возникающие в результате проникновения газов в отливку через ее поверхностный слой. После заполнения литейной формы жидким металлом его затвердевание начинается у стенок формы, что препятствует удалению газов из центральных зон отливки, где и происходит образование газовых раковин. В ряде случаев выделение газа из пересыщенного раствора происходит по всему сечению отливки, что приводит к образованию газовой пористости. Несмотря на высокую прочность металла, все же оказывается, что давление в газовых пузырьках может превысить его сопротивление, что приведет к возникновению мелких трещин. Также трещины в заготовках образуются в результате механических повреждений отливок при выбивке их из форм.
Для предотвращения образования в отливках газовых дефектов, необходимо обеспечивать минимально возможное содержание газов в жидких сплавах и создавать условия для удаления образующихся в отливках газов. Газовые дефекты экзогенного характера являются частой причиной брака отливок и поэтому требуют специального изучения. Захват газов струей металла при заполнении формы возможен только при сильной турбулизации потока металла, что может быть устранено изменением конструкции и размеров литниковой системы, места подвода металла.
Устранение усадочной пористости в теле отливки - задача более сложная, чем выведение в прибыль концентрированной усадочной раковины. При изготовлении отливок из сплавов, склонных к образованию усадочных пор, необходимо не только устанавливать прибыли на термических узлах отливок, но и обеспечивать направленность и высокую интенсивность затвердевания в них сплава, чтобы уменьшить протяженность двухфазной зоны и тем самым обеспечить свободное питание центральной части отливки жидким сплавом из прибыли.
Наружные дефекты отливок обнаруживаются внешним осмотром после извлечения отливки из формы или после очистки путем сравнения с эталоном. Невидимые поверхностные дефекты определяют с помощью люминесцентной, магнитной и цветной дефектоскопии. Внутренние дефекты определяют радиографическими или ультразвуковыми методами дефектоскопии. При использовании радиографических методов (рентгенография, гаммаграфия) на отливки воздействуют рентгеновским или гамма-излучением. Контроль отливок рентгеновскими и гамма-лучами основан на различной проницаемости для этих лучей сплошного металла и дефектов, находящихся в металле; лучи сильнее поглощаются металлом, чем включениями. При рентгеновском контроле можно наблюдать дефекты визуально на флюоресцирующем экране или фотографировать их на рентгенопленку. Рентгенограмма представляет собой негативное изображение просвеченной стенки отливки. Дефекты отливок (шлаковые включения, газовые и усадочные раковины, рыхлота, поры, трещины) в меньшей степени поглощают интенсивность лучей, чем сам металл, поэтому на пленке такие дефекты появляются в виде темных пятен. Различные дефекты в отливке, меньше поглощающие рентгеновские лучи, дают на рентгенограмме местные, более интенсивные почернения. С помощью этих методов выявляют наличие дефекта, размеры и глубину его залегания. При ультразвуковом контроле ультразвуковая волна, проходящая через стенку отливки при встрече с границей дефекта (трещиной, раковиной), частично отражается. По интенсивности отражения волны судят о наличии, размерах и глубине залегания дефекта. Ультразвуковой контроль основан на способности ультразвуковой волны отражаться от границы раздела двух сред. Ультразвуковая волна, проходя через стенку отливки, при встрече с дефектом отражается. По интенсивности отраженных волн, которые преобразуются в сигналы, видимые на экране ультразвуковой установки, судят о наличии дефектов в отливке. По интенсивности и направлению отраженных волн судят о месте, протяженности и глубине залегания дефекта. Для обнаружения дефекта необходимо, чтобы поперечные размеры его были не меньше длины ультразвуковой волны. Трещины выявляют люминесцентным контролем. При люминесцентном методе на поверхность отливки наносят слой раствора, способного светиться в ультрафиолетовых лучах. Раствор затекает в тонкие трещины, поры и раковины. С поверхности отливки раствор смывают водой и после сушки на нее наносят тонкоизмельченный силикагель, способный впитывать флюоресцирующий раствор, оставшийся в углублениях и трещинах. Отливку устанавливают под источник ультрафиолетового света, и по яркому свечению порошка определяют место и размеры поверхностных дефектов.
При магнитном способе отливку намагничивают и покрывают тончайшим магнитным порошком или суспензией порошка в воде или масле. Дефектный участок с пониженной магнитной проницаемостью вызовет местное искажение магнитного потока на поверхности отливки. По искажению силовых магнитных линий и собиранию порошка в бугорки, судят о наличии дефектов. Испытания на герметичность проводят для отливок, которые по условиям работы должны выдерживать высокое давление газа или жидкости. При испытаниях в отливках закрывают отверстия и подают воду или воздух под рабочим давлением. Отливка не должна давать течи. При пневмоиспытаниях поверхность отливки покрывают мыльным раствором, в случае течи на поверхности отливки появляются пузыри.
Шероховатость поверхности контролируют с помощью эталонов и специальных приборов -профилаграфов и профилометров. Дефекты отливок исправляют, если это технически возможно и целесообразно. В противном случае отливку бракуют.
Наиболее распространенные методы исправления дефектного литья: заделка пороков замазками или пастами, пропитывание пористого литья различными составами, заварка дефекта жидким металлом и дуговой или газовой сваркой. Заделка дефекта литых заготовок замазкой (мастикой) допускается для мелких поверхностных раковин на отливках неответственного назначения.
Правкой исправляют коробление отливок. Для этого на отливку оказывают механическое воздействие -ее пластически деформируют на прессах или молотками и восстанавливают требуемую геометрию.
Для чугунного литья используют замазку следующего состава: огнеупорная глина в порошке - 8 %, жидкое стекло - 18 %, чугунная молотая стружка - 74 %. Замазку наносят при комнатной температуре и выдерживают до полного затвердевания. Пропитывание различными составами устраняет пористость отливок, подвергающихся гидравлическому испытанию. С этой целью литые заготовки, имеющие незначительную течь, погружают на 8-12 часов в водный раствор хлористого аммония. Проникая в промежутки между зернами металла, раствор образует окислы, которые закупоривают поры отливки. Заварка обычно применяется для исправления дефектов в местах отливок, испытывающих большую нагрузку, при этом место дефекта разогревают до оплавления, а затем заделывают расплавленным присадочным материалом.
При заварке раковин электрической сваркой используют соответствующие электроды. Нагрев места дефекта и расплавление прутка присадочного материала производится пламенем кислородно-ацетиленовой горелки (газовая заварка) или с помощью специальных сварочных аппаратов и электродов (электросварка). Дефектное место отливки предварительно разделывают - придают сечению завариваемого места V-образную форму. Значительно шире используют дуговую, аргонодуговую и газовую сварку с подогревом. Во избежание появления больших термических напряжений, отливки перед сваркой нагревают, чтобы исключить окисление, применяют специальные флюсы или защитные газы. После исправления дефектов отливки вновь подвергают контролю. Перед сдачей на склад чугунные отливки грунтуют или окрашивают; отливки из магниевых сплавов проходят специальную химическую обработку для получения защитной оксидной пленки.
Несмотря на некоторые недостатки, этот способ, несомненно, хорош и используется многими производствами в качестве основного, также экономит время и затраченный материал. Процесс центробежного литья можно полностью автоматизировать, при этом уменьшаются потери от брака, потребность в высококвалифицированных кадровых ресурсах, металло- и энергоемкость, время на производство фланцев, трубопроводов и прочих машиностроительных деталей.
Литература
1. Разумов В. Н. Технология литейного производства: Учеб. пособие. Иваново, 1974. 171 с.
2. Титов Н. Д. Технология литейного производства. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1978. 388 с.
3. Специальные способы литья: справочник / под ред. В. А. Ефимова. - М.: Машиностроение, 1991.
4. Литейное пр-во: Учебник для металлургических специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. / А. М. Михайлов, Б. В. Бауман, Б. Н. Благов. 1987. - 256 с.
5. Гини Э. Ч. Технология литейного пр-ва: Спец. Виды литья: Учебник для студ. высш. учебных заведений. / Э. Ч. Гини, А. М. Зарубин, В. А. Рыбкин. Под ред. В. А. Рыбкина. - М.: 2005. - 352 с.
