Ликвация представляет собой процесс, в результате которого образуется усадочная раковина, обычно в зоне выхода магмы на поверхность. Этот процесс происходит, когда расплавленная порода охлаждается и затвердевает, образуя характерную структуру, напоминающую раковину, которая может впоследствии стать коллекцией минералов.
Таким образом, усадочная раковина, возникающая при ликвации, имеет важное значение для изучения геологических процессов и может содержать ценные полезные ископаемые, что делает её исследование актуальным для геологов и минералогов.
Брак литья
Браком в отливке называется дефект, недопустимый техническими условиями и неисправимый при дальнейшей обработке. Такая отливка является непригодной для эксплуатации.
Дефекты в отливке контролируются ГОСТом, который классифицирует 22 вида:
- заливы;
- коробление;
- корольки;
- наросты;
- недолив;
- отбел;
- пригар;
- раковины газовые и шлаковые;
- рыхлоты или пористость;
- спаи;
- трещины горячие и холодные, ужимины;
- несоответствие металла по химическому составу, микроструктуре и физико-механическим свойствам;
- несоответствие веса отливок стандартам;
- механические повреждения.
К браку приводит ошибки при конструировании и проектировании изготовления отливки, не соблюдение технологии.
Основные виды брака и меры их устроения:
Коробление — влияние усадочных напряжений, при которых изменяются размеры и контуры отливок.
Причины весьма разнообразны: разностенность отливки, приводящая к появлению внутренних напряжений, не правильный подвод металла, неравномерность охлаждения, недостаточная податливость форм, стрежней, неправильно подобранная температура металла и состав.
Песчаные раковины — полости, заполненные формовочным материалов, раковины могут быть закрытые или открытые. Причины: разрушение форм при сборке, недостаточная прочность формовочных и стрежневых смесей, неисправные модели, неправильное крепление выступающий частей, слабая набивка формы, несоответствие знаков стержней и формы, неправильный подвод литниковой системы, обвал формы, нетехнологичность конструкции, отсутствие и недостаточность литейный уклонов.
Усадочные раковины — шероховатые полости в отливке закрытого и открытого типа.
Рыхлоты и пористость — крупнозернистое и неплотное строение сплава с наличием межкристаллических пустот большей или меньшей величины. Причины: нетехнологичная конструкция, недостаточное питание жидким металлом, вследствие неправильной установки прибыли и холодильников, сильно высокая температура заливки металла.
Шлаковые раковины — полости внутри отливки, заполненные шлаком. Причины: загрязненная шихта и флюсы, низкая температура металла, неправильная литниковая система, нераскисленный металл, нерациональная конструкция ковша и т. д.
Трещины — сквозные разрывы и надрывы в стенках отливка. Трещины могут быть холодными и горячими. Горячие трещины появляются при высоких температурах, их поверхность всегда окислена, поверхность холодных трещин — гладкая, покрыта небольшим цветовом побежалости. Обнаруживаются трещины магнитной дефектоскопией, гидропробой или постукиванием.
Недолив и спай — недостаточное заполнение формы жидким металлом. Спай — сквозные или поверхностные с закругленными краями потоки преждевременно застывшего металла.
Причины: недостаточное количество металла, низкая температура металла при заливке, низкая жидкотекучесть, уход метала из формы, плохая вентиляция форм и стрежней, недостаточное сечение ЛПС, нетехнологичная конструкция отливки.
Дефекты поверхности — червеобразные или осповидные углубления, пятна и оловянносвинцовистые выделения наблюдаются в отливках из медесодержащих сплавов.
Причины: перегрев жидкого металла, медленное заполнение полости формы, что способствует появлению окиси на поверхности.
Осповидные углубления образуются из-за употребления при плавке чрезмерно большого количества жидкоплавких флюсов, которые попадают из ковша в форму.
Оловянистые выделения образуются вытеснением легкоплавких составляющих из основного раствора в периферийную часть отливки. Черные пятна разных размеров появляются на отливках в том случае, когда в стержневую смесь добавлено излишнее количество муки и патоки.
Ликвация — неоднократность химического состава по сечению отливки, чаще встречается в алюминиевых, сплавах АлЗ, Ал5, в стальном литье и других из-за высокой температуры заливки, недостаточного перемешивания жидкого металла перед разливкой, избытка присадок, усиливающих склонность к ней.
Усадочные раковины в стальных слитках и заготовках
В современных цехах технология разливки стали в уширенные книзу изложницы с теплоизолирующими вкладышами обеспечивает ряд технологических и экономических преимуществ. Вместе с тем особенности затвердевания спокойной стали в таких изложницах приводят к появлению в структуре слитков вторичных усадочных раковин и рыхлости. Исследования, выполненные различными авторами, показали, что для ряда углеродистых и низколегированных сталей наличие вторичных усадочных дефектов не сопровождается ощутимым ухудшением качественных показателей готового проката. Однако, что касается металла широкого сортамента,, то наличие этих дефектов потребовало углубленного изучения их влияния на качество металла и исследования механизма формирований вторичной усадочной раковины и факторов, оказывающих влияние на ее размеры и расположение.
Формирование вторичной усадочной раковины и рыхлости
На расположение усадочных дефектов стального слитка существенное влияние оказывает направленность затвердевания. Теплоотвод должен быть организован таким образом, чтобы металл затвердевал последовательно от донной к прибыльной части слитка. При этом должны сохраняться условия для беспрепятственного питания всех затвердевающих участков слитка.
Критерием направленного затвердевания служит соотношение скоростей вертикальной и горизонтальной кристаллизации слитка. Если смыкание фронтов кристаллизации в горизонтальном направлении в верхней части изложницы происходит раньше, чем на нижних горизонтах слитка, то создается область, трудно доступная для питания жидким металлом. После окончательного затвердевания слитка здесь образуется вторичная усадочная раковина, отделенная от первичной так называемым "мостом" металла.
Такая схема затвердевания характерна для слитков спокойной стали с обратной конусностью, в том числе отлитых в уширенные книзу изложницы с теплоизоляционными вкладышами. Многочисленные исследования продольных осевых темплетов от таких слитков свидетельствуют о том, что во всех случаях ( с различным утеттлениеж зеркала металла ) образуется открытая усадочная раковина. Форма раковины и ее глубина зависят от способа утепления зеркала ме т алла и состава теплоизоляционных вкладышей. Под усадочной раковиной наблюдается зона, обогащенная примесями, и внеосевая неоднородность. Ниже, в осевой части слитка располагаются вторичные усадочные дефекты, отделенные от первичной усадочной раковины плотным "мостом".
В качестве примера рассмотрим структуру уширенного книзу слитка массой 8,9 τ из стали СтЗсп. В слитке толщина моста плотного металла в подприбыльной части составила 200—250 мм, ниже которого по оси слитка на расстоянии 400 мм ( от 25 до 40 % от верха слитка > располагался металл с усадочной рыхлостью.
На горизонтах от 40 до 53 % имелись вторичные усадочные пустоты, размеры которых ( после травления темплета в горячей соляной кислоте ) составили до 30 мм длиной и 6—12 мм шириной. Для детального исследования структуры из дефектных зон вырезали планки. Металлографические исследования показали, что внутренние полости этих дефектов не окислены и не загрязнены неметаллическими включениями. На серных отпечатках в районе вторичных дефектов обнаружена ликвация серы и фосфора, но она находилась в тех же пределах, что и в районе зональной λ -образной сегрегации в обычном слитке.
На планках из опытного слитка изучали ликвацию элементов непосредственно из мест с вторичными усадочными дефектами путем отбора стружки сверлом диаметром 10 мм. Результаты исследования показали, что максимальная степень ликвации по углероду ( 42 % ) и сере ( 50 % ) обнаруживается вблизи от усадочной пористости и пустот. На горизонтах 25—40 % от верха слитка ( район расположения усадочной рыхлости ) степень ликвации несколько выше, чем на горизонтах 37— 55 %, где расположены вторичные усадочные пустоты.
Таким образом, наличие в слитке вторичных усадочных дефектов, а также расположенных в этой зоне участков с повышенной степенью ликвации может оказать отрицательное влияние на качество готового проката.
Факторы, влияющие на вторичную усадку
Факторы, влияющие на размеры и расположение вторичной усадочной раковины и рыхлости, изучали путем модельных исследований и на продольных разрезах промышленных слитков. Представляло интерес оценить влияние утепления прибыльной части слитка на вторичные усадочные дефекты.
Отличительной особенностью формирования опытных слитков А и Б является отсутствие затвердевания металла в прибыли в течение первых 10 мин ( момент введения, первой порции изотопа ), в то время как при контакте с шамотной футеровкой (слиток В ) за это время кристаллизуется слой металла толщиной 25 мм. В дальнейшем скорость затвердевания металла в контакте с теплоизоляционными вкладышами ( слиток А ) заметно ниже, чем в контакте с утеплителем из быстротвердеющей смеси ( слиток Б ) и шамотной футеровкой ( слиток А).
Результаты сопоставления значений коэффициентов затвердевания металла в подприбыльной части слитков показывают, что на верхних горизонтах слитка А скорость затвердевания меньше на 17—30 %, а слитка Б — всего на 3—10 % по сравнению со сравниваемым слитком В. Эти соотношения свидетельствуют, что на формирование структуры, верхних горизонтов слитков оказывает влияние тепло, подводимое из прибыли. На среднем горизонте слитков коэффициенты затвердевания практически одинаковы, следовательно, здесь влияние подвода тепла из прибыли при улучшении ее теплоизоляции практически не проявляется.
Литейные дефекты в отливках
Когда металлическая отливка обладает хотя бы одним дефектом, описанным в ГОСТ 19200-73 или ГОСТ 19200-80, в большинстве случаев ее признают бракованной. Насчитывают десятки причин появления дефектов. В числе типичных низкое качество исходного сырья, плохая подготовка шихты для получения расплавленного металла, непродуманная конструкция детали или литниковой системы, нарушенная технология литья и другое. О том, почему литые детали становятся бракованными, как классифицируют дефекты и как предотвращают некоторые из них — рассказываем в статье.
Дефекты в литье: причины и методы устранения
ГОСТ 19200-73 описывает четыре базовых типа дефектов в отливках:
- неровная поверхность — например, несоответствие габаритов и массы детали заданным в чертеже характеристикам;
- внутренние дефекты, из-за которых изделие получается не сплошным — например, трещины и “раковины”;
- нарушение химического состава и структурные отклонения;
- проблемы с механическими свойствами.
В ГОСТ 19200-80 несоответствие по геометрии и поверхностные дефекты вынесены в отдельные категории.
В зависимости от конфигурации отливок, технологии литья и особенностей промышленного оборудования для изготовления деталей дефекты могут сочетаться в одном изделии произвольным образом, что усложняет установление механизма появления каждого из них. Наличие единственного отклонения от параметров чертежа и ГОСТ уже является основанием для выбраковки запчасти.
Классификация литейных дефектов
Далее рассмотрим каждую из пяти групп дефектов с описанием причин возникновения. Всего в ГОСТ 19200-73 и 19200-80 описано 50 различных отклонений.
Первая категория дефектов – отклонения по геометрии
Недолив появляется в ситуации, когда форма для изготовления детали заполняется расплавом только частично. Причиной недоливов считают плохую текучесть (жидкотекучесть) материала вследствие его низкой температуры. Чаще всего недоливы обнаруживают в труднодоступных участках литейной формы, когда изготавливают детали с тонкими стенками и сложной геометрией.
Жидкотекучестью называют способность раскаленного металла проникать во все полости формы для литья при нахождении в подвижном состоянии и на этапе кристаллизации. Эта характеристика связана как с физическими, так и с химическими свойствами материала и конфигурацией формы. Существуют металлы, от жидкотекучести которых зависит возможность или невозможность изготовления конкретной детали.
Неслитина представляет собой отверстие или щель в изделии, появившуюся из-за несоединения потоков расплава с низкой жидкотекучестью.
Обжим — искажение формы детали, вызванное механической деформацией литейной формы до или после ее заполнения расплавом.
Подутость — местное увеличение толщины детали, которое появляется при слабом уплотнении литьевой формы из песка.
Перекос — нарушение взаимного расположение частей изделия, которое становится заметным после очистки изделия. Металлические детали получаются перекошенными, когда мастера устанавливают модельную и опочную оснастку неточно, плохо закрепляют ее штырями и втулками перед заливкой металла.
Перекашивает как поверхность деталей, так и их внутреннюю структуру. Деталь выбраковывают, если большой перекос не удается сточить механическим способом, или если его размеры превышают заданные.
Стержневой перекос выглядит как сдвиг отверстия, полости или части детали, получаемой с использованием стержня. Когда такой стержень смещается, образуется перекос.
Разностенность — появление чрезмерно толстых или истонченных стенок у детали из-за того, что стержень сместился или всплыл.
Стержневой залив — заполнение расплавом отверстия, которое должно было сформироваться вокруг не вставленного или разрушившегося стержня.
Коробление — нарушение формы изделия из-за появления внутренних напряжений в процессе остывания расплава.
Незалив — несовпадение формы детали с заданной в чертеже, образовавшееся по причине износа литьевой формы или ее плохой отделки.
Зарез — изменение контура изделия при снятии литников и механической постобработке.
Вылом — изменение формы и размера детали при отчленении литников и прибылей, механической обработке и перевозке.
Прорыв — неполное формирование или искажение контуров изделия при заливке расплава в непрочную литейную форму.
Уход металла — появление пустой полости внутри отливки при вытекании расплава из плохо закрепленной формы. Снаружи такая полость не видна, поскольку скрывается за тонкой коркой затвердевшего материала.
Вторая категория дефектов – дефекты поверхности
Пригар — плохо поддающийся очищению слой материала на поверхности детали, появившийся при соприкосновении материала формы с металлическим расплавом и его окислами.
Спай — углубление со скругленными краями, появившееся при неполном слиянии потоков расплава вследствие его недостаточного нагрева или неравномерной заливки в форму. Спай обычно находят на труднодоступных участках детали, до которых расплав “добирается” окисленным и недостаточно горячим. То есть, обладающим малой жидкотекучестью. Профилактика образования спая — качественный разогрев металла перед заполнением формы.
Одна из причин появления данного дефекта — особенности конструкции литниковой системы. Она должна быть такой, чтобы форма быстро заполнялась расплавом — в том числе, зоны формирования тонких стенок будущего изделия. Если размеры спая позволяют обточить его механическим способом, изделие не выбраковывают.
Ужимина — углубление с покатыми кромками, заполненное материалом литейной формы и покрывшееся металлом из-за отслойки материала формы в процессе заливки.
Нарост — выступ с любыми очертаниями, появившийся из перемешанного с формовочным материалом расплава. Формовочный материал загрязняет расплав при разрушении литейной формы.
Залив — заметный визуально результат затекания расплава в щели по краям литейной формы, стержней или стержневых знаков. Выглядит как прилив или выступ, мешает чистить детали, иногда приводит к их выбраковке. Когда мастера пытаются отбить залив, изделие трескается.
Крупные заливы появляются при искажении конфигурации литейной формы на этапе ее производства. Другие причины — неплотно или неравномерно спрессованная формовочная смесь в опоке, тряска форм в процессе их перемещения.
Засор — участок, где формовочный материал застрял в потоках расплава на поверхности детали.
Плена — тугоплавкое покрытие поверхности детали металлом или оксидом вследствие слишком быстрой/неравномерной заливки расплава в литейную форму. Плена появляется из-за окисления химических включений в составе стали, легко вступающих в реакцию с кислородом.
Просечки — это прожилки на наружной поверхности изделия, появившиеся после затекания расплава в трещины на литейной форме или стержне. Так происходит, например, при расширении формовочной смеси. Просечки обнаруживаются после извлечения отливок из оснастки и их осмотра.
Окисление (окалина) — образование визуально заметного оксидного слоя на изделии в процессе отжига заготовок из белого чугуна с целью повышения ковкости. В печи для отжига металл окисляется, и оксид сходит слоями. Если слои отходят с трудом, изделие помещают в дробеметный агрегат. В отсутствие эффекта от такой обработки деталь признают бракованной.
Поверхностное повреждение — неровные участки поверхности, появившиеся при извлечении детали из формы методом горячей выбивки, ее очистке и перевозке.
Складки — небольшие возвышения и впадины с гладкой поверхностью, образующиеся при недостаточной жидкотекучести расплава. Складки типичны для литых чугунных деталей.
Шероховатая поверхность — это мелкие неровности на детали, характеристики которых превышают указанные в ГОСТ. Бывают сплошными и мозаичными. Шероховатости образуются на изделии, отлитом с использованием формовочного материала крупной фракции или недостаточно уплотненного материала.
Газовая шероховатость — мелкие сферические впадины на детали, которые появляются при росте газовых раковин.
Третья категория дефектов – внутренние несплошности
Горячие трещины — неровные надорванные участки металлического изделия, покрытые оксидом. Раскаленный металл обычно трескается во время набора твердости.
Холодные трещины — надрывы поверхности литого изделия, возникшие из-за внутренних напряжений или ударов по детали. В отличие от горячих, холодные трещины — светлые и не покрытые оксидом.
Межкристаллические трещины — разрывы по границам аустенитных зерен на поверхности литых металлических изделий, появившиеся в процессе остывания материала в форме. Трещины между кристаллами объяснимы термическими напряжениями внутри заготовок и выделением неметаллических включений по границам аустенитных зерен.
Межкристаллические трещины бывают наружными и внутренними (для них характерен яркий блеск на более темном фоне металла).
Газовые раковины — полости в детали, сформировавшиеся при выделении внутренних или внешних газов. Внутренние раковины появляются под воздействием газов, выделяемых при снижении температуры раскаленного металла. Внешние раковины образуются при выделении газов из формы для литья и при выделении воздуха, захваченного расплавом.
Ситовидные раковины — тонкие и длинные полости, параллельные поверхности детали. Ситовидные полости появляются из-за высокого содержания водорода в отвердевающем металле.
Усадочные раковины — закрытые, частично или полностью открытые полости с неровной поверхностью. Бывают покрыты оксидом. Усадочные раковины появляются в процессе остывания расплава в форме и объясняются усадкой материала. Они типичны для большинства чистых металлов и сплавов, потому что кристаллические включения усаживаются по объему сильнее, чем металл.
Внешние раковины становятся видны после удаления окалины с деталей, внутренние дают о себе знать при механической постобработке изделий, при их обследовании ультразвуком или дефектоскопом, в процессе использования отливок по назначению.
На ощупь газовые раковины гладкие, усадочные — шероховатые, при прикосновении в них чувствуются острые аустенитные включения.
Шлаковая раковина — полость, в которой находится шлак. Шлак формируется в ходе плавки чугуна и стали, когда оксиды металлов взаимодействуют со шлакообразующими веществами. Обычно шлаковые раковины появляются в верхней части литой детали или на ее поверхности. Когда шлак вычищают из полости, ее поверхность остается гладкой или слегка шероховатой. Отличительная особенность — неровные края.
Вот вероятные причины появления шлаковых включений:
- В литейном ковше оказалось слишко много шлаков из печи.
- В ковше сформировались вторичные шлаки.
- Расплавленный металл разрушил кладку плавильной печи, желоб или защитный состав, которым покрыт ковш.
- Шлаки оказались в литьевой форме, пока ее заполняли расплавом.
- Нарушена технология литья металла.
Залитый шлак — скопление шлака в форме.
Графитовая пористость — сосредоточенные или паукообразные графитовые включения в форме пластин, которые делают материал менее плотным. Последнее выявляется на этапе гидравлических испытаний литых изделий.
Графитовые пластины выделяются в сером чугуне в том случае, если грубые графитовые включения изначально имелись в чушках. Для предотвращения графитовой пористости технологи учитывают и химический состав чушкового металла, и его структуру до отправки в печь.
Усадочная пористость — небольшие поры, появившиеся во время усадки отвердевающего чугуна, стали или сплава. Изделие может стать пористым, если в ходе производства для нее не было организовано достаточное питание.
Наименьшая объемная и линейная усадка (и склонность к образованию мелких пор) характерны для серого чугуна. Малой линейной усадкой также обладают сплавы алюминия, белый и высокопрочный чугун.
Для предотвращения усадочной пористости к затвердевающей отливке стараются дополнительно подводить жидкий металл. При таком подходе кристаллизующийся слой все время соприкасается с более горячим и не приобретает пористую структуру.
Газовая пористость — мини-раковины, которые появляются в затвердевающей металлической детали вследствие выделения газов, содержавшихся в расплаве.
Рыхлота — кластеры из мини-раковин, образовавшихся при усадке. Дефект находят при постобработке и дефектоскопии металлических изделий. По мере остывания расплавленный металл теряет объем, и в нем появляются усадочные раковины и мелкие поры.
Непровар жеребеек — несплошность соединения металлического изделия с жеребейками. Проблемы с соединением возникают, когда жеребейки грязные и/или расплав слишком холодный. Если жеребейки не расплавились, их слишком много и они крупные, в изделии появятся включения. В понятие “включения” в данном случае входят и внутренние стальные холодильники, размещаемые в литейных формах и не образующие связи с чугунной деталью.
Вскипы — кластеры из раковин и наростов, появившихся в процессе парообразования из-за чрезмерно высокой влажности литейной формы. Другая причина формирования вскипов — попадание газов из стержней внутрь формы.
Утяжина — выемка с округлыми кромками на поверхности литого изделия, появившаяся во время усадки набирающего прочность сплава.
Четвертая категория дефектов – включения
Посторонние включения, относимые к дефектам, бывают металлическими и неметаллическими.
Металлические включения — инородные включения с ярким металлическим блеском. Они обладают иной структурой по сравнению с материалом детали и плавятся при более высокой температуре. Металлические включения формируются при частичном расплавлении ферросплавов в основном металле, несвоевременно попавших в него из ковша или литейной формы. Они заметны невооруженным глазом при постобработке готовых деталей. Чаще всего к основному металлу подмешивается хром или молибден.
Неметаллические включения — твердые примеси, оказавшиеся в расплаве механическим путем или образовавшиеся в нем в результате химической реакции между основными компонентами.
Неметаллические включения — твердая частица, которая оказалась в расплаве извне или образовалась вследствие протекания химической реакции.
В большинстве случаев неметаллические включения переходят в структуру литых деталей на этапе плавления из примесей в шихте или оказываются в расплаве во время разливки по формам. Такие включения присутствуют в любом сорте стали, но с точки зрения прочности готовой детали имеет значение их расположение. Для чугуна типичны графитовые включения.
Королек — этот дефект выглядит как круглый кусочек металла с гладкой блестящей поверхностью, который затвердел отдельно и не сплавился с материалом изделия. Корольки представляют собой брызги от струи расплава, появляющиеся при нарушении технологии заполнения литейной формы. Чаще всего их находят в чугунных изделиях. Корольки могут находиться на поверхности и внутри закрытой полости.
При неправильном заполнении формы некоторые капли из струи расплава отлетают и оказываются в отдаленных участках этой формы. Там корольки застывают, покрываются оксидом и не сплавляются с основной массой, потому что оксиды на их поверхности плавятся при большей температуре, чем металл.
Пятая категория дефектов – структурные несоответствия
Основные типы дефектов структуры — это отбел, половинчатость, ликвация и флокен.
Отбел — участки повышенной твердости в литых изделиях из серого чугуна. Механическая обработка отбелов (фрезерование, строгание и другое) затруднена, поскольку они состоят не из металла, а из частиц цемента.
Данный дефект получил свое название за характерный светлый оттенок, который ярко выделяется на фоне более темной поверхности серого чугуна.
Типичные места, где появляется отбел — участки изделий с небольшой толщиной и зоны вокруг кромок с острыми углами. Одна из причин образования дефекта — низкая доля углерода и кремния в чушковом металле. Еще одна возможноя причина — высокая доля веществ, выделяющих карбид.
Профилактика появления отбела в уязвимых участках изделий — модификация серого чугуна в ковше. С этой целью в состав сплава вводят ферросилиций, силикатный кальций, чистый графит. После добавления этих компонентов сплав нагревают до температуры ~1400*С.
Половинчатость (отсер) — участки со структурой серого чугуна в деталях из белого чугуна. Дефект возникает из-за местного выделения первичного графита в ходе остывания литых изделий. Графит выделяется в чугуне с большой массовой долей углерода и кремния.
Ликвация — это избирательная местная кристаллизация некоторых химических веществ в литом металлическом изделии в процессе его остывания.
Флокен — разорванный участок изделия из стали, образовавшийся под воздействием водорода в ее составе. Поверхность флокена гладкая и матовая, слегка выделяется на сером чугуне.