Усадочные раковины формируются в отливках вследствие неравномерного охлаждения и сжатия металлa при затвердевании. Когда жидкий металл остывает, он сокращается в объеме, и если процесс затвердевания проходит неравномерно, в потенциально слабых местах могут возникать пустоты, которые и проявляются в виде раковин.
Дополнительно, неправильный выбор температуры заливки, оказание давления на металлы или недостаточная подача материала в области, где образуются усадочные раковины, также способствуют их образованию. Эти факторы ведут к тому, что металл не заполняет mold полностью, оставляя за собой полости, которые становятся видимыми при последующей обработке отливки.
Дефекты отливок в литейном производстве
Среди основной массы доброкачественных отливок оказывается некоторое их количество с дефектами, образующимися из-за нарушения технологической дисциплины. Согласно ГОСТ 19200—80, различают дефекты отливок по несоответствию геометрии (недолив, перекос, разностенность, коробление и др.) или несплошности металла отливок (горячие трещины, холодные трещины, газовая пористость, усадочная раковина, усадочная пористость, песчаные раковины и др.), по несоответствию металла отливок требуемой структуре (отбел, ликвация и др.) и наличию включений (металлических, неметаллических и др.).
Дефекты делят на две группы — неисправимые и исправимые. Неисправимые дефекты (обычно крупные) исправить невозможно или невыгодно, поэтому отливку с такими дефектами считают негодной для использования (бракованной) и направляют на переплавку. Исправимые (обычно мелкие) дефекты устраняют с целью сделать отливку пригодной для дальнейшей обработки и использования. Как показал опыт работы многих литейных цехов, производящих фасонные отливки в разовых песчано-глинистых формах, наиболее распространенными дефектами отливок являются раковины и трещины (рис. 12.4).
Рис. 12.4. Основные виды дефектов отливок: а — закрытые газовые раковины, б — раковины, образованные песчано-глинистой смесью, в — усадочные раковины, г — холодные трещины, д — горячие трещины
Основные виды дефектов отливок:
Газовые раковины
Газовые раковины (рис. 12.4, а) — пузыри воздуха или газов, которые остались в теле отливки после ее формирования в литейной форме. Они имеют чистую, гладкую поверхность и округлую форму, могут быть открытыми и закрытыми (внутренними), одиночными и в виде мелких пор. Газовые раковины образуются из-за недостаточной газопроницаемости и повышенной влажности формовочных смесей, чрезмерно плотной набивки смеси в форме, низкой температуры заливаемого в форму расплава, из-за использования ржавых жеребеек, а также неправильного выбора конструкции литниковой системы.
Песчаные раковины
Песчаные раковины (рис. 12.4,6) — чаще всего открытые, различной формы пустоты в теле отливки, частично или целиком заполненные формовочной смесью. Они образуются из-за разрушения или обвала отдельных частей формы при заливке в нее расплава, что является следствием неравномерной набивки смеси или недостаточного упрочнения выступающих частей формы, а также неправильного выбора конструкции литниковой системы.
Усадочные раковины
Усадочные раковины (рис. 12.4,в) — открытые или закрытые полости в теле отливки, имеющие неровную внутреннюю поверхность. Они обычно образуются во время формирования отливки в утолщенных ее местах и являются следствием нетехнологичности конструкции детали, в которой допущено сочетание массивных мест с тонкими стенками или имеются очень массивные узлы. Усадочные раковины могут также образовываться при неправильном подводе расплава в полость формы, вследствие недостаточного размера прибыли (см. рис. 12.4, в), из-за слишком высокой температуры расплава при заливке и по другим причинам.
Усадочные трещины
Усадочные трещины (рис. 12.4,г) — разрывы тела отливки, характеризующиеся небольшой шириной и значительной длиной, образующиеся в местах сочленения стенок с резким перепадом их толщин. Холодные трещины образуются в процессе формирования отливок в форме вследствие внутренних напряжений в металле; имеют светлую (неокисленную) поверхность. Основной причиной образования холодных трещин является неодинаковая скорость охлаждения толстых и тонких мест отливок, приводящая к резким перепадам температур и образованию внутренних напряжений в отливке.
Горячие трещины
Горячие трещины (рис. 12.4, д) — разрывы тела отливки со значительной шириной и небольшой протяженностью. Они образуются в процессе формирования отливки в форме при высоких температурах, а потому имеют темную окисленную поверхность. Причинами образования горячих трещин могут быть плохо выполненное раскисление расплава, недостаточная податливость стержней и выступающих частей формы во время формирования в ней отливки, а также ранняя выбивка отливок из формы.
Причины образования усадочных раковин открытых во время формирования отливки
Текст работы размещён без изображений и формул. Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Каждое предприятие литейного производства время от времени пересекаются с вопросами газовых образований (появления газовых раковин).
Работа по предотвращению брака отливок заключается в выявлении брака, анализе характера обнаруженных дефектов, определении причин их возникновения, назначении и выполнении процедур по предупреждению дефектов.
Литературный обзор.
Определение дефекта металла
Дефектом называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией (ГОСТ-17102).
В прикладном, техническом понимании следует считать такие отклонения от нормального, предусмотренного стандартами качества, которые ухудшают рабочие характеристики металла или изделия и приводят к снижению сортности или отбраковке изделий. Однако не всякий изъян металла является дефектом изделия. Отклонения от нормального качества металла, которые не существенны для работы данного изделия, не должны считаться для него дефектами. Отклонения от нормального качества, являющиеся дефектами для изделий, работающих в одних условиях (например, при усталостном нагружении), могут не иметь значения при других условиях работы (например, при статическом нагружении).
Виды дефектов.
Дефекты подразделяют на явные, скрытые, критические, значительные и малозначительные, исправимые и неисправимые. Явные поверхностные дефекты выявляют глазом, а внутренние скрытые и поверхностные, неразличимые глазом, – специальными средствами. Критическим называют дефект, при наличии которого использование продукции по назначению невозможно или исключается из-за несоответствия безопасности или надежности. Значительный – дефект, который существенно влияет на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность, но не является критическим. Малозначительный – дефект, который не оказывает влияния на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность.
По происхождению дефекты изделий подразделяют: на производственно-технические, металлургические, возникающие при отливке и прокатке; технологические, возникающие при изготовлении и ремонте деталей (сварке, наплавке, механической и термической обработках, калибровке и др.); эксплуатационные, возникающие после некоторой наработки изделия в результате усталости металла деталей, коррозии, охрупчивания под действием радиации, изнашивания и т.д., а также неправильного технологического обслуживания в эксплуатации
Усадочные раковины – открытые или закрытые сравнительно большие полости произвольной формы с грубой шероховатой, иногда окисленной, поверхностью, находящиеся в теле отливки. Образуются вследствие неравномерной усадки металла при затвердевании в верхней части слитка или в утолщенных частях отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь. Усадочные раковины находятся между сердцевиной и коркой отливки.
Рыхлота – местное скопление мелких усадочных раковин при крупнозернистой структуре металла. Часто встречается рыхлота, расположенная над усадочной раковиной.
Пористость – местное скопление мелких газовых или усадочных раковин. Газовая пористость обычно наблюдается в большом объеме отливки или отдельных ее участках.
Ликвационные зоны – неравномерность химического состава металла в теле отливки. Газовая ликвация – характерный дефект слитка кипящей стали, представляющий собой участки структурной и химической неоднородности в виде стреловидной ликвации – каналов в зоне наружной корочки и сегрегационных пятен у внутренних концов сотовых пузырей. Участки газовой ликвации в пузырях загрязнены неметаллическими включениями (сульфидами и оксисульфидами).
Газовые пузыри или раковины в литом металле представляют собой полости (округлые, овальные или продолговатые) с чистой и гладкой, иногда окисленной поверхностью. По расположению в слитках пузыри могут быть внутренние и подкорковые.
Внутренние пузыри расположены произвольно по объему слитков, в спокойной стали преимущественно в верхней части слитков, а в кипящей в средней по высоте и сечению зоне. Подкорковые пузыри расположены у поверхности слитков и представляют собой тонкие извилистые каналы, часто выходящие на поверхность. Горячая деформация приводит к завариванию пузырей в том случае, если стенки их не содержат стойких оксидов или силикатов, а содержат только оксиды железа и марганца. На поперечных макрошлифах спокойной стали незаварившиеся пузыри имеют вид тонких полосок. Песчаная раковина – полость в теле отливки, частично или полностью заполненная формовочным материалом.
Шлаковая раковина – полость, заполненная шлаком.
Вскип, вскиповая раковина – оксидные складки или раковины, образующиеся при кипении сплава. Различают скипы со стороны формы, стержня и от холодильника.
Металлические включения – инородные металлические тела в основном металле отливки. Такими телами могут быть нерасплавленный легирующий компонент, модификатор, внутренний холодильник и т.д.
Неметаллические включения бывают двоякого рода и происхождения:
1) включения неметаллических частиц, попавших в металл извне (частицы шлака, огнеупора, графита, песка и т.д.) могут образовать шлаковые и песчаные включения, которые чаще всего расположены в верхних частях отливки или на их поверхности;
2) включения частиц окислов, сульфидов, силикатов, нитридов, образующихся внутри металла вследствие химического взаимодействия компонентов при расплавлении и заливке сплава. Они располагаются в виде цепочек или сетки, часто по границам зерен. По форме бывают округлые или удлиненные. Последние могут сильно снижать пластичность металла.
Газовая пористость.
Газовые раковины представляют собой полости в теле отливки, образованные выделившимися из металла или внедрившимися в металл газами. Поверхность таких раковин гладкая. Газовые раковины могут быть одиночными и групповыми.
Газовая пористость определяется следующим образом (на примере алюминиевых литейных сплавов):
балл 1 — мелкая пористость;
балл 2 — пониженная пористость;
балл 3 — средняя пористость;
балл 4 — повышенная пористость;
балл 5 — высокая пористость.
Пользоваться эталонами степени пористости можно независимо от марки сплава.
Условия определения газовой пористости:
При определении пористости в алюминиевых литейных сплавах усадочная рыхлость или центральная пористость исключается.
Для определения газовой пористости темплеты (плоская масштабная модель), вырезанные из чушек, отливки или образцы, вырезанные из отливок, обрабатывают до шероховатости Ra не более 1,6 мкм.
Для определения газовой пористости макрошлиф травят, не выявляя макроструктуры, затем промывают проточной водой и просушивают фильтровальной бумагой.
Газовая пористость темплетов чушек определяется на трех квадратах площадью 1 см 2 каждый. Количество пор и размер пор определяют как среднее арифметическое трех измерений.
Балл пористости, определенный по трем квадратам на двух макрошлифах темплетов чушек, распространяют на всю плавку.
Контроль пористости проводят визуально, невооруженным глазом. Для определения диаметра пор можно пользоваться оптическими приборами с увеличением до 10 раз.
Причины образования газовых раковин:
Дефект образуется в результате механического проникновения газов в жидкий расплав с поверхности раздела металл — форма, если газы выделяются из форм и стержней. Это явление часто сопровождается видимым эффектом кипения расплава или выбросом его из формы и поэтому получило название вскип. На границе раздела металл — форма газы практически присутствуют всегда, однако внедриться в металл они могут только при условии, если избыточное газовое давление в форме или стержне будет превышать сопротивление со стороны металла, зависящее от высоты столба металла над соответствующей точкой формы или стержня и от удельного веса жидкого сплава.
Образуется газовый пузырь из-за потока газов, выходящего из поры в формовочном материале; образующегося около устья поры газовый пузырь растет до тех пор, пока силы поверхностного натяжения металла, стремящиеся округлить пузырь до шара, и подъемная сила металла не оторвут его от поверхности формы. На месте отрыва пузыря растет новый.
Газы могут механически захватываться металлом в элементах литниковой системы и непосредственно в полости литейной формы при заливке. Захваченные таким образом пузыри газа могут остаться в отливке и образовать газовые раковины.
Струя металла, вытекающая из ковша, увлекает воздух в литниковую воронку или чашу, откуда пузыри воздуха могут вместе с металлом попасть в стояк и далее — в полость литейной формы. Количество воздуха, увлекаемого струей металла, возрастаем с .увеличением высоты ее падения. Распыленная, неправильной формы струя металла увлекает больше воздуха, чем струя правильной формы — круглая. Количество воздуха, попадающего в стояк, зависит также от конструкции и объема литниковой чаши.
Причиной образования раковин могут быть газы, выделяющиеся из предметов, устанавливаемых в форму: холодильников, жеребеек, шпилек, солдатиков, асбестовых прокладок и т. п. Если поверхность этих предметов покрыта ржавчиной или сконденсированной влагой, то при контакте с металлом происходит газообразование, приводящее к возникновению в отливках местных наружных или внутренних газовых раковин. Аналогичным образом образуются газовые раковины от прокладочной глины.
Раковины часто возникают от газов, содержащихся в жидком металле. В жидком металле всегда присутствуют газы (азот, водород, кислород): а) б) в)
Скачкообразное падение растворимости газа в металле в период затвердевания приводит к образованию газовых раковин. Такое понижение растворимости приводит к тому, что из закристаллизовавшейся твердой фазы газы переходят в расплав, который непрерывно ими обогащается (степень обогащения незакристаллизовавшегося расплава газом зависит от скорости распространения газа в металле и скорости кристаллизации).
Способы решения проблемы.
Способы предотвращения газовых раковин. Для предупреждения газовых раковин, образующихся при механическом проникновении газов в металл (вскипе), следует:
Уменьшать газотворность смесей – для этого необходимо:
Цель работы заключается в снижении вероятности образования газовых раковин в отливках за счёт привнесения в расплав транспортного инертного газа. При этом уже образовавшиеся газовые пузырьки объединяются и выходят на поверхность расплава.
Экспериментальная часть.
На сегодняшний день на базе ФГУП «ПО «Маяк» реализован проект по станкостроению. На базе предприятия организована крупно узловая сборка промышленных станков, в том числе станков с числовым-программным управлением (ЧПУ). Станина станка – основная корпусная несущая составляющая. На станине монтируются узлы и механизмы технологических машин.
Качество работы станка целиком зависит от прочности, жесткости и износостойкости литой станины, так как на нее действуют усилия при работе механизмов. Станина обеспечивает точное взаимное расположение всех основных узлов станка. Станины для станков закупаются в Китае и через Балтийскую компанию (г. Санкт-Петербург), и только потом станины поставляются непосредственно на ФГУП ПО МАЯК.
В рамках исследования к сотрудничеству по получению образцов отливок было задействовано «Кыштымское машиностроительное объединение» входящее в крупнейший металлургический холдинг РМК (Российская медная компания). Основным видом деятельности предприятия является литейное производство, где качество выпускаемой продукции очень высоко. Брак продукции составляет от 7-15% от всей выпускаемой продукции.
Каждое предприятие литейного производства время от времени пересекаются с вопросами газовых образований (появления газовых раковин).
Работа по предотвращению брака отливок заключается в выявлении брака, анализе характера обнаруженных дефектов, определении причин их возникновения, назначении и выполнении процедур по предупреждению дефектов.
Задачи исследования по предупреждению появления газовых раковин:
уменьшение газотворности за счёт оптимизации состава формовочных и стержневых смесей;
увеличение скорости отвода образующихся в результате химических реакций или привнесённых газов из форм за счёт уменьшения длины пути фильтрации газов;
удаление из отливки внедрившихся газовых пузырей до момента ее полного затвердевания;
привнесение в расплав транспортного инертного газа;
контроль концентрации раскислителя.
Первые два метода описаны в учебниках и справочниках по металлургии, и эффект по их применению в исследовании оказался минимальным.
Контроль концентрации раскислителя позволяет существенно снизить количество окисленных форм железа и других металлов, что благотворно влияет на протекание химических реакций с образованием газов раскислителя. Однако здесь субъективным критерием является сам исходный металл и количество примесей в его составе.
Эффективным способом устранения газовых дефектов, после неоднократных исследований в стале-литейном цеху «Кыштымского машиностроительного объединения» стал метод привнесение в расплав транспортного инертного газа.
За счёт введения в расплав металла инертного транспортного газа возможно существенно повысить вынос газовых пузырей за пределы ковша. В качестве направляющего тракта применяли специально изготовленные для этих целей на предприятии «Бакор» керамические трубки, способные выдержать высокие температуры.
Инертный газ является уникальным газом, который не вступает в реакции с другими присутствующими веществами, находясь в ковше в момент заливки расплавленного метала он вызывает процесс барботажа (объединение более мелких частиц СО в более крупный), являясь при этом надежным проводником сопутствующих газов на границу раздела фаз «Металл – Воздух».
Таблица 1 — Химический анализ исходного металла, % (Атомно-эмиссионный спектрометр «Spectromaxx»)
О производстве литья
Усадочная раковина и меры борьбы с ней
Усадочная раковина, такой раковиной называют пустоты в отливках, образующиеся в результате изменения объема металла в жидком состоянии и при затвердевании.
Усадочная раковина может быть концентрированной, расположенная в виде пустот или рассеянные по всему сечению отливки в виде мелких и мельчайших пор, неразличимых невооруженным глазом (усадочная пористость).
Так как усадочные раковины образуются в отливке в период охлаждения сплава от температуры tж до температуры tс, то главное внимание при борьбе с усадочными раковинами обращается на объемную усадку ɛж и ɛvз, т.е. в период охлаждения металла от температуры перегрева до температуры ликвидуса и от температуры ликвидус до температуры солидус.
Характер усадочных явлений, происходящих в отливке, в большой степени зависит от температурного интервала, в котором происходит затвердевание отливки.
Сплавы с большим температурным интервалом затвердевания дают обычно рассеянную усадочную пористость. Объясняется это тем, что кристаллизация этих сплавов может идти не сплошным фронтом, а во всем объеме металла, в результате чего пропитывание образующихся пор жидким металлом становится затруднительным. Устанавливать прибыли для таких сплавов бесполезно – они не могут питать отливку.
Для получения плотных отливок из таких сплавов необходимо быстро охлаждать отливки, чтобы затвердевание шло сплошным фронтом, по принципу направленного затвердевания, или применять кристаллизацию под внешним давлением в специальных автоклавах.
При применении этого метода в специальную камеру (автоклав) закатывают на тележке форму, закрывают дверку и через люк в литниковые чаши заливают металл, затем люк быстро закрывают, создают давление воздуха 6-7 атм и выдерживают форму в автоклавах до полного затвердевания отливки. Благодаря внешнему давлению жидкий металл проникает в усадочные микропоры, и отливка получается плотной.
При затвердевании чистых металлов и эвтектических сплавов кристаллизация отливок идет сплошным фронтом, поэтому затвердевающие слои все время питаются за счет жидкого металла, и усадочная раковина и и рыхлоты будут концентрироваться в наиболее массивных частях отливки. Избежать концентрированных раковин в отливках можно путем установки прибылей – резервуаров жидкого металла, из которых непрерывно компенсируется усадка затвердевающей отливки. Прибыли должны устанавливаться таких размеров и в таких местах отливки, чтобы они затвердевали в последнюю очередь.
В целях экономии жидкого металла вместо прямых открытых прибылей(рис 1 б), или со сверхатмосферным газовым давлением (рис 1 в), прибыли с регулируемым воздушным давлением ( рис 1 г).
Для облегчения удаления прибылей разработаны конструкции легкоудаляемых прибылей (рис 1 д), которые отделены от отливки диафрагмой 2 – пластинкой из огнеупорного материала. Такие прибыли легко отбиваются от отливки.
Формы прибыли должна быть такой, чтобы металл возможно дольше оставался в ней жидким. Так, например, если взять разные фигуры равного объема (1845см 3 ) и определить время их полного затвердевания, то получим следующие результаты: шар затвердевает в течение 7,2 мин, цилиндр 4,7 мин., параллепипед 36, мин., плитка с толщиной стенки 57 мм – 2,7 мин. , и плита с толщиной стенки 35,5 мм -1,5 мин. Таким образом, наивыгоднейшая форма прибыли – шар. Поэтому на практике широко применяются прибыли сферической формы.
Кроме установки прибылей, можно избежать концентрирования раковин путем регулирования скорости охлаждения отдельных узлов отливки. Для этой цели применяют металлические холодильники, формовочные смеси разной теплопроводности и теплоизоляционные краски.
В отдельных случаях для устранения усадочных раковин сочетают комбинированное применение прибылей 1, диафрагмы 2 и холодильников 3 (рис 1 г).
Перегрев металла выше линии ликвидуса увеличивает объемную усадку жидкого металла. Поэтому сплавы, склонные к образованию усадочных раковин, необходимо заливать при более низких температурах.
Скорость заливки форм также оказывает влияние на величину объемной усадки жидкого металла.
При медленной заливке создаются более благоприятные условия для питания отливки, так как сплав начинает кристаллизоваться в то время, когда еще продолжается заливка формы.
Необходимо также учитывать величину коэффициента усадки жидкого металла αvж; чем больше эта величина, тем больше будет уменьшаться объем жидкого металла.
Коэффициент объемной усадки жидкой углеродистой стали принимают равным от 0,4 · 10 -2 до 1,6 ·10 -20/0 на 1ᴼ. В среднем для жидкой углеродистой стали его принимают равным 1,0 ·10 -20/0 на 1ᴼ. При этом каждый градус повышает коэффициент αvж на 20%.
Влияние различных элементов на удельный объем стали при 1600ᴼ и при 20ᴼ показано на рис. 2.
Углерод и кремний сильно повышают удельный объем жидкой стали; марганец, хром, никель мало влияют на удельный объем стали.
Влияние углерода на величину объемной усадки в период затвердевания и на полную объемную усадку приведено в табл. 1.
Влияние химического состава чугуна на объем усадочных раковин в отливках при различной температуре заливки показано на рис. 3.
Для цветных алюминиевых сплавов построен ряд технологических диаграмм, которые дают представление о величине и характере усадочных раковин и усадочной пористости. На рис 4 показано, что чистые компоненты А и Б и эвтектические сплавы дают концентрированную усадочную раковину. Промежуточные сплавы с большим температурным интервалом затвердевания дают рассеянную пористость.
Чисто эвтектические сплавы применяются редко, так как такие сплавы во многих случаях обладают хрупкостью и не удовлетворяют предъявленным к ним требованиям по механическим свойствам.
При графитизации чугуна происходит увеличение объема, которое способствует уменьшению объема усадочных раковин в отливках.