Усадочные раковины в отливках могут образовываться из-за недостатка металла во время затвердевания, что приводит к образованию пустот в тех местах, где происходит усадка материала. Это часто связано с неравномерным охлаждением или недостаточным заполнением формы расплавленным металлом.
Кроме того, низкая температура отливки или длинные пути потока металла могут ухудшить заполнение формы, что также способствует возникновению усадочных раковин. Другими факторами могут быть неправильный выбор технологии литья или некачественно подготовленная форма, что негативно влияет на процесс затвердевания материала.
Дефекты литья. Усадочные раковины
Усадочные раковины – дефект однородности пластмассовой детали, изготовленной литьем под давлением на термопластавтомате. Проявляется в виде внутренних пустот (пузырей) круглой или близкой к овальной форме. Если деталь выполнена из прозрачного материала, дефект легко обнаруживается визуальным осмотром. Чтобы определить наличие раковин в непрозрачной отливке, необходимо воспользоваться соответствующими техническими средствами обнаружения внутренних пустот. Например, приборами ультразвуковой дефектоскопии.
Как правило, дефект возникает в тех областях отливки, где наиболее толстая стенка.
Наличие дефекта, а особенно множественные раковины, несомненно влияют на структурную целостность готовой пластмассовой детали, снижают ее надежность и ограничивают функциональные возможности. А при использовании прозрачных полимеров к тому же ухудшают визуальное восприятие.
Альтернативное название: вакуоли, усадочные или вакуумные полости, вакуоли в основании литника
Международное название: void, void in gate
Характерные признаки и физические причины
Характерными местами образования вакуумных пустот в пластмассовой отливке, помимо областей с толстой стенкой, в первую очередь считаются основания преформ (РЕТ).
Причиной образования пустот внутри отлитой формы является не воздух или газ, скопившийся в литьевой форме, а только структурные изменения полимерного материала под температурным воздействием – усадка материала при охлаждении.
Процесс появления пустот выглядит следующим образом. Охлаждение расплава полимера во всем объеме литьевой формы происходит неравномерно. Наиболее активно охлаждается, а следовательно, затвердевает материал, распложенный ближе к поверхности толстостенной отливки. Возникает ситуация, когда материал во внутреннем объеме продолжает находиться в расплавленном состоянии, а поверхностные слои твердеют и набирают достаточную прочность, чтобы противостоять усадочным явлениям. По мере остывания внутренних объемов отливки структура полимера изменяется и в этих местах возникают вакуумные пустоты.
В изделиях с тонкой стенкой описанные процессы становятся причиной другого дефекта – утяжины. В них затвердевший поверхностный слой не успевает набрать прочность, достаточную, чтобы противостоять усадочным явлениям и, в результате, прогибается.
Образование пузыря (усадочной раковины) на оправе для защитных очков.
(архив фотографий Сервисной службы EASTPLAST)
Особенности материалов и/или технологических процессов, ставшие причиной появления усадочных раковин
Методы их устранения
Недостаточное давление во время стадии «выдержка под давлением»
Малое время выдержки стадии «выдержка под давлением»
Недостаточная температура стенок литьевой формы
Избыточная температура расплава
- материального цилиндра,
- горячих каналов
Запорная игла горячего канала (РЕТ) поздно закрывается
Сократить временную задержку срабатывания клапанов запорной иглы
Конструктивные особенности литьевой формы, ставшие причиной дефекта
Рекомендуемые мероприятия
Конструктив формы не позволяет увеличить время и давление стадии «выдержка под давлением»
- литниковой системы,
- впускного литника,
- центрального литника,
- отверстия сопла
Впрыск происходит в область малой толщины стенки
Отливка характеризуется разнотолщинностью
Внести изменения в конструкцию изделия
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.
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.