Усадочная раковина и усадочная рыхлость в слитке образуются в результате неравномерного охлаждения металла во время solidification. Разные участки слитка могут остывать с различной скоростью, вызывая образование пустот и дефектов в результате усадки материала.
Кроме того, присутствие примесей и недостаток необходимых добавок могут усугубить эти дефекты, поскольку они могут влиять на текучесть и сходимость металла в процессе затвердевания. Таким образом, контроль за условиями литейного процесса и составом сплава является ключевым для предотвращения появления усадочной раковины и рыхлости.
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.
Дефекты слитков и способы их устранения
Пороки в слитках делятся на внешние и внутренние. Внутренние пороки опаснее, так как они не видны и могут быть не полностью устранены обработкой. Пороков можно избежать, строго выдерживая технологические режимы.
К внешним порокам слитка можно отнести:
- • продольные литейные трещины;
- • поперечные литейные трещины;
- • наружные термические трещины;
- • плены;
- • подкорковые пузырьки.
К внутренним порокам слитка можно отнести:
- • внутренние (межкристаллитные) трещины;
- • внутренние пузырьки;
- • флокены;
- • ликвацию;
- • неметаллические включения.
Ликвация — неоднородность химического состава сплава, возникающая при кристаллизации. Развитие ликвации может происходить как в микрообъемах сплава (внутри отдельных ден-дритов слитка) — такую ликвацию называют внутрикристалли-ческой или дендритной, так и по отдельным зонам (макрообъемам) — зональная ликвация. Разновидность зональной ликвации — ликвация по плотности (гравитационная ликвация).
Дендритную ликвацию устраняют гомогенизацией — высокотемпературным диффузионным отжигом, который выравнивает химический состав в пределах микрозерна. Гравитационную ликвацию подавляют перемешиванием расплава и его быстрым охлаждением, а также используя легирующие добавки, образующие с основой разветвленные кристаллы (дендриты), которые мешают перемещению в расплаве твердой фазы. Растворенные в расплаве газы (водород, азот и др.) при затвердевании и охлаждении отливки могут выделяться в виде химических соединений, а также образовывать газовые раковины и поры. Существенное уменьшение газонасыщенности сплавов достигается вакуумной плавкой.
Усадочные раковины образуются вследствие усадки металла при затвердевании, так как жидкая сталь имеет меньшую плотность, чем твердая. Усадка углеродистой стали составляет 3—3,5 % и увеличивается с ростом перегрева металла. В первые моменты застывания металла происходит усадка в наружном слое слитка. Поверхностный слой сжимается и отстает от стенок изложницы, в то время как в середине слитка находится еще жидкий металл. Толщина наружного твердого слоя постепенно увеличивается, и образуются полости в местах, где находятся последние порции жидкого металла.
Чтобы избежать образования усадочной раковины внутри слитка, используют изложницы, расширяющиеся кверху на 2—5 %. При разливке в изложницы с утепляющими надставками последним застывает металл в головной части слитка, где и образуется усадочная раковина. Применение утепляющей надставки обеспечивает вывод усадочной раковины в отрезаемую при прокатке или ковке прибыльную часть слитка, т. е. часть слитка, выходящую за пределы ее номинальных размеров.
Для уменьшения теплоотвода от верхней части слитка применяют:
- • экзотермические смеси;
- • долив горячего металла при понижении уровня металла вследствие усадки;
- • обогрев верхней части слитка газом или электрической дугой (электрошлаковая разливка);
- • засыпку теплоизолирующими смесями (древесным углем, асбестом, сажей, опилками).
Усадочная рыхлость может образоваться при затвердевании последних порций жидкого металла, которых может не хватить для заполнения всех пустот. Пористость может быть вызвана и скоплением газов, выделившихся из раствора при понижении температуры: повышенная в конце затвердевания слитка вязкость металла затрудняет их удаление в усадочную раковину.
Волосовина — дефект металлических изделии в виде тонких четко очерченных трещинок, которые в прокатанных и кованных изделиях располагаются по течению металла при деформации. Волосовина возникает при большой скорости разливки металла недостаточно высокой температуры. В результате газы не успевают выделяться, задерживаются вязким металлом и образуют поры в виде волосовин.
Продольные литейные трещины образуются на начальном этапе кристаллизации, располагаются по углам (чаще) или по граням слитка. Они возникают из-за расширения изложницы и неравномерности толщины образующейся корочки слитка.
Для предотвращения возникновения трещин применяют следующее:
Поперечные литейные трещины представляют собой глубокие поперечные разрывы. Они возникают при торможении усадки, так как происходит зависание слитка в изложнице во время его охлаждения. Зависание может возникнуть в результате трещин, щелей или выбоин в изложнице, прибыльной надставке или между ними при разливке сверху.
Наружные термические трещины (продольные и поперечные) имеют зигзагообразную форму. Они возникают при температуре 500—600 °С в результате термических напряжений при недостаточной пластичности металла. Для предотвращения их образования используют медленное охлаждение и прокатку горячих слитков.
Плены представляют собой выплески металла на стенки изложницы вследствие падения струи в изложницу не по центру или из-за кипения металла у стенок изложницы при чрезмерно быстрой разливке. Способы устранения: уменьшение скорости отливки; использование жесткой вертикальной струи металла.
Подкорковые пузырьки появляются из-за большого количества смазочного материала в изложнице или очень быстрой разливки, при которой смазочный материал догорает в металле. При прокатке подкорковые пузырьки образуют волосовины.
Внутренние (межкристаллитные) трещины образуются в результате внутренних напряжений в слитке, возникающих из-за различных скоростей охлаждения наружных и внутренних слоев.
Для предотвращения образования внутренних трещин рекомендуется:
Внутренние пузырьки образуются вследствие большого газо-содержания или недостаточного раскисления металла перед выпуском из печи, а также если желоб, ковш или поддон сырые. С уменьшением температуры растворимость газов в металле снижается, в результате образуются пузырьки, которые захватываются в процессе кристаллизации. Особенно вредны пузырьки газа, приводящие к окислению металла. При прокатке пузырьки могут образовать внутренние волосовины. Кроме того, внутренние пузырьки появляются вследствие скопления оксидных неметаллических включений.
Флокены (внутренние трещины) возникают в заготовке или поковке во время охлаждения стали, недостаточно освобожденной от водорода.
Неметаллические включения являются основной причиной возникновения описанных выше пороков. Включения на рабочей поверхности могут стать причиной коррозии, значительного изнашивания, появления надреза, где концентрируются напряжения, и трещин при термической обработке.
Литье с порами?
Недостаточная технологичность конструкции отливок. Специалист (технолог) проектирует отливку без учета экономичности ее изготовления и не вводит в конфигурацию отливки изменений, которые должны были бы упростить ее изготовление.
Причина дефекта №2
Неправильно выбранная литниковая система
Причина дефекта №3
Неподходящий материал для литья; плохие его литейные свойства
Причина дефекта №4
Несоблюдение некоторых основных условий технологичности при сушке, формовании, плавке, заливке, отделении отливок от литниковой систем и т.д.
Классификация брака при высокоточном художественном литье золота и серебра
Газовые раковины бывают открытые и закрытые.
Причиной появления раковин служит наличие газов и паров, источником которых является следующее:
1) Недостаточное прокаливание опок
2) Неправильное размещение моделей в опоке
3) Слишком газотворная наполнительная смесь (форммасса), содержащая материалы, выделяющие окись углерода для предохранения отливок от обезуглероживания. При большом количестве выделения этого газа могут появляться раковины. Газы из полости формы удаляются недостаточно быстро; они давят на поверхность металла в форме и препятствуют заполнению полости, так что отливки получаются с недоливом или газы поглощаются металлом и отливки получаются с газовыми раковинами.
4) Слишком острые внутренние грани у отливок, служащие причиной проникновения газов в усадочную раковину. Газы и пары проникают в отливку из формы. Эти газы всегда содержат в себе и свободный кислород, вследствие чего раковины приобретают характерную окисленную поверхность.
- Усадочные раковины при литье золота и серебра
Усадочные раковины — это полости, скрытые в отливках или выходящие наружу в тех местах, где позже всего затвердевает металл, т.е. в тепловом центре отливки.
Обычно такие раковины имеют рваную поверхность, на поверхности отливки они имеют форму впадины и, как правило, возникают в утолщенных местах отливок, питаемых через более тонкое сечение, под питателем.
Причины появления усадочных пор:
1) Неправильное положение и размеры питателя; полость под питателем может быть устранена, если увеличить его сечение или сократить длину питателя.
2) Неподходящая конфигурация отливки.
3) Применение выплавляемых моделей с вогнутыми стенками.
- Рыхлость и микропористость
Рыхлость возникает в местах скопления мелких, иногда микроскопических усадочных раковин, придающих металлу губчатое строение. Это очень часто встречающийся дефект точных отливок, вредный не только местным ослаблением сечения, но и тем, что образуется микропористость.
Вследствие этого при выборе отливок для точного литья принципиально отказываются от тех, которые нельзя надлежаще переконструировать или в которых в которых нельзя допустить даже малейших концентрированных или разбросанных раковин или микропористости.
Причины появления рыхлости и микропористости в литье золота и серебра:
1) Неравномерно распределены толщины стенок в узле, который нельзя снабдить прибылью.
2) Неправильно выбрана литниковая система . Если в опоке применены питатели длинной больше диаметра или наибольшего размера сечения, металл затвердевает в питателе раньше, чем в отливке. Отливка при усадке металла не получит дополнительного питания, затвердеет совершенно самостоятельно, и в результате в ней образуется сосредоточенная или рассеянная усадочная раковина, или рыхлость.
При питателях малого сечения в сравнении с объемом самой отливки, в которых металл быстро затвердевает, в отливках возникает, как правило, внутренняя сосредоточенная усадочная раковина. Питатели с большим сечением,при котором возможно частично питание отливки, приводят к образованию усадочной раковины ближе к краю, непосредственно под питателем.
3) Неправильно подведен металл в формую Если при заливке сверху, вопреки принципу направленного затвердевания, подвести питатель к наименьшему сечению, в отливках, возникает большая внутренняя сосредоточенная раковина в тепловом узле.
4) Неправильно назначены размеры прибыли, если при данной литниковой системе прибыль, как и в обычной технологии литья, служит для подачи в отливку дополнительного количества жидкого металла.
5) Неправильно выбран химический состав сплава, а именно с большой склонностью к образованию усадочной раковины.
6) Неправилен температурный режим или скорость плавки. Сильная дегазация ведет к большой усадочности.
7) Неправильно подобрана температура заливки: слишком высокая температура способствует образованию более широкой, а слишком низкая — более глубокой усадочной раковины.
8) Металл не долит до надлежащей высоты в прибыли из-за нехватки его в литейном ковше. В литниковых системах у модельных опок стояк, как правило, служит только для ввода металла в опоку.
Поэтому недолив приводит не к усадочным раковинам в отливках, а к недостаточному заполнению формы, в частности не получаются острые грани у отливок из-за пониженного гидростатического давления столба жидкого металла.
9) Открытые прибыли не засыпаны экзотермической или теплоизолирующей смесью, если литниковая система выполняет функцию дополнительного питания отливки.