Образование усадочных раковин и усадочной пористости в отливках связано с несколькими факторами, основным из которых является изменение объема металла при его охлаждении и затвердевании. Когда металл конденсируется из жидкого состояния в твердое, его объем уменьшается, что может привести к образованию пустот и усадочных раковин, особенно в областях, удаленных от системы заливки.
Кроме того, недостаточная подача металла в процессе охлаждения или неровности температуры также способствуют образованию пор и раковин. Эти дефекты могут ухудшить механические свойства отливки и снизить ее эксплуатационные характеристики, что делает контроль за этими процессами критически важным при производстве.
Основные дефекты отливок и способы их предотвращения
Дефекты отливок по месту расположения подразделяют на наружные и внутренние. Наружные находятся на поверхности отливки, внутренние – в теле отливки. Все дефекты отливок могут быть как наружными, так и внутренними.
Недоливы и спаи
Недолив (рисунок 3.22,а) — неполное образование отливки вследствие незаполнения полости литейной формы расплавленным металлом
Спаи (рисунок 3.22,б) — это сквозные или поверхностные углубления и щели с закругленными краями.
Недоливы и спаи образуются в связи с низкой температурой заливки расплавленного металла, недостаточной его жидкотекучести, малым сечением элементов литниковой системы, медленным заполнением литейной формы или перерывами в заливке металла.
1- недолива; 2- поверхностные спаи; 3- сквозной спай
Рисунок 3.22 — Недоливы и спаи в отливке
Усадочная раковина
Усадочная раковина – это дефект в виде крупной открытой или скрытой полости, расположенной в части отливки, которая затвердевала последней.
Образование усадочной раковины. После попадания расплава 1 в полость литейной формы (рисунок 3.23, а) он начинает отдавать тепло еѐ стенкам, в результате чего в зоне контакта образуется затвердевшая корка 2 (рисунок 3.23, б), которая содержит внутри себя оставшуюся часть расплава 1. В результате затвердевания и охлаждения происходит объѐмная усадка корки 2, вызывающая уменьшение толщины еѐ стенок и дна и, соответственно, увеличение объѐма внутренней полости, приводящего к понижению уровня заключѐнной в ней оставшейся части расплава 1 (рисунок 3.23, б). После этого застывает промежуточный слой 3 (рисунок 3.23, в), приводя к новому понижению уровня оставшейся части расплава. Поскольку процессы затвердевания, усадки и понижения уровня расплава идут непрерывно, то в момент окончательного застывания сердцевины 4 (рисунок 3.23, г) формируется характерная вогнутая поверхность усадочной раковины 5.
2 – затвердевшая корка;
3 – затвердевший промежуточный слой;
4 – затвердевшая сердцевина;
5 – усадочная раковина
Рисунок 3.23 — Усадочная раковина в отливке
Усадочная пористость
Усадочная пористость – наличие межкристаллических пустот в частях отливки, затвердевающих последними.
Срастание кристаллов 3 приводит к образованию ячеек, заключающих в себе остатки жидкой фазы 2. Затвердевание жидкости в ячейках происходит без доступа к ней расплава 1. В результате усадки при кристаллизации остатков жидкой фазы 2 образуется межзеренные микроусадочные раковины, располагающиеся по границам зерен.
1 — расплав; 2 — ячейки с жидкой фазой; 3 — кристаллы твердой фазы. Рисунок 3.24 – Усадочная пористость в отливке |
Усадочные раковины и пористость нарушают сплошность отливки и снижают еѐ прочность.
Причина образования усадочной раковины и усадочной пористости:
— недостаточная подпитка твердеющего металлов жидким металлом.
— неравномерное распределение температуры по объему отливки и, следовательно, неравномерная усадка различных частей отливки при охлаждении.
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.