5 основных типов дефектов песчаного литья и стратегии их предотвращения

Введение

Представляем 5 основных типов дефектов песчаного литья, часто встречающихся в металлообработке. Для каждого дефекта указаны причины и способы профилактики для повышения качества заготовок.

Песчаное литьё — популярный процесс в литейных цехах: создание формовочной полости в песке, заливка расплава, разрушение флакона для извлечения заготовки.

Этот традиционный и любимый метод выгоден возможностью литья крупных партий, высокой детализации и низкой стоимостью форм.

Как и любые процессы литья (идеального метода не существует даже среди инновационных), песчаное литьё имеет недостатки.

Многоэтапный сложный процесс порождает дефекты, снижающие качество продукции.

Ключ к профилактике и минимизации дефектов, а также к установлению допусков — понимание причин нерегулярностей и поиск решений для их предотвращения.

Разбираем 5 основных групп самых распространённых дефектов песчаного литья в металлообработке с причинами и рекомендациями по устранению для повышения качества и поставки лучших заказчикам заготовок.

Дефекты усадки (Casting Shrinkage Defects)

Металлические сплавы усаживаются при затвердевании в формовочной полости. Это нормальное явление: расплав менее плотен твёрдого металла.

В литейном цехе усадку необходимо точно учитывать при проектировании модели и формы.

Дефект усадки — один из самых серьезных дефектов песчаного литья, снижающих качество. Возникает при неравномерном усаживании, образуя усадочные полости в заготовке. Два типа: открытые и закрытые дефекты усадки.

Открытые дефекты усадки видны на поверхности заготовки невооружённым глазом, закрытые (усадочная пористость) — внутри заготовки.

Открытые дефекты усадки

Образуются при неравномерном усаживании, втягивающем воздух в форму. Два вида: усадочная трубка (pipe) и впалые поверхности (caved surface) на литьевой поверхности, видимые глазом.

Снижают эстетику поверхности, вызывают трещины, ослабляют прочность заготовки.

Закрытые дефекты усадки

Также называются усадочной пористостью — полости (дырки) внутри заготовки, образующиеся там, где участок расплава горячее остального. Проявляются как микропористость или макropористость, ослабляют заготовку и ухудшают коррозионную стойкость.

Макропористость — большая полость с шершавой губчатой поверхностью. Микропористость — giống засечки или линии. Макропористость видна глазом, микро — только под микроскопом.

Причины дефектов усадки в песчаном литье

Основная причина — неравномерное или неконтролируемое затвердевание расплава.

Источником служат некорректные литейная система и технологические нарушения:

1. Неисправная литейная система и райзеры (фидеры)
2. Слишком высокая температура заливки
3. Смещение стенок формы под давлением металла
4. Неправильная установка хиллов (чиллов)
5. Резкие переходы толщины стенок

Методы борьбы с дефектами усадки

Явление усадки неизбежно, но можно снизить дефекты геометрическими и технологическими мерами.

Факторы для вмешательства:

• Проектирование правильной литейной системы для непрерывного потока расплава

Литейная система должна обеспечивать: (1) контроль скорости течения — без ударов, вихрей, брызг, плавно и равномерно; (2) быстрое заполнение полости без потери текучести; (3) контроль температуры в полости для стабильного охлаждения.

• Проектирование правильной системы райзеров (фидеров) для компенсации усадочного сжатия и минимизации усадочных полостей

Райзер — полость-наполнитель для подачи расплава в формовочную полость при усадке застывания.

Два критерия проектирования райзера:

(1) должен содержать достаточно расплава для компенсации усадочного сжатия.

(2) размещается в зоне последнего затвердевания заготовки, затвердевает позже заготовки и дольше остаётся жидким.

Формула объёма райзера:

V_f ≈ αV_c

Где: V_f — объём райзера; α — коэффициент усадки; V_c — объём полости.

• Ограничение общего дефицита объёма за счёт снижения температуры заливки
• Внутренние хиллы, охлаждающие ребра или катушки для усиления локального теплоотвода

Хилл, ребра или катушка ускоряют затвердевание в проблемных зонах формы. Устанавливают там, где тепло накапливается: втулки, толстые секции.

Газовая пористость (Gas Porosity)

Газовая пористость — частый дефект песчаного литья. Пузырки газа внутри заготовки после охлаждения. Три типа: пористость (pinholes), дуты (blowholes), открытые дыры (open holes).

Причина: в жидком металле растворено газа (азот, кислород, водород), в твёрдом — нет. При охлаждении газ выходит в пузырки, снижая прочность, вязкость, эстетику.

Поры на поверхности или внутри. Размер: 0,01–0,05 мм для маловесных заготовок, до 0,04 мм диаметром для крупных.

Пористость (Pinholes)

Микропузырки, в основном в верхней части заготовки. Размер ~2 мм, видны глазом без приборов.

Дуты (Blowholes)

Крупные полости, чем пористость, обычно внутри заготовки. Невидимы глазом.

Обнаружение: рентген, гармонический, ультразвуковой, магнитный контроль. Также выявляются при механической обработке.

Открытые дыры (Open holes)

Похожи на дуты по размеру, но на поверхности заготовки, видимые глазом.

Причины газовой пористости в песчаном литье

Гиперсорбция газа — из-за излишней влажности и плохой вентиляции формы. Конкретные причины:

• Избыточная влажность формовочной смеси
• Влажные литейные ковши (ладочки)
• Недостаточная газоотдача песка
• Слишком высокая температура расплава
• Ржавчина и влага на хиллах
• Недостаточная прокалировка сердечников
• Недостаточное количество вентиляционных каналов в песчаной форме
• Переуплотнение песчаной формы
• Турбулентность металла при заливке

Методы борьбы с газовой пористостью

Правильные практики литейного цеха минимизируют газовую пористость и гарантируют качество. Следующие меры уменьшают газообразование и полостообразование:

• Контроль влажности песчаной формы, обеспечение сухости и газопроницаемости формовочного песка

Слишком мелкий песок снижает газопроницаемость. Рекомендуется более крупнозернистый песок. Не переуплотнять форму. Создавать больше вентиляционных каналов стержнями. Форма должна сушиться по стандартной технологии.

• Формы и сердечники должны сушиться и храниться в стандартных условиях
• Обеспечение достаточного количества вентиляционных каналов в форме и сердечниках для выхода газов
• Использование чистых, сухих хиллов без ржавчины
• Правильные процессы плавки и заливки

Для минимизации пористости рекомендуется плавка в вакууме или в атмосфере низкорастворимых газов/под флюсом, предотвращающем контакт расплава с воздухом. Заливка при более низкой температуре ускоряет затвердевание и снижает газо 흡수.

Турбулентность при заливке вносит газы — требуется правильное проектирование литейной системы для предотвращения турбулентности.

Дефекты заливки (Pouring Metal Defects)

Образуются при неправильной заливке расплава в формовочную полость. Четыре типа: холодной свар (cold shut), незалив (misrun), шлаковые вкрапления (slag inclusion).

Холодная свар (Cold shut)

Линии или трещины в средней части литьевой поверхности с грубым краем — зона слабости. Видны глазом, заготовки с холодной сварой обычно бракуются.

Ослабляют прочность, могут привести к разрушению заготовки.

Причина: расплав заливается из двух точек, но два потока не срастаются должным образом.

Причины холодной сварки

• Недостаточная текучесть расплава
• Неправильное проектирование литейной системы

Профилактика холодной сварки

Главная причина — низкая текучесть. Решения для повышения текучести:

• Правильное проектирование литейной системы
• Предотвращение преждевременного затвердевания за счёт повышения температуры заливки
• Использование более крупнозернистого песка для повышения газопроницаемости формы

Незалив (Misrun)

Формовочная полость не заполнена полностью расплавом — незаполненные участки или недостающие части.

Причина: расплав застывает до полного заполнения полости.

Причины незалива

Аналогичны холодной сварке — недостаточная текучесть расплава.

Профилактика незалива

• Проверка проектирования литейной системы
• Проверка проектирования формовочной смеси
• Проверка температуры заливки

Шлаковые вкрапления (Slag Inclusion)

Тёмно-серые кластеры или единичные вкрапления на поверхности или внутри заготовки.

Обнаруживаются при пескоструйке и механической обработке.

Причины шлаковых вкраплений

• Загрязнения в сырье и загрузке (оксиды, нитриды, карбиды, сульфиды)
• Неправильная литейная система втягивает шлак в полость при заливке
• Эрозия печи, литейной чаши
• Загрязнения из формовочного песка
• Шлак не удалён после отстойки, чрезмерное перемешивание расплава при высокой температуре → реоксидация

Профилактика шлаковых вкраплений

• Контроль сырья и загрузки

Рекомендуется анализ состава на спектрометре (SpetroMax). Очистка и удаление примесей из загрузочного материала, правильное хранение.

• Квалификация процесса плавки для получения чистого расплава

Для предотвращения оксидного пленочного образования — плавка в вакууме, под флюсом, в инертной атмосфере. При обычной печи — строгий контроль загрузки, добавок, температуры. Удаление всего шлака в печи при плавке.

• Оптимизация литейной системы

Фильтрующие слои, скиминг, шлакоуловители в конструкции литейной системы для минимизации попадания шлака в полость.

• Правильная техника заливки

Литейная чаша с шлакоудерживающим устройством. Заливать медленно, непрерывно, равномерно — поток не должен прерываться. Не использовать малый ковш для большой полости.

Дефекты формовочного материала (Mold Material Defects)

Песчаное литьё использует естественно связывающийся песок, что порождает дефекты, связанные с материалом и конструкцией формы.

Различают множество дефектов, здесь — основные, часто встречающиеся в производстве.

Смещения и вымывы (Cuts and washes)

Частые дефекты: расплав эродирует песчаную форму, создавая лишний металл на заготовке. Проявляются как низкие набухания вдоль поверхности, наклоненные к зоне большего литейного давления.

Причины смещений и вымывов

• Слишком высокая скорость расплава при заливке
• Неправильное проектирование литейной системы
• Низкая прочность песчаной формы и сердечников
• Недостаток связующего в облицовке и сердечниках

Профилактика

• Правильное проектирование литейной системы
• Повышение прочности песка и сердечников через корректировку смеси (зерновой состав, глина, влага) и контроль технологии формовки
• Добавка связующего в облицовку и сердечники

Металлопроникновение (Metal penetration)

Дефект: металл проникает в межзёрновые промежутки песка → шершавая, неровная литьевая поверхность. Виден глазом, снижает эстетику.

Причины металлопроникновения

• Слишком крупнозернистый песок

Крупнозернистый песок (крупная фракция) вызывает металлопроникновение сильнее мелкого.

• Песчаная форма недостаточно уплотнена (мягкая)
• Низкая прочность формы и сердечников
• Отсутствие облицовки (mold wash)

Профилактика

• Использование мелкозернистого песка
• Повышение прочности формы и сердечников
• Достаточное уплотнение песка
• Нанесение облицовки (mold wash) для защитного слоя против металлопроникновения

Синтез (Fusion)

Дефект: зёрна песка сплавляются с металлическим потоком → тонкая корка стекловидного хрупкого вида на заготовке.

Причины синтеза

• Низкая огнеупорность формовочного песка

Огнеупорность — способность формы выдерживать температуру расплава, предотвращая сплавление.

• Высокая температура заливки
• Неправильное проектирование литейной системы

Профилактика

• Правильное проектирование литейной системы
• Снижение температуры заливки
• Повышение огнеупорности песка добавкой кварцевого песка

Прорыв (Runout)

Дефект: расплав вытекает из формы → полость не заполнена полностью, образуются неполные/недостающие части.

Причины прорыва

• Низкая точность проектирования формы
• Неподходящий флакон (короб для песчаной формы)

Профилактика

• Точное проектирование песчаной формы. Отбраковка неквалифицированных форм до заливки
• Выбор термостойких материалов для формы для предотвращения износа и разрушения

Набухания (Swells)

Заготовка больше расчётного объёма → лишняя механическая обработка и потери металла.

Причины набуханий

• Низкая прочность песчаной формы
• Плохое уплотнение песка

Профилактика

• Жёсткое уплотнение песчаной формы
• Повышение прочности песка для выдержки давления расплава

Металлургические дефекты (Metallurgical Defects)

Связаны с проблемами в литейном металле. Два основных дефекта: горячие трещины (hot tears) и горячие точки (hot spots).

Горячие трещины / трещины (Hot tears / cracks)

Неровные трещины в заготовке. Некоторые видны глазом, некоторые — под увеличением.

Причина: металл слаб в горячем состоянии, остаточные напряжения (растяжение) при затвердевании вызывают трещины, если застывший металл не выдерживает их.

Причины горячих трещин

• Неправильный дизайн формы
• Недостаточная коллапсибельность (способность к усадке) песчаной формы
• Слишком жёсткое уплотнение песка

Профилактика

• Правильный дизайн формы для повышения коллапсибельности
• Мягкое уплотнение песчаной формы

Горячие точки / твёрдые точки (Hot spots / Hard spots)

Участок заготовки остывает быстрее окружающих → более твёрдые зоны.

Причины горячих точек

• Неправильная практика охлаждения

Профилактика

• Обеспечение правильного режима охлаждения
• Корректировка химического состава металла

Как наш литейный цех работает с дефектами песчаного литья?

Как отмечалось, идеального литья не существует. Песчаное литьё выделяется способностью к крупногабаритным, детализированным заготовкам при низкой стоимости форм. Но необходимо учитывать возможные дефекты для установления допусков и ожиданий заказчика.

В литейном цехе VIC мы открыто обсуждаем с заказчиками возможные дефекты в процессе. Всегда стремимся минимизировать дефекты и поставлять лучшее качество.

Наш подход варьируется по типам дефектов, но девиз — профилактика лучше лечения. Поэтому применяем строгий входной и операционный контроль на всех этапах: входное сырье, плавка, литейная система, охлаждение, механическая обработка.

В VIC оснащены спектрометрами SpetroMax для анализа состава входного материала. Перед каждой плавкой сырьё тщательно контролируется по качеству — ограничиваем металлургические дефекты в зачаточном состоянии.

Одновременно постоянно контролируем литейную систему и процесс заливки на соответствие требованиям каждой заготовки. Все механические процессы под надзором технологов.

После охлаждения все грубые заготовки проходят сортировку на годные и негодные. Негодные — на механическую обработку. Невосстанавливаемые — в брак.

Так мы гарантируем: любая заготовка от VIC — высокого качества.

Читайте также:

Как изготавливаются гири песчаным литьём?

—

Источники

Sadaf Vazehrad (2011). Shrinkage Porosity Characterization in Compacted Cast Iron Components. https://cdn.intechopen.com/pdfs/73849.pdf

Nawaz Mahomed. Shrinkage Porosity in Steel Sand Castings: Formation, Classification and Inspection. https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:643746/FULLTEXT01.pdf