ДЕФЕКТЫ ОТЛИВОК И ИХ ИСПРАВЛЕНИЕ
Всякое нарушение технологии — это причина появления дефектов в отливках. Брак отливок даже на передовых заводах составляет 2–5 %, а иногда достигает 10–20 % количества выпускаемых отливок. В результате народное хозяйство терпит огромные убытки. В литейных цехах предусматривают специальные площадки брака, куда ежедневно поступают отливки с дефектами. Эти отливки тщательно осматривают и при участии мастеров, технологов и виновников брака анализируют причины его появления; здесь же определяют меры предупреждения дефектов, проверяют выполнение ранее намеченных мероприятий. Во всех литейных цехах проводят технологические и организационные мероприятия по изучению причин появления основных видов дефектов и их устранению.
Классификация дефектов отливок
Наиболее часто встречающиеся дефекты отливок можно разделить на четыре группы:
1) внешние дефекты, обнаруживаемые непосредственно на поверхности отливки (несоответствие размеров и массы заданным, спай, заливы, перекос, недолив и т.д.);
2) объемные дефекты, расположенные внутри отливки и нарушающие ее сплошность (горячие и холодные трещины, газовые и усадочные раковины и т.д.);
3) несоответствие химического состава и структуры отливки;
4) неудовлетворительные механические свойства.
Внутренние дефекты
Горячие либо холодные трещины
Появлению горячих трещин способствует использование неверного типа присадочного прутка. Металлы детали и электрода должны быть совместимы.
Второй причиной может стать неправильно проведенная попытка заварить кратер. Если при исправлении этого недочета резко оборвать воздействие, шов может треснуть.
Холодные трещины появляются уже после остывания шва. Если он сделан некачественно, то при затвердевании его полотно может лопнуть. Либо если соединение подвергается механической нагрузке, превышающей уровень его сопротивления.
Этот тип изъянов может проявляться также на поверхности полотна, что частично относит его к внешним дефектам.
Поры
Пористость соединения встречается достаточно часто. Поры внутри тела шва могут образовываться при низкой защите рабочей зоны от кислородного воздействия, игнорировании или неправильном проведении этапа подготовки металла.
Если на кромках стыка осталась ржавчина, какие-либо включения, нарушающие равномерность шва. Подобно трещинам, поры могут быть внутренней или внешней проблемой.
Для избежания появления пористости шва, нужно убедиться, что подача защитного газа настроена правильно и оградить рабочую зону от внешних воздействий, способных нарушить защитный кокон (сквозняки, порывы ветра).
А также правильно провести подготовительный этап.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК
Внешний осмотр отливок проводят в два приема: предварительно до очистки и отжига, а затем после окончательной очистки.
Химический состав отливок определяют методами химического или спектрального анализа. Пробой на химический и спектральный анализ служит обычно прилитый к отливкам образец или образец для механических испытаний.
Геометрические размеры отливок контролируют с помощью шаблонов, специальных приспособлений и по разметке на плите. Отклонения размеров не должны превосходить допускаемых.
Механические свойства отливок из серого чугуна контролируют, определяя предел прочности при растяжении и твердость по Бринеллю. При контроле ковкого чугуна определяют предел прочности при растяжении, относительное удлинение, твердость по Бринеллю и в некоторых случаях ударную вязкость. Для отливок из стали по выточенным из заготовки образцам определяют предел прочности при растяжении, относительное удлинение, сужение и твердость. Отливки из цветных сплавов испытывают на растяжение, удлинение и твердость.
Структуру металла отливок устанавливают при рассмотрении излома образцов или специально приготовленных образцов-шлифов невооруженным глазом (макроскопический анализ) или металлографическим микроскопом при увеличении от 100 до 500 раз (микроскопический анализ).
Дефекты в отливках (трещины, раковины, рыхлоты) можно обнаружить магнитным способом, просвечиванием рентгеновскими и гамма-лучами и испытаниями на герметичность.
Магнитный способ испытания основан на том, что предварительно намагниченную испытуемую отливку помещают между полюсами электромагнита или в магнитном поле соленоида, по которому пропускают ток. Если такую катушку передвигать вдоль намагниченной отливки, то при встрече ее с каким-либо дефектом (трещиной, раковиной) изменяется направление магнитного по тока и в витках катушки возникает ЭДС индукции, измеряемая гальванометром.
При другом магнитном способе обнаружения дефектов намагниченную отливку покрывают сухим порошком (метод порошка) или смачивают жидкой магнитной эмульсией (метод эмульсии). Мелкие отливки иногда помещают в ванну с магнитной эмульсией. Нанесенный на поверхность отливки порошок собирается в месте расположения скрытого дефекта и таким образом выявляет его границы. Затем отливку размагничивают.
Контроль отливок рентгеновскими лучами проводят с помощью специальных рентгеновских установок (рис. 169). Рентгеновская трубка представляет собой стеклянный сосуд, в котором создано остаточное давление. К электродам 1 и 2 присоединяют источник высокого напряжения 110–220 кВА. Трансформатор накала разогревает катод. Под действием электрического поля электроны с катода устремляются к аноду и создают колебания электронов на внутренних электронных оболочках атомов металла анода. В результате этих колебаний возникают короткие электромагнитные волны, называемые рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи с анода направляются на отливку 4. Внутренние дефекты 5 (трещины, раковины, рыхлоты) уменьшают фактическую толщину тела отливки (Н>Н1 + к,), через которую проходят рентгеновские лучи, поэтому и поглощение их разными частями отливки различно. Там, где лучи проходят через раковину или трещину, поглощаемость их отливкой будет меньше, поэтому на фотопластинке 6 местонахождение раковины, рыхлоты или трещины выявятся пятном, повторяющим очертание этого дефекта.
Просвечивание гамма-лучами позволяет обнаруживать внутренние дефекты в толстостенных отливках. Гамма- лучи образуются при излучении радиоактивных изотопов. Для просвечивания отливок наиболее распространены установки с радиоактивным Со, который, однако, обеспечивает качественные снимки только при контроле отливок толщиной более 30 мм.
Контроль отливки на герметичность проводят гидравлическим или воздушным испытанием. При гидравлическом испытании отверстия полости отливки закрывают пробками. В качестве жидкости применяют воду. Давление при гидравлическом испытании назначают в зависимости от условий работы детали. Наружная поверхность отливки должна быть сухой, иначе обнаружить следы течи невозможно.
При воздушном испытании внутрь отливки подают воздух под давлением, а отливку помещают в воду. Иногда поверхность отливки покрывают мыльным раствором; в случае течи на поверхности отливок появляются пузыри, указывающие место течи.
Окисление и насыщение водородом
В результате непрерывного окисления алюминиевого расплава и насыщения его водородом в алюминиевой отливке возникают следующие дефекты, которые являются причинами брака готовых отливок:
- поры;
- насыщение воздухом;
- включения;
- нарушение герметичности;
- поверхностные дефекты;
- низкая прочность;
- низкая пластичность.
Для предотвращения или ослабления влияния окисления и насыщения водородом принимают следующие меры:
- обработку металла в печи и его дегазацию;
- жесткий контроль температур плавления и литья;
- фильтрование расплава.
При переходе алюминия из жидкого в твердое состояние растворенный в нем водород выделяется и во взаимодействии с оксидами создает проблемы с пористостью в готовых отливках.
Главной задачей при обеспечении высокого качества алюминиевого расплава является поддержание скорости окисления расплава в определенных рамках. Для этого предпринимаются следующие действия:
- высокое качество исходных чушек;
- современное литейное оборудование и технологии литья;
- контроль загрузки шихты (сухая шихта, быстрое расплавление);
- контроль температуры при плавлении и литье;
- очистка расплава и контроль качества расплава;
- меры безопасности при обработке и транспортировке расплава и его разливке.
ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И МЕРЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ДЕФЕКТОВ
Несоответствие размеров отливки чертежу может быть следствием неправильно назначенной усадки при изготовлении модельного комплекта, а также неточной сборки формы. Этот дефект может быть устранен доводкой модельного комплекта, повышением точности сборки формы.
Несоответствие массы отливки заданной чертежом возникает чаще всего по тем же причинам, что и несоответствие размеров. Кроме того, увеличение массы возможно вследствие деформации формы при заливке ее жидким металлом.
Спай и недолив (рис. 170) в отливках образуются от неслившихся потоков металла, потерявших жидкотекучесть до заполнения всей формы. Такие потоки получаются при заливке формы недостаточно перегретым металлом через питатели малого сечения, при чрезмерно влажной формовочной смеси (в тонкостенных отливках) или недостаточной газопроницаемости формовочной смеси.
Заливы на отливке возникают обычно по разъему формы вследствие изношенности опок, их коробления, а также из-за плохого крепления формы.
Перекос в отливках образуется при небрежной сборке формы в результате смещения полуформы или неправильной центровке опок, из-за износа втулок и штырей, несоответствия знаковых частей стержня на модели и в стержневом ящике. Отливка получается со смещенными частями.
Пригар — прочное соединение поверхности отливок с формовочной или стержневой смесью, образуется вследствие недостаточной огнеупорности формовочных материалов, их засоренности вредными примесями, плохого качества литейных красок, недостаточного уплотнения формы.
Ужимины — узкие и длинные вмятины в теле отливки, покрытые слоем металла, отделенного от тела отливки прослойкой формовочного материала. Они образуются обычно на плоских больших поверхностях отливок, особенно при сильном уплотнении сырых форм. Ужимины (рис. 171) появляются вследствие теплового воздействия жидкого металла на стенки формы, в результате чего поверхностные слои последней разогреваются и деформируются, образуя на отливке вмятину. Иногда деформации поверхностного слоя формы настолько велики, что поверхностная корочка ее отслаивается, образуется трещина, в которую попадает расплав.
Чтобы предотвратить образование ужимин, следует не переуплотнять форму, заливать ее металлом с заданной температурой, увеличивать скорость заливки металла, применять специальные проникающие покрытия, упрочняющие поверхность формы, исключающие по явление трещин в форме при прогреве металлом. Ужимины можно устранять нанесением рисок (в виде сетки пересекающихся линий) на поверхности формы ланцетом или выполнением специальных противоужимных ребер на модели. Риски уменьшают деформацию поверхности форм, препятствуют ее отслаиванию.
Горячие трещины возникают в отливках при высокой температуре заливаемого металла, повышенной усадке отливки, неправильной конструкции литниковой системы и прибылей, при плохой податливости стержня, формы, неправильной конструкции отливок, неравномерном охлаждении, вызывающем внутренние напряжения в отливке, а также при отклонениях химического состава металла от заданного. Горячие трещины имеют темную окисленную поверхность.
Холодные трещины могут быть следствием как неравномерной усадки отдельных частей отливки, так и просто механических повреждений при выбивке и очистке. Холодные трещины имеют светлую металлическую неокисленную поверхность. Для устранения холодных трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливки в тонких и утолщенных местах.
Газовые раковины — пустоты в теле отливки, имеющие чистую и гладкую поверхность. Они бывают открытые (наружные) или закрытые (внутренние) и возникают при чрезмерной газотворности и недостаточной газопроницаемости формовочной смеси, плохой вентиляции формы и стержня или неправильном ее устройстве, низкой температуре заливаемого металла, плохой просушенности формы и стержня, высоком содержании газов в металле, неправильном подводе металла и др. Устранение этих причин снижает возможность образования газовых раковин.
Обвал формы происходит в основном вследствие слабого уплотнения формы, недостаточной прочности формовочной смеси, а также неисправностей формовочного оборудования и сильных толчков и ударов по опоке во время сборки формы.
Песочные раковины возникают вследствие низкой прочности и влажности формовочной смеси, недостаточной поверхностной прочности стержня, слабого уплотнения и плохой продувки формы сжатым воздухом перед ее сборкой; кроме того, отдельные комочки и песчинки смываются струей металла во время заливки и заносятся в отливку. Этот брак можно устранить нормальным уплотнением формы, тщательной ее продувкой перед сборкой и тщательной отделкой литниковой воронки; не следует допускать длительного выстаивания формы перед заливкой.
Ш л а к о в ы е включения могут находиться внутри тела отливки или на поверхности. Шлаковые раковины (включения) всегда полностью или частично заполнены шлаком, попадающим в отливку во время заливки металла в форму. Они образуются вследствие недостаточно тщательной очистки расплава от шлака в ковше, низкой огнеупорности футеровки ковшей и неправильной конструкции литниковой системы.
Усадочные раковины возникают вследствие недостаточного питания массивных узлов отливки, нетехнологичной конструкции отливок, неправильной установки литников и прибылей, заливки чрезмерно перегретым металлом, а также повышенной усадки. Усадочные раковины имеют неправильную форму и шероховатую поверхность, большей частью окисленную (рис. 173, а).
Рыхлота и усадочная пористость в отливках образуются при недостаточном питании отливки жидким металлом в процессе кристаллизации (рис. 173, б), а также в утолщенных местах отливки. Для исключения местной рыхлоты рекомендуют в утолщенных местах отливки ставить холодильники, изменять конструкцию отливки, выравнивать толщину ее стенок.
Несоответствие химического состава металла отливок заданному может произойти вследствие неправильного взвешивания шихтовых материалов, смешивания различных сортов материалов, неправильного ведения процесса плавки. Чтобы устранить брак по химическому составу, необходимо контролировать исходные шихтовые материалы, строго соблюдать порядок их взвешивания, следить за ходом плавки, контролировать химический состав металла по ходу плавки.
Коробление
Коробление представляет собой отклонение поверхности изделия от базовой плоскости.
Коробление возникает по нескольким причинам.
Во-первых, коробление возникает в результате релаксации ориентации, возникающей при заполнении формы. Неравномерное охлаждение отдельных участков формы еще более увеличивает коробление изделий, т.к. степень снижения ориентации в этих участках различна.
Причиной коробления может быть разная скорость кристаллизации на различных участках изделия. Разная скорость кристаллизации при охлаждении возникает из-за разницы в скоростях охлаждения разных участков изделия.
Причиной коробления так же может быть разница в термическом изменении размеров отдельных участков изделия при охлаждении из-за разной скорости охлаждения этих участков.
Коробление недопустимо при выпуске технических деталей и автомобильных компонентов при литье под давлением полиамида. Для уменьшения коробления изделия следует стремиться обеспечить температурную однородность охлаждения. Для этого должно быть обеспечено равенство температур обеих половинок формы и однородность температурного поля по всей поверхности половинок формы.
Коробление зависит от следующих технологических параметров: температуры литья Тл,
температуры формы
Тф,
давления литья
Рл,
продолжительности операций цикла (время выдержки под давлением tвпд, общая продолжительность цикла
tц).
Коробление зависит от расположения впуска.
Снижению коробления способствует увеличение времени выдержки материала в форме под давлением tвпд и времени охлаждения tохл (общей продолжительности цикла tц),
т.к. в форме (где конфигурация изделия зафиксирована) полнее протекает кристаллизация и в большей степени снижается ориентация.
Коробление уменьшается с понижением температуры материала Тл
и температуры формы
Тф.
Снижению коробления способствует уменьшение давления литья Рл
и увеличение объемной скорости впрыска Q, т.к. уменьшается ориентация, возникающая при заполнении формы (см. раздел «Ориентация и внутренние напряжения»).
Снижению коробления способствует применение режимов формования со сбросом давления (см. раздел «Режимы со сбросом давления»).
СПОСОБЫ ИСПРАВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ОТЛИВОК
Незначительные дефекты на неответственных поверхностях отливки могут быть исправлены. Для исправления дефектов в чугунных отливках применяют электросварку, металлизацию, газовую сварку, декоративное исправление замазками, пропитку различными составами и механическую заделку.
Холодной сваркой исправляют дефекты чугунных отливок — дуговым способом различными электродами: стальными, медными, медными с железной оболочкой, медно-никелевыми, а также специальными. Дефектные места, подлежащие заварке, разделывают пневматическими зубилами или высверливают. Правильно разделанная под заварку раковина должна иметь чашеобразную форму с отлогими стенками под углом 35–40° и открытым дном. Трещины следует вырубать на всю глубину. По сравнению со сталью свариваемость чугуна хуже. Значительная хрупкость, повышенная чувствительность к скорости охлаждения осложняют процесс сварки чугуна. Ввиду неравномерности нагрева при сварке завариваемое место имеет неоднородную структуру. При некачественной сварке в отливке возможно образование трещин и других дефектов в сварном шве и основном металле.
Сваркой чугунными электродами с подогревом исправляют дефекты, расположенные на обрабатываемых поверхностях чугунной отливки (раковины больших размеров, сквозные отверстия и трещины). Отливки нагревают медленно. Температуру нагрева отливки определяют с помощью контактной термопары. После заварки отливка должна охлаждаться медленно, чтобы место заварки не получило отбела.
Газовую сварку с общим подогревом отливок используют для отливок из серого чугуна, имеющих сложную конфигурацию и резкие переходы от тонкой к толстой части. Этот способ заварки гарантирует высокую прочность и плотность сварного соединения, а также однородность химического состава и механических свойств основного и наплавленного чугуна. Отливку нагревают перед заваркой до 700 °С для предупреждения появления трещин, напряжений и образования отбела в металле отливки.
В качестве присадочного материала применяют чугунные электроды диаметром 5–6 мм. Присадочный материал и места заварки нагревают пламенем газовой горелки. После заварки отливок для снятия напряжений их отжигают при 450–500 °С.
Декоративное исправление чугунных отливок замазками применяют для улучшения внешнего вида их в местах, не подвергающихся обработке резанием. Для приготовления замазок применяют эпоксидные смолы марок ЭД-5 и ЭД-6. После заполнения дефектного места замазкой и ее затвердевания замазку зачищают.
Для повышения герметичности чугунные отливки пропитывают раствором нашатыря, хлорного железа с железным суриком и натриевой селитрой и бакелитовым лаком под давлением 1–3 МПа. Наиболее распространена пропитка бакелитовым лаком, который после нагрева до 200 °С и медленного охлаждения становится непроницаемым для воды, бензина и масла. После пропитки отливки высушивают на воздухе в течение 2–3 ч.
Пригар
Другим видом брака является пригар. Отличительные признаки. Поверхность отливки бывает покрыта ошлакованной, оплавленной формовочной землей (химический пригар) и неошлакованной облицовочной землей с металлом, прониквшим в ее поры (механический пригар).
Причины образования. Низкая огнеупорность формовочной смеси создает условия для химического пригорания ее к отливке с образованием легкоплавких соединений с окислами железа, марганца и др. Легкоплавкие соединения проникают в глубь формовочной земли вследствие капиллярности. Такой пригар лишь с трудом удаляется пневмоническими зубилами и наждачными камнями.
Основными причинами механического пригара являются большая пористость облицовочной земли, вследствие которой в землю проникает жидкий металл, высокая температура металла при заливке формы и давление металла (напор) при заливке высоких отливок.
