Поверхностные дефекты стальных отливок

Пригаром называют слой на поверхности отливки, состоящий из оплавившихся частиц формовочных материалов, пропитанных основным сплавом, окислами его компонентов и продуктами их взаимодействия с составляющими формовочной смеси. Этот слой прочно удерживается на поверхности отливки. В большинстве случаев наблюдается пригар комплексный, т.е. химико-механический. Термический пригар сам по себе образуется редко и является продолжением химического пригара.

Механизм формирования пригара. Образование пригара вызвано проникновением сплава в поры формы под действием капиллярных сил и давления металла на стенки формы. Проникновение расплава в поры формы является первой стадией процесса образования пригара, а второй его стадией является химическое взаимодействие окислов металла, содержащихся в расплаве (окислов железа и легирующих элементов), и окислов, содержащихся в формовочных материалах. Химическое взаимодействие расплава и формы усиливает проникновение металла в поры формы.

Причины образования. 1. высокая температура заливаемого металла; 2. применение крупнозернистого песка в формовочной или стержневой смеси; 3. низкая термостойкость исходные формовочные материалов и смесей; 4. слабое уплотнение формы или стержня; 5. некачественное противопригарное покрытие формы или стержня; 6. высокое металлостатическое давление на стенки формы.

Способы ликвидации дефекта.

1. Температура заливаемого металла оказывает влияние на образование пригара. Чем выше температура стали, тем интенсивнее идет образование пригара. В связи с этим следует, по возможности, ограничить температуру заливки до рекомендуемой. Определение температуры сводится к выбору необходимого понижения температуры стали, принимаемого сверх температуры начала затвердевания. При изготовлений отливок, склонных к пригару (толстостенные с местными скоплениями металла и др.) допускается минимальный перегрев стали на 10-40 °С и ниже. Это относится к отливкам, на которых возможно возникновение газоусадочных раковин, открытых и закрытых усадочных раковин, усадочной пористости, пригара.

2. Местный перегрев формы. Для исключения местного перегрева формы при ее заполнении сталью и образования увеличенного пригара рекомендуется принимать во внимание следующее: металл необходимо заливать в форму по наиболее коротким путям и одновременно через достаточное количество питателей, чтобы не допускать местного разогрева формы, особенно сырой песчано-глинистой; не располагать питатели в непосредственной близости от выступающих частей формы и, как следствие, не допускать удара струи металла в вертикальную стенку формы; необходимо соблюдать принцип последовательности при заполнении крупной формы сложной конструкции, а именно подавать первые порции металла сифоном, последующие – под затопленный уровень. Для снижения пригара необходимо: рассредоточение подвода металла с направлением питателей вдоль простенков формы; расширение устья питателей; максимальное ограничение высоты свободного падения потоков металла из питателей; подводить металл в утолщенные части отливки, если это не нарушает условия питания отливки.

4. Состав формовочной смеси. Облицовочные смеси являются эффективным средством борьбы с пригаром. В качестве облицовочных нашли широкое распространение быстротвердеющие жидкостекольные, песчано-глинистые смеси, используемые при производстве отливок как из углеродистых, так и из легированных сталей. Также применяют облицовочные смеси на основе хромомагнезитовых, хромитовых и цирконовых наполнителей используются для крупных, тяжелых отливок с увеличенной толщиной стенок и высокой температурой заливаемого расплава. Толщина облицовочного слоя хромомагнезитовых смесей не превышает 10-15 мм из-за недостаточной газопроницаемости.

5. Время простоя собранных форм. Для снижения образования пригара рекомендуется ограничить длительность простоя собранных форм. Вызвано это образованием повышенной влажности на рабочей поверхности формы, что способствует образованию увеличенного пригара при контакте с заливаемым металлом. При выдержке собранных форм по-сырому с использованием стержней, уже через 30 мин происходит их увлажнение, начиная от знаков и на всю окрашенную поверхность. Процессу переноса влаги на стержень сопутствует повышенная гигроскопичность краски. Стенки крупных литейных форм просушивают обычно на глубину до 0 мм. Поэтому при длительном простое собранных сухих форм, особенно горячих, влажность просушенных частей резко повышается.

6. Противопригарные покрытия. Наиболее эффективным способом предотвращения пригара является нанесение на поверхность формы противопригарного покрытия. Противопригарная краска представляет собой суспензию, состоящую из порошкообразного огнеупорного наполнителя, связующего компонента и стабилизатора, равномерно распределенных в дисперсной среде (воде или органической жидкости). В массовом производстве противопригарные материалы наносят на поверхность сырых форм в виде суспензий путем пульверизации. Такой метод увеличивает связь покрытия с формой и полностью изолирует зерна формовочной смеси от соприкосновения с металлом. Если в качестве растворителя применяют воду, то перед заливкой водные покрытия следует просушивать.

7. Термостойкие смеси. При невозможности получения отливок без пригара с использованием формовочных материалов на основе кварцевого песка или же противопригарной краски и паст с высокоогнеупорными наполнителями, для изготовления форм и стержней применяют высокоогнеупорные формовочные и стержневые смеси. В качестве наполнителя используются хромистый железняк, хромомагнезит, циркон, оливин, шамот и другие химически инертные материалы. Такие смеси обычно используют при изготовлении крупного толстостенного специального литья.

8. Захолаживающие литейные формы. Повышение теплоаккумулирующей способности отдельных частей формы, в местах расположения которых возможно образование пригара, положительно сказывается на резком снижении или полной ликвидации пригара на отливках из стали. Это становится возможным при использовании смесей с добавлением стальной дроби или применении хромитовой или хромомагнезитовой смесей для облицовки подвергаемых длительному тепловому воздействию участков формы. Такие мероприятия наиболее эффективны при изготовлении отливок с толщиной стенок не более 50 мм. При этом достигается ускорение процесса затвердения и последующего охлаждения отливки до температуры, предотвращающей проникновение легкоплавких окислов железа FeО и эвтектики системы FeO– SiO₂ в формовочную смесь и образования пригара.

9. Прочность литейной формы. На проникновение металла в форму и образование пригара влияет степень уплотнения смеси. Проникновение металла в поры формы уменьшается наиболее эффективно при увеличении давления прессования формовочной смеси до 10 кгс/см².

Поверхностная твердость формы во влажном состоянии зависит от зернового состава песка, влажности, содержания глины, ее связующей способности, а также от плотности.

10. Толщина корки затвердевшей стали. Быстрое формирование корки затвердевшего металла в форме в большинстве случаев оказывает влияние на уменьшение пригара. В то же время медленное образование корки металла способствует появлению пригара, иногда в ярко выраженном виде (увеличенный). Поэтому представляет интерес ознакомиться с условиями формирования корочки металла при его движении в форме.

11. Заполняемость форм металлом. Заполняемость формы является важным моментом при ликвидации ряда дефектов отливки. Заполняемость повышается при увеличении сечения стояка и литникового хода и уменьшения их длины, так как это позволяет сохранить более высокую температуру металла при его поступлении в форму. Увеличение скорости заполнения (без разрушения формы) увеличивает заполняемость.

Ужимины возникают в результате быстрого нагрева рабочей поверхности формы и представляют собой утолщения на поверхности отливки, под которым находится

полость, заполненная формовочным материалом. В зависимости от условий образования ужимины могут иметь вид неглубоких вытянутых канавок или впадин, тонких, плоских, неправильной формы наростов, сопровождающихся значительными песчаными включениями.

Механизм формирования ужимин. В процессе заливки поверхностные слои формы быстро высыхают, а испаряющихся из них влага перемешается в менее прогретые слои формы, где конденсируется, образуя зону с низкой прочностью и значительно повышенной влажностью при температуре около 100 °С. Одновременно начинается расширение формовочной и стержневой смесей, сопровождающееся объемными и линейными расширениями формы.

Причины возникновения. 1. развитая горизонтальная поверхность отливки; 2. недостаточная податливость формовочной или стержневой смеси; 3. недостаточная податливость стержней и отдельных частей формы; 4. высокая влажность формовочной или стержневой смеси; 5. нарушен режим сушки форм и стержней; 6 – некачественное противопригарное покрытие формы или стержня; 7. неправильный подвод металла к отливке; 8. высокая температура заливаемого металла; 9. низкая скорость заливки форм металлом.

Меры предупреждения. 1. Применять наклонную заливку на развитых плоскостях формы; нарезать температурные швы; применять прошпиловку форм.;

2. уменьшать содержание связующего глины в формовочной или стержневой смеси; применять более податливую смесь из неоднородного по зерновому составу песка, но с малым содержанием мелких фракций, добавить к формовочной или стержневой смеси органических тонкоизмельченных материалов (например, кокс молотый);

3. не допускать переуплотнения форм (стержней), контролировать плотность набивки согласно технологической документации;

4. уменьшить содержание влаги в смеси до минимума согласно технологической документации;

5. выдержать температуру и время сушки форм и стержней согласно технологической документации, контролировать их просушенность влагомером.

6. наносить противопригарное покрытие ровным слоем, не допуская подтеков согласно технической документации;

7. металл к отливке должен подводиться через несколько питателей с тем, чтобы избежать местного нагрева частей формы.

8. перед заливкой форм проверить температуру металла, при необходимости выдержать его в ковше, довести до температуры, указанной в технологической документации.

9. заливку производить быстро, непрерывной струей металла.

Нарост – дефект в виде выступа произвольной формы образовавшегося из загрязненного формовочными металла вследствие местного разрушения литейной формы.

Причины возникновения. 1. низкая прочность формовочной или стержневой смеси; 2. слабое уплотнение формы или стержня; 3. некачественная сборка формы; 4. высокая и осыпаемость поверхности формы или стержней.

Меры предупреждения.

1. увеличить содержание связующего в смеси; применять прошпиловку форм, использовать крючки и «солдатики»

2. увеличить плотность набивки форм (стержней) согласно требованиям технологической документации.

3. сборку форм производить по направляющим штырям плавно без ударов.

4. формы окрашивать пульверизатором раствором сульфита с плотностью 1,1 г/см³ по ареометру; стержни окрашивать специальными противопригарными красками.

Залив – дефект в виде металлического прилива или выступа, возникающего вследствие проникновения металла в зазоры по разъемы формы, стержней или по стержневым знакам.

Причины возникновения. 1. применение дефектной модельной оснастки; 2. применение дефектной опочной оснастки (коробление поломки и т.д.); 3. некачественная сборка форм; 4. неправильный подвод металла к отливке.

Меры предупреждения.

1. уменьшить зазоры между знаковыми частями форм и стержней в соответствии с технологической документацией.

2. устранить дефекты опочной оснастки либо заменить ее на исправную.

3. перед накрытием полуформ по периметру прокладывать глиняные или асбестовые шнуры, плотно накрывать нижние опоки верхними, усилить крепление формы или увеличить груз на форму; увеличить зазоры меду знаковыми частями форм и стержней формовочной смесью.

4. рассредоточить подвод металла; применить щелевые питатели; металл подводить под прибыли, увеличить поперечное сечение прибылей и улучшить их расположение.

Засор – дефект в виде формовочного материала, внедрившегося в поверхностные слои отливки, захваченного потоком жидкого металла.

Причины возникновения. 1. низкая прочность формовочной или стержневой смеси; 2. слабое уплотнение формы или стержня; 3. неправильный расчет и конструкция элементов литниковой системы; 4. некачественная сборка формы.

Меры предупреждения.

1. увеличить содержание связующего в смеси согласно технологической документации, применять прошпиловку формы, использовать крючки и «солдатики».

2. увеличить плотность набивки форм (стержней) согласно требованиям технологической документации, применять керамические трубки для элементов литниковой системы.

3. выполнить элементы литниковой системы без острых углов и резких поворотов; предусмотреть в основании стояка зумпф, производить окраску и прошпиловку литниковой системы или применять керамические трубки.

4. произвести обдув сжатым воздухом полости формы; не допускать разрушения формы и стержней во время сборки и транспортировки; линиковые чаши прикрывать в период между сборкой и заливкой.

Окисные плены на стальных отливках. Окисные плены – темные макровключения тончайших, рассредоточенных, с различной ориентацией пленок в виде надрезов неправильной геометрической формы, нарушающих сплошность стали. Не всегда выявляются при внешнем осмотре отливок. Хорошо видны на макротемплетах, после механической обработки и в изломе, проходящем по их поверхности. Часто вызывают образование пороков типа неспаев, недоливов, рубцов на внешней поверхности отливок, изготовляемых преимущественно из высоколегированной стали.

Причины образования и способы ликвидации дефекта.

1. Температура заливаемой стали. Все малоуглеродистые сплавы, высоколегированные хромом, титаном, кремнием, алюминием и другими элементами, склонны к интенсивному пленообразованию. Плена, образующаяся на открытой поверхности сплавов в жидком состоянии, значительно сокращает их текучесть и является причиной образования ряда дефектов, в том числе и неровной поверхности отливки (окисная плена).

При увеличении температуры заливаемого металла плены не образуются. Плены в отливках из жаропрочной стали почти исчезают, если в форму заливается металл с температурой выше 1560°С. Пригар поверхности отливок составляет минимум, если температура металла в процессе заливки была в интервале 1560-1580 °С.

2. Выдержка стали в ковше перед заливкой. Плены образуются в результате окисления элементов, содержащихся в высоколегированной стали и обладающих большим сродством к кислороду. Окисление таких элементов. как хром, алюминий. титан, образующихся в виде плотных тугоплавких взвесей, являются основными составляющими плен.

После обработки расплава стали комплексными раскислителями в плавильном агрегате и завершения цикла подготовки расплава, его сливают в предварительно нагретый разливочный ковш. Вместе с металлом в ковш попадает шлак, размешанные в металле неметаллические включения и пузырьки газа.

3. Время заливки стали. Время заливки зависит от размеров и особенностей конструкции отливки, литейных свойств определенной стали, теплоаккумулирующих свойств материала формы и др. Высоколегированные хромистые и хромоникелевые стали различных марок обладают достаточной жидкотекучестью, что связано с более низкими значениями у легированных ста

лей температуры солидуса (на 50-20 °С) и ликвидуса (на 70-30°С) по сравнению с углеродистыми сталями.

Однако, несмотря на хорошую жидкотекучесть, формы необходимо заливать сталью с большим перегревом и быстро. Увеличение температуры и скорости заливки вызвано склонностью сталей этой группы к пленообразованию. Чтобы предупредить получение плен и включений в отливках со средней толщиной стенок, сталь разливают быстро при 1580-1600 °С.

4. Сифонньй подвод стали. Плены образуются в результате окисления элементов (хром, титан, алюминий и др.), содержащихся в стали и обладающих большим сродством к кислороду. Окисление указанных элементов начинается еще в процессе выплавки стали. Поэтому жидкая сталь, поступившая на участки заливки форм, может содержать во взвешенном состоянии пленки окислов, если соответствующими методами раскисления и выдержки перед заливкой не будет обеспечено удаление их в шлак.

При разработке конструкции литниковой системы необходимо учитывать, что металл должен иметь наименьший контакт с кислородом при заливке формы и её заполнении.

Металл необходимо подводить к форме и заполнять ее наиболее короткими путями, что следует из необходимости снижения времени окисления стали, как в потоке, так и в наиболее отдаленных участках отливки.

Наиболее эффективным способом заполнения формы сталью, склонной к пленообразованию, считается подача первых порций металла сифоном, последующих – под затопленный уровень, а верхние прибыли заливать в конце через питатели верхнего уровня. При этом конструкция литниковой системы должна обеспечивать четкую направленность затвердения отливки. Различные местные утолщения следует не разогревать подводом к ним специальных питателей, а охлаждать местными холодильниками

5. Направление потоков стали в полость формы. Образование окисных плен наиболее характерно для высоколегированных специальных сталей, однако они могут возникнуть даже в обычных сплавах на основе железа, содержащих наибольшее количество легирующих элементов, например, более 0,15 % алюминия или 0,5 % хрома. Склонность стали к образованию плен увеличивается при её многократном перегреве без наведения шлака. Если сталь перед этим раскисляли силикокальцием, то склонность ее к пленообразованию не изменяется.

При проектировании литниковых систем для отливок, склонных к образованию плен, должно быть предусмотрено спокойное заполнение формы расплавом, возможность выноса окисных пленок в прибыли, грязесборники и подвод расплава только снизу. Нижние литниковые системы используются для литья легкоокисляющихся сплавов. Они обеспечивают одностороннее направление потоков стали в полость формы и постепенное заполнение формы без открытой падающей струи, без образования встречных потоков металла.

Для более высоких, массивных и сложных отливок используются ярусные литниковые системы, позволяющие осуществлять спокойное одностороннее направление потоков металла: вначале в низший уровень, а затем в вышележащие, с последующим удалением неметаллических включений и окисных плен в прибыли.

При производстве тонкостенных отливок больших горизонтальных габаритов хорошие результаты получаются при нижнем подводе металла и тангенциальной заливке, обеспечивающей перемещение потоков металла в горизонтальном направлении.

6. Прибыли прямого питания. При формировании качественной отливки необходимо соблюдение условий направленного затвердевания металла. Это вызвано, в первую очередь, возможностью подпитки нижележащих слоев металла вышележащими. Кроме того, создаются условия для всплытия неметаллических включений, в том числе и окисных плен, образованных в результате окисления поверхности высоколегированных хромистых сталей.

Эффективным в данном случае является использование открытых прибылей. позволяющих более свободное всплытие плен. При этом целесообразно применение сифонной заливки, исключающей дополнительное окисление стали при заполнении формы в сравнении с другими способами подвода металла (верхнее, боковое и т.д.).

для реализации такой заливки применяют ярусную систему с подачей в верхнюю часть формы горячего металла через дополнительные литники.

Для повышения температуры металла в прибыли, успешного завершения процессов всплытия окисных плен и подпитки усадки, используют обогреваемые прибыли за счет установки вкладышей из термитных смесей. Смесь при сгорании не должна влиять на химический состав стали, давать ровное течение экзотермической реакции, образовывать легко всплывающий пористый шлак, изолирующий прибыль сверху.

7. Восстановительная атмосфера в форме. При заливке в формы высоколегированных сталей (с содержанием хрома или хрома и никеля) возможно образование на поверхности расплава окисной плены. Происходит это при контакте кислорода в форме с активными элементами заливаемого сплава, в частности, с хромом и др. В результате происходит окисление хрома с образованием окисной пленки на поверхности металла. Образовавшаяся плена цепляется за стенки формы и стержней, разрывается, разворачивается и заливается слоями поступающего сплава. От этого отливка получается с дефектами «плена», «неспай» и «волнистость».

При наличии в форме восстановительной атмосферы, создаваемой оксидом углерода (СО) и метаном, на поверхности расплава стали будет значительно заторможено образование окисных плен.

Для создания в форме восстановительной атмосферы на сухие или подсушиваемые формы наносится каменноугольный лак. Лак лучше всего наносить на поверхность при температуре 70-120 °С, так как при этом он равномерно распределяется и проникает на глубину до 1,5 мм. При использовании смесей по-сырому для создания восстановительной атмосферы, в состав формовочной смеси вводят мазут, бентонито-угольную суспензию, уголь и другие компоненты. Наиболее предпочтительным и широко распространенным является мазут.

8. Комплексное раскисление стали. Раскисление стали (освобождение металла от кислорода) состоит из двух операций: первая предусматривает перевод кислорода закиси железа в продукты реакций раскисления; вторая – перевод дисперсных оксидов в более крупные агрегаты и переход их в шлак.

Хорошо раскисленная сталь содержит остатки окислов железа, которые растворены в металле, а часть их входит в двойные, тройные и более сложные оксиды.

Чем сложнее оксид, тем температура его плавления ниже, и, следовательно, в жидкой перегретой стали он находится в жидком состоянии в форме шаровидных капелек. По этой причине удаление оксидов основывается на внесении в жидкую сталь не одного, а нескольких элементов раскислителей одновременно. Такое раскисление называется комплексным.

Хорошими комплексными раскислителями являются силикомарганец, силикокальций, сплав АМЦ (алюминий, марганец, кремний), позволяющие получить наиболее чистый металл от неметаллических включений. Продукты раскисления всплывают в шлак, либо удаляются в виде газа (оксид углерода) в течение 15-20 мин. Окончательное перемешивание и довершение процесса рафинирования происходит при выпуске металла в ковш и при выдержке стали в ковше в течение 10 мин. Увеличение времени выдержки в ковше приведет к потере температуры расплава, что при заливке формы приведет к увеличению образования окисной плены.