Введение.
Каждое предприятие литейного производства время от времени пересекаются с вопросами газовых образований (появления газовых раковин).
Работа по предотвращению брака отливок заключается в выявлении брака, анализе характера обнаруженных дефектов, определении причин их возникновения, назначении и выполнении процедур по предупреждению дефектов.
Литературный обзор.
Определение дефекта металла
Дефектом называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией (ГОСТ-17102).
В прикладном, техническом понимании следует считать такие отклонения от нормального, предусмотренного стандартами качества, которые ухудшают рабочие характеристики металла или изделия и приводят к снижению сортности или отбраковке изделий. Однако не всякий изъян металла является дефектом изделия. Отклонения от нормального качества металла, которые не существенны для работы данного изделия, не должны считаться для него дефектами. Отклонения от нормального качества, являющиеся дефектами для изделий, работающих в одних условиях (например, при усталостном нагружении), могут не иметь значения при других условиях работы (например, при статическом нагружении).
Виды дефектов.
Дефекты подразделяют на явные, скрытые, критические, значительные и малозначительные, исправимые и неисправимые. Явные поверхностные дефекты выявляют глазом, а внутренние скрытые и поверхностные, неразличимые глазом, – специальными средствами. Критическим называют дефект, при наличии которого использование продукции по назначению невозможно или исключается из-за несоответствия безопасности или надежности. Значительный – дефект, который существенно влияет на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность, но не является критическим. Малозначительный – дефект, который не оказывает влияния на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность.
По происхождению дефекты изделий подразделяют: на производственно-технические, металлургические, возникающие при отливке и прокатке; технологические, возникающие при изготовлении и ремонте деталей (сварке, наплавке, механической и термической обработках, калибровке и др.); эксплуатационные, возникающие после некоторой наработки изделия в результате усталости металла деталей, коррозии, охрупчивания под действием радиации, изнашивания и т.д., а также неправильного технологического обслуживания в эксплуатации
Усадочные раковины – открытые или закрытые сравнительно большие полости произвольной формы с грубой шероховатой, иногда окисленной, поверхностью, находящиеся в теле отливки. Образуются вследствие неравномерной усадки металла при затвердевании в верхней части слитка или в утолщенных частях отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь. Усадочные раковины находятся между сердцевиной и коркой отливки.
Рыхлота – местное скопление мелких усадочных раковин при крупнозернистой структуре металла. Часто встречается рыхлота, расположенная над усадочной раковиной.
Пористость – местное скопление мелких газовых или усадочных раковин. Газовая пористость обычно наблюдается в большом объеме отливки или отдельных ее участках.
Ликвационные зоны – неравномерность химического состава металла в теле отливки. Газовая ликвация – характерный дефект слитка кипящей стали, представляющий собой участки структурной и химической неоднородности в виде стреловидной ликвации – каналов в зоне наружной корочки и сегрегационных пятен у внутренних концов сотовых пузырей. Участки газовой ликвации в пузырях загрязнены неметаллическими включениями (сульфидами и оксисульфидами).
Газовые пузыри или раковины в литом металле представляют собой полости (округлые, овальные или продолговатые) с чистой и гладкой, иногда окисленной поверхностью. По расположению в слитках пузыри могут быть внутренние и подкорковые. Внутренние пузыри расположены произвольно по объему слитков, в спокойной стали преимущественно в верхней части слитков, а в кипящей в средней по высоте и сечению зоне. Подкорковые пузыри расположены у поверхности слитков и представляют собой тонкие извилистые каналы, часто выходящие на поверхность. Горячая деформация приводит к завариванию пузырей в том случае, если стенки их не содержат стойких оксидов или силикатов, а содержат только оксиды железа и марганца. На поперечных макрошлифах спокойной стали незаварившиеся пузыри имеют вид тонких полосок. Песчаная раковина – полость в теле отливки, частично или полностью заполненная формовочным материалом.
Шлаковая раковина – полость, заполненная шлаком.
Вскип, вскиповая раковина – оксидные складки или раковины, образующиеся при кипении сплава. Различают скипы со стороны формы, стержня и от холодильника.
Металлические включения – инородные металлические тела в основном металле отливки. Такими телами могут быть нерасплавленный легирующий компонент, модификатор, внутренний холодильник и т.д.
Неметаллические включения бывают двоякого рода и происхождения:
1) включения неметаллических частиц, попавших в металл извне (частицы шлака, огнеупора, графита, песка и т.д.) могут образовать шлаковые и песчаные включения, которые чаще всего расположены в верхних частях отливки или на их поверхности;
2) включения частиц окислов, сульфидов, силикатов, нитридов, образующихся внутри металла вследствие химического взаимодействия компонентов при расплавлении и заливке сплава. Они располагаются в виде цепочек или сетки, часто по границам зерен. По форме бывают округлые или удлиненные. Последние могут сильно снижать пластичность металла.
Газовая пористость.
Газовые раковины представляют собой полости в теле отливки, образованные выделившимися из металла или внедрившимися в металл газами. Поверхность таких раковин гладкая. Газовые раковины могут быть одиночными и групповыми.
Газовая пористость определяется следующим образом (на примере алюминиевых литейных сплавов):
балл 1 - мелкая пористость;
балл 2 - пониженная пористость;
балл 3 - средняя пористость;
балл 4 - повышенная пористость;
балл 5 - высокая пористость.
Пользоваться эталонами степени пористости можно независимо от марки сплава.
Условия определения газовой пористости:
При определении пористости в алюминиевых литейных сплавах усадочная рыхлость или центральная пористость исключается.
Для определения газовой пористости темплеты (плоская масштабная модель), вырезанные из чушек, отливки или образцы, вырезанные из отливок, обрабатывают до шероховатости Ra не более 1,6 мкм.
Для определения газовой пористости макрошлиф травят, не выявляя макроструктуры, затем промывают проточной водой и просушивают фильтровальной бумагой.
Газовая пористость темплетов чушек определяется на трех квадратах площадью 1 см2 каждый. Количество пор и размер пор определяют как среднее арифметическое трех измерений.
Балл пористости, определенный по трем квадратам на двух макрошлифах темплетов чушек, распространяют на всю плавку.
Контроль пористости проводят визуально, невооруженным глазом. Для определения диаметра пор можно пользоваться оптическими приборами с увеличением до 10 раз.
Причины образования газовых раковин:
Дефект образуется в результате механического проникновения газов в жидкий расплав с поверхности раздела металл - форма, если газы выделяются из форм и стержней. Это явление часто сопровождается видимым эффектом кипения расплава или выбросом его из формы и поэтому получило название вскип. На границе раздела металл - форма газы практически присутствуют всегда, однако внедриться в металл они могут только при условии, если избыточное газовое давление в форме или стержне будет превышать сопротивление со стороны металла, зависящее от высоты столба металла над соответствующей точкой формы или стержня и от удельного веса жидкого сплава.
Образуется газовый пузырь из-за потока газов, выходящего из поры в формовочном материале; образующегося около устья поры газовый пузырь растет до тех пор, пока силы поверхностного натяжения металла, стремящиеся округлить пузырь до шара, и подъемная сила металла не оторвут его от поверхности формы. На месте отрыва пузыря растет новый.
Газы могут механически захватываться металлом в элементах литниковой системы и непосредственно в полости литейной формы при заливке. Захваченные таким образом пузыри газа могут остаться в отливке и образовать газовые раковины. Струя металла, вытекающая из ковша, увлекает воздух в литниковую воронку или чашу, откуда пузыри воздуха могут вместе с металлом попасть в стояк и далее — в полость литейной формы. Количество воздуха, увлекаемого струей металла, возрастаем с .увеличением высоты ее падения. Распыленная, неправильной формы струя металла увлекает больше воздуха, чем струя правильной формы - круглая. Количество воздуха, попадающего в стояк, зависит также от конструкции и объема литниковой чаши.
Причиной образования раковин могут быть газы, выделяющиеся из предметов, устанавливаемых в форму: холодильников, жеребеек, шпилек, солдатиков, асбестовых прокладок и т. п. Если поверхность этих предметов покрыта ржавчиной или сконденсированной влагой, то при контакте с металлом происходит газообразование, приводящее к возникновению в отливках местных наружных или внутренних газовых раковин. Аналогичным образом образуются газовые раковины от прокладочной глины.
Раковины часто возникают от газов, содержащихся в жидком металле. В жидком металле всегда присутствуют газы (азот, водород, кислород): а) б) в)
Скачкообразное падение растворимости газа в металле в период затвердевания приводит к образованию газовых раковин. Такое понижение растворимости приводит к тому, что из закристаллизовавшейся твердой фазы газы переходят в расплав, который непрерывно ими обогащается (степень обогащения незакристаллизовавшегося расплава газом зависит от скорости распространения газа в металле и скорости кристаллизации).
Способы решения проблемы.
Способы предотвращения газовых раковин. Для предупреждения газовых раковин, образующихся при механическом проникновении газов в металл (вскипе), следует:
Уменьшать газотворность смесей – для этого необходимо:
Цель работы заключается в снижении вероятности образования газовых раковин в отливках за счёт привнесения в расплав транспортного инертного газа. При этом уже образовавшиеся газовые пузырьки объединяются и выходят на поверхность расплава.
Экспериментальная часть.
На сегодняшний день на базе ФГУП «ПО «Маяк» реализован проект по станкостроению. На базе предприятия организована крупно узловая сборка промышленных станков, в том числе станков с числовым-программным управлением (ЧПУ). Станина станка – основная корпусная несущая составляющая. На станине монтируются узлы и механизмы технологических машин. Качество работы станка целиком зависит от прочности, жесткости и износостойкости литой станины, так как на нее действуют усилия при работе механизмов. Станина обеспечивает точное взаимное расположение всех основных узлов станка. Станины для станков закупаются в Китае и через Балтийскую компанию (г. Санкт-Петербург), и только потом станины поставляются непосредственно на ФГУП ПО МАЯК.
В рамках исследования к сотрудничеству по получению образцов отливок было задействовано «Кыштымское машиностроительное объединение» входящее в крупнейший металлургический холдинг РМК (Российская медная компания). Основным видом деятельности предприятия является литейное производство, где качество выпускаемой продукции очень высоко. Брак продукции составляет от 7-15% от всей выпускаемой продукции.
Каждое предприятие литейного производства время от времени пересекаются с вопросами газовых образований (появления газовых раковин).
Работа по предотвращению брака отливок заключается в выявлении брака, анализе характера обнаруженных дефектов, определении причин их возникновения, назначении и выполнении процедур по предупреждению дефектов.
Задачи исследования по предупреждению появления газовых раковин:
уменьшение газотворности за счёт оптимизации состава формовочных и стержневых смесей;
увеличение скорости отвода образующихся в результате химических реакций или привнесённых газов из форм за счёт уменьшения длины пути фильтрации газов;
удаление из отливки внедрившихся газовых пузырей до момента ее полного затвердевания;
привнесение в расплав транспортного инертного газа;
контроль концентрации раскислителя.
Первые два метода описаны в учебниках и справочниках по металлургии, и эффект по их применению в исследовании оказался минимальным.
Контроль концентрации раскислителя позволяет существенно снизить количество окисленных форм железа и других металлов, что благотворно влияет на протекание химических реакций с образованием газов раскислителя. Однако здесь субъективным критерием является сам исходный металл и количество примесей в его составе.
Эффективным способом устранения газовых дефектов, после неоднократных исследований в стале-литейном цеху «Кыштымского машиностроительного объединения» стал метод привнесение в расплав транспортного инертного газа.
За счёт введения в расплав металла инертного транспортного газа возможно существенно повысить вынос газовых пузырей за пределы ковша. В качестве направляющего тракта применяли специально изготовленные для этих целей на предприятии «Бакор» керамические трубки, способные выдержать высокие температуры.
Инертный газ является уникальным газом, который не вступает в реакции с другими присутствующими веществами, находясь в ковше в момент заливки расплавленного метала он вызывает процесс барботажа (объединение более мелких частиц СО в более крупный), являясь при этом надежным проводником сопутствующих газов на границу раздела фаз «Металл – Воздух».
На первом этапе исследований был проведён анализ причин возникновения газовых пористостей на литейном производстве Кыштымского машиностроительного объединения. Непосредственно на предприятии были отобраны образцы металлов, имеющих газовые пористости и проведён анализ на содержание компонентов на Атомно-эмиссионном спектрометре «Spectromaxx» в центральной заводской лаборатории. Результаты анализа приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Химический анализ исходного металла, % (Атомно-эмиссионный спектрометр «Spectromaxx»)
Углерод |
Марганец |
Кремний |
Фосфор |
Сера |
Никель |
Хром |
Медь |
0,1 |
1,48 |
0,56 |
0,019 |
0,01 |
0,15 |
0,09 |
0,17 |
Для сравнения ГОСТ, ТУ 977 на сталь 25Л, 35Л |
|||||||
0,22-0,3 |
0,45-0,9 |
0,2-0,52 |
0,06 |
0,06 |
- |
- |
- |
0,32-0,4 |
0,4-0,9 |
0,2-0,52 |
0,06 |
0,06 |
- |
- |
- |
1. Основные раскислители – Si, Mn, C.
2. Кремния, марганца в избытке уже в исходной шихте.
Выводы и причины.
1. Исходный материал для плавки достаточно разнороден, как по химическому составу, так и по механическим свойствам (включения, неоднородность).
2. В исходном материале уже достаточно высокое содержание раскислителей. Превышение концентрации раскислителя негативно сказывается на образовании растворимых компонентов в плавке.
3. Наличие в исходном материале окисленных форм и включений приводит к образованию нерастворимых соединений (Н2О, СО) за счёт химических реакций железа и других металлов с углеродом и водородом.
4. Пузыри с поверхности формы образуют больше раковин при условии наличия в металле нерастворимых газов.
5. При быстром остывании расплава, происходит повышение скорости протекания химической реакции на температурном разделе фаз. При этом мелкие пузыри, которые в обычных условиях не влияют на заметную пористость объединяются и не успевают покинуть расплав, Образуется приповерхностная газовая пористость.
6. Примеси в исходной шихте перераспределяются в конечное изделие, т.к. они уже получили достаточно высокую устойчивость при изначальном температурном воздействии.
Исходное литейное изделие
Газовые дефекты на срезе
На втором этапе провели анализ формовочного песка на влажность при температурах 120 и 150 0С.
В таблицах 2 и 3 приведены результаты исследований.
Таблица 2 - Исследование смеси для форм и песка на влажность (температура 120 0С)
Температура 120 гр. |
|||||||
песок |
смесь |
||||||
до |
после |
дельта, % |
до |
после |
дельта, % |
||
1 |
70.121 |
68.05 |
3.04 |
61.488 |
60.484 |
1.66 |
|
2 |
67.469 |
65.702 |
2.69 |
73.478 |
72.587 |
1.23 |
|
3 |
63.196 |
61.371 |
2.97 |
63.834 |
62.784 |
1.67 |
|
4 |
65.218 |
63.372 |
2.91 |
67.51 |
66.474 |
1.56 |
|
среднее |
66.501 |
64.624 |
2.90 |
66.578 |
65.582 |
1.53 |
Таблица 3 - Исследование смеси для форм и песка на влажность (температура 150 0С)
Температура 150 гр. |
|||||||
песок |
смесь |
||||||
до |
после |
дельта, % |
до |
после |
дельта, % |
||
до |
после |
до |
после |
||||
1 |
66.245 |
65.515 |
1.11 |
62.309 |
61.194 |
1.82 |
|
2 |
65.631 |
64.002 |
2.55 |
75.099 |
74.117 |
1.32 |
|
3 |
63.825 |
61.931 |
3.06 |
62.835 |
61.74 |
1.77 |
|
4 |
65.909 |
63.907 |
3.13 |
70.045 |
68.917 |
1.64 |
|
среднее |
65.403 |
63.839 |
2.46 |
67.572 |
66.492 |
1.64 |
Промежуточные выводы по работе.
1. Влажность формовочных материалов в норме.
2. Химический состав исходной шихты и самого литейного изделия не соответствует ТУ.
3. Структура литейного изделия неоднородно с большим количеством включений.
4. Распределения включений по исходной шихте и в литейном изделии практически одинаковые.
5. Быстрая окисляемость металла на шлифе указывает на присутствие окисленных форм железа (и других металлов в меньшем количестве)
6. Характер и внешний вид пор говорит о химической природе их образования (поверхность пор тёмная, шероховатая, не ровная по периметру), т.е. при образовании пор протекает химическая реакция, которая продолжается после остывания металла.
7. Основные причины пористости:
7.1 Наличие в шихте включений и неоднородный химический состав, превышение по раскисляющим элементам ( в общем не соответствие требованиям).
7.2 Образование газовой пористости внутри плавящегося материала, при его затвердевании за счёт протекания химической реакции (с углеродом с образованием СО и с водородом с образованием «вторичной» воды).
7.3 Быстрое затвердевание металла (приповерхностный характер пор).
7.4 Скачкообразное затвердевание железа может приводить к уменьшению растворимости таких газов, как азот и водород. Такое понижение растворимости приводит к тому, что из закристаллизовавшейся твердой фазы газы переходят в расплав, который непрерывно ими обогащается.
7.5 Зародышами газовых пузырьков в расплаве могут быть мельчайшие чрезвычайно медленно всплывающие пузырьки любого газа, различные неметаллические включения, грани растущих кристаллов металла, неровности стенок формы и т. п.
7.6 Образующиеся в затвердевшем металле мелкие газовые пузырьки, не успевшие удалиться из отливки, образуют групповые раковины, поражающие большой объем отливки или отдельные ее части. Такой дефект называют газовой пористостью.
7.7 Газовые раковины, образовавшиеся в результате механического проникновения газа в металл с поверхности форм и стержней, могут увеличиваться в объеме при выделении из расплава растворенных газов. Установлено, что в окисленном металле чаще образуются газовые раковины.
Способы устранения:
1. Уменьшать газотворность смесей.
Устанавливать оптимальный состав формовочных и стержневых смесей. При этом смеси должны содержать минимальное количество газотворных материалов — воды, органических связующих, противопригарных добавок, глины, извести, слюды, асбеста и т. п. Наиболее газотворна вода, поэтому содержание ее в смесях должно быть ограничено.
2. Увеличивать скорость отвода газов из форм
Повышение скорости отвода газов из форм и соответственно снижение давления газа достигается прежде всего уменьшением длины пути фильтрации газов. Для этого необходимо уменьшать расстояние от отливки до стенок и лада опок, предусматривать вентиляционные каналы в форме и стержне. Особенно это важно для форм, уплотненных при повышенном удельном давлении, так как такие формы обладают пониженной газопроницаемостью и, следовательно, в них повышается давление газа.
3. Способствовать удалению из отливки внедрившихся газовых пузырей до момента ее полного затвердевания
Опасность образования газовых раковин в отливке снижается, если стержни охватываются металлом медленно (малая скорость заливки), а после полного охвата металлом заливка будет происходить быстро. Эти рекомендации в условиях единичного производства просто выполнить, при расположении стержней в форме на одном уровне. При многоярусном расположении стержней такой режим заливки выполнить труднее. Однако всегда можно и нужно повышать скорость заливки в конце заполнения формы.
Далее провели эксперименты по введению инертного газа в расплав металла непосредственно перед его разливкой по формам.
За счёт введения в расплав металла инертного транспортного газа возможно существенно повысить вынос газовых пузырей за пределы ковша. В качестве направляющего тракта применяли специально изготовленные для этих целей на предприятии «Бакор» керамические трубки, способные выдержать высокие температуры.
Инертный газ является уникальным газом, который не вступает в реакции с другими присутствующими веществами, находясь в ковше в момент заливки расплавленного метала он вызывает процесс барботажа (объединение более мелких частиц СО в более крупный), являясь при этом надежным проводником сопутствующих газов на границу раздела фаз «Металл – Воздух».
Работы были проведены в лаборатореых условиях на имитаторах (легкоплакие формы – парафин, свинец).
Анализ полученных результатов показал что из 5 образцов отливок после их обработки инертным газом - аргоном, 4 не имели газовых включений. Методы оценки и обнаружения дефектов требуют дальнейших исследований и развития. Предполагается проведение исследований с различными вариантами заливки литейной формы, разработка сложной системы, решающей все возникающие проблемы в комплексе, для создания оптимального методологии по заливке литья из стали, чугуна и алюминия.
Технология может быть востребована при анализе эффективности работы и качества отливок металлов на предприятиях литейного производства и машиностроительной отрасли.
Технология позволит создавать качественные надежные образцы отливок из металлов для их дальнейшего применения в ответственных механизмах различных предприятий металлургической, химической и атомной промышленности.
В дальнейшем, планируется привлечь РМК к сотрудничеству с ФГУП «ПО «Маяк» в части поставки станин.
Средняя стоимость станка (металлорежущего, токарного, с ЧПУ) составляет около 2 800 000 млн. рублей. Из общего объема стоимости 68% составляет только стоимость станины. В среднем в год завод производит около 500 станков. При просчете логистических мероприятий по доставке станин с «Кыштымского металлургического объединения» экономия денежных средств составляет 32% (448 000 000 рублей в год). Пакет заказов в настоящее время расширяется.
Литература.
1. Цветное литье: Справочник/ Н. М. Галдин, Д. Ф. Чернега, Я. Ф. Иванчук и др.; Под общ. ред. Н. М. Галдина. — Машиностроение, 1989. — 528 с.
2. http://lmx.ucoz.ru/load/2-1-0-30
3. Ван Вюрен, Дефекты в кристаллах, - М., И. Л., 1962
4. Физико-химические методы исследования металлов. Под ред. П.И. Еремина. ЦНИИТМАШ, Кн. 36 и 59. М., Машгиз, 1950 и 1953.
5. Инструкции Кыштымского машиностроительного объединения: «По очистке литья в галтовочном и дробеметном барабане» 25210.00006; «По изготовлению и сборке литейных форм» 25211.00002; «По выплавке серого чугуна в печах ИСТ 1,0-0,5 и GWJ 1-750-0,5 (КНР)» 25200.00001
6. ГОСТ 19200-80 "Отливки из чугуна и стали. Термины и определения дефектов"
7. ГОСТ-17102
8. http://www.modificator.ru/terms/defects.html
9. http://mash-xxl.info
10. Г. В. Просяник «Изготовление оболочковых форм и стержней»
11. В.П. Расщупкин, М.С. Корытов «Дефекты металла»
12. В. Г. Воскобойников, В. А. Кудрин, А. М. Якушев «Общая металлургия»