Материаловед

Для успешной борьбы с браком нужно хорошо знать причины возникновения и способы предупреждения образования дефектов. На рис.  12.1 приведена классификация поверхностных дефектов, а на рис. 12.2 — их схематическое изображение.

Пригар

Пригар — это слой формовочных материалов, сцементированных металлом, его оксидами и различными силикатными фазами, прочно сцепленный с поверхностью отливки.

Механический пригар образуется в результате проникновения жидкого металла в поры поверхности формы.

Химический пригар — это пригоревшая корка на поверхности отливки, образовавшаяся в результате физико-химического взаимодействия оксидов железа с материалами формы и ее атмосферой.

Термический пригар образуется в результате расплавления легкоплавких примесей формовочной смеси и приваривания их вместе с зернами песка к поверхности отливки.

В большинстве случаев наблюдается комплексный пригар, т. е. химико-механический.

Основными направлениями борьбы с пригаром являются: применение формовочных смесей, обеспечивающих восстановительную атмосферу в форме, уменьшение размеров пор, препятствующее проникновению металла и уменьшающее площадь контакта продуктов химических реакций с формовочным материалом.

Приливы

Приливами называют различные утолщения тела отливок, не соответствующие чертежу заготовки.

Заливы — это утолщения, образованные по плоскости разъема формы. Они обусловлены отклонениями размеров модельного комплекта и/или опочной оснастки, а также неудовлетворительным скреплением опок между собой. Предупредить появление этого дефекта позволяет обеспечение высокой точности используемой литейной оснастки и надежное скрепления опок.

Подутость появляется в результате статического давления жидкого металла на стенки недостаточно уплотненной формы. Такой дефект называют также распором. Его можно предотвратить, добиваясь необходимой степени уплотнения формовочной смеси.

Наростами называют утолщения, возникающие в результате разрушения поверхности формы струей жидкого металла размытого участка. Исключить размывы поможет правильный подвод металла и повышение поверхностной прочности формовочных смесей.

Просечки (или гребешки, заусенцы) появляются в результате затекания металла в трещины формы или стержня. Трещины образуются, главным образом, в результате теплового расширения форм и стержней. Устранение дефекта: использование различных средств, ускоряющих затвердевание метала, в том числе – за счет повышения теплоаккумулирующей способности формы. Например, при изготовлении стальных отливок в смесь вводят пылевидные фракции оксидов железа.

Обвалы образуются из-за разрушения части формы вследствие недостаточной прочности смеси.

Задиры, обжимы появляются в результате неудовлетворительного состояния модельно-опочной оснастки. Задиры возникают при соприкосновении между собой при сборке верхней и нижней полуформ с частичным их разрушением. Обжимы — это результат чрезмерного обжатия некоторых частей формы.

Дефекты поверхности

Песчаными засорами называют дефекты, обусловленные частичным разрушением форм и стержней.

Засоры представляют собой локализованные скопления частиц формовочных материалов, реже — частиц материалов футеровки плавильных агрегатов и шлаковых включений. Их появление чаще всего бывает вызвано несовершенством технологии либо отступлением от нее.

Небрежное хранение и транспортировка форм, в том числе керамических оболочек, приводит к засорению поверхности отливок частицами, занесенными извне. Поэтому перед окончательной сборкой формы обычно продувают сжатым воздухом или используют эжектор, работающий по принципу пульверизатора.

Причиной появления песчаных засоров может быть, кроме того, неудачная конструкция литниковой системы. Так, если струя металла направлена не по касательной к стенкам, а перпендикулярно, форма может разрушаться.

Появление шлаковых включений бывает вызвано тем, что канал литниковой системы не выполняет одну из своих функций — удерживать вкрапления шлака. Сравнительно редко встречаются засоры, обусловленные разрушением футеровки плавильных агрегатов, в частности разрушением при загрузке шихты. Чтобы свести до минимума вероятность появления засоров такого происхождения, надо внимательно осматривать футеровку перед плавкой.

Таким образом, мерами профилактики песчаных засоров являются: строгое соблюдение технологической дисциплины, аккуратная сборка форм, осмотр и очистка форм перед заливкой, рациональное конструирование литниковых систем, тщательный осмотр футеровки плавильных агрегатов.

Ужимины появляются при сырой формовке вследствие разрыва слоя формовочной смеси в зоне конденсации влаги и затекания металла в полость разрыва. Как правило, это происходит при использовании смесей повышенной влажности и на тех участках формы, которые при ее заполнении металлом находятся продолжительное время под воздействием теплового излучения зеркала жидкого металла. Избежать появления ужимин позволяют применение смесей с минимальной влажностью; прошпиливание участков формы, предрасположенных к образованию ужимин; заливка металла в сухие формы.

Спаи (иногда их называют неслитинами) — результат соприкосновения двух потоков охлажденного металла. Поверхности этих потоков из-за низкой температуры не могут слиться. К тому же эти поверхности, как правило, покрыты слоем оксидов, также мешающих слиянию потоков. Основными мерами борьбы со спаями являются: повышение температуры металла; применение формовочных материалов с относительно низкой теплоаккумулирующей способностью; сокращение времени заливки металла, в том числе за счет использования центробежного метода.

Пленами называют дефекты, образующиеся в результате окисления легко окисляющихся легирующих добавок сплава. Окисленный металл в виде плен попадает как внутрь тела отливки, так и на ее поверхность. Предупредить образование плен позволяют плавка и заливка металла в вакууме или в среде нейтральных газов, повышение температуры металла и создание в полости формы восстановительной атмосферы.

Морщинистость (складчатость) — это формирование на поверхности отливки множества беспорядочно расположенных морщин или складок. Причину возникновения дефекта усматривают в скоплении на поверхности формы большого количества углерода, выделяемого при температурном разложении углеводородов, которые входят в состав связующих материалов. Предотвратить морщинистость можно путем уменьшения органических составляющих смеси и улучшением вентиляции формы. Этому способствует также повышение температуры заливаемого металла.

Выпот на чугунных отливках образуется при затвердевании, которое сопровождается увеличением объема при выделении графита. Внутри жидкого металла, заключенного в затвердевшей корочке, возникает повышенное давление, которое «стравливается» прорывом оболочки и образованием поверхностных шарообразных включений. Этот дефект может образоваться за счет повышенного давления газов, интенсивно выделяющихся из сплава при понижении температуры.

Апельсиновая корка — дефект поверхности отливки, вид которого в определенной степени оправдывает его название. Образование дефекта связывают с отделением стенки формы отливки во время затвердевания и повторным расплавлением первоначально затвердевшей корки металла. Меры борьбы с этим дефектом аналогичны применяемым для борьбы с просечками — повышение теплоаккумулирующей способности формы.

Корольками называют дефекты отливок, образованные брызгами металла при заливке в форму. Причин разбрызгивания металла может быть несколько: неправильная конструкция литников системы, неправильное заполнение формы, чрезмерное увлажнение смеси. Образовавшийся из брызг шарик металла затвердевает и попадает на еще не заполненную металлом поверхность формы. Металл шарика может не слиться с металлом отливки.

Коробление отливки, т. е. искажение ее конфигурации, в том числе и геометрии поверхности, происходит из-за возникновения напряжений в отливке и развития необратимых деформационных изменений. Коробление предупреждается равномерным охлаждением отливки до полного остывания.

Трещины

Горячие трещины возникают в отливках в процессе затвердевания при температурах, близких к температуре солидуса, вследствие достижения усадочными напряжениями предела прочности металла. Линейная усадка металла начинает проявляться с момента образования сплошного скелета из сросшихся дендритов поверхностной корки отливки. В этот момент металл обладает очень низкими прочностными и пластическими свойствами. Напряжения, возникающие вследствие торможения линейной усадки, быстро достигают предела прочности, что и приводит к разрушению образовавшегося кристаллического скелета. Трещины носят междендритный характер, поэтому имеют неровный, рваный профиль. Поверхность горячих трещин сильно окислена. Снизить вероятность появления горячих трещин позволяют создание максимально податливой литейной формы; применение сплавов, имеющих более высокий предел прочности при температурах образования трещин; отработка конструкции отливки с точки зрения ее технологичности.

Холодные трещины образуются при температурах, лежащих ниже температуры перехода металла из области пластических деформаций в область упругих (для стали – ниже 620–650 °С, для чугуна – ниже 400–650 °С). В отличие от горячих трещин холодные трещины имеют прямолинейный профиль. В процессе их образования разрушаются как границы зерен, так и сами зерна металла. В зависимости от температуры образования поверхность холодных трещин может иметь цвета побежалости или оставаться совсем неокисленной. Холодные трещины возникают под воздействием внутренних напряжений – термических или фазовых, когда структурные превращения протекают с изменением объема. С холодными трещинами борются путем конструктивного или технологического упрочнения отливки в местах возможного возникновения трещин, а также создания условий равномерного охлаждения всех узлов отливки.

Межкристаллические (межзеренные или сеточные) трещины характерны для отливок из легированных сталей. Они возникают в стальных отливках в результате развития внутренних усадочных напряжений на границах первичных зерен аустенита. На этих границах могут выделяться фазы, достигшие предельной растворимости в аустените. Чаще всего это неметаллические включения сульфидов и нитридов алюминия. Межкристаллические трещины, как правило, образуются внутри отливки, но иногда они могут выходить и на поверхность. При изготовлении стальных отливок для предупреждения этого дефекта снижают содержание в стали серы и азота. Желательно при заливке создать восстановительную атмосферу в форме.

Газовые дефекты

Ситовидная пористость – дефект в виде множества мелких газовых включений, которые могут выходить на поверхность или располагаться в подповерхностных слоях.

Появление ситовидной пористости предупреждают путем уменьшения содержания влаги в форме, применения связующих, не содержащих азот, и создания восстановительной атмосферы в форме.

Газовые раковины – это полости в металле отливки, образованные пузырьками газа. Они возникают вследствие выделения газа из металла или материала формы. Во втором случае обычно образуются открытые газовые раковины, появление которых связано с высокой газотворной способностью формовочного материала и плохой вентиляцией формы (низкая газопроницаемость, недостаточное число вентиляционных каналов).

Вскип – местное поражение отливки газовыми раковинами в результате соприкосновения жидкого металла с участком форм, обладающим повышенной газотворностью. Предотвратить появления вскипания можно, устранив причины, способствующие образованию очагов газотворности в материале формы, и улучшив ее вентиляцию.

Изменение структуры металла

На поверхности отливок из серого чугуна может формировать структуру белого чугуна – отбел. Это явление бывает обусловлено повышенной скоростью охлаждения и пониженным содержанием углерода и кремния в чугуне.

В белом чугуне, наоборот, можно встретить поверхностный слой, имеющий структуру серого чугуна – половинчатость, которая связана с повышенным содержанием углерода и кремния.

Поверхностные слои отливок из высокопрочного чугуна содержат пластинчатые графитовые включения вместо шаровидных. Это явление связывают с насыщением поверхностной пленки металла водородом и кислородом, поступающими из формы. Образующийся при этом оксид магния снижает модифицирующее воздействие магния.

Изменение химического состава

При формировании отливки в поверхностном слое происходят процессы, в результате которых изменяется химический состав этого слоя: окисление, обезуглероживание, науглероживание, обезлегирование, насыщение газами и продуктами взаимодействия с формой.

При изготовлении стальных отливок окислительная атмосфера формы за счет диоксида углерода и воды является обезуглероживающей, восстановительная атмосфера, создаваемая оксидом углерода и метаном, – науглероживающей.

Атмосфера, образующаяся при термодеструкции синтетических смол, которые используются в качестве связующих материалов, является сугубо науглероживающей. В отличие от нее газовая фаза, возникающая при заливке металла в жидкостекольные формы, является окислительной, т. е. обезуглероживающей.

Если при охлаждении поверхность отливки отходит от стенки формы вследствие усадки, то наряду с науглероживанием поверхности в первые моменты затвердевания возможно обезуглероживание за счет кислорода воздуха, попадающего в зазор между отливкой и формой.

Обезлегирование при литье по выплавляемым моделям происходит за счет взаимодействия легирующих элементов с оксидами кремния материала формы. Глубина обезлегированного слоя зависит от материала формы, толщины стенок отливки и температуры заливаемого металла.

Обезлегирование можно в значительной степени подавить снижением содержания силикатного связующего в оболочке, использованием в качестве огнеупорной основы материалов, не содержащих диоксида кремния, ускоренным охлаждением в период взаимодействия отливки с формой, понижением температуры формы и металла, а также поверхностным легированием путем ввода в огнеупорную суспензию солей соответствующих элементов.

Внутренние дефекты

Усадочные раковины и усадочная пористость образуются в отливках в результате сокращения объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое.

Эффективных средств борьбы с рассеянной усадочной пористостью практически нет. Этот вид внутренней несплошности металла можно заметно сократить, уменьшая размеры области затвердевания путем повышения скорости затвердевания за счет использования формовочных материалов с повышенной теплоаккумулирующей способностью.

При литье под давлением рассеянная пористость значительно меньше по сравнению с литьем тех же сплавов в песчаные формы.

Если по каким-либо причинам усадочная пористость недопустима, подыскивают другой сплав, обладающий аналогичными эксплуатационными свойствами, но имеющий меньший температурный интервал кристаллизации.

Причиной развития внутренних газовых дефектов, как правило, является нарушение технологии выплавки и, гораздо реже, взаимодействие расплава с материалом формы. При стационарной заливке титановых сплавов взаимодействие между металлом и формой является основной причиной газовой пористости.

Ликвация – это явление химической неоднородной в различных точках отливки, обусловленное процессом кристализации.