Дефекты отливок и их исправление

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.

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.

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.

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.

Организация контроля качества

Контроль качества начинается с входного контроля материалов и комплектующих изделий, поступающих на завод. В литейных цехах входному контролю подвергают все шихтовые и формовочные материалы. Металлические материалы контролируют на содержание основных элементов и примесей, определяют наличие в них неметаллических включений; формовочные пески контролируют по влажности, зерновому составу и т. д. В соответствии с техническими условиями обязательно проверяют соответствие свойств глины, связующих добавок для формовочных и стержневых смесей.

При приготовлении формовочных и стержневых смесей проводят систематический контроль прочности (сырой и сухой), газопроницаемости, влажности, а для формовочных смесей также содержания пылевидной составляющей, глинистых и органических составляющих (потери при прокаливании), влияющих на пластические свойства, газопроницаемость и газотворную способность смесей.

При выплавке чугуна химический состав контролируют двумя способами: на вакуумном спектрометре (длительность анализа 3 мин) и путем определения углеродного эквивалента по кривой охлаждения чугунного образца (длительность 2,5 мин).

Температуру чугуна в плавильных печах контролируют оптическим пирометром, а также термопарой погружения с регистрацией показаний на самопишущем приборе. Температуру заливки контролируют, начиная с выпуска металла из раздаточной печи в первый ковш, и проверяют через каждые 2–5 ковшей, а на ответственных отливках (блок цилиндров, седла клапанов) в каждом ковше. Если температура ниже заданной, ковш возвращают в плавильное отделение и металл сливают обратно в печь для доводки по температуре, а если выше, то выдерживают до охлаждения его до заданной температуры.

Для определения механических свойств чугуна отливают пробы, из которых вырезают образцы.

Контроль температуры чугуна в ковшах, отбор проб на химический анализ, структуру, излом, механические свойства выполняет контролер, который фиксирует результаты в журнале.

При приемке отливок применяют два вида контроля: сплошной и выборочный. Сплошному контролю подвергают ответственные отливки: блок цилиндров, головку блока, коленчатый вал, шестерни, полуось заднего моста и т. д., а выборочному — другие менее ответственные отливки. Если при выборочном контроле хотя бы на одной отливке обнаружен критический дефект (раковина, трещина, неметаллические включения), то всю партию подвергают сплошному контролю.

Годные отливки отправляют на склад с сопроводительным талоном качества.