Методы профилактики дефектов отливок из серого чугуна

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение высшего образования

Волгоградский государственный аграрный университет

Кафедра «Эксплуатация и технический сервис машин в АПК»

Л.В. КОСТЫЛЕВА, Д.С. ГАПИЧ

В.А. МОТОРИН, А.В. ГРИБЕНЧЕНКО

МЕТОДЫ ПРОФИЛАКТИКИ ДЕФЕКТОВ

ОТЛИВОК ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА

Учебное пособие

Волгоград

Волгоградский ГАУ

2018

УДК 621.7
ББК 34. 323
М-54 

Рецензенты:

доктор технических наук, доцент, старший научный сотрудник отдела 
оросительных 
мелиораций 
ФГБНУ 
«Всероссийский 
научно
исследовательский институт орошаемого земледелия» А.Е. Новиков;
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технические системы в 
АПК» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» Е.А. Назаров

М-54
Методы профилактики дефектов отливок из серого чугуна:
учебное пособие / Л. В. Костылева, Д. С. Гапич, 

В.А. Моторин, А.В. Грибенченко. – Волгоград: ФГБОУ 
ВО Волгоградский ГАУ, 2018. – 92 с.

В пособии излагается методика идентификации литейных де
фектов в чугунных отливках, которая содержит описание морфологических признаков дефекта, возможные причины возникновения, меры 
профилактики и наиболее типичные ошибки.

Пособие предназначено обучающимся по направлениям подго
товки: 35.03.06 «Агроинженерия», 44.03.04 «Профессиональное обучение», 20.03.01 «Техносферная безопасность», 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 13.05.01 «Тепло- и электрообеспечение 
специальных технических систем и объектов».

УДК 621.7

ББК 34. 323

© ФГБОУ ВО «Волгоградский го
сударственный аграрный университет», 2018

© Авторы, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ...............................................................................................
5

Глава 1. Диагностика и профилактика дефектов отливок 
из серого чугуна металлургического происхождения .................
7

1.1. Методика работы с литейным браком .........................................
7

1.2. Характеристика дефектов литья ................................................... 11
1.2.1. Дефекты напряженного состояния ........................................... 11
1.2.2. Трещины от напряжений светлые ............................................. 13
1.2.3. Трещины от напряжений окисленные ...................................... 16
1.2.4. Коробление .................................................................................. 20
1.2.5. Дефекты усадочного происхождения ....................................... 21
1.2.6. Горячие трещины (кристаллизационные) ................................ 22
1.2.7. Усадочная раковина концентрированная ................................. 23
1.2.8. Усадочная рыхлота (пористость) .............................................. 26
1.2.9. Газовые раковины ....................................................................... 29
1.2.10. Газовые раковины светлые ...................................................... 30
1.2.11. Газовые раковины окисленные ............................................... 33
1.2.12. Газовые раковины с цветами побежалости ............................ 35
1.2.13. Пористость подкорковая .......................................................... 38
1.2.14. Пузыри подкорковые крупные ................................................ 42
1.2.15. Шлаковые раковины ................................................................. 45
1.2.16. Газовоусадочные раковины ..................................................... 48
1.3. Дефекты, ошибочно относимые к литейным .............................. 50
1.3.1. Выкрашивание закаленного слоя .............................................. 51
1.3.2. Газовая пористость закаленного слоя ....................................... 53
Глава 2. Дефекты ответственных отливок моторной 
группы. Основные ошибки при профилактике брака ................ 56
2.1. Головки цилиндров ....................................................................... 56
2.1.1. Трещины от напряжений окисленные и светлые .................... 56
2.1.2. Усадочные раковины .................................................................. 58
2.1.3. Пузыри подкорковые крупные .................................................. 61
2.2. Блоки цилиндров ........................................................................... 63
2.2.1. Трещины от напряжений светлые и окисленные .................... 63
2.2.2. Усадочные раковины .................................................................. 67
2.2.3. Усадочные рыхлоты. Течь при гидроиспытаниях ................... 67
2.2.4. Пузыри подкорковые крупные .................................................. 68
2.3. Гильза цилиндров .......................................................................... 70

2.3.1. Трещины от напряжений ........................................................... 70
2.3.2. Усадочные рыхлоты ................................................................... 71
2.4. Корпус гидрораспределителя ....................................................... 74
2.5. Газовоусадочные раковины (эффект Леонарда) ......................... 74
Глава 3. Исследование некоторых трудноустраняемых 
дефектов чугунного литья ................................................................ 77
3.1. Трещины от напряжений ............................................................... 77
3.2. Газовоусадочные дефекты ............................................................ 81
3.3. Несоответствие металла по структуре и свойствам ................... 83
3.3.1. Затрудненная обрабатываемость резанием при 
нормальной твердости и отсутствии отбела ...................................... 83
3.3.2. Снижение прочности из-за дендритной полосчатости 
микроструктуры .................................................................................... 86
Заключение .......................................................................................... 89
Список использованной литературы .............................................. 90

ВВЕДЕНИЕ

Литейные пороки, обнаруженные непосредственно в цехе или у 

потребителя отливок после механической обработки и даже в окончательно собранном изделии, независимо от того, приводят ли они к 
окончательному браку или требуют сложного и трудоемкого исправления, всегда служат поводом для серьезных разногласий, т.к. вызывают существенные потери в сфере производства и эксплуатации.

Чаще всего брак литья возникает в результате одновременного 

воздействия нескольких причин, неблагоприятное сочетание которых 
иногда, даже при хорошо отлаженной технологии, вызывает «вспышки» массового брака, знакомые многим литейщикам из собственного 
опыта, поэтому было бы, скорее всего, неправильным указывать для 
каждого дефекта какую-либо конкретную причину. Однако, безусловно, существуют наиболее вероятные и наиболее частные, так называемые главные, причины возникновения каждого из рассматриваемых в настоящем пособии дефектов.

В тексте они помечены звездочками.
Для успешной работы с браком очень важно профессиональное 

умение безошибочно идентифицировать дефекты и выявлять основные причины их образования.

Каждый дефект, рассмотренный в данном пособии, именуется 

своим традиционным названием, иногда отличающимся от стандартного, но обязательно напоминающим о более или менее спорном и 
неоднозначном характере его происхождения.

Принятая классификация дефектов не имеет цифрового кодирова
ния, т.к. охватывает только некоторые виды литейного брака и существенно отличается от рекомендаций ГОСТ большей детализацией, что по 
нашему мнению диктуется реальной необходимостью. Например, такой 
дефект как газовые раковины разделен на пять видов; в самостоятельной 
вид выделены газовоусадочные раковины и шлакогазовые; трещины от 
напряжений разделяются на светлые и окисленные.

Анализ охватывает только наиболее сложные, с точки зрения 

правильной идентификации и профилактики, литейные дефекты и не 
отводит места, так называемым, банальным видам брака, таким как 
обвал, перекос, недолив, пригар и др.

Описание дефектов выполнено на разборе их морфологических 

признаков, поддающихся наблюдению невооруженным глазом, т.е. в основу идентификации положены такие критерии как внешний вид, форма, особенности расположения, размеры, цвет, блеск и др., позволяющие 
в подавляющем большинстве случаев безошибочно относить дефект к 
тому, или другому виду и определить первоочередные меры борьбы.

В разделах «характеристика дефектов» в каждом, где это только 

было возможно, случае отмечается главный специфический, присущий только этому дефекту, морфологический признак, выделяемый в 
тексте крупным шрифтом. Наряду с этим, в пособие включены данные специальных исследований, раскрывающие истинную природу 
некоторых дефектов.

Все рекомендации атласа основаны на материалах многолетних 

исследований, выполненных в лабораториях институтов и заводов,
большая часть из них под руководством профессора, доктора наук 
Ильинского Владимира Александровича, и сверены с национальным 
опытом классификации и профилактики литейных дефектов американского, французского, немецкого и польского обществ литейщиков.

ГЛАВА 1 ДИАГНОСТИКА И ПРОФИЛАКТИКА 
ДЕФЕКТОВ ОТЛИВОК ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА 
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

1.1 МЕТОДИКА РАБОТЫ С ЛИТЕЙНЫМ БРАКОМ

Данное пособие литейных дефектов является средством, облег
чающим специалисту с помощью системного научного подхода поиск 
правильного диагноза брака, и не должно рассматриваться как исчерпывающее собрание указаний на все случаи жизни.

Учитывая тот факт, что в подавляющем большинстве случаев 

явления, вызывающие брак отливок значительно более сложны, чем 
это может показаться неискушенному человеку, эффективная работа 
по ликвидации дефектности литья требует знания основ теоретического и практического металловедения, теории металлургический 
процессов, теории кристаллизации, физической химии и, конечно же, 
технологии литейного производства.

Другими словами, успешное овладение данной методикой зави
сит от того, кто ею будет пользоваться, но она намечает научные направления анализа в той важной области литейного производства, где 
до настоящего времени преобладают, так называемые, эмпирические 
методы проб, затрудняющие выполнение главной задачи – профилактики дефектов литья.

При работе с литейным браком успех во многом определяется 

способностью специалиста наблюдать, делать логические выводы из 
наблюдаемых явлений и определять перечень дополнительных параметров, необходимых и достаточных для полной и правильной классификации дефекта и методов его профилактики.

Правильное определение нарушений технологического процесса, 

приводящих к появлению того или иного литейного дефекта, часто затруднено внешним сходством принципиально различных дефектов, требующих, как правило, индивидуальных профилактических мероприятий.

При возникновении в цехе литейного брака технолог обязан по
следовательно пройти следующие основные этапы анализа дефекта 
прежде, чем приступать к корректировке технологии.

Предварительная формулировка проблемы

Если, оценивая дефектную отливку, можно, например, отметить, 

что в отливке № 1 имеются холодные трещины, образующиеся только 
в строго определенном месте, каждый раз совпадающие с использованием в шихте хромистого чугуна, боя изложниц и повышенного количества стального лома, металл достаточно перегрет и температура за

ливки чугуна выше 1380оС, то это означает, что существуют явные 
пути эффективности корректировки технологии, которая может привести к положительному результату.

Естественно, необходима уверенность в том, что данные холод
ные трещины не являются боем в результате небрежности при транспортировке и перегрузках отливок.

В данном случае формулировка проблемы полная, включающая 

в себя необходимые и достаточные для анализа и коррекции технологии параметры.

Следует исключить использование хромистых чугунов и боя из
ложниц в шихте, оптимизировать химический состав чугуна и положительный эффект в большей или меньше мере проявится.

Если сформулировать проблему так: «В отливке № 1 имеются 

трещины шириной 0,05 мм и глубиной 5-8 мм в количестве не более 1 
шт.», то такая информация, несмотря на количественные характеристики дефекта, не содержит необходимых данных, обеспечивающих 
решение проблемы. Эта формулировка не эффективна.

Еще пример: «В отливки № 2 имеются раковины неправильной 

формы с шероховатой поверхностью». Формулировка не эффективна.

Если же специалист имеет основание сформулировать проблему 

так: «В отливке № 2 в зоне местного утолщения сечения, иногда появляются раковины неправильной формы с шероховатой, окисленной 
поверхностью», то формулировка проблемы является эффективной, 
хотя и не полной. Мы, например, не знаем, влияет ли на образование 
данных раковин химический состав чугуна и температура заливки, т.е. 
информации для корректировки технологии недостаточно и неизвестно, что это за дефект и почему он возникает не в 100% случаев, а 
лишь иногда. Следовательно, необходим дальнейший анализ.

Диагностика дефекта

Путем сравнения брака с помещенными в атласе иллюстрациями, 

описаниями дефекта, причинами происхождения, методами профилактики и наиболее частыми ошибками в их устранении необходимо правильно классифицировать данный дефект чугунной отливки. Это иногда 
является довольно сложной задачей из-за чисто внешнего сходства некоторых принципиально различных дефектов. Например, газовые раковины, имеющие светлую неокисленную поверхность, могут образоваться от выделения водорода, из влаги формы или ковша, азота из термореактивных смол и, частично, окиси углерода. А такие же по размеру и 
форме газовые раковины, имеющие светлую поверхность, слегка окрашенную цветами побежалости, свидетельствуют об излишней окислен

ности жидкого чугуна в результате использования ржавой шихты, взаимодействия углерода чугуна с окислами железа в формовочных материалах или шлаке. Меры их профилактики различны, различны и причины происхождения, хотя чисто внешне дефекты почти идентичны.

Пользуясь приведенными характеристиками дефектов и их ил
люстрациями как эталонами сравнения и, последовательно исключая 
те дефекты, морфологические признаки которых отличаются от анализируемого, можно найти единственный правильный ответ на вопрос, что представляет собой данный дефект.

Например, в ранее рассмотренном случае: «В отливке №2, в зо
не местного утолщения сечения, иногда появляются раковины неправильной формы с шероховатой окисленной поверхностью»:

1) путем сравнения внешнего вида дефектов с помещенными в 

пособии иллюстрациями находим, что данный дефект напоминает 
рис. 1.13, рис 1.14 и рис 1.44;

2) анализ морфологических признаков на отливке №2 показал, 

что в полости дефекта не содержится инородных включений, и поверхность раковины имеет следы выступающих дендритов, следовательно, дефект рис. 1.44 должен быть исключен из анализа и в дальнейшем продолжать сравнение с рис. 1.13 и рис. 1.14;

3) анализируемый дефект располагается в термическом узле от
ливки, по форме и рельефу поверхности может быть идентифицирован с рис. 1.14, т.е. с усадочной раковиной.

На данной стадии диагностики еще нельзя делать однозначный 

вывод о причине дефекта, так как почти любой дефект иметь множество (до 30) различных причин происхождения.

Поэтому характеристика дефекта должна быть существенно до
полнена путем сбора (запроса) недостающих для анализа факторов. 

Поиск недостающих фактов

Эти дополнительные данные собираются в процессе изучения 

качественных признаков дефекта и поиска ответа на такие вопросы 
как: «В каком месте? Как часто? Почему? Кто?»

Например, усадочная раковина имеет вид открытой полости со 

стороны, противоположной подводу питателя. Возможно существенное охлаждение металла, протекающего вначале через тонкостенные 
элементы отливки, и, вследствие этого плохая «подпитка» толстостенного сечения. Нарушено «золотое» правило литейщиков: «Лей в 
прибыль», т.е. не обеспечены условиями направленного затвердевания. (Почему?) 

Литниково-питающая система используется длительное время, а 

дефект возникает периодически, хотя температура заливки колеблется 
весьма существенно и не обнаруживает значимого влияния на вспышки брака. (Как часто?)

Мастер плавки допускает завалку шихты без предварительного 

взвешивания компонентов, в результате чего химический состав и 
прочностные свойства металла изменяются в недопустимо широких 
пределах и вспышки брака совпадают с периодами плавки «жестких» 
сортов чугуна. (Кто?)

После завершений стадий 2 и 3 можно поставить проблему та
ким образом, чтобы формулировка стала полной, и таким путем продвинуться к правильному решению задачи.

Уточненная формулировка проблемы

В новой постановке, после анализа дополнительных факторов, 

проблема может звучать так: «В отливке № 2 в удаленной от места 
подвода питания массивной части образуются усадочные раковины, 
появление которых не зависит от технологический колебаний температуры и всякий раз сопровождается применением доменных чугунов 
определенного завода-поставщика и «жесткой шихты».

Проверка найденного решения

Наиболее серьезная ошибка литейщиков-практиков состоит в 

том, что, надеясь на собственный опыт, многие из них приступают к 
проверке минуя первые 4 этапа анализа, т.е. не зная точной природы 
дефекта. Почти в 90 % случаев перескакивание через предварительные стадии обходится производству очень дорого, затягивает время 
ликвидации брака, подрывает авторитет специалиста и веру в его 
профессионализм.

Проверка должна осуществляться исходя из принципа нанесе
ния минимального возможного ущерба производству.

Например, в данном случае следует проанализировать все отливки 

или отливки-представители от забракованных в различные периоды 
партий литья, уделив особое внимание содержанию в чугуне углерода, 
кремния, фосфора и карбидообразующих элементов – хрома ванадия, 
марганца. Сравнить полученные данные с аналогичными результатами 
исследования годных (или забракованных по другим причинам) отливок 
и зафиксировать обнаруженную разницу. Проанализировать сочетаются 
ли материалы Ваших исследований с уточненной формулировкой проблемы. Это дает возможность убедиться в значимости влияния на возникновение дефекта шихты и химического состава чугуна.

Если предлагаемое решение показывает, что вы действуете пра
вильно, нужно переходить к стадии 6. и 7.

Моделирование условий возникновения брака

В общем случае данная стадия работы специалиста, строго говоря, 

не может считаться обязательной, поскольку она изначально предполагает получение партии дефектных отливок и уже этим наносит производству ущерб. Вместе с тем данный этап работы несомненно относится 
к наиболее квалифицированной части общей работы технолога – литейщика по профилактике брака, ставя по существу последнюю точку в деле раскрытия причин происхождения того или иного дефекта литья.

Способность специалиста моделировать условия возникновения 

брак по желанию, воспроизводя данный конкретный вид литейного 
дефекта в отливке, является свидетельством его высокой квалификации и служит необходимым и достаточным признаком того, что исчезновение брака или его снижение на каком-то этапе экспериментов 
не является следствием случайных или же не учтенных факторов. 
Можно вносить коррективы в технологию.

Корректировка технологического процесса

В данном случае с отливкой №2 в технологии необходимо рег
ламентировать состав и количество компонентов шихты и химический 
состав чугуна в направлении повышения содержания углерода, снижение хрома и марганца. Изменить литниковую систему таким образом, чтобы обеспечить направленное затвердевание отливок, т.е. 
обеспечить постоянную подпитку массивного элемента отливок.

Прекратить использование чушковых чугунов с отрицательной 

наследственностью того завода – поставщика, при использовании которых возникает брак. Таким образом, поверхностных решений, основанных только на внешнем виде дефекта, следует избегать до тех пор, пока 
не получены соответствующие данные для определения наиболее вероятной причины происхождения дефекта и метода его устранения. Предлагаемое пособие несомненно может оказать специалистам помощь в 
данном вопросе при пользовании его в качестве справочного материала.

1.2 ХАРАКТЕРИСТИКА ДЕФЕКТОВ ЛИТЬЯ

1.2.1 Дефекты напряженного состояния отливок

При любой, практически даже самой простой, конфигурации 

отливки невозможно (или почти невозможно) достигнуть равномерного охлаждения всех ее элементов, вследствие чего переход их после 
затвердевания 
из 
пластической 
области 
в 
область 
упруго
пластического и упругого состояния происходит не одновременно, 
наводя, в общем случае, в более массивных элементах остаточные 
растягивающие напряжения, а в более тонких сжимающие.

Для исследования остаточных напряжений используют специаль
ную технологическую пробу – усадочную решетку. Центральное массивное ребро в ней подвергается растягивающим напряжениям, уровень
которых при определенной геометрии может превысить предел прочности чугуна при растяжении. В последнем случае происходит разрыв центрального ребра, как правило, в интервале температур от 580оС до 20оС. 
В этом же температурном интервале разрушаются и реальные отливки с 
высоким уровнем остаточных напряжений. При напряжениях меньших 
предела прочности разрушения отливок не происходит, но зачастую в 
них развивается такой дефект, как коробление, который, сохраняясь после механической обработки, приводит к окончательному браку.

Поскольку коробленые базовые поверхности чугунных отливок 

деформируются при сборке, в них могут возникнуть уже монтажные 
напряжения равного или противоположного с остаточными знака. При 
суммировании растягивающих остаточных и монтажных напряжений 
может произойти разрушение, казалось бы, годной детали при сборке 
изделия или в процессе его эксплуатации.

Наиболее типичным примером отливок подобного типа могут 

служить головки цилиндров дизелей, разрушающиеся при затяжке 
шпилек крепления или в процессе обкатки двигателя из-за коробления 
привалочной плоскости. При этом контроль коробления сразу же после механической обработки не дает объективных результатов, т.к. 
коробление развивается во времени, вследствие чего разрушение детали при сборке или обкатке порождает недоумение и необоснованные требования к литейщикам повысить прочностные характеристики 
чугуна. Однако данную рекомендацию не следует безоговорочно принимать к исполнению, так как во многих случаях применения более 
прочного чугуна может ухудшить положение из-за большей склонности к короблению таких отливок.

Радикальными мерами литейной технологии в подобных случа
ях служит соблюдение режимов искусственного старения отливок, а 
при механической обработке – уменьшение глубины подачи и скорости резания.

Таким образом, дефекты напряженного состояния проявляются 

в короблении отливок или в появлении трещин в максимально напряженных местах, положение которых определяется геометрией отливок 
и всегда закономерно локализовано. В соответствие с температурным 
интервалом разрушения отливок различают трещины от напряжений 
светлые и трещины от напряжений окисленные. И те, и другие являются холодными трещинами, образование которых происходит в области упругого состояния чугуна.