Механизм образования и меры предотвращения дефектов чугунных и стальных отливок

УДК 331.4(075.8)
ББК 65.247я73

К68

Рецензент:

кандидат технических наук,

технический директор МПП «Солитус» Р.Н. Палавин

Коровин В.А.

К68
Механизм образования и меры предотвращения дефектов чугунных

и стальных отливок : учебное пособие / В.А. Коровин, И.О. Леушин. —
М. : ФОРУМ; НИЦ ИНФРАМ, 2019. — 111 с. — (Высшее образование:
Бакалавриат).

ISBN 9785911346768 (ФОРУМ)
ISBN 9785160061245 (НИЦ ИНФРАМ)

Рассмотрены основные причины происхождения пороков отливок,

а также механизм их образования. Кроме того, проанализированы меры по
устранению дефектов отливок. Пособие предназначено для студентов специальностей «Литейно производство  черных  и  цветных  металлов»,
«Машины и технология литейного производства».

УДК 331.4(075.8)
ББК 65.247я73

ISBN 9785911346768 (ФОРУМ)
ISBN 9785160061245 (НИЦ ИНФРАМ)

© Коровин В.А., Леушин И.О., 2013
© Издательство «ФОРУМ», 2013

Введение

Первостепенными задачами литейщиков являются повышение
качества отливок и снижение потерь от брака, существенно удорожающих продукцию. Во многих отраслях машиностроения удельный
вес брака литейных цехов в общей стоимости заводского брака составляет 40—45 % и выше.
Качество отливок зависит от множества факторов, связанных со
сложными физикохимическими явлениями, сопровождающими
процесс получения отливки. Отливка формируется под комплексным
влиянием гидравлических, кристаллизационных, тепловых, усадочных и других процессов.
Условия для образования дефектов могут появиться на всех этапах производства, начиная с проектирования отливки. Особенно ответственным является этап проектирования технологического процесса. От правильного расположения отливки в форме, конструкции
литниковой системы, наличия и расположения холодильников, прибылей и от других факторов зависят условия для направленной кристаллизации и получения плотного металла отливок. Существенное
значение имеют правильно выбранные параметры технологического
процесса: температура и скорость заливаемого металла, составы формовочных и стержневых смесей, режимы термообработки и т. д.
Влияют на качество отливки уровень технологической дисциплины и
профессионализм производственников (мастеров, формовщиков,
стерженщиков, плавильщиков, заливщиков). В значительной степени
качество отливок зависит и от качества исходных материалов (шихтовых, формовочных и др.).
Многообразие видов дефектов и причин, их вызывающих, создает сложноразрешимые проблемы даже для опытного специалисталитейщика. Разнообразные дефекты могут быть вызваны одной и той
же причиной, и, наоборот, разные причины приводят к образованию

того или иного дефекта. При разработке мер по предотвращению появления дефектов необходимо учитывать, что изменение условий
формирования отливки с целью устранения одного дефекта может
привести к образованию другого дефекта, поэтому для успешной
борьбы с дефектами необходимо знать механизмы их образования,
причины возникновения и меры их предупреждения.
В данном учебном пособии приводится систематизированное изложение этих вопросов применительно в основном к отливкам из
черных сплавов, получаемых в песчаноглинистых формах, но, учитывая, что отливкам из разных сплавов в принципе свойственны одинаковые причины образования большинства дефектов, можно считать изложенные подходы к образованию дефектов общими для отливок из разных сплавов.

4
Введение

Глава 1
КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ ОТЛИВОК

Дефектом, согласно ГОСТу 15467—79, называют каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям. Изделие, имеющее хотя бы один дефект, является дефектным.
В зависимости от возможности обнаружения дефекты могут быть
явными и скрытыми.
Явным дефектом считается дефект, обнаруженный при внешнем
осмотре или с помощью соответствующих правил, методов и средств,
предусмотренных нормативной документацией контроля. Например,
расположенная внутри отливки газовая раковина может быть обнаружена какимлибо методом дефектоскопии, предусмотренным нормативной документацией (например, радиационным или ультразвуковым методами).
Скрытым дефектом называется дефект, выявляемый методами,
не предусмотренными нормативной документацией. Та же газовая
раковина, расположенная внутри отливки, будет скрытым дефектом,
если в нормативной документации предусмотрен только визуальный
контроль и не предусмотрены другие методы.
В зависимости от возможности использования продукции по назначению дефекты делятся на критические, значительные и малозначительные.
Критический дефект — это дефект, при наличии которого использование отливки по назначению практически невозможно или
недопустимо (например, наличие трещины в отливке ответственного
назначения может вызвать аварийную ситуацию).
Значительным дефектом является дефект, который существенно
влияет на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность, но не является критическим.

Малозначительный дефект существенно не влияет на использование продукции по назначению и ее долговечность.
В зависимости от возможности устранения дефекта различают
устранимые и неустранимые дефекты.
Устранимым дефектом является дефект, устранение которого
технически возможно и экономически целесообразно.
Если устранение дефекта технически невозможно или экономически нецелесообразно, то он является неустранимым дефектом.
Приведенная классификация дефектов необходима для персонала службы технического контроля при решении вопросов приемки
готовых отливок. Однако она совершенно не отражает внешних признаков дефектов, причин и механизмов их образования. Этим принципам отвечают две основные системы классификации:
1) по общности физических и физикохимических явлений, в результате которых возникают те или иные дефекты (например, дефекты усадочного происхождения);
2) по внешним признакам дефекта в соответствии с ГОСТом
19200—80.
Следует заметить, что этот ГОСТ в определении понятия дефекта
содержит кроме его внешних признаков, как правило, основное физикохимическое или другое явление, приводящее к образованию дефекта.
Далее рассматривается классификация дефектов отливок в соответствии с ГОСТом 19200—80, устанавливающим термины и определения основных понятий дефектов отливок из чугуна и стали. Данный ГОСТ содержит стандартизованные термины, обязательные для
применения в документации всех видов, и приводит недопустимые к
применению терминысинонимы, широко распространенные на производстве и встречающиеся в технической литературе. Недопустимые
к применению термины обозначены в стандарте и в пособии «ндп».
В ГОСТ 19200—80 включены 50 видов дефектов (каждый дефект в
ГОСТе имеет определенный номер (с 1 по 50). Дефекты по своим
внешним признакам объединены в пять групп:
I. Несоответствие по геометрии.
II. Дефекты поверхности.
III. Несплошности в теле отливки.
VI. Включения.
V. Несоответствие по структуре.

6
Глава 1. Классификация дефектов отливок

Глава 2
ДЕФЕКТЫ, СВЯЗАННЫЕ С НЕСООТВЕТСТВИЕМ
ПО ГЕОМЕТРИИ

В группу «Несоответствие по геометрии» входят 14 видов дефектов, ведущих к нарушению формы, неточности размеров и массы отливок.

2.1. Недолив и неслитина

Недолив (ндп.: стек) — неполное образование отливки вследствие
незаполнения полости формы металлом при заливке. Образуется в
местах, наиболее удаленных от места подвода металла в полость формы, в тонких стенках отливки.
Неслитина (ндп.: неспай — дефект в виде произвольной формы
отверстия или сквозной щели в стенке отливки, образовавшийся
вследствие неслияния потоков металла изза пониженной жидкотекучести при заливке.
Недолив может быть двух типов: истинный недолив полости формы металлом или частичное вытечение металла из формы после ее заполнения (рис. 1).
Дефекты первого типа расположены обычно в наиболее удаленных от питателя частях отливки и характерны для тонкостенных отливок сложной конфигурации. Они образуются при заливке металла
с недостаточной жидкотекучестью.
Для дефектов второго типа характерна незаполненная часть отливки в виде полости, ограниченной тонкими стенками с острыми
краями. Полости расположены в массивных частях отливки, затвердевающих в последнюю очередь. Вытекание металла может произойти через некоторое время после заливки формы, особенно если металл был сильно перегрет.
Недолив легко определяется визуально после очистки отливок от
формовочной смеси, при этом нетрудно увидеть место вытекания металла.
Если при заполнении формы встречные потоки металла, поступающие из различных литников или частей формы, не сольются, то
на отливке образуется произвольной формы щель. Этот дефект называется неслитиной (рис. 2).
Оба дефекта обусловлены низкой жидкотекучестью металла или
неудачной конструкцией литниковой системы.

8
Глава 2. Дефекты, связанные с несоответствием по геометрии

Рис. 1. Недолив: а и в — недолив в результате недостаточной жидкотекучести (холодный металл); б — недолив вследствие частичного вытекания металла из залитой формы

Рис. 2. Неслитина

Жидкотекучесть определяет способность металлов и сплавов в
расплавленном состоянии заполнять полость формы и точно воспроизводить очертания отливки. Течение металла и сплава только под
статическим напором продолжается до тех пор, пока его температура
не достигнет так называемой температуры нулевой жидкотекучести.
Нулевая жидкотекучесть сплава наступает при температуре, лежащей
в интервале ликвидус—солидус, в момент, когда вязкость резко возрастает вследствие образования определенного количества твердой
фазы. Жидкотекучесть λ, мм, определяется длиной пути, который
проходит жидкий металл в стандартных технологических пробах:

λ
τ
=
⋅
V
,

где V — средняя скорость течения металла по каналу пробы, мм/с;
τ — время течения металла до момента достижения им температуры нулевой жидкотекучести tн.ж (температуры начала линейной усадки Tн.л.у), с;
tн.ж (tн.л.у) — температура, лежащая между ликвидусом и солидусом, при которой образуется непрерывная твердая фаза и металл теряет способность течь.
Различают жидкотекучесть истинную, определяемую при постоянном перегреве сплавов при температуре нулевой жидкотекучести,
практическую — при постоянной температуре заливки и условноистинную — при одинаковом перегреве над температурами ликвидуса.
Для оценки жидкотекучести Ю.А. Нехендзи предложил следующее эмпирическое соотношение:

λ
ρ
=
−
+
−
А c t
t
mL
t
t
(
)
(
)

з
н.ж

м
ф
,

где А — постоянная величина, характеризующая условия теплоотвода
от металла в форму;
ρ — плотность сплава;
С — удельная теплоемкость сплава;
t3 — температура заливки металла;
tм — температура металла в форме;
tф — температура формы;
L — скрытая теплота кристаллизации сплава;
т — относительное количество закристаллизовавшегося сплава
при tн.ж.

2.1. Недолив и неслитина
9

При отработке технологии получения сложных отливок может
быть определено минимальное значение жидкотекучести, при которой еще можно получить годную отливку.
Природа жидкотекучести очень сложна и зависит от многих факторов, которые можно разделить на три группы.
1. Свойства и строение металлов и сплавов в жидком состоянии
(особенность кристаллизации и строения образующейся твердой
фазы, вязкость, поверхностное натяжение, наличие примесей и др.).
2. Свойства формы (теплопроводность, шероховатость поверхности, газопроницаемость и др.).
3. Условия заливки.
Рассмотрим эти факторы. Известна определенная связь между
жидкотекучестью и характером кристаллизации. Вещество в температурном интервале кристаллизации может быть в двух состояниях:
жидкотвердом и твердожидком. Установлено, что при интенсивном
развитии дендритной кристаллизации потеря жидкотекучести наступает даже при незначительном количестве твердой фазы. Количество
твердой фазы, при котором наступает нулевая жидкотекучесть, зависит от строения и размеров первичных кристаллов. В обычных условиях заливки нулевая жидкотекучесть стали и чугуна наступает соответственно при содержании 20 и 30 % твердой фазы. В связи с тем,
что жидкотекучесть в интервале от температуры ликвидуса до температуры нулевой жидкотекучести очень мала, заполнение формы металлом в этом интервале температур практически невозможно, особенно сталью и доэвтектическим чугуном.
Чистые металлы и большинство эвтектических сплавов затвердевают с резко очерченным фронтом кристаллизации и характеризуются лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердый раствор и кристаллизующиеся в интервале температур.
Повышение температуры заливки увеличивает жидкотекучесть
всех сплавов, поэтому перед заливкой их перегревают.
На рис. 3 показана линия нулевой жидкотекучести (штрихпунктирная) в зависимости от состава (углеродного эквивалента) железоуглеродистых сплавов. Линия А—В—С — линия ликвидуса, линия
А—Н—J—Е—С — линия солидуса. Повышение температуры заливки
увеличивает жидкотекучесть всех сплавов, поэтому перед заливкой их
перегревают. Рекомендуемые температуры заливаемых сплавов на рисунке показаны штриховыми линиями.

10
Глава 2. Дефекты, связанные с несоответствием по геометрии

Чем тоньше стенка, тем выше должен быть перегрев для обеспечения заполняемости формы. В табл. 1 приведены практические данные о рекомендуемых температурах заливки для чугуна и стали при
различных толщинах стенок отливок.

2.1. Недолив и неслитина
11

Рис. 3. Влияние состава железоуглеродистых сплавов на их жидкотекучесть и рекомендуемые температуры заливки сплавов:
1 — углеродистая сталь; 2 — графитизированная сталь; 3 — ковкий чугун; 4 — модифицированный серый чугун; 5 — серый чугун; 6 — нулевая жидкотекучесть

Таблица 1. Рекомендуемая температура заливки чугуна и стали, C

Толщина стенки, мм
Серый чугун
Ковкий чугун
Среднеуглеродистая сталь

До 5

5—10

10—20

20—50

50—100

1350—1450

1340—1430

1320—1400

1300—1380

1230—1340

1380—1480

1360—1450

1350—1430

—

—

—

1540—1580

1540—1550

1530—1540

1520—1530