Образование трещин связано с возникновением напряжённого состояния в стенках отливок при недостаточной прочности металла. Если отливка имеет сопряжение разных по толщине стенок, то возникает опасность создания значительного напряжения, вызывающего в ряде случаев образование холодных трещин. При формировании средних и крупных толстостенных отливок в ряде случаев используются неподатливые стержни, которые могут способствовать возникновению значительных напряжений в момент усадки металла с образованием горячих трещин. Значительное количество горячих трещин возникает также при контакте с термическим узлом выступающей части стержня или формы. В данном разделе рассмотрим наиболее часто встречаемые горячие трещины. В образцах отливок с дефектами будут представлены и холодные трещины.
При определении разновидности трещин очень важно знать их характерные отличия, к которым следует отнести состояние поверхности дефекта, его форму, расположение и т.д. [3] Для исключения ошибок при определении трещин, использована визуально-логическая модель [4] схожих и различных отличий этих дефектов в виде системного расположения фрагментов отливок с трещинами. На рис. 3 представлена отливка «Задвижка» с горячими трещинами, возникшими в месте контакта термического узла с выступающей частью формы.
Опишем характерные отличительные особенности рассматриваемого дефекта. Горячие трещины хорошо заметные, серо-синего цвета, глубокие, имеют извилистую форму, возникают у термических узлов или от неподатливых форм или стержней.
Изучая дефект отливки «Задвижка» отмечаем, что на поверхности утолщенной части отливки, в стыке ее стенок, проявляется хорошо заметная изломанная трещина. Анализируя строение отливки можно отметить, что по ее конструктивной особенности местом возникновения горячей трещины является вершина выступающей части формы. В процессе заливки металла, выступающая часть формы с двух сторон контактирует с прибылями и аккумулирует значительное количество тепла от массы металла. При охлаждении отливки происходит процесс усадки металла, который заметно проявляется в термических узлах, к которым относятся и стыки стенок отливки [5]. В процессе усадки возникают напряжения в затвердевающем металле, которые релаксируются в виде горячих трещин в местах с наименьшей прочностью металла [6]. Таким местом в рассматриваемой отливке является вершина выступающей части формы, где сохраняется повышенная температура от залитого металла.
Проведенный анализ возникновения дефекта показывает, что горячая трещина образовалась в месте соединения стенок отливки, в зоне термического узла, что можно отнести к первому этапу возникновения дефекта. Формирование трещины произошло со стороны формы, в области вершины выступающего угла, где в процессе охлаждения и затвердевания металла более длительное время сохраняется повышенная температура и пониженная прочность металла. Это является вторым этапом формирования условий возникновения горячей трещины. Процесс усадки металла связан с уменьшением его объема и созданием напряженного состояния, которое в большинстве случаев выражается в возникновении усадочных дефектов. При небольшом объеме термического узла и повышенной температуре с одной из сторон формы, в частности, со стороны вершины выступающего угла, реализация усадочного напряжения возможна в области высоких температур рядом с вершиной выступающего угла. Такую реализацию напряженного состояния можно отнести к третьему этапу формирования дефекта. Четвертый этап образования дефекта относится к низкой прочности металла отливки в области вершины выступающего угла формы, где имеется повышенная температура. Пятый этап условий возникновения трещины происходит в момент превышения напряжения от усадки металла его прочности в вершине выступающего угла формы. В этот момент начинается процесс образования горячей трещины.
Изучая возможные случаи возникновения трещины на данной отливке, отмечаем, что трещина возникает эпизодически. Предположим, что температура заливаемого металла контролируется на выпуске из плавильного агрегата, заливка металла происходит из пятитонного ковша. Первые формы могут заливаться горячим металлом (возможное образование горячих трещин), а последующие формы более холодным (отсутствие возникновения трещин). Следовательно, соединительным звеном между разновидностью дефекта и причиной его возникновения служат отсутствие технических решений по повышению прочности отливки в месте возникновения трещины и повышенная температура заливаемого металла.
Формирование дефекта можно представить в виде цепочек причинно-следственных связей. Цепочки состоят из следующих этапов: > наличие термического узла отливки > наличие выступающей части формы в области возникновения горячей трещины > заливка формы горячим металлом и интенсивный нагрев выступающей ее части > создание напряженного температурного состояния отливки в области термического узла и выступающей части формы > формирование усадочного напряжения отливки > возникновение горячей трещины под воздействием высокой температуры заливаемого металла в месте контакта с выступающей частью формы.
Существуют несколько способов ликвидации горячих трещин, заключающихся в понижении температуры заливаемого металла, использование облицовочной смеси с повышенным коэффициентом теплоаккумуляции, использовании охлаждающих ребер и др. Из существующих приемов ликвидации горячих трещин выберем тот, который нейтрализует вредное влияние ряда факторов, способствующих возникновению трещин и считается наиболее распространенным. Таким приемом являются используемые на ряде заводов охлаждающие ребра жесткости. На рис. 3.в приведен фрагмент анимационного представления процесса заливаемого металла в форму с выполненными охлаждающими ребрами.
Ребра выполнены в виде углублений на вершине выступающего угла формы и входят в контакт с линией образования горячей трещины. Рёбра небольшой толщины (обычно 0,1-0,3 толщины стенки отливки) быстро затвердевают и, обладая большей прочностью, принимают на себя значительную часть напряжений.
На рис. 3.г приведен фрагмент процесса завершения заливки формы металлом. Правильно применённая система рёбер в напряжённом месте отливки, значительно упрочняет место образования горячей трещины, что снижает опасность возникновения дефекта. Процесс охлаждения залитого металла в форму приведен на рис. 3.д, где заметно потемнение охлаждающего ребра. Наиболее эффективно применение рёбер проявляется при использовании их в отливках из стали с пониженной трещиноустойчивостью.
Продолжение процесса охлаждения залитого металла в форму можно увидеть на рис. 3.е. Охлаждающее ребро полностью затвердело и способно выдержать значительные напряжения, вызванные процессом усадки металла. В это же время термический узел затвердел не полностью, что видно по различной окраске некоторых мест сочленения стенок отливки. Завершающий процесс затвердевания залитого металла в форму приведен на рис. 3.ж. Окраска фрагмента отливки стала более темной, установленные ребра полностью ликвидировали возможность образования горячих трещин.
На рис. 3.з в качестве примера по использованию охлаждающих ребер, представлен фрагмент отливки «Рама» с ребрами для предупреждения возникновения горячих трещин. На рис. 3.и приведен стержень отливки «Рама» с выполненными углублениями для получения на отливке охлаждающих ребер.
Такие приемы ликвидации рассмотренного типа горячих трещин используются на большинстве литейных предприятий.
Литература.
1. Воронин Ю.Ф. Система определения и ликвидации окисленных газовых раковин в отливках из чугуна и стали: Учебное пособие цветное (гриф), Ф. А4. Доп. УМО по образованию в области металлургии./ Волгоградский государственный технический университет, 2010. – 157 с.
2. Воронин Ю.Ф. Система определения и ликвидации светлых газовых раковин в отливках из чугуна и стали: Учебное пособие, цветное, ф. А4. Доп. УМО по образованию в области металлургии / Волгоградский государственный технический университет, 2011. – 164 с.
3. Воронин Ю.Ф. Повышение качества литья. Системный подход. Монография. – М.: Машиностроение – 1, 2007, - 263с.
4. Воронин Ю.Ф. Система определения и ликвидации трещин в отливках из чугуна и стали: Учебное пособие цветное (гриф), Ф. А4. Доп. УМО по образованию в области металлургии. /Волгоградский государственный технический университет, 2010. – 172 с.
5. Рыжиков А.А. Технологические основы литейного производства - М.: МАШГИЗ, 1962. – 527с.
6. Рыжиков А.А. Теоретические основы литейного производства. – Москва – Свердловск: МАШГИЗ, 1961. – 447с.
Фрагменты отливок с трещинами
Галерея
