Литейные дефекты. Причины образования. Способы исправления
Литьё — процесс, в котором сходятся десятки переменных: состав шихты, температура заливки, влажность формы, конструкция литниковой системы, режим выбивки. Достаточно одной из них выйти за рамки — и на отливке появляется дефект. Полностью исключить брак не удаётся ни одному заводу в мире. Но это не значит, что с ним надо мириться.
На нашем производстве действует простое правило: каждый дефект — это информация. Газовая раковина говорит об одном, пригар — о другом, трещина — о третьем. Если уметь читать эти сигналы, отливки с дефектами можно свести к десятым долям процента. В этой статье разберём, какие дефекты встречаются в чугунном литье, почему они возникают и как их предотвратить или исправить.
Классификация дефектов литья по ГОСТ 19200-80
Все дефекты отливок из чугуна и стали систематизированы в ГОСТ 19200-80. Полный текст стандарта можно скачать, здесь — рабочая классификация, по которой удобно искать причину брака.
Раковины — полости в теле отливки:
- газовые — гладкие, округлые, с блестящей поверхностью, возникают из-за газов, не успевших выйти из металла или формы;
- усадочные — шероховатые, с дендритами, образуются там, где металл при затвердевании не получил подпитки;
- песчаные — полости, заполненные формовочной смесью, результат разрушения формы или стержня;
- шлаковые — включения неметаллических частиц, попавших в металл при заливке.
Трещины — разрывы металла: горячие (образуются при затвердевании, идут по границам зёрен, извилистые, с окисленной поверхностью) и холодные (возникают после затвердевания, прямые, со светлым изломом).
Поверхностные дефекты — пригар (прикипевшая формовочная смесь), спаи и неслитины (следы плохо слившихся потоков металла), плёны (тонкие окисные слои на поверхности), заливы и наросты (металл, вытекший в щель между полуформами).
Дефекты геометрии — недолив (незаполненная часть формы), коробление (искажение формы отливки), перекос (смещение полуформ или стержней), разнотолщинность (несоответствие стенок чертежу), отбел (твердые белые участки на поверхности серого чугуна).
По оценке литейщиков, до 60% брака приходится на газовые и усадочные раковины, ещё примерно 20–25% — на трещины и пригар. Остальное делят между собой шлаковые включения, геометрические отклонения и прочие дефекты. И почти все они — следствие ошибок в технологии, а не «злого рока».
Сводная таблица дефектов: причины, профилактика, исправление
| Дефект | Как выглядит | Основные причины | Как предотвратить | Как исправить |
|---|---|---|---|---|
| Газовая раковина | Гладкая округлая полость, часто у поверхности | Высокая влажность формы, низкая газопроницаемость смеси, перегретый или «закипевший» металл | Сушить формы и стержни, добавлять в смесь угольную пыль, вентиляционные каналы | Заварка, заделка пастой, перевод отливки в брак при глубоких раковинах |
| Усадочная раковина | Шероховатая полость с дендритами в массивных узлах | Недостаток прибылей, неправильное питание, толстые стенки без подпитки | Рассчитать прибыли и холодильники, порядок заливки | Заварка с разделкой, постановка вставки, брак при больших объёмах |
| Песчаная раковина | Полость с частицами смеси внутри | Низкая прочность формы, размыв при заливке, плохое уплотнение | Уплотнять смесь, снижать скорость заливки, контролировать прочность | Вычистить, заварить, зашлифовать |
| Шлаковое включение | Неметаллические частицы в теле или на поверхности | Шлак из ковша, плохая фильтрация, турбулентная заливка | Шлакоуловители, фильтры, чистый ковш, спокойная заливка | Заварка после вырубки, брак при глубоких включениях |
| Горячая трещина | Извилистый разрыв с окисленной поверхностью | Усадка при затвердевании, стержень мешает усадке, перегрев | Податливые стержни, правильные уклоны, снижение температуры заливки | Заварка (требует квалификации), брак при сквозных трещинах |
| Холодная трещина | Прямой разрыв со светлым изломом | Внутренние напряжения, резкое охлаждение, жёсткая конструкция | Отжиг, равномерное охлаждение, изменение конструкции | Заварка, при недопустимых напряжениях — брак |
| Пригар | Прикипевшая к поверхности смесь | Низкая огнеупорность смеси, высокая температура заливки, отсутствие покрытия | Противопригарные покрытия, мелкий песок, снижение перегрева | Зачистка, дробеструйная обработка, обрубка |
| Ситовидная пористость | Мелкие поры, похожие на сито | Газ в металле, водород, плохая раскисленность | Раскисление, сухая шихта, контроль состава | Чаще всего неисправима — брак |
| Спай / неслитина | Следы несоединившихся потоков | Низкая температура заливки, тонкие стенки, плохая заполняемость | Поднять температуру, ускорить заливку, расширить литники | Заварка, брак при обширных спаях |
| Недолив | Незаполненная часть отливки | Недостаток металла, низкая температура, узкие каналы | Контроль дозировки, температура, сечение литников | Отливка заново |
| Коробление | Искажённая геометрия | Неравномерное охлаждение, жёсткие стержни | Холодильники, правка, термическая обработка | Правка, механическая обработка |
| Перекос | Смещение частей отливки | Люфт в опоках, смещение стержня, слабые знаки | Контроль оснастки, фиксация стержней | Брак или механическая доработка |
| Отбел чугуна | Твёрдые белые участки, плохо режутся | Быстрое охлаждение тонких стенок, мало графитизаторов | Модифицирование, отжиг, корректировка состава | Отжиг на феррит, механическая обработка |
Пять дефектов, которые встречаются чаще всего
1. Газовая раковина
Самая частая проблема в чугунном литье. Металл при заливке всегда содержит растворённые газы — азот, водород, кислород. При затвердевании растворимость падает, и газы выделяются. Если им некуда выйти — образуются раковины.
Типичные причины: сырая или плохо просушенная форма, низкая газопроницаемость формовочной смеси, заливка перегретым металлом, окисленная шихта. Влияние влажности формы мы разбирали отдельно — избыточная влажность стержня и смеси даёт гладкие раковины у поверхности отливки.
Как бороться: сушить формы и стержни, делать вентиляционные каналы и наколы, добавлять в смесь каменноугольную пыль, не перегревать металл, следить за газопроницаемостью смеси (для чугуна она должна быть в пределах 30–80 единиц). О том, как готовить смесь с нужными свойствами, читайте в статье про «Формовочная смесь для литья чугуна».
2. Усадочная раковина
Чугун при переходе из жидкого состояния в твёрдое уменьшается в объёме. В массивных узлах отливки, которые затвердевают последними, образуется полость — усадочная раковина. Она всегда шероховатая, с дендритным строением, и этим отличается от гладкой газовой.
Бороться с усадкой можно только питанием: ставить прибыли (резервуары жидкого металла), холодильники в толстых местах, правильно рассчитывать порядок затвердевания. Хороший технолог «раскладывает» усадку так, чтобы раковина ушла в прибыль, а не в тело отливки. На крупных отливках применяют несколько прибылей и внешние холодильники.
3. Шлаковые включения
Шлак и неметаллические частицы попадают в форму вместе с металлом: из ковша, из плавильной печи, из разрушающейся футеровки. При турбулентной заливке шлак перемешивается с металлом и застывает внутри отливки.
Решение — на уровне литниковой системы: шлакоуловители, фильтры (керамические или из стеклоткани), спокойная заливка «под уровень», чистый ковш. У нас на участке заливки фильтры стоят по умолчанию на большинстве отливок — расходы на фильтр в десятки раз меньше стоимости переплава бракованной детали.
4. Горячие трещины
Возникают, когда затвердевающий металл не может свободно усаживаться: ему мешает стержень, резкий перепад сечений или жёсткая конструкция формы. Металл в этот момент ещё непрочный, и усадочные напряжения рвут его по границам зёрен. Трещина получается извилистой, с окисленной поверхностью.
Здесь помогают податливые стержни (например, с полыми вставками), увеличенные литейные уклоны, снижение температуры заливки. Механизм горячеломкости — в отдельной статье нашей библиотеки: исследование горячеломкости литейных сплавов.
5. Пригар
Поверхность отливки «прикипает» к формовочной смеси: песчинки спекаются с металлом, и после выбивки на детали остаётся шероховатая корка. Чаще всего это следствие высокой температуры заливки, крупного песка и отсутствия противопригарного покрытия. Подробно физика процесса разобрана в статье причины образования пригара на отливках.
Лечится пригар профилактикой: противопригарные покрытия (краски и пасты на основе графита, циркона), мелкозернистая облицовочная смесь, контроль температуры заливки. Исправляется — зачисткой, дробеструйной или галтовочной обработкой.
Отдельно стоит сказать про ситовидную пористость — мелкие поры по всему сечению. Это почти всегда «металлургический» дефект: газ в металле, плохая раскисленность. Исправлению она практически не поддаётся — такие отливки уходят в брак. Причины и профилактика — в статье ситовидная пористость на отливках.
Влияние температуры заливки
Температура — самый частый «общий знаменатель» брака. Перегрев металла даёт пригар, усадочные раковины и газовые дефекты. Недогрев — недоливы, спаи и неслитины. Для серого чугуна рабочий диапазон заливки — обычно 1240–1450 °C, и для каждой отливки он свой: тонкостенные детали заливают горячее, массивные — холоднее. О том, как температура заливаемого металла влияет на дефекты, читайте в отдельной статье.
Контроль качества отливок
Половина «необъяснимого» брака выявляется только на контроле. На «Промдеталь» каждая отливка проходит минимум визуальный осмотр и контроль геометрии. Для ответственных деталей применяем:
- визуальный контроль — поиск трещин, раковин, пригара, заливов;
- замеры геометрии — шаблоны, калибры, контрольные стенды;
- капиллярный контроль (цветная дефектоскопия) — выявляет поверхностные трещины и поры, невидимые глазу;
- ультразвуковую дефектоскопию — контроль внутренней структуры, толщины стенок;
- рентгенографический контроль — для самых ответственных отливок;
- гидроиспытания — для корпусных деталей, работающих под давлением.
Если дефект найден, решаем: исправить или переплавить. Мелкие раковины и трещины завариваются (это регламентировано — например, заварка раковин выполняется с предварительной разделкой и подогревом), поверхностные дефекты убираются зачисткой, коробление — правкой. Отливки с критическими дефектами не «пристраиваем» — они идут в переплав. Дороже честного брака может быть только брак, ушедший заказчику.
Частые вопросы о дефектах литья
Чем газовая раковина отличается от усадочной? Газовая — гладкая, округлая, часто у поверхности, возникает из-за газов. Усадочная — шероховатая, с дендритами, всегда в массивных узлах, где металл застывал последним без подпитки. Отличить их можно и невооружённым глазом: гладкая блестящая полость — газ, шероховатая «кристаллическая» — усадка.
Какие дефекты отливок допускаются по ГОСТ? Нормы на дефекты задаёт не ГОСТ 19200-80 (он только определяет термины), а технические условия на конкретную отливку — по ГОСТ 26358 или по чертежу с ТУ. В ТУ прописывают допустимые размеры, количество и расположение раковин, пор, задиров. Для ответственных деталей (арматура, работающая под давлением) требования жёсткие, для декоративного литья — лояльнее.
Можно ли исправить дефекты литья сваркой? Да, если дефект не нарушает несущую способность. Раковины, поры, трещины заваривают электродами по чугуну с предварительной разделкой дефектного места и подогревом (обычно 250–400 °C), затем — зачистка и контроль повторно. Сквозные трещины в нагруженных деталях чаще означают брак: заварка не восстановит исходную структуру металла.
Почему на отливке появляется пригар? Смесь спекается с металлом при высокой температуре заливки, крупном песке или отсутствии противопригарного покрытия. Плюс — чем ниже огнеупорность смеси, тем охотнее она «прилипает». Подробно — в статье о пригаре.
Как заказать чугунное литьё с контролем качества
Мы — действующий литейный завод, а не посредник. На «Промдеталь» отливаем чугунное литьё на заказ от одной штуки до серии: серый и легированный чугун, вес отливок от 0,5 кг до 0,6 тонн. Каждая отливка проходит контроль, у нас есть собственные механическая обработка и участок литья в ХТС для отливок, которым нужна точная геометрия без пригара.
Пришлите чертёж или 3D-модель — посчитаем стоимость и срок за 1 рабочий день. Если нужна модельная оснастка, изготовим и её. Дополнительные материалы по теме — в нашей библиотеке литейщика