Литейные дефекты в отливках

Когда металлическая отливка обладает хотя бы одним дефектом, описанным в ГОСТ 19200-73 или ГОСТ 19200-80, в большинстве случаев ее признают бракованной. Насчитывают десятки причин появления дефектов. В числе типичных  низкое качество исходного сырья, плохая подготовка шихты для получения расплавленного металла, непродуманная конструкция детали или литниковой системы, нарушенная технология литья и другое. О том, почему литые детали становятся бракованными, как классифицируют дефекты и как предотвращают некоторые из них - рассказываем в статье. 

Дефекты в литье: причины и методы устранения

ГОСТ 19200-73 описывает четыре базовых типа дефектов в отливках:

• неровная поверхность - например, несоответствие габаритов и массы детали заданным в чертеже характеристикам;
• внутренние дефекты, из-за которых изделие получается не сплошным - например, трещины и “раковины”;
• нарушение химического состава и структурные отклонения;
• проблемы с механическими свойствами.

В ГОСТ 19200-80 несоответствие по геометрии и поверхностные дефекты вынесены в отдельные категории. 

В зависимости от конфигурации отливок, технологии литья и особенностей промышленного оборудования для изготовления деталей дефекты могут сочетаться в одном изделии произвольным образом, что усложняет установление механизма появления каждого из них. Наличие единственного отклонения от параметров чертежа и ГОСТ уже является основанием для выбраковки запчасти. 

Классификация литейных дефектов

Далее рассмотрим каждую из пяти групп дефектов с описанием причин возникновения. Всего в ГОСТ 19200-73 и 19200-80 описано 50 различных отклонений.

Первая категория дефектов – отклонения по геометрии

Недолив появляется в ситуации, когда форма для изготовления детали заполняется расплавом только частично. Причиной недоливов считают плохую текучесть (жидкотекучесть) материала вследствие его низкой температуры. Чаще всего недоливы обнаруживают в труднодоступных участках литейной формы, когда изготавливают детали с тонкими стенками и сложной геометрией.  

Жидкотекучестью называют способность раскаленного металла проникать во все полости формы для литья при нахождении в подвижном состоянии и на этапе кристаллизации. Эта характеристика связана как с физическими, так и с химическими свойствами материала и конфигурацией формы. Существуют металлы, от жидкотекучести которых зависит возможность или невозможность изготовления конкретной детали.  

Неслитина представляет собой отверстие или щель в изделии, появившуюся из-за несоединения потоков расплава с низкой жидкотекучестью.  

Обжим - искажение формы детали, вызванное механической деформацией литейной формы до или после ее заполнения расплавом. 

Подутость - местное увеличение толщины детали, которое появляется при слабом уплотнении литьевой формы из песка. 

Перекос - нарушение взаимного расположение частей изделия, которое становится заметным после очистки изделия. Металлические детали получаются перекошенными, когда мастера устанавливают модельную и опочную оснастку неточно, плохо закрепляют ее штырями и втулками перед заливкой металла. 

Перекашивает как поверхность деталей, так и их внутреннюю структуру. Деталь выбраковывают, если большой перекос не удается сточить механическим способом, или если его размеры превышают заданные. 

Стержневой перекос выглядит как сдвиг отверстия, полости или части детали, получаемой с использованием стержня. Когда такой стержень смещается, образуется перекос.  

Разностенность - появление чрезмерно толстых или истонченных стенок у детали из-за того, что стержень сместился или всплыл. 

Стержневой залив - заполнение расплавом отверстия, которое должно было сформироваться вокруг не вставленного или разрушившегося стержня. 

Коробление - нарушение формы изделия из-за появления внутренних напряжений в процессе остывания расплава. 

Незалив - несовпадение формы детали с заданной в чертеже, образовавшееся по причине износа литьевой формы или ее плохой отделки. 

Зарез - изменение контура изделия при снятии литников и механической постобработке. 

Вылом - изменение формы и размера детали при отчленении литников и прибылей, механической обработке и перевозке. 

Прорыв - неполное формирование или искажение контуров изделия при заливке расплава в непрочную литейную форму.

Уход металла - появление пустой полости внутри отливки при вытекании расплава из плохо закрепленной формы. Снаружи такая полость не видна, поскольку скрывается за тонкой коркой затвердевшего материала. 

Вторая категория дефектов – дефекты поверхности

Пригар - плохо поддающийся очищению слой материала на поверхности детали, появившийся при соприкосновении материала формы с металлическим расплавом и его окислами. 

Спай - углубление со скругленными краями, появившееся при неполном слиянии потоков расплава вследствие его недостаточного нагрева или неравномерной заливки в форму. Спай обычно находят на труднодоступных участках детали, до которых расплав “добирается” окисленным и недостаточно горячим. То есть, обладающим малой жидкотекучестью. Профилактика образования спая - качественный разогрев металла перед заполнением формы. 

Одна из причин появления данного дефекта - особенности конструкции литниковой системы. Она должна быть такой, чтобы форма быстро заполнялась расплавом - в том числе, зоны формирования тонких стенок будущего изделия. Если размеры спая позволяют обточить его механическим способом, изделие не выбраковывают. 

Ужимина - углубление с покатыми кромками, заполненное материалом литейной формы и покрывшееся металлом из-за отслойки материала формы в процессе заливки. 

Нарост - выступ с любыми очертаниями, появившийся из перемешанного с формовочным материалом расплава. Формовочный материал загрязняет расплав при разрушении литейной формы. 

Залив - заметный визуально результат затекания расплава в щели по краям литейной формы, стержней или стержневых знаков. Выглядит как прилив или выступ, мешает чистить детали, иногда приводит к их выбраковке. Когда мастера пытаются отбить залив, изделие трескается. 

Крупные заливы появляются при искажении конфигурации литейной формы на этапе ее производства. Другие причины - неплотно или неравномерно спрессованная формовочная смесь в опоке, тряска форм в процессе их перемещения.

Засор - участок, где формовочный материал застрял в потоках расплава на поверхности детали.

Плена - тугоплавкое покрытие поверхности детали металлом или оксидом вследствие слишком быстрой/неравномерной заливки расплава в литейную форму. Плена появляется из-за окисления химических включений в составе стали, легко вступающих в реакцию с кислородом. 

Просечки - это прожилки на наружной поверхности изделия, появившиеся после затекания расплава в трещины на литейной форме или стержне. Так происходит, например, при расширении формовочной смеси. Просечки обнаруживаются после извлечения отливок из оснастки и их осмотра. 

Окисление (окалина) - образование визуально заметного оксидного слоя на изделии в процессе отжига заготовок из белого чугуна с целью повышения ковкости. В печи для отжига металл окисляется, и оксид сходит слоями. Если слои отходят с трудом, изделие помещают в дробеметный агрегат. В отсутствие эффекта от такой обработки деталь признают бракованной. 

Поверхностное повреждение - неровные участки поверхности, появившиеся при извлечении детали из формы методом горячей выбивки, ее очистке и перевозке. 

Складки - небольшие возвышения и впадины с гладкой поверхностью, образующиеся при недостаточной жидкотекучести расплава. Складки типичны для литых чугунных деталей. 

Шероховатая поверхность - это мелкие неровности на детали, характеристики которых превышают указанные в ГОСТ. Бывают сплошными и мозаичными. Шероховатости образуются на изделии, отлитом с использованием формовочного материала крупной фракции или недостаточно уплотненного материала. 

Газовая шероховатость - мелкие сферические впадины на детали, которые появляются при росте газовых раковин. 

Третья категория дефектов – внутренние несплошности

Горячие трещины - неровные надорванные участки металлического изделия, покрытые оксидом. Раскаленный металл обычно трескается во время набора твердости.  

Холодные трещины - надрывы поверхности литого изделия, возникшие из-за внутренних напряжений или ударов по детали. В отличие от горячих, холодные трещины - светлые и не покрытые оксидом. 

Межкристаллические трещины - разрывы по границам аустенитных зерен на поверхности литых металлических изделий, появившиеся в процессе остывания материала в форме. Трещины между кристаллами объяснимы термическими напряжениями внутри заготовок и выделением неметаллических включений по границам аустенитных зерен. 

Межкристаллические трещины бывают наружными и внутренними (для них характерен яркий блеск на более темном фоне металла). 

Газовые раковины - полости в детали, сформировавшиеся при выделении внутренних или внешних газов. Внутренние раковины появляются под воздействием газов, выделяемых при снижении температуры раскаленного металла. Внешние раковины образуются при выделении газов из формы для литья и при выделении воздуха, захваченного расплавом. 

Ситовидные раковины - тонкие и длинные полости, параллельные поверхности детали. Ситовидные полости появляются из-за высокого содержания водорода в отвердевающем металле. 

Усадочные раковины - закрытые, частично или полностью открытые полости с неровной поверхностью. Бывают покрыты оксидом. Усадочные раковины появляются в процессе остывания расплава в форме и объясняются усадкой материала. Они типичны для большинства чистых металлов и сплавов, потому что кристаллические включения усаживаются по объему сильнее, чем металл. 

Внешние раковины становятся видны после удаления окалины с деталей, внутренние дают о себе знать при механической постобработке изделий, при их обследовании ультразвуком или дефектоскопом, в процессе использования отливок по назначению. 

На ощупь газовые раковины гладкие, усадочные - шероховатые, при прикосновении в них чувствуются острые аустенитные включения. 

Шлаковая раковина - полость, в которой находится шлак. Шлак формируется в ходе плавки чугуна и стали, когда оксиды металлов взаимодействуют со шлакообразующими веществами. Обычно шлаковые раковины появляются в верхней части литой детали или на ее поверхности. Когда шлак вычищают из полости, ее поверхность остается гладкой или слегка шероховатой. Отличительная особенность - неровные края.

Вот вероятные причины появления шлаковых включений:

Залитый шлак - скопление шлака в форме. 

Графитовая пористость - сосредоточенные или паукообразные графитовые включения в форме пластин, которые делают материал менее плотным. Последнее выявляется на этапе гидравлических испытаний литых изделий. 

Графитовые пластины выделяются в сером чугуне в том случае, если грубые графитовые включения изначально имелись в чушках. Для предотвращения графитовой пористости технологи учитывают и химический состав чушкового металла, и его структуру до отправки в печь. 

Усадочная пористость - небольшие поры, появившиеся во время усадки отвердевающего чугуна, стали или сплава. Изделие может стать пористым, если в ходе производства для нее не было организовано достаточное питание. 

Наименьшая объемная и линейная усадка (и склонность к образованию мелких пор) характерны для серого чугуна. Малой линейной усадкой также обладают сплавы алюминия, белый и высокопрочный чугун. 

Для предотвращения усадочной пористости к затвердевающей отливке стараются дополнительно подводить жидкий металл. При таком подходе кристаллизующийся слой все время соприкасается с более горячим и не приобретает пористую структуру. 

Газовая пористость - мини-раковины, которые появляются в затвердевающей металлической детали вследствие выделения газов, содержавшихся в расплаве. 

Рыхлота - кластеры из мини-раковин, образовавшихся при усадке. Дефект находят при постобработке и дефектоскопии металлических изделий. По мере остывания расплавленный металл теряет объем, и в нем появляются усадочные раковины и мелкие поры. 

Непровар жеребеек - несплошность соединения металлического изделия с жеребейками. Проблемы с соединением возникают, когда жеребейки грязные и/или расплав слишком холодный. Если жеребейки не расплавились, их слишком много и они крупные, в изделии появятся включения. В понятие “включения” в данном случае входят и внутренние стальные холодильники, размещаемые в литейных формах и не образующие связи с чугунной деталью.  

Вскипы - кластеры из раковин и наростов, появившихся в процессе парообразования из-за чрезмерно высокой влажности литейной формы. Другая причина формирования вскипов - попадание газов из стержней внутрь формы. 

Утяжина - выемка с округлыми кромками на поверхности литого изделия, появившаяся во время усадки набирающего прочность сплава. 

Четвертая категория дефектов – включения

Посторонние включения, относимые к дефектам, бывают металлическими и неметаллическими. 

Металлические включения - инородные включения с ярким металлическим блеском. Они обладают иной структурой по сравнению с материалом детали и плавятся при более высокой температуре. Металлические включения формируются при частичном расплавлении ферросплавов в основном металле, несвоевременно попавших в него из ковша или литейной формы. Они заметны невооруженным глазом при постобработке готовых деталей. Чаще всего к основному металлу подмешивается хром или молибден. 

Неметаллические включения - твердые примеси, оказавшиеся в расплаве механическим путем или образовавшиеся в нем в результате химической реакции между основными компонентами. 

Неметаллические включения - твердая частица, которая оказалась в расплаве извне или образовалась вследствие протекания химической реакции. 

В большинстве случаев неметаллические включения переходят в структуру литых деталей на этапе плавления из примесей в шихте или оказываются в расплаве во время разливки по формам. Такие включения присутствуют в любом сорте стали, но с точки зрения прочности готовой детали имеет значение их расположение. Для чугуна типичны графитовые включения. 

Королек - этот дефект выглядит как круглый кусочек металла с гладкой блестящей поверхностью, который затвердел отдельно и не сплавился с материалом изделия. Корольки представляют собой брызги от струи расплава, появляющиеся при нарушении технологии заполнения литейной формы. Чаще всего их находят в чугунных изделиях. Корольки могут находиться на поверхности и внутри закрытой полости. 

При неправильном заполнении формы некоторые капли из струи расплава отлетают и оказываются в отдаленных участках этой формы. Там корольки застывают, покрываются оксидом и не сплавляются с основной массой, потому что оксиды на их поверхности плавятся при большей температуре, чем металл. 

Пятая категория дефектов – структурные несоответствия

Основные типы дефектов структуры - это отбел, половинчатость, ликвация и флокен. 

Отбел - участки повышенной твердости в литых изделиях из серого чугуна. Механическая обработка отбелов (фрезерование, строгание и другое) затруднена, поскольку они состоят не из металла, а из частиц цемента. 

Данный дефект получил свое название за характерный светлый оттенок, который ярко выделяется на фоне более темной поверхности серого чугуна. 

Типичные места, где появляется отбел - участки изделий с небольшой толщиной и зоны вокруг кромок с острыми углами. Одна из причин образования дефекта - низкая доля углерода и кремния в чушковом металле. Еще одна возможная причина - высокая доля веществ, выделяющих карбид. 

Профилактика появления отбела в уязвимых участках изделий - модификация серого чугуна в ковше. С этой целью в состав сплава вводят ферросилиций, силикатный кальций, чистый графит. После добавления этих компонентов сплав нагревают до температуры ~1400*С. 

Половинчатость (отсер) - участки со структурой серого чугуна в деталях из белого чугуна. Дефект возникает из-за местного выделения первичного графита в ходе остывания литых изделий. Графит выделяется в чугуне с большой массовой долей углерода и кремния. 

Ликвация - это избирательная местная кристаллизация некоторых химических веществ в литом металлическом изделии в процессе его остывания.

Флокен - разорванный участок изделия из стали, образовавшийся под воздействием водорода в ее составе. Поверхность флокена гладкая и матовая, слегка выделяется на сером чугуне.