Дефекты поверхности стальных и чугунных отливок: причины и решения

Качество литых деталей зависит не только от используемых марок стали и чугуна, но и от стабильности самого технологического процесса. Даже при производстве отливок на современном оборудовании возможны поверхностные дефекты: из-за неправильной подготовки формы, нарушения температурного режима, ошибок заливки, недостаточной сушки покрытия или других технологических причин.

Почему сталь и чугун требуют разного подхода

Чугун и сталь отличаются физико-химическими свойствами, температурой заливки, характером кристаллизации и взаимодействием с формовочной смесью. Поэтому для них требуется разный подход к подготовке формы, подбору противопригарного покрытия и контролю качества поверхности.

Температура заливки

Стальное литье обычно связано с более высокой температурой заливки, чем чугунное. Поэтому для стальных отливок особенно важны огнеупорность формы, химическая стойкость покрытия и защита от пригара.

Для чугунных отливок температура заливки ниже, но выбор покрытия также зависит от марки чугуна, массы отливки, толщины стенок и требований к поверхности.

Химическая активность

При стальном литье высока вероятность взаимодействия расплава, оксидов металла и материала формы. Это может приводить к химическому пригару и образованию трудноудаляемой корки на поверхности отливки.

Для чугуна важны тип чугуна, содержание углерода, наличие графита, газообразование и характер взаимодействия расплава с формовочной смесью. Серый, высокопрочный и тонкостенный чугун могут требовать разных покрытий.

Масса отливки

При заливке стали учитывают высокую температуру расплава, усадку при охлаждении и риск образования тепловых узлов. В массивных участках металл дольше остается горячим, поэтому риск пригара и проникновения металла в форму возрастает.

Чугун отличается хорошими литейными свойствами, но для крупных, тяжелых или тонкостенных отливок также требуется точный подбор покрытия и контроль формы.

Требования к покрытию

В этой статье речь идет не о защитных покрытиях готовых изделий, а о противопригарных покрытиях для литейных форм и стержней.

Для стального литья покрытия должны выдерживать высокую температуру заливки, снижать риск химического пригара и препятствовать проникновению металла в форму. Для чугунного литья покрытие подбирают по марке чугуна, массе отливки и требованиям к поверхности.

Типичные дефекты поверхности стальных отливок

В результате взаимодействия металла с формой, внешних воздействий и нарушений технологии на поверхности стальных отливок могут формироваться следующие дефекты:

• пригар — трудноотделимый слой формовочного или стержневого материала на поверхности отливки;
• проникновение металла — попадание расплава в поры формы с образованием металлических «корней» и грубой поверхности;
• складчатость — неровности, складки или участки нарушенного рельефа поверхности;
• газовая шероховатость — мелкие углубления и неровности, связанные с газовыми дефектами;
• поверхностные повреждения — дефекты, появившиеся при извлечении отливки из формы, очистке или транспортировке;
• грубая поверхность — шероховатость выше допустимых требований;
• ужимины — покатые углубления, связанные с нарушениями состояния поверхности формы при заливке;
• заливы и облои — затекания расплава в щели формы или стыки;
• наросты — выступы, образованные из-за взаимодействия расплава с материалом формы или разрушения ее поверхности.

Для предупреждения таких дефектов контролируют состав формовочных смесей, прочность формы, температуру заливки, литниковую систему, а также применяют противопригарные покрытия.

Типичные дефекты поверхности чугунных отливок

Поверхностные дефекты чугунных отливок во многом схожи со стальными, но причины и способы профилактики могут отличаться из-за свойств чугуна и условий заливки.

К типичным дефектам относятся:

• пригар;
• проникновение металла в поры формы;
• складчатость;
• грубая поверхность;
• газовая шероховатость;
• поверхностные повреждения;
• ужимины;
• засоры, плены и просечки;
• песчаные включения.

Причинами образования дефектов чугунного литья могут быть неправильная подготовка формы, недостаточная прочность поверхности, взаимодействие расплава с материалом формы, газообразование, неравномерная заливка и нарушение режима сушки покрытия.

Пригар, проникновение металла, шероховатость

Пригар — сложно удаляемый слой формовочного или стержневого материала, прочно связанный с поверхностью отливки. Он образуется из-за проникновения расплава в поры формы, спекания смеси или химического взаимодействия металла, его оксидов и материала формы.

Пригары подразделяют на механические, химические и термические, но на практике часто встречаются смешанные химико-механические пригары.

Проникновение металла — это попадание расплава в поры формовочной или стержневой смеси. После кристаллизации на поверхности отливки образуются металлические выступы, «корни» и грубая шероховатость. Чаще всего такой дефект возникает при крупном песке, высокой открытой пористости формы, слабой поверхности или высокой температуре заливки.

Шероховатость — это неровный микрорельеф поверхности отливки. Она может быть связана с зернистостью формовочной смеси, состоянием рабочей поверхности формы, неравномерным покрытием, проникновением металла, пригаром или эрозией формы.

Для термонагруженных участков форм и стержней можно рассмотреть ХРОМИКС AFS 45–55 — хромитовый песок, который применяется как высокоогнеупорный заполнитель в зонах с сильным тепловым воздействием.

Песчаные включения и эрозия формы

Песчаные включения — это частицы или комки формовочной либо стержневой смеси, попавшие в металл. Они возникают при осыпании формы или стержня, эрозии литниковых каналов, низкой прочности смеси или нарушении технологии сборки формы.

Такие дефекты часто проявляются на поверхности или в верхних участках отливки. После очистки или механической обработки песчаные включения могут выкрашиваться и оставлять локальные углубления.

Эрозия формы — это размывание или разрушение рабочей поверхности формы и стержней потоком расплава. Особенно часто она возникает в зоне удара струи, в литниковых каналах, на резких переходах и участках с высокой скоростью заполнения.

Из-за эрозии формы на отливках появляются шероховатости, песчаные включения, локальные наросты и участки ухудшенной поверхности. При сильной эрозии возрастает риск пригара и проникновения металла в формовочную смесь.

Газовые дефекты и роль сушки покрытия

Газовые дефекты возникают из-за присутствия или выделения газов в металле, форме, стержне или покрытии. Они проявляются внутри и на поверхности отливок в виде округлых гладких полостей — газовых раковин, мелких углублений — газовой шероховатости, либо большого количества мелких пор — газовой пористости.

Эти дефекты ухудшают прочность, герметичность и качество поверхности отливок.

Роль сушки покрытия — удалить влагу или растворитель из защитного слоя до заливки металла. Если покрытие недосушено, при контакте с расплавом влага и летучие компоненты быстро испаряются. Это может вызвать вспучивание, растрескивание, отслоение покрытия, газовые раковины и ухудшение поверхности отливки.

Какие покрытия использовать для стали и чугуна

При литье чугуна и стали для снижения риска пригара, проникновения металла, шероховатости и эрозии формы применяют противопригарные покрытия для литейных форм и стержней. Состав выбирают по типу сплава, температуре заливки, массе отливки, геометрии и характеру дефекта.

• СЦП VP / СЦП 2.0 — цирконовые покрытия применяются для среднего и крупного стального литья.
• СЦП 3.0 предназначено для крупного, особенно высокопрочного, чугунного литья.
• СКП — корундовое покрытие используется для мелкого и среднего стального литья, а также тяжелого чугунного литья.
• ХПП — хромитовое покрытие применяют преимущественно для стального литья и проблемных тепловых узлов, где металл охлаждается медленнее.
• ГАС-1 — графитовое покрытие используют для крупного литья из серого чугуна и сплавов на основе меди.
• Тальковые покрытия СТП / СТП V-P применяются для тонкостенного чугунного литья и цветных металлов.

Российская компания ПК ЛИТПРОМ выпускает спиртовые и водоразбавляемые противопригарные покрытия с различными огнеупорными наполнителями. Подбор состава зависит от сплава, типа формы или стержня, способа нанесения и требований к поверхности отливки.

Таблица: возможные дефекты отливок, причины возникновения, решение проблемы

Заключение

Дефекты поверхности литья почти всегда возникают по понятным технологическим причинам: ошибки подготовки формы, неправильный режим охлаждения, выделение газов, турбулентность, недостаточная прочность смеси или нарушение сушки покрытия.

Для снижения риска пористости и газовых раковин контролируют газонасыщенность расплава, влажность формы и стержней, газопроницаемость смеси, сушку покрытия и спокойное заполнение формы. Для предупреждения пригара, проникновения металла, песчаных включений и шероховатости применяют подходящие противопригарные покрытия и контролируют их нанесение.

В целом устойчивый результат обеспечивает только контроль качества на всех этапах производства: от подготовки формы и выбора покрытия до заливки, охлаждения и очистки отливки.