Газовые дефекты в литье: причины и профилактика

Механические свойства и внешний вид металлических отливок зависят от наличия внутренних и наружных дефектов. Понимание причин появления газовых раковин, пористости, свищей и подкорковых пустот помогает снизить количество брака и повысить качество изделий.

Что относят к газовым дефектам

Для литья на заводах используют современные технологии, но по ряду причин на поверхности и в теле отливок могут появляться дефекты. Газовые дефекты возникают вследствие проникновения газов в расплав, механического захвата воздуха при заливке, выделения газов из компонентов сплава, формовочной или стержневой смеси, а также испарения влаги при контакте с горячим металлом.

К газовым дефектам относят газовые раковины, пористость, свищи, подкорковые пустоты, пинхолы и отдельные виды газовой шероховатости. В терминологии литейных дефектов такие нарушения относятся к группе несплошностей в теле отливки.

Как выглядят газовые раковины и пористость

Газовые раковины могут находиться на поверхности, в подкорковом слое или внутри тела отливки. Чаще всего они имеют округлую или овальную форму и сравнительно гладкие стенки. Закрытые раковины обычно выявляются при механической обработке, резке или контроле отливки. Открытые раковины могут иметь следы окисления на поверхности.

Газовая пористость проявляется как множество мелких пор, расположенных локально или рассеянно по телу отливки. Такие дефекты могут снижать герметичность, прочность и эксплуатационную надежность изделия.

Важно отличать газовые дефекты от усадочных и песчаных. Усадочные раковины чаще имеют неправильную, ветвистую форму и шероховатые стенки, потому что связаны с недостаточным питанием металлом при затвердевании. Песчаные включения возникают из-за попадания частиц формы или стержня в металл.

Разновидности микропористости и другие связанные дефекты

1. Сферические поры — небольшие округлые полости, которые могут возникать из-за выделения растворенных газов при охлаждении и кристаллизации металла. Например, в алюминиевых сплавах важную роль играет водород.
2. Ситовидные газовые поры — группа мелких пор, расположенных близко друг к другу. Они могут появляться в алюминиевых, стальных и чугунных отливках при повышенной газонасыщенности расплава, нарушении газоотвода или химических реакциях с выделением газов.
3. Вскип — дефект в виде скученных раковин и пузырей. Может возникать из-за переувлажнения формы или стержня, интенсивного газовыделения из смеси, покрытия или связующего.
4. Газовая шероховатость — локальные углубления и неровности на поверхности, которые могут возникать при давлении газов на еще не полностью затвердевшую корку металла.
5. Свищи — вытянутые или извилистые полости, иногда выходящие к поверхности. Они могут обнаруживаться после снятия припуска и связаны с попыткой газа выйти наружу при охлаждении отливки.
6. Точечные образования, или пинхолы — мелкие точечные поры, которые могут появляться в стальном, чугунном и цветном литье при нарушении газового режима, повышенной газотворности смеси или недостаточной подготовке расплава.

Причины газовых дефектов

Газовые дефекты возникают из-за выделения водорода, азота, кислорода и других газов из расплава, недостаточной газопроницаемости формовочной смеси, ржавых или влажных вставок, проблем с вентиляцией, неполной сушки покрытия и других технологических нарушений.

Влажность

При контакте с расплавом остаточная влага в форме, стержне или покрытии быстро превращается в пар. Давление газов может вызвать ситовидные поры, открытые газовые раковины, свищи, вспучивание покрытия и разрушение защитного слоя.

Проблема также возникает из-за недостаточно просушенных форм и стержней, хранения материалов в помещениях с повышенной влажностью, конденсата на оснастке или попадания влаги в формовочные и стержневые смеси.

Низкая газопроницаемость

Газопроницаемость — одна из ключевых характеристик литейной формы и стержня. Если газы не успевают выйти из формы до образования твердой корки металла, повышается риск газовых раковин, подкорковых дефектов и пористости.

Причины низкой газопроницаемости:

• некорректное соотношение компонентов формовочной или стержневой смеси;
• избыток мелкой фракции;
• переуплотнение формы;
• остаточная влага;
• сложная конфигурация формы без достаточных выпоров и вентиляционных каналов;
• отсутствие анализа заполнения формы и выявления проблемных зон.

В термонагруженных участках форм и стержней может применяться ХРОМИКС AFS 45–55 — хромитовый песок. Он используется как высокоогнеупорный заполнитель для изготовления форм и стержней, особенно в зонах, подвергающихся сильному тепловому воздействию.

Газотворность связующих

Связующие компоненты формовочных и стержневых смесей — смолы, масла и другие органические добавки — при нагреве могут выделять газы. Если их образуется слишком много или газоотвод затруднен, газы не успевают уходить и провоцируют появление пузырей, каверн и пористости.

Причины накопления газов:

• превышение нормы связующих компонентов;
• повышенная газотворность смеси;
• недостаточная вентиляция формы или стержня;
• засорение вентиляционных каналов;
• высокая температура заливки.

Неполная сушка покрытия

Покрытия на формах и стержнях используют для улучшения чистоты поверхности и снижения риска пригара. Но при неправильной сушке остаточная вода или растворитель в слое покрытия быстро испаряются при контакте с расплавом.

Это может вызвать локальные вскипания, вспучивание, отслоения, поверхностные раковины, газовую шероховатость и разрушение защитного слоя. Поэтому покрытие должно быть нанесено равномерно и полностью высушено перед заливкой.

Если производству требуется быстрое высыхание и самовысыхающий состав, можно рассмотреть спиртовые противопригарные покрытия. Для процессов, где допустима водная основа и важны газопроницаемость, адгезия и отсутствие трещин, могут применяться противопригарные покрытия серии АКВА.

Газонасыщенность металла

Газонасыщенность металла — это содержание растворенных газов в расплаве. В зависимости от сплава и условий плавки в металле могут присутствовать водород, азот, кислород и другие газы.

При кристаллизации растворимость газов снижается, и они выделяются в виде пузырьков между растущими дендритами металла. Так формируются газовая пористость и отдельные раковины.

Этому способствуют:

• влажная или окисленная шихта;
• недостаточная дегазация расплава;
• контакт расплава с влажным футеровочным слоем ковша;
• повышенная атмосферная влажность;
• загрязнения в металле;
• нарушение режима плавки и разливки.

Турбулентная заливка

В идеале жидкий металл должен заполнять форму спокойно и равномерно. При падении струи с высоты, резких поворотах литниковой системы или слишком высокой скорости заполнения металл захватывает воздух и создает завихрения.

Пузырьки воздуха могут не успеть выйти до затвердевания и остаются внутри отливки в виде рассеянных раковин или пористости. Кроме того, турбулентность способствует образованию оксидных пленок, которые могут удерживать газовые включения.

Причины появления турбулентности:

• нарушение гидродинамики при заливке;
• некорректно спроектированная литниково-питающая система с резкими поворотами;
• несоответствие площади сечения каналов;
• падение металла в форму без направленного и спокойного заполнения;
• слишком высокая скорость потока.

Когда покрытие помогает

Противопригарное покрытие предназначено для нанесения на поверхность литейной формы и стержня. Оно создает защитный слой между расплавом и формовочной смесью, снижает разрушение поверхности формы и помогает сохранить управляемый газоотвод.

Покрытие помогает, если причина дефекта связана с поверхностью формы или стержня: остаточной влагой, плохой сушкой, трещинами, отслоением, чрезмерной толщиной слоя или недостаточной газопроницаемостью.

Правильно подобранный состав должен быть равномерным, полностью высушенным и достаточно газопроницаемым. Тогда он защищает поверхность формы, но не мешает выходу газов. Особенно важны вязкость, толщина слоя, адгезия, отсутствие потеков, трещин и непросушенных участков.

Для среднего и крупного стального литья может применяться СЦП VP / СЦП 2.0 — цирконовое покрытие. Для серого чугуна и сплавов на основе меди можно рассмотреть ГАС-1 — графитовое покрытие. Для литья по газифицируемым моделям, где особенно важен отвод газообразных продуктов разложения модели, предусмотрены противопригарные покрытия серии ЛГМ.

Когда покрытие не поможет

При высокой газонасыщенности расплава покрытие не устранит первопричину дефекта. Растворенный водород, азот или другие газы будут выделяться при кристаллизации независимо от качества защитного слоя.

При турбулентной заливке покрытие также не избавляет от захваченного воздуха в струе. Оно может защищать границу «металл — форма», но не исправит ошибки литниковой системы.

При низкой газопроницаемости всей формы, плотной набивке и отсутствии вентиляции даже качественное покрытие не компенсирует нарушение газоотвода. Проблемы также возникают при несоблюдении технологии нанесения: слишком толстый слой приводит к отслоению, при неравномерном нанесении появляются слабые зоны, а при неполной сушке — пузыри, вспучивание и газовые дефекты.

Что нужно проверять в форме и стержне

Элементы для заливки жидкого металла напрямую влияют на качество отливки и требуют строгого контроля.

Ключевые параметры проверки:

• влажность формы и стержня — в пределах технологической нормы;
• отсутствие мусора, пыли, осыпающихся участков и старого пригара;
• газопроницаемость — по требованиям к конкретной форме, смеси и технологии;
• пропускная способность выпоров и вентиляционных каналов;
• плотность набивки;
• равномерность и целостность покрытия;
• толщина покрытия — по паспорту материала и технологической инструкции;
• отсутствие трещин, потеков, отслоений и непросушенных зон.

При проверке стержня учитывают геометрическую точность, прочность, газотворность связующих компонентов, качество сушки и состояние финишного покрытия.

Не менее важны динамические факторы: скорость заливки жидкого металла, спокойное заполнение формы, отсутствие турбулентности, корректная работа литниково-питающей системы и условия затвердевания.

Профилактика газовых дефектов

Борьба с раковинами и пористостью эффективна при соблюдении условий, прописанных в технологической карте.

Чек-лист профилактики:

• использование чистых и сухих материалов;
• контроль температуры плавки и заливки;
• дегазация расплава, например продувка инертными газами или использование дегазаторов, если это предусмотрено технологией;
• применение фильтров для очистки расплава от включений и выравнивания скорости потока;
• раскисление и контроль качества расплава для снижения риска газообразования и неметаллических включений;
• равномерное и непрерывное заполнение формы расплавом без завихрения потока;
• контроль газопроницаемости формы, стержня и покрытия;
• сушка формы, стержней и покрытия по технологической инструкции до удаления влаги или растворителя перед заливкой;
• проверка выпоров, вентиляционных каналов и зон возможного скопления газов.

Сократить процент газовых пор при литье можно только при комплексном подходе к процессу. Он включает контроль формы и стержня, литниковой системы, толщины покрытия, эффективности сушки, газоотвода и качества расплава.

Современная металлургия располагает технологиями, позволяющими снизить риск возникновения брака. Компания ПК ЛИТПРОМ предлагает противопригарные покрытия с различными огнеупорными наполнителями для форм, стержней и специальных процессов литья. Специалисты компании помогают подобрать состав под тип сплава, форму, стержень, способ нанесения, требования к газопроницаемости и режиму сушки.