Analyse von Einflussfaktoren auf die Oberflächenqualität von Stahlgussteilen

Die Oberflächenqualität von Gussstahlbauteilen wird in der Formgebungsphase hauptsächlich von zwei miteinander verbundenen Faktoren bestimmt: Sauberkeit des Formhohlraums und die Oberflächenzustand der Form.

Bei großen Gussstücken – bei denen die Gießsysteme lang und die metallurgische/prozesstechnische Komplexität hoch sind – dringt loser Sand ein, Krätze und andere Verunreinigungen in keramischen Steig-/Ablaufrohren sowie eine Verschlechterung oder Beschädigung der Modell-/Formoberfläche sind die Hauptursachen für sichtbare Oberflächenfehler.

In diesem Artikel werden diese Faktoren ausführlich analysiert, präsentiert praktische Schutzmaßnahmen und Testnachweise für die Auswirkungen von Schimmelpilzoberflächenfehlern, und bietet eine Implementierungs-Roadmap zur Verbesserung des Oberflächenzustands im Gusszustand und zur Reduzierung von Nacharbeiten.

1. Hintergrund und Bedeutung der Oberflächenqualität

Große Gussteile aus Stahl (Turbinenkomponenten, große Ventile, Laufräder von Wasserturbinen, usw.) werden unter hohen Gießtemperaturen und komplexen Angusssystemen hergestellt.

Das Erscheinungsbild der Oberfläche ist nicht nur ein kommerzielles Merkmal, sondern auch ein Indikator für die Prozesskontrolle und die interne Integrität.

Schlechte Oberflächenqualität führt zu kostspieligem Schleifen, Dies führt zu Nacharbeit oder Ausschuss bei der Bearbeitung und wirkt sich negativ auf die Kundenwahrnehmung aus.

In der Praxis beeinflussen viele Faktoren das Aussehen (metallurgische Einschlüsse, Makrosegregation, Sandfusion, Schorf), aber zwei Faktoren dominieren durchweg bei großen Unternehmen Castings beim Formen und Gießen:

1. Sauberkeit im Formhohlraum — Eindringen von losem Sand, Krätze und Einschlüsse in keramischen Zulauf-/Ablaufrohren und im Hohlraum; Und
2. Zustand der Formoberfläche — mechanischer Schaden, Reparieren Sie Ablagerungen, und Oberflächenrauheit der Muster- und Kernkomponenten.

Basierend auf jahrelanger praktischer Produktionserfahrung in großen Stahlgussteilen wie Gasturbinen,

Dampfturbinen, und hydraulische Turbinenlaufräder, In diesem Artikel wird systematisch der Einflussmechanismus der Formhohlraumsauberkeit und des Formoberflächenzustands auf die Oberflächenqualität von Stahlgussteilen analysiert.

Kombiniert mit Vergleichstests und Ingenieurpraxis, Es werden gezielte Verbesserungsmaßnahmen vorgeschlagen, um die Oberflächenqualität von Gussteilen wirksam zu verbessern und technische Unterstützung für die stabile Produktion hochwertiger Gussstahlteile zu bieten.

2. Einfluss der Formhohlraumreinheit auf die Oberflächenqualität von Stahlgussteilen

Der Formhohlraum ist die „Form“, die die Stahlgussteile formt. Seine Sauberkeit bestimmt direkt, ob Einschlüsse vorhanden sind, Sandeinschlüsse, und andere Mängel auf der Oberfläche der Gussteile.

Beim Gießvorgang von Stahlgussteilen, geschmolzener Stahl fließt mit hoher Geschwindigkeit in den Formhohlraum.

Beim Schmelzvorgang entstandene Schlackeneinschlüsse, verstreuter Sand, der während der Verlegung des Angusssystems in die Rohrleitung gelangt, und andere Schadstoffe werden zusammen mit der Stahlschmelze in den Formhohlraum gespült.

Beim Abkühl- und Erstarrungsprozess von geschmolzenem Stahl, aufgrund ihrer geringeren Dichte, Die meisten Schlackeneinschlüsse und verstreuter Sand schwimmen nach oben und werden über das Steigrohr oder Entlüftungssystem abgeführt.

Jedoch, ein Teil der Einschlüsse kondensiert noch an den veränderlichen Querschnitten, Filets, und andere Positionen der Gussteile, Es bilden sich Oberflächenfehler wie Sandeinschlüsse und Schlackeneinschlüsse.

Diese Mängel müssen durch Schleifen beseitigt werden, Dies erhöht nicht nur den Produktionsaufwand und die Kosten, sondern kann auch die Maßhaltigkeit der Gussteile beeinträchtigen, wenn die Schleifmenge zu groß ist.

Die Hauptquelle für verstreuten Sand im Formhohlraum ist das Angusssystem.

Das Angusssystem von Stahlgussteilen besteht in der Regel aus Keramikrohren (Porzellanpfeifen) um eine hohe Temperaturbeständigkeit zu gewährleisten und eine Erosion durch geschmolzenen Stahl zu vermeiden.

Für große Stahlgussteile, Die Gesamtlänge des verlegten Torsystems kann mehr als betragen 40 Meter, Bei der Verlegung werden mehrere Abschnitte von Porzellanrohren miteinander verbunden.

Aufgrund der großen Länge und des hohen Verlegeaufwands, Die Wahrscheinlichkeit, dass verstreuter Sand in die Porzellanrohre gelangt, ist relativ hoch.

daher, Es ist besonders wichtig, jeden Abschnitt des Porzellanrohrs während des Verlegevorgangs zu schützen, um zu verhindern, dass verstreuter Sand zusammen mit dem geschmolzenen Stahl in den Formhohlraum gelangt.

Durch praktische Verifizierung an drei Arten von Stahlgussprodukten (Gasturbinen, Dampfturbinen, und hydraulische Turbinenlaufräder),

Es wurden drei Arten von Schutzmaterialien und -methoden entwickelt, um die Sauberkeit des Formhohlraums effektiv zu verbessern. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Analyse jeder Methode:

2.1 Methode zum Schutz von PVC-Kunststofffolien

PVC (Polyvinylchlorid) Kunststofffolien werden aufgrund ihres hohen Kosten-Leistungs-Verhältnisses häufig zum Schutz des Angusssystems verwendet, komfortable Bedienung, und gute Dichtleistung.

Die empfohlene Folienstärke beträgt 0,4–1 mm, und die spezifische Dicke kann entsprechend den Anforderungen des Formvorgangs vor Ort ausgewählt werden.

Zur Erleichterung der Beobachtung und Inspektion der inneren Sauberkeit der Porzellanrohre, Bevorzugt wird eine transparente PVC-Folie.

Die spezifischen Betriebsschritte sind wie folgt: Erste, Überprüfen Sie vor dem Schutz die innere Sauberkeit jedes Abschnitts des Porzellanrohrs, und eventuell vorhandenen Streusand oder andere Schadstoffe entfernen.

Dann, Wickeln Sie die PVC-Folie um die zu schützende Öffnung des Porzellanrohrs. Die Festigkeit der Folie sollte so sein, dass die Verbindung zwischen den Porzellanrohren nicht beeinträchtigt wird.

Beim Stoßen der Porzellanrohre, Der schwimmende Sand und andere Schadstoffe werden außerhalb der Folie blockiert und können nicht in die Porzellanrohre gelangen.

Nachdem die Verlegung des Torsystems abgeschlossen ist, Die Folie muss nicht entfernt werden.

Während des Gießvorgangs, wenn der geschmolzene Stahl in den Formhohlraum strömt, Die Luft in den Porzellanrohren wird unter Druck aus dem System abgeleitet, und die PVC-Folie wird zusammen mit der Luft im Formhohlraum aus dem Luftauslasssystem ausgeblasen.

Da die PVC-Folie bei hohen Temperaturen vollständig verbrannt und zersetzt wird (Die Zersetzungstemperatur von PVC liegt bei etwa 200–300 °C,

die viel niedriger ist als die Gießtemperatur von geschmolzenem Stahl), Es verursacht keine Verschmutzung der Stahlschmelze und hinterlässt keine Rückstände auf der Oberfläche der Gussteile.

2.2 Methode zum Schutz dünner Stahlbleche

Dünne Stahlbleche mit einer Dicke von weniger als 1 mm kann auch zum Schutz von Porzellanrohren verwendet werden.

Der Vorteil dünner Stahlbleche besteht darin, dass sie wiederverwendet werden können, was die langfristigen Materialkosten bis zu einem gewissen Grad reduzieren kann.

Vor Gebrauch, Die dünnen Stahlbleche müssen entsprechend der Größe und Form der Porzellanrohre in entsprechende Größen verarbeitet werden, die etwas größer als der Außendurchmesser der Porzellanrohre sind, um sicherzustellen, dass sie den Verbindungsteil der Porzellanrohre vollständig abdecken können.

Der Operationsprozess ist: Erste, Überprüfen Sie, ob sich Fremdkörper in den Porzellanrohren befinden.

Dann, Ummanteln Sie die verarbeiteten dünnen Stahlbleche am Anschlussteil der zu schützenden Porzellanrohre.

Danach wird der obere Teil der Porzellanpfeifen vollständig mit Formsand bedeckt, Ziehen Sie die dünnen Stahlbleche manuell heraus.

Jedoch, Diese Methode stellt hohe Anforderungen an den Baubetrieb: einerseits, aufgrund der großen Sandmenge um die Porzellanrohre herum,

Es ist leicht, das Ziehen der dünnen Stahlbleche zu übersehen; auf der anderen Seite, Beim Herausziehen der Stahlbleche kann es zu einem Antrieb der bereits verlegten Porzellanrohre kommen, Dies führt zu einer Fehlausrichtung des Angusssystems.

Zusätzlich, wenn nach der Verlegung des Angusssystems eine sekundäre Sauberkeitsprüfung erforderlich ist, Die Bedienungsschwierigkeiten sind relativ groß, da die dünnen Stahlbleche entfernt wurden und der Verbindungsteil der Porzellanrohre mit Sand bedeckt ist.

Es ist zu beachten, dass das dünne Stahlblech nicht rechtzeitig herausgezogen wird oder verfehlt wird, Beim Gießen gelangt es zusammen mit der Stahlschmelze in den Formhohlraum,

Dies blockiert den Fluss der Stahlschmelze und führt zu schwerwiegenden Defekten wie Kaltabschlüssen und Fehlläufen auf der Oberfläche der Gussteile.

2.3 Schutzmethode für Polystyrolschaumplatten

Polystyrolschaumplatten zeichnen sich durch geringe Kosten und geringes Gewicht aus, und ist auch ein übliches Schutzmaterial für das Angusssystem.

Der Schlüssel zu dieser Methode liegt in der Verarbeitungsgenauigkeit der Schaumstoffplatte: Die Schaumstoffplatte muss zu einer zylindrischen Form verarbeitet werden, deren Durchmesser dem Innendurchmesser des Porzellanrohrs entspricht, und dann zum Schutz an der Düse der Porzellanpfeife platziert.

An die Verarbeitungsgröße der Schaumstoffplatte werden hohe Anforderungen gestellt: wenn der Durchmesser zu groß ist, Die Schaumstoffplatte kann nicht in die Düse der Porzellanpfeife eingeführt werden;

wenn der Durchmesser zu klein ist, die Dichtungsleistung wird schlecht sein, und Sand gelangt durch den Spalt leicht in das Innere der Porzellanpfeife.

Gleichzeitig, Die Schaumstoffplatte sollte ausreichend dick sein (normalerweise 5–10 mm) um ein Verkanten innerhalb der Porzellanpfeife zu vermeiden, was die Schutzwirkung beeinträchtigen wird.

Ähnlich der PVC-Kunststofffolienschutzmethode, Die Schaumstoffplatte muss nach dem Verlegen des Angusssystems nicht herausgenommen werden.

Während des Gießvorgangs, wenn eine große Menge geschmolzenen Stahls in den Formhohlraum strömt, Die Schaumstoffplatte wird durch das Luftauslasssystem unter dem Druck der Luft im Formhohlraum aus dem Formhohlraum geblasen.

Polystyrolschaum zersetzt sich bei hohen Temperaturen (Die Zersetzungstemperatur liegt bei etwa 100–150 °C) und produziert keine Schadstoffe, Daher wird die Stahlschmelze nicht verschmutzt und die Oberflächenqualität der Gussteile wird nicht beeinträchtigt.

2.4 Vergleich der Schutzwirkungen von drei Materialien

Das Kernprinzip der drei Schutzmethoden besteht darin, zu verhindern, dass verstreuter Sand in die Porzellanrohre und den Formhohlraum gelangt, unter der Voraussetzung, dass der Fluss der Stahlschmelze beim Gießen nicht beeinträchtigt wird und keine Fremdstoffe in den Formhohlraum gelangen.

Auswahl des optimalen Schutzschemas, die Kosten, Bauschwierigkeit, und Schutzwirkung der drei Materialien verglichen, wie in der Tabelle gezeigt 1.

Tisch 1 Vergleich von Kosten und Leistung von Schutzmaterialien

Es ist aus der Tabelle ersichtlich 1 dass sowohl dünne Stahlbleche als auch Polystyrolschaumplatten eine gute Schutzwirkung haben, Ihre Verarbeitungsschwierigkeit ist jedoch relativ hoch, was für den Bau und die Nutzung vor Ort bis zu einem gewissen Grad nicht praktisch ist.

Die PVC-Kunststofffolie hat die beste Schutzwirkung, mit einfacher Vor-Ort-Bedienung und hoher Kostenleistung.

daher, kombiniert mit dem tatsächlichen Produktionsbedarf, Als bevorzugtes Schutzmaterial für das Angusssystem von Stahlgussteilen wird die PVC-Kunststofffolie mit einer Dicke von 0,4–1 mm empfohlen,

Dadurch kann die Sauberkeit des Formhohlraums wirksam verbessert und die durch Sandeinschlüsse verursachten Oberflächenfehler verringert werden.

3. Einfluss des Formoberflächenzustands auf die Oberflächenqualität von Stahlgussteilen

Die Form ist das Kernwerkzeug für die Formung von Stahlgussteilen, und sein Oberflächenzustand wirkt sich direkt auf die Oberflächenbeschaffenheit und Ebenheit der Gussteile aus.

Für große Stahlgussteile, Holzformen werden aufgrund ihrer einfachen Verarbeitung meist verwendet, niedrige Kosten, und gute Bearbeitbarkeit.

Jedoch, Holzformen zeichnen sich durch ein großes Volumen und eine große Anzahl loser Blöcke aus (bewegliche Blöcke), die eine hohe Positioniergenauigkeit und Verbindungsdichtheit zwischen den losen Blöcken erfordern.

Im eigentlichen Produktionsprozess, mit der Zunahme der Verwendung von Schimmelpilzen, Auch die Beschädigung der Formoberfläche und loser Blöcke beim Entformen nimmt zu.

Wenn diese Mängel nicht rechtzeitig behoben werden, Sie beeinträchtigen nicht nur die Form und Oberflächenqualität der Gussteile, sondern verkürzen auch die Lebensdauer der Form.

3.1 Entstehung natürlicher Defekte auf der Formoberfläche

Zu den natürlichen Mängeln der Formoberfläche zählt vor allem Abnutzung, Kratzer, Risse, und Unebenheiten an den Verbindungsfugen. Diese Mängel werden hauptsächlich durch die folgenden Gründe verursacht:

• Schäden durch Schimmelbeseitigung: Während des Entformungsvorgangs, aufgrund der Haftung zwischen Formsand und Formoberfläche,
  Die Formoberfläche und lose Blöcke können beim Herausziehen der Form leicht zerkratzt oder abgenutzt werden, insbesondere an den Hohlkehlen und Rändern der Form.
• Umweltfaktoren: Die Form wird lange Zeit in der Produktionswerkstatt gelagert, und die Oberfläche wird leicht durch Feuchtigkeit angegriffen, Dies führt zu einer Schwellung und Verformung des Holzes, was zu einer unebenen Oberfläche führt.
• Wartung nicht rechtzeitig: Nachdem die Form verwendet wurde, wenn die Oberfläche von Sand und Schadstoffen nicht rechtzeitig gereinigt wird, oder die beschädigten Teile werden nicht rechtzeitig repariert, Die Mängel werden mit zunehmender Anzahl der Nutzungen allmählich zunehmen.

Zu diesen natürlichen Mängeln, Den größten Einfluss auf die Oberflächenqualität der Gussteile hat die unebene Oberfläche an den Verbindungsspalten und Hohlkehlen der Kokille.

Nachdem die Form repariert ist, wenn die Oberfläche nicht eben und glatt geschliffen ist, Auf der Oberfläche der Gussteile bilden sich rillen- oder rattenschwanzartige Defekte, die das Erscheinungsbild der Gussteile erheblich beeinträchtigen.

3.2 Test auf künstliche Defekte auf der Formoberfläche

Zur quantitativen Überprüfung des Zusammenhangs zwischen der Ebenheit der Formoberfläche und den Defekten der Gussoberfläche, Es wurde ein Vergleichstest durchgeführt.

Auf der Formoberfläche wurden drei Arten künstlicher Defekte unterschiedlicher Tiefe hergestellt, die 1–2 mm betrugen, 2–4 mm, bzw. 4–6 mm.

Der Verteilungsbereich der Defekte erstreckt sich über die Ebene, Bogenoberfläche, und einen Teil der Flanschwurzel verrunden, Dies sind die Schlüsselstellen, an denen bei Stahlgussteilen Oberflächenfehler auftreten können.

Der Testplan sieht wie folgt aus: Für jede Position werden drei Bereiche ausgewählt, und die Fläche jedes Bereichs wird auf festgelegt 300 mm × 300 mm.

In den ausgewählten Bereichen werden künstliche Defekte hergestellt und markiert.

Konvexe Defekte entstehen durch das Hinzufügen von Materialien wie Kitt oder Gips auf der Formoberfläche, und konkave Defekte werden geschliffen und auf der Formoberfläche mit Werkzeugen wie Rotationsfeilen aus Legierung geformt.

Die Tiefe aller künstlichen Defekte wird mit einem Höhenmessgerät gemessen und fotografisch festgehalten.

Während des Formprozesses, Die künstlichen Defektteile werden überprüft, um sicherzustellen, dass kein schwimmender Sand oder andere Substanzen vorhanden sind, die die Form der Defekte beeinflussen.

Der Verdichtungsgrad und die Festigkeit des um die Fehlstellen eingefüllten Sandes werden entsprechend den Anforderungen des Formvorgangs umgesetzt.

Nachdem die Gussteile gegossen und geformt wurden, Sie werden einer hochwertigen Wärmebehandlung und dem ersten Strahlverfahren unterzogen, und die Oberflächen der Gussteile, die den künstlichen Defekten entsprechen, werden inspiziert und verifiziert.

Die Testergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Tiefen künstlicher Defekte auf der Formoberfläche zu unterschiedlichen Rauheiten der Gussoberfläche führen.

Die spezifische entsprechende Beziehung ist in der Tabelle dargestellt 2.

Tisch 2 Vergleichstabelle künstlicher Defekte an der Formoberfläche und der Rauheit der Gussoberfläche

Notiz: Die Oberflächenrauheitsgrade in der Tabelle sind nach der unternehmensinternen Norm für Stahlgussteile unterteilt: Note A1 (Ra ≤ 6.3 μm) ist die höchste Oberflächengüte, Geeignet für wichtige Erscheinungsbildteile;

Note A2/A3 (6.3 μm < Ra ≤ 12.5 μm) ist die allgemeine Oberflächenqualität, Geeignet für gewöhnliche Strukturteile; Klasse A4 (Ra > 12.5 μm) ist die geringe Oberflächenqualität, welches durch Schleifen nachbearbeitet werden muss.

Den Testergebnissen zufolge, um den unterschiedlichen Anforderungen an die Oberflächenrauheit von Stahlgussteilen gerecht zu werden, Die Formoberfläche muss vor jedem Gebrauch überprüft werden.

Für Mängel, die die angegebene Tiefe überschreiten (normalerweise 2 mm für allgemeine Teile und 1 mm für Schlüsselteile), Es müssen Reparaturen und Schleifen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass der Gesamtzustand der Formoberfläche qualifiziert ist.

Für die Verbindungsfugen und Hohlkehlen der Form, Besonderes Augenmerk sollte auf Inspektion und Wartung gelegt werden, um die Bildung von rillen- oder rattenschwanzartigen Defekten auf der Gussoberfläche zu vermeiden.

4. Abschluss

Bei großen Gussstahlteilen sind die beiden wirkungsvollsten, kontrollierbare Ursachen für eine schlechte Oberflächenqualität im Gusszustand sind Eindringen von Verunreinigungen über Anschnitte/Rohrleitungen Und Defekte an der Formoberfläche.

Einfach, Kostengünstige Schutzmethoden – insbesondere die Verwendung einer transparenten PVC-Folie mit einer Dicke von 0,4–1,0 mm zum Abdecken/Abdecken von Rohröffnungen während der Rohrleitungsinstallation – reduzieren das Eindringen von losem Sand erheblich.

Sorgfältige Inspektion und rechtzeitige Reparatur von Formoberflächen (mit einer konservativen Defekttiefenakzeptanz von ≤2 mm) verhindern die Übertragung von Formschäden auf Gussteile.

Kombiniert mit einer zerstörungsfreien Prüfung des ersten Artikels und einem dokumentierten Wartungs-/Inspektionsprogramm, Diese Maßnahmen verbessern den Oberflächenzustand erheblich, Reduzieren Sie Nacharbeiten und erhöhen Sie die für den Kunden sichtbare Qualität.

Referenzen

[1] Zhang Chaohui. Qualitätsanalyse und Qualitätsverbesserungsmaßnahmen von Stahlgussteilen [J]. China Journal Network, 2018(01): 75-77.

[2] Wang Chengbin. Diskussion über den Einfluss der Formstruktur auf die Gussqualität und Optimierungsdesign [J]. Moderne Geschäfts- und Handelsindustrie, 2011, 23(01): 303.

[3] Amerikanische Gießereigesellschaft (AFS). Handbuch für Stahlguss [M]. 11Auflage. AFS, 2017.