تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر کیفیت سطح قطعات فولادی ریخته گری

کیفیت سطح قطعات فولادی ریخته گری عمدتاً توسط دو عامل مرتبط در فاز قالب گیری کنترل می شود.: تمیزی حفره قالب و وضعیت سطح قالب.

برای ریخته‌گری‌های بزرگ - جایی که سیستم‌های ریختن طولانی هستند و پیچیدگی متالورژی/فرآیند زیاد است - ورود شن و ماسه شل, تفاله و سایر آلاینده‌ها در لوله‌های سرامیکی رایزر/رانر و زوال یا آسیب‌دیدگی سطح الگو/قالب، منابع غالب عیوب سطح قابل مشاهده هستند..

این مقاله به تحلیل عمیق این عوامل می پردازد, اقدامات حفاظتی عملی و شواهد آزمایشی را برای تأثیر نقص سطح قالب ارائه می دهد, و یک نقشه راه پیاده سازی برای بهبود وضعیت سطح ریخته گری و کاهش دوباره کاری ارائه می دهد.

1. پیشینه و اهمیت کیفیت سطح

قطعات بزرگ چدنی (اجزای توربین, دریچه های بزرگ, دونده های هیدروتوربین, و غیره) تحت دماهای ریزش بالا و سیستم های دروازه ای پیچیده تولید می شوند.

ظاهر سطح نه تنها یک ویژگی تجاری است، بلکه نشانگر کنترل فرآیند و سلامت داخلی است.

کیفیت سطح ضعیف باعث سنگ زنی پرهزینه می شود, ماشینکاری مجدد یا رد شدن و بر ادراک مشتری تأثیر منفی می گذارد.

در عمل عوامل بسیاری بر ظاهر تأثیر می گذارد (اجزاء متالورژیکی, تفکیک کلان, همجوشی شن و ماسه, جراح), اما دو عامل به طور مداوم برای بزرگ غالب است ریخته گریs در هنگام قالب گیری و ریختن:

1. تمیزی حفره قالب - ورود شن و ماسه شل, تفاله و مواد داخل لوله های سرامیکی فیدر/رانر و حفره; وت
2. وضعیت سطح قالب - آسیب مکانیکی, ترمیم ساخت, و زبری سطح الگو و اجزای هسته.

بر اساس سالها تجربه عملی تولید در قطعات فولادی ریختگی بزرگ مانند توربین های گازی,

توربین های بخار, و رانرهای توربین هیدرولیک, این مقاله به طور سیستماتیک مکانیسم تأثیر تمیزی حفره قالب و وضعیت سطح قالب را بر کیفیت سطح قطعات فولادی ریخته‌گری تجزیه و تحلیل می‌کند..

همراه با تست های مقایسه ای و تمرین مهندسی, اقدامات بهبود هدفمند برای بهبود موثر کیفیت سطح ریخته گری و ارائه پشتیبانی فنی برای تولید پایدار قطعات فولادی ریخته گری با کیفیت بالا پیشنهاد شده است..

2. تأثیر تمیزی حفره قالب بر کیفیت سطح قطعات فولادی ریخته گری

حفره قالب "قالبی" است که قطعات فولادی ریخته گری را شکل می دهد. تمیزی آن به طور مستقیم تعیین می کند که آیا اجزاء وجود دارد یا خیر, اجزاء شن و ماسه, و سایر عیوب روی سطح ریخته گری.

در طول فرآیند ریختن قطعات فولادی ریخته گری, فولاد مذاب با سرعت زیاد به داخل حفره قالب می ریزد.

اجزاء سرباره تولید شده در طی فرآیند ذوب, شن و ماسه پراکنده وارد خط لوله در طول تخمگذار سیستم دروازه, و سایر آلاینده ها همراه با فولاد مذاب به داخل حفره قالب شسته می شوند.

در طی فرآیند خنک سازی و انجماد فولاد مذاب, به دلیل چگالی کمتر آنها, بیشتر ذرات سرباره و ماسه های پراکنده به سمت بالا شناور می شوند و از طریق رایزر یا سیستم تهویه تخلیه می شوند..

هر چند, بخشی از اجزاء همچنان در مقاطع متغییر متراکم خواهند شد, فیله, و سایر موقعیت های ریخته گری, ایجاد عیوب سطحی مانند آخال های شن و ماسه و آخال های سرباره.

این عیوب باید با سنگ زنی برطرف شوند, که نه تنها حجم کار و هزینه تولید را افزایش می دهد، بلکه ممکن است بر دقت ابعادی ریخته گری تاثیر بگذارد اگر مقدار سنگ زنی خیلی زیاد باشد..

منبع اصلی شن و ماسه پراکنده در حفره قالب سیستم دروازه است.

سیستم دروازه قطعات فولادی ریخته گری معمولاً از لوله های سرامیکی تشکیل شده است (لوله های چینی) برای اطمینان از مقاومت در برابر دمای بالا و جلوگیری از فرسایش فولاد مذاب.

برای قطعات فولادی ریختگی بزرگ, طول کل سیستم دروازه ای گذاشته شده می تواند به بیش از 40 متر, و فرآیند تخمگذار شامل چندین بخش از لوله های چینی متصل می شود.

به دلیل طول زیاد و سختی بالای چیدمان, احتمال ورود ماسه پراکنده به لوله های چینی نسبتا زیاد است.

از این رو, حفاظت از هر بخش از لوله چینی در طول فرآیند تخمگذار برای جلوگیری از ورود شن و ماسه پراکنده به داخل حفره قالب همراه با فولاد مذاب بسیار مهم است..

از طریق تأیید عملی در سه نوع محصولات فولادی ریخته‌گری شده (توربین های گازی, توربین های بخار, و رانرهای توربین هیدرولیک),

سه نوع ماده و روش محافظ برای بهبود موثر تمیزی حفره قالب ایجاد شده است. در زیر تجزیه و تحلیل دقیق هر روش ارائه شده است:

2.1 روش محافظت از فیلم پلاستیک PVC

پی وی سی (پلی وینیل کلراید) فیلم پلاستیکی به دلیل عملکرد هزینه بالا به طور گسترده ای در حفاظت از سیستم دروازه استفاده می شود, عملیات راحت, و عملکرد آب بندی خوب.

ضخامت توصیه شده فیلم 0.4-1 میلی متر است, و ضخامت خاص را می توان با توجه به الزامات عملیات قالب گیری در محل انتخاب کرد.

برای سهولت در مشاهده و بازرسی تمیزی داخلی لوله های چینی, فیلم PVC شفاف ترجیح داده می شود.

مراحل عملیات خاص به شرح زیر است: اولی, قبل از محافظت، تمیزی داخلی هر بخش از لوله چینی را بررسی کنید, و هرگونه شن و ماسه پراکنده موجود یا سایر آلاینده ها را حذف کنید.

پس, فیلم PVC را دور دهانه لوله چینی بپیچید تا محافظت شود. سفتی فیلم باید مناسب باشد تا بر اتصال بین لوله های چینی تأثیری نداشته باشد.

در طول اتصال لب به لب لوله های چینی, ماسه شناور و سایر آلاینده ها خارج از فیلم مسدود شده و نمی توانند وارد لوله های چینی شوند.

پس از اتمام تخمگذار سیستم دروازه, نیازی به حذف فیلم نیست.

در طول فرآیند ریختن, هنگامی که فولاد مذاب به داخل حفره قالب می رود, هوا در لوله های چینی تحت فشار از سیستم خارج می شود, و فیلم پی وی سی از سیستم خروجی هوا همراه با هوای موجود در حفره قالب خارج می شود.

از آنجایی که فیلم پی وی سی در دمای بالا کاملاً می سوزد و تجزیه می شود (دمای تجزیه PVC حدود 200 تا 300 درجه سانتیگراد است,

که بسیار کمتر از دمای ریختن فولاد مذاب است), باعث آلودگی فولاد مذاب یا باقیمانده روی سطح ریخته گری نمی شود.

2.2 روش حفاظت از ورق فولادی نازک

ورق های فولادی نازک با ضخامت کمتر از 1 میلی متر می تواند برای محافظت از لوله های چینی نیز استفاده شود.

مزیت ورق های فولادی نازک این است که می توان از آنها دوباره استفاده کرد, که می تواند هزینه مواد درازمدت را تا حدی کاهش دهد.

قبل از استفاده, ورق های فولادی نازک باید با توجه به اندازه و شکل لوله های چینی به اندازه های مناسب کمی بزرگتر از قطر بیرونی لوله های چینی پردازش شوند تا اطمینان حاصل شود که می توانند قسمت اتصال لوله های چینی را کاملاً بپوشانند..

روند عملیات است: اولی, بررسی کنید که آیا اجسام خارجی در داخل لوله های چینی وجود دارد یا خیر.

پس, ورق های فولادی نازک فرآوری شده را روی قسمت اتصال لوله های چینی قرار دهید تا محافظت شود.

پس از اینکه قسمت بالایی لوله های چینی کاملا با ماسه قالب گیری پوشانده شد, ورق های فولادی نازک را به صورت دستی بیرون بکشید.

هر چند, این روش دارای الزامات بالایی برای عملیات ساختمانی است: از یک طرف, به دلیل وجود مقدار زیادی ماسه در اطراف لوله های چینی,

به راحتی می توان از کشیدن ورق های فولادی نازک غافل شد; از طرف دیگر, فرآیند بیرون کشیدن ورق های فولادی ممکن است لوله های چینی از قبل چیده شده را هدایت کند, منجر به ناهماهنگی سیستم دروازه می شود.

علاوه بر این, در صورتی که پس از نصب سیستم دروازه، بازرسی تمیزی ثانویه مورد نیاز باشد, سختی عملیات نسبتا زیاد است زیرا ورق های فولادی نازک حذف شده اند و قسمت اتصال لوله های چینی با ماسه پوشانده شده است..

لازم به ذکر است که اگر ورق فولادی نازک به موقع بیرون کشیده نشود یا از قلم افتاده باشد, در حین ریختن به همراه فولاد مذاب وارد حفره قالب می شود,

که جریان فولاد مذاب را مسدود می کند و باعث ایجاد ایرادات جدی مانند بسته شدن سرد و عدم کارکرد روی سطح ریخته گری می شود..

2.3 روش حفاظت از برد فوم پلی استایرن

فوم فوم پلی استایرن دارای مزایای کم هزینه و وزن سبک است, و همچنین یک ماده محافظ رایج برای سیستم دروازه است.

نکته کلیدی در این روش دقت پردازش فوم برد است: فوم برد باید به شکل استوانه ای با همان قطر قطر داخلی لوله چینی پردازش شود., و سپس برای محافظت در نازل لوله چینی قرار می گیرد.

اندازه پردازش فوم برد نیازهای بالایی دارد: اگر قطر خیلی زیاد باشد, فوم برد را نمی توان داخل نازل لوله چینی قرار داد;

اگر قطر خیلی کوچک باشد, عملکرد آب بندی ضعیف خواهد بود, و ماسه به راحتی از شکاف وارد داخل لوله چینی می شود.

در عین حال, تخته فوم باید ضخامت کافی داشته باشد (معمولاً 5-10 میلی متر) برای جلوگیری از کج شدن داخل لوله چینی, که اثر محافظتی را تحت تأثیر قرار خواهد داد.

مشابه روش محافظت از فیلم پلاستیکی PVC, فوم برد بعد از نصب سیستم دروازه نیازی به بیرون آوردن ندارد.

در طول فرآیند ریختن, هنگامی که مقدار زیادی فولاد مذاب به داخل حفره قالب می رود, تخته فوم از طریق سیستم خروجی هوا تحت فشار هوا در حفره قالب به بیرون از حفره قالب دمیده می شود..

فوم پلی استایرن در دمای بالا تجزیه می شود (دمای تجزیه حدود 100-150 درجه سانتیگراد است) و مواد مضر تولید نخواهد کرد, بنابراین فولاد مذاب را آلوده نمی کند یا بر کیفیت سطح ریخته گری تأثیر نمی گذارد.

2.4 مقایسه اثرات حفاظتی سه ماده

اصل اصلی سه روش حفاظتی این است که از ورود شن و ماسه پراکنده به لوله های چینی و حفره قالب با فرض عدم تأثیر بر جریان فولاد مذاب در حین ریختن و عدم ورود مواد خارجی به داخل حفره قالب جلوگیری می کند..

برای انتخاب طرح حفاظتی بهینه, هزینه, سختی ساخت و ساز, و اثر حفاظتی این سه ماده مقایسه شده است, همانطور که در جدول نشان داده شده است 1.

جدول 1 مقایسه هزینه و عملکرد مواد حفاظتی

از جدول قابل مشاهده است 1 که هم ورق های فولادی نازک و هم صفحات فوم پلی استایرن اثرات محافظتی خوبی دارند, اما دشواری پردازش آنها نسبتاً بالا است, که تا حدودی برای ساخت و استفاده در محل مناسب نیست.

فیلم پلاستیکی PVC بهترین اثر محافظتی را دارد, با عملکرد ساده در محل و عملکرد هزینه بالا.

از این رو, همراه با نیازهای واقعی تولید, فیلم پلاستیکی PVC با ضخامت 0.4-1 میلی متر به عنوان ماده محافظ ترجیحی برای سیستم دروازه قطعات فولادی ریخته گری توصیه می شود.,

که می تواند به طور موثر تمیزی حفره قالب را بهبود بخشد و عیوب سطحی ناشی از شن و ماسه را کاهش دهد..

3. تأثیر شرایط سطح قالب بر کیفیت سطح قطعات فولادی ریخته گری

قالب ابزار اصلی برای قالب گیری قطعات فولادی ریخته گری است, و وضعیت سطح آن به طور مستقیم بر پرداخت سطح و صافی قطعات ریخته گری تأثیر می گذارد.

برای قطعات فولادی ریختگی بزرگ, قالب های چوبی به دلیل مزایای پردازش آسان، بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند, کم هزینه, و ماشینکاری خوب.

هر چند, قالب های چوبی دارای ویژگی های حجم زیاد و تعداد زیادی بلوک شل است (بلوک های متحرک), که نیاز به دقت موقعیت یابی و محکم بودن اتصال بین بلوک های شل دارد.

در فرآیند تولید واقعی, با افزایش تعداد استفاده از قالب, آسیب به سطح قالب و بلوک های شل در حین جداسازی قالب نیز افزایش می یابد.

اگر این عیوب به موقع حفظ نشود, آنها نه تنها بر شکل و کیفیت سطح ریخته گری تأثیر می گذارند بلکه عمر مفید قالب را نیز کوتاه می کنند.

3.1 ایجاد عیوب طبیعی روی سطح قالب

عیوب طبیعی سطح قالب عمدتاً شامل سایش است, خراش, ترک, و ناهمواری در شکاف های اتصال. این عیوب عمدتاً به دلایل زیر ایجاد می شوند:

• آسیب برداشتن قالب: در طول فرآیند جداسازی قالب, به دلیل چسبندگی بین ماسه قالب گیری و سطح قالب,
  سطح قالب و بلوک های شل به راحتی خراشیده می شوند یا در هنگام بیرون کشیدن قالب ساییده می شوند., به خصوص در فیله ها و لبه های قالب.
• عوامل محیطی: قالب به مدت طولانی در کارگاه تولید نگهداری می شود, و سطح به راحتی تحت تأثیر رطوبت قرار می گیرد, منجر به تورم و تغییر شکل چوب می شود, منجر به ناهمواری سطح می شود.
• تعمیر و نگهداری به موقع نیست: پس از استفاده از قالب, اگر شن و ماسه سطح و آلاینده ها به موقع تمیز نشوند, یا قطعات آسیب دیده به موقع تعمیر نمی شوند, عیوب به تدریج با افزایش تعداد استفاده گسترش می یابد.

از جمله این عیوب طبیعی است, سطح ناهموار در شکاف های اتصال و فیله های قالب بیشترین تأثیر را بر کیفیت سطح ریخته گری دارد..

بعد از اینکه قالب تعمیر شد, اگر سطح زمین صاف و صاف نباشد, عیوب شیار مانند یا دم موش مانند روی سطح ریخته گری ایجاد می شود, که به طور جدی بر کیفیت ظاهری ریخته گری تأثیر می گذارد.

3.2 تست عیوب مصنوعی روی سطح قالب

برای بررسی کمی رابطه بین صافی سطح قالب و عیوب سطح ریخته گری, آزمون مقایسه ای انجام شد.

سه نوع نقص مصنوعی با عمق های مختلف بر روی سطح قالب ساخته شد, که 1-2 میلی متر بودند, 2-4 میلی متر, و به ترتیب 4-6 میلی متر.

محدوده توزیع عیوب هواپیما را پوشش می دهد, سطح قوس, و قسمتی از ریشه فلنج را فیله کنید, که موقعیت های کلیدی مستعد عیوب سطحی در قطعات فولادی ریخته گری هستند.

طرح آزمون به شرح زیر است: برای هر موقعیت سه ناحیه انتخاب می شود, و مساحت هر ناحیه بر روی تنظیم می شود 300 میلی متر × 300 میلی متر.

عیوب مصنوعی در مناطق انتخاب شده ساخته شده و علامت گذاری می شود.

عیوب محدب با افزودن موادی مانند بتونه یا گچ بر روی سطح قالب ایجاد می شود, عیوب مقعر با ابزارهایی مانند فایل های چرخشی آلیاژی روی سطح قالب آسیاب شده و تشکیل می شوند..

عمق تمام عیوب مصنوعی با قد سنج اندازه گیری شده و با عکاسی ثبت می شود.

در طول فرآیند قالب گیری, قطعات نقص مصنوعی بررسی می شوند تا اطمینان حاصل شود که ماسه شناور یا مواد دیگری که بر شکل نقص تأثیر می گذارد وجود ندارد..

درجه تراکم و استحکام شن و ماسه پر شده در اطراف عیوب مطابق با الزامات عملیات قالب گیری اجرا می شود..

پس از ریخته گری ریخته شده و شکل می گیرد, آنها تحت عملیات حرارتی با کیفیت و اولین فرآیند شات بلاست قرار می گیرند, و سطح قطعات ریخته گری مربوط به عیوب مصنوعی بررسی و تایید می شود.

نتایج آزمایش نشان می دهد که عمق های مختلف عیوب مصنوعی روی سطح قالب منجر به سطوح مختلف زبری سطح ریخته گری می شود..

رابطه متناظر خاص در جدول نشان داده شده است 2.

جدول 2 جدول مقایسه عیوب مصنوعی در سطح قالب و زبری سطح ریخته گری

یادداشت: نمرات زبری سطح در جدول بر اساس استاندارد داخلی شرکت برای قطعات فولادی ریخته گری تقسیم بندی شده است: درجه A1 (ra 6.3 μM) بالاترین کیفیت سطح است, مناسب برای قطعات ظاهری کلیدی;

درجه A2/A3 (6.3 μM < ra 12.5 μM) کیفیت سطح عمومی است, مناسب برای قطعات ساختاری معمولی; درجه A4 (رگ > 12.5 μM) کیفیت سطح پایین است, که نیاز به کار مجدد با آسیاب دارد.

با توجه به نتایج آزمایش, برای برآوردن نیازهای مختلف درجه زبری سطح قطعات فولادی ریخته گری, سطح قالب باید قبل از هر استفاده بازرسی شود.

برای عیوب بیش از عمق مشخص شده (معمولاً 2 میلی متر برای قطعات عمومی و 1 میلی متر برای قطعات کلیدی), تعمیر و سنگ زنی باید انجام شود تا از واجد شرایط بودن شرایط کلی سطح قالب اطمینان حاصل شود.

برای شکاف های اتصال و فیله های قالب, باید توجه ویژه ای به بازرسی و نگهداری شود تا از ایجاد عیوب شیار مانند یا دم موش مانند روی سطح ریخته گری جلوگیری شود..

4. پایان

برای قطعات بزرگ چدنی، دو قطعه بسیار تاثیرگذار هستند, عوامل قابل کنترل در کیفیت پایین سطح ریخته گری هستند ورود آلودگی از طریق دروازه/لوله کشی وت عیوب سطح قالب.

ساده, روش‌های حفاظتی کم‌هزینه - به‌ویژه استفاده از فیلم PVC شفاف با ضخامت 0.4 تا 1.0 میلی‌متر برای درپوش/پوشاندن دهانه‌های لوله در حین نصب لوله‌ها - به طور قابل‌توجهی باعث کاهش نفوذ ماسه شل می‌شود..

بازرسی مجدانه و تعمیر به موقع سطوح قالب (با پذیرش محافظه کارانه عمق نقص ≤2 میلی متر) جلوگیری از انتقال آسیب قالب به اجزای ریختگی.

همراه با NDT مقاله اول و یک برنامه نگهداری/بازرسی مستند, این اقدامات به طور مادی وضعیت سطح را بهبود می بخشد, کاهش دوباره کاری و افزایش کیفیت قابل مشاهده برای مشتری.

منابع

[1] ژانگ چائوهویی. تجزیه و تحلیل کیفیت و اقدامات بهبود کیفیت قطعات فولادی ریخته گری [j]. شبکه مجله چین, 2018(01): 75-77.

[2] وانگ چنگ بین. بحث در مورد تأثیر ساختار قالب بر کیفیت ریخته گری و طراحی بهینه سازی [j]. تجارت مدرن و صنعت تجارت, 2011, 23(01): 303.

[3] انجمن ریخته گری آمریکا (AFS). کتابچه راهنمای ریخته گری فولاد [مگس]. 11نسخه ام. AFS, 2017.