De oppervlaktekwaliteit van gietstalen componenten wordt voornamelijk bepaald door twee onderling samenhangende factoren in de vormfase: reinheid van de schimmelholte en de oppervlakteconditie van de mal.
Bij grote gietstukken – waarbij de gietsystemen lang zijn en de metallurgische/procescomplexiteit hoog is – dringt er los zand binnen, schuim en andere verontreinigingen in keramische stijgbuis-/kanaalpijpen en aantasting of beschadiging van het patroon-/vormoppervlak zijn de dominante bronnen van zichtbare oppervlaktedefecten.
Dit artikel analyseert deze factoren diepgaand, presenteert praktische beschermingsmaatregelen en testbewijs voor de impact van defecten aan het schimmeloppervlak, en biedt een implementatieroutekaart voor het verbeteren van de toestand van het oppervlak en het verminderen van herbewerking.
1. Achtergrond en belang van oppervlaktekwaliteit
Grote gietstalen onderdelen (turbinecomponenten, grote kleppen, hydroturbine lopers, enz.) worden geproduceerd onder hoge giettemperaturen en complexe poortsystemen.
Het uiterlijk van het oppervlak is niet alleen een commercieel kenmerk, maar ook een indicator van procesbeheersing en interne deugdelijkheid.
Een slechte oppervlaktekwaliteit leidt tot kostbaar slijpen, machinale bewerking of afkeuring en heeft een negatieve invloed op de perceptie van de klant.
In de praktijk zijn er veel factoren die het uiterlijk beïnvloeden (metallurgische insluitsels, macro-segregatie, zandfusie, schaafsel), maar twee factoren domineren consequent voor het grote geheel gietens tijdens het vormen en gieten:
- Schimmelholtereinheid — indringen van los zand, schuim en insluitsels in keramische toevoer-/afvoerpijpen en de holte; En
- Conditie van het oppervlak van de schimmel — mechanische schade, opbouw repareren, en oppervlakteruwheid van het patroon en de kerncomponenten.
Gebaseerd op jarenlange praktijkervaring in de productie van grote gietstalen onderdelen zoals gasturbines,
stoomturbines, en hydraulische turbinelopers, dit artikel analyseert systematisch het invloedsmechanisme van de reinheid van de matrijsholte en de toestand van het matrijsoppervlak op de oppervlaktekwaliteit van gietstalen onderdelen.
Gecombineerd met vergelijkende tests en ingenieurspraktijken, Er worden gerichte verbeteringsmaatregelen voorgesteld om de oppervlaktekwaliteit van gietstukken effectief te verbeteren en technische ondersteuning te bieden voor de stabiele productie van hoogwaardige gietstalen onderdelen.
2. Invloed van de zuiverheid van de vormholte op de oppervlaktekwaliteit van gegoten stalen onderdelen
De matrijsholte is de “mal” die de gietstalen onderdelen vormt. De reinheid ervan bepaalt direct of er insluitsels zijn, Sand Inclusions, en andere defecten aan het oppervlak van de gietstukken.
Tijdens het gietproces van gietstalen onderdelen, gesmolten staal stroomt met hoge snelheid de matrijsholte in.
Slakkeninsluitsels die ontstaan tijdens het smeltproces, verspreid zand dat de pijpleiding binnendringt tijdens het leggen van het poortsysteem, en andere verontreinigende stoffen worden samen met het gesmolten staal in de vormholte gespoeld.
Tijdens het koel- en stollingsproces van gesmolten staal, vanwege hun lagere dichtheid, de meeste slakinsluitingen en verspreid zand zullen naar boven drijven en via het stijgbuis- of ontluchtingssysteem worden afgevoerd.
Echter, een deel van de insluitsels zal nog steeds condenseren op de variabele doorsneden, filets, en andere posities van de gietstukken, het vormen van oppervlaktedefecten zoals zandinsluitingen en slakinsluitingen.
Deze gebreken moeten door slijpen worden verwijderd, wat niet alleen de productiewerklast en -kosten verhoogt, maar ook de maatnauwkeurigheid van de gietstukken kan beïnvloeden als de maalhoeveelheid te groot is.
De belangrijkste bron van verspreid zand in de vormholte is het poortsysteem.
Het poortsysteem van gietstalen onderdelen bestaat meestal uit keramische buizen (porseleinen pijpen) om weerstand tegen hoge temperaturen te garanderen en erosie van gesmolten staal te voorkomen.
Voor grote gietstalen onderdelen, de totale lengte van het gelegde poortsysteem kan meer dan bedragen 40 meter, en het legproces omvat meerdere delen van porseleinen pijpen die met elkaar zijn verbonden.
Vanwege de lange lengte en de hoge legmoeilijkheid, de kans dat er strooizand in de porseleinen buizen terechtkomt is relatief groot.
Daarom, het is bijzonder belangrijk om elke sectie van de porseleinen buis tijdens het legproces te beschermen om te voorkomen dat verspreid zand samen met het gesmolten staal in de vormholte terechtkomt.
Door praktische verificatie op drie soorten gietstaalproducten (gasturbines, stoomturbines, en hydraulische turbinelopers),
Er zijn drie soorten beschermende materialen en methoden ontwikkeld om de reinheid van de vormholte effectief te verbeteren. Hieronder volgt een gedetailleerde analyse van elke methode:
2.1 Beschermingsmethode voor PVC-kunststoffilm
PVC (Polyvinylchloride) Plastic folie wordt veel gebruikt bij de bescherming van poortsystemen vanwege de hoge kostenprestaties, handige bediening, en goede afdichtingsprestaties.
De aanbevolen dikte van de film is 0,4–1 mm, en de specifieke dikte kan worden geselecteerd volgens de vereisten voor de vormbewerking ter plaatse.
Om de observatie en inspectie van de interne reinheid van de porseleinen pijpen te vergemakkelijken, transparante PVC-film heeft de voorkeur.
De specifieke bedieningsstappen zijn als volgt: Eerst, controleer vóór bescherming de interne reinheid van elk deel van de porseleinen pijp, en verwijder al het aanwezige verspreide zand of andere verontreinigende stoffen.
Dan, wikkel de PVC-folie rond de opening van de porseleinen pijp die moet worden beschermd. De strakheid van de film moet zodanig zijn dat de verbinding tussen de porseleinen pijpen niet wordt aangetast.
Tijdens het stompen van de porseleinen pijpen, het drijvende zand en andere verontreinigende stoffen worden buiten de film geblokkeerd en kunnen niet in de porseleinen buizen terechtkomen.
Nadat het leggen van het poortsysteem is voltooid, de folie hoeft niet verwijderd te worden.
Tijdens het gietproces, wanneer het gesmolten staal de vormholte binnenstroomt, de lucht in de porseleinen buizen wordt onder druk uit het systeem afgevoerd, en de PVC-film wordt samen met de lucht in de vormholte uit het luchtuitlaatsysteem geblazen.
Omdat de PVC-film bij hoge temperaturen volledig zal worden verbrand en ontleed (de ontledingstemperatuur van PVC bedraagt ongeveer 200–300°C,
die veel lager is dan de giettemperatuur van gesmolten staal), het veroorzaakt geen vervuiling van het gesmolten staal en laat geen resten achter op het oppervlak van de gietstukken.
2.2 Beschermingsmethode voor dunne staalplaten
Dunne staalplaten met een dikte van minder dan 1 mm kan ook worden gebruikt voor de bescherming van porseleinen pijpen.
Het voordeel van dunne staalplaten is dat ze hergebruikt kunnen worden, waardoor de materiaalkosten op de lange termijn tot op zekere hoogte kunnen worden verlaagd.
Voor gebruik, de dunne staalplaten moeten worden verwerkt tot geschikte maten die iets groter zijn dan de buitendiameter van de porseleinen pijpen, afhankelijk van de grootte en vorm van de porseleinen pijpen, om ervoor te zorgen dat ze het verbindingsgedeelte van de porseleinen pijpen volledig kunnen bedekken.
Het operatieproces is: Eerst, controleer of er vreemde voorwerpen in de porseleinen pijpen zitten.
Dan, huls de bewerkte dunne staalplaten op het verbindingsdeel van de te beschermen porseleinen buizen.
Nadat het bovenste deel van de porseleinen pijpen volledig is bedekt met vormzand, trek handmatig de dunne staalplaten eruit.
Echter, deze methode stelt hoge eisen aan bouwwerkzaamheden: enerzijds, door de grote hoeveelheid zand rondom de porseleinen pijpjes,
het is gemakkelijk om het trekken aan de dunne staalplaten te missen; anderzijds, het proces van het uittrekken van de staalplaten kan de reeds gelegde porseleinen buizen aandrijven, resulterend in een verkeerde uitlijning van het poortsysteem.
In aanvulling, als een secundaire reinheidsinspectie vereist is na de installatie van het poortsysteem, de bedieningsmoeilijkheid is relatief groot omdat de dunne staalplaten zijn verwijderd en het verbindingsgedeelte van de porseleinen buizen is bedekt met zand.
Opgemerkt moet worden dat als de dunne staalplaat niet op tijd wordt uitgetrokken of wordt gemist, het zal tijdens het gieten samen met het gesmolten staal de vormholte binnendringen,
die de stroom gesmolten staal zal blokkeren en ernstige defecten zal veroorzaken, zoals koude afsluitingen en misruns op het oppervlak van de gietstukken.
2.3 Beschermingsmethode van polystyreenschuimplaat
Polystyreenschuimplaat heeft de voordelen van lage kosten en een laag gewicht, en is ook een veelgebruikt beschermend materiaal voor het poortsysteem.
De sleutel tot deze methode is de verwerkingsnauwkeurigheid van de foamboard: de foamboard moet worden verwerkt tot een cilindrische vorm met dezelfde diameter als de binnendiameter van de porseleinen pijp, en vervolgens ter bescherming bij het mondstuk van de porseleinen pijp geplaatst.
De verwerkingsgrootte van de foamboard stelt hoge eisen: als de diameter te groot is, de schuimplaat kan niet in het mondstuk van de porseleinen pijp worden gestoken;
als de diameter te klein is, de afdichtingsprestaties zullen slecht zijn, en zand zal vanuit de opening gemakkelijk de binnenkant van de porseleinen pijp binnendringen.
Tegelijkertijd, de schuimplaat moet voldoende dikte hebben (meestal 5–10 mm) om kantelen in de porseleinen pijp te voorkomen, wat het beschermende effect zal beïnvloeden.
Vergelijkbaar met de PVC-kunststoffilmbeschermingsmethode, de schuimplaat hoeft na het leggen van het poortsysteem niet te worden verwijderd.
Tijdens het gietproces, wanneer een grote hoeveelheid gesmolten staal de vormholte binnenstroomt, de schuimplaat wordt via het luchtuitlaatsysteem uit de matrijsholte geblazen onder de druk van de lucht in de matrijsholte.
Polystyreenschuim zal bij hoge temperaturen ontleden (de ontledingstemperatuur bedraagt ongeveer 100–150°C) en produceert geen schadelijke stoffen, het zal dus het gesmolten staal niet vervuilen of de oppervlaktekwaliteit van de gietstukken beïnvloeden.
2.4 Vergelijking van beschermingseffecten van drie materialen
Het kernprincipe van de drie beschermingsmethoden is om te voorkomen dat verspreid zand de porseleinen buizen en de vormholte binnendringt, met als uitgangspunt dat de stroom van gesmolten staal tijdens het gieten niet wordt beïnvloed en dat er geen vreemde stoffen in de vormholte worden geïntroduceerd..
Om het optimale beschermingsschema te selecteren, de kosten, constructie moeilijkheid, en het beschermende effect van de drie materialen worden vergeleken, zoals weergegeven in Tabel 1.
| Materiaal | Eenheidskosten (¥/m²)* | Herbruikbaar | Gemakkelijk te installeren | Impact op de staalstroom | Effectiviteit van bescherming |
| PVC-kunststoffolie | 1.2 | Nee | Eenvoudig | Geen | Uitstekend |
| Dunne stalen huls | 120 | Ja | Moeilijk | Potentieel indien niet verwijderd | Goed |
| Plug van EPS-schuim | 2 | Nee | Gematigd (maatvoering vereist) | Geen | Goed |
Tafel 1 Vergelijking van kosten en prestaties van beschermende materialen
Het is te zien vanaf Tabel 1 dat zowel dunne staalplaten als polystyreenschuimplaten goede beschermingseffecten hebben, maar hun verwerkingsmoeilijkheden zijn relatief hoog, wat tot op zekere hoogte niet handig is voor constructie en gebruik ter plaatse.
De PVC-plastic film heeft het beste beschermingseffect, met eenvoudige bediening ter plaatse en hoge kostenprestaties.
Daarom, gecombineerd met de werkelijke productiebehoeften, de PVC-kunststoffolie met een dikte van 0,4–1 mm wordt aanbevolen als het voorkeursbeschermingsmateriaal voor het poortsysteem van gietstalen onderdelen,
die de netheid van de vormholte effectief kan verbeteren en de oppervlaktedefecten veroorzaakt door zandinsluitsels kan verminderen.
3. Invloed van de oppervlakteconditie van de mal op de oppervlaktekwaliteit van gegoten stalen onderdelen
De mal is het kerngereedschap voor het gieten van gietstalen onderdelen, en de oppervlakteconditie ervan heeft rechtstreeks invloed op de oppervlakteafwerking en vlakheid van de gietstukken.
Voor grote gietstalen onderdelen, houten mallen worden meestal gebruikt vanwege hun voordelen van eenvoudige verwerking, lage kosten, en goede bewerkbaarheid.
Echter, houten mallen hebben de kenmerken van een groot volume en een groot aantal losse blokken (beweegbare blokken), die een hoge positioneringsnauwkeurigheid en verbindingsdichtheid tussen de losse blokken vereisen.
In het daadwerkelijke productieproces, met de toename van het aantal schimmeltoepassingen, Ook zullen de beschadigingen aan het matrijsoppervlak en losse blokken tijdens het strippen van de matrijs toenemen.
Als deze gebreken niet tijdig worden verholpen, ze hebben niet alleen invloed op de vorm en oppervlaktekwaliteit van de gietstukken, maar verkorten ook de levensduur van de mal.
3.1 Generatie van natuurlijke defecten op het schimmeloppervlak
De natuurlijke gebreken van het matrijsoppervlak omvatten voornamelijk slijtage, krassen, scheuren, en oneffenheden bij de aansluitspleten. Deze defecten worden voornamelijk veroorzaakt door de volgende redenen:
- Schade door schimmelstripping: Tijdens het schimmelstripproces, door de hechting tussen het vormzand en het vormoppervlak,
het maloppervlak en de losse blokken kunnen gemakkelijk worden bekrast of versleten wanneer de mal wordt uitgetrokken, vooral bij de filets en randen van de mal. - Omgevingsfactoren: De matrijs wordt lange tijd opgeslagen in de productiewerkplaats, en het oppervlak wordt gemakkelijk aangetast door vocht, waardoor het hout opzwelt en vervormt, waardoor een oneffen oppervlak ontstaat.
- Onderhoud niet op tijd: Nadat de mal is gebruikt, als het oppervlaktezand en de verontreinigende stoffen niet op tijd worden gereinigd, of de beschadigde onderdelen worden niet op tijd gerepareerd, de defecten zullen geleidelijk toenemen met de toename van het aantal toepassingen.
Onder deze natuurlijke gebreken, het oneffen oppervlak ter hoogte van de verbindingsspleten en randen van de mal heeft de grootste invloed op de oppervlaktekwaliteit van de gietstukken.
Nadat de mal is gerepareerd, als het oppervlak niet vlak en glad is geslepen, Er zullen groefachtige of rattenstaartachtige defecten worden gevormd op het oppervlak van de gietstukken, die de uiterlijke kwaliteit van de gietstukken ernstig beïnvloeden.
3.2 Test op kunstmatige defecten op het schimmeloppervlak
Om de relatie tussen de vlakheid van het matrijsoppervlak en defecten aan het gietoppervlak kwantitatief te verifiëren, er werd een vergelijkende test uitgevoerd.
Er werden drie soorten kunstmatige defecten met verschillende diepten op het maloppervlak vervaardigd, die 1 à 2 mm waren, 2–4 mm, en respectievelijk 4–6 mm.
Het distributiebereik van de defecten bestrijkt het vlak, boog oppervlak, en fileer een deel van de flenswortel, Dit zijn de sleutelposities die gevoelig zijn voor oppervlaktedefecten in gegoten stalen onderdelen.
Het testplan is als volgt: Voor elke positie worden drie gebieden geselecteerd, en de oppervlakte van elk gebied is ingesteld op 300 mm × 300 mm.
Kunstmatige defecten worden op de geselecteerde gebieden vervaardigd en gemarkeerd.
Convexe defecten worden gemaakt door materialen zoals stopverf of gips op het maloppervlak toe te voegen, en concave defecten worden geslepen en gevormd op het matrijsoppervlak met gereedschappen zoals roterende vijlen van legeringen.
De diepte van alle kunstmatige defecten wordt gemeten met een hoogtemeter en vastgelegd door middel van fotografie.
Tijdens het gietproces, de kunstmatige defectdelen worden geïnspecteerd om er zeker van te zijn dat er geen drijvend zand of andere stoffen aanwezig zijn die de vorm van de defecten aantasten.
De mate van verdichting en de sterkte van het zand dat rond de defecten is opgevuld, worden geïmplementeerd in overeenstemming met de eisen van de vormbewerking.
Nadat de gietstukken zijn gegoten en gevormd, ze worden onderworpen aan een hoogwaardige warmtebehandeling en het eerste straalproces, en de oppervlakken van de gietstukken die overeenkomen met de kunstmatige defecten worden geïnspecteerd en geverifieerd.
De testresultaten laten zien dat verschillende diepten van kunstmatige defecten op het maloppervlak leiden tot verschillende niveaus van ruwheid van het gietoppervlak.
De specifieke corresponderende relatie wordt getoond in Tabel 2.
| Type | Grootte van een kunstmatig defect op het schimmeloppervlak (mm) | ||
| 1~2 | 2~4 | 4~6 | |
| Gietoppervlakruwheidsgraad | A1 | A2/A3 | A4 |
Tafel 2 Vergelijkingstabel van kunstmatige defecten op het matrijsoppervlak en de ruwheid van het gietoppervlak
Opmerking: De oppervlakteruwheidsgraden in de tabel zijn verdeeld volgens de interne bedrijfsnorm voor gietstalen onderdelen: A1-klasse (Ra ≤ 6.3 μm) is de hoogste oppervlaktekwaliteit, geschikt voor belangrijke uiterlijkonderdelen;
A2/A3-kwaliteit (6.3 μm < Ra ≤ 12.5 μm) is de algemene oppervlaktekwaliteit, geschikt voor gewone structurele onderdelen; A4-kwaliteit (Ra > 12.5 μm) is de lage oppervlaktekwaliteit, die door slijpen opnieuw moet worden bewerkt.
Volgens de testresultaten, om te voldoen aan de verschillende vereisten voor oppervlakteruwheid van gietstalen onderdelen, het maloppervlak moet vóór elk gebruik worden geïnspecteerd.
Voor defecten die de gespecificeerde diepte overschrijden (gebruikelijk 2 mm voor algemene onderdelen en 1 mm voor belangrijke onderdelen), reparatie en slijpen moeten worden uitgevoerd om ervoor te zorgen dat de algehele toestand van het maloppervlak gekwalificeerd is.
Voor de verbindingsspleten en filets van de mal, Er moet speciale aandacht worden besteed aan inspectie en onderhoud om de vorming van groefachtige of rattenstaartachtige defecten op het gietoppervlak te voorkomen.
4. Conclusie
Voor grote gietstalen onderdelen zijn dit de twee meest impactvolle, controleerbare bijdragers aan een slechte oppervlaktekwaliteit zijn dat wel binnendringen van vervuiling via poorten/leidingen En defecten aan het schimmeloppervlak.
Eenvoudig, goedkope beschermingsmethoden – met name het gebruik van transparante PVC-film met een dikte van 0,4–1,0 mm om pijpopeningen af te dekken tijdens de installatie van leidingen – verminderen het binnendringen van los zand aanzienlijk.
Zorgvuldige inspectie en tijdige reparatie van schimmeloppervlakken (met een conservatieve acceptatie van de defectdiepte van ≤2 mm) voorkomen dat schimmelschade wordt overgedragen op gegoten componenten.
Gecombineerd met eerste artikel NDT en een gedocumenteerd onderhouds-/inspectieprogramma, deze maatregelen verbeteren de toestand van het oppervlak aanzienlijk, verminder nabewerkingen en verhoog de voor de klant zichtbare kwaliteit.
Referenties
[1] Zhang Chaohui. Kwaliteitsanalyse en kwaliteitsverbeteringsmaatregelen van gietstalen onderdelen [J]. China Journal-netwerk, 2018(01): 75-77.
[2] Wang Chengbin. Discussie over de invloed van de matrijsstructuur op de gietkwaliteit en het optimalisatieontwerp [J]. Moderne zaken- en handelssector, 2011, 23(01): 303.
[3] Amerikaanse Foundry Society (AFS). Handboek voor gietstukken van staal [M]. 11e editie. AFS, 2017.
