Как образуются трещины в отливках? Причины, Профилактика, Решения

Введение

Кастинг Трещины являются одним из наиболее распространенных и разрушительных дефектов в производстве металлического литья..

Они серьезно нарушают целостность конструкции., размерная стабильность, механические характеристики и эксплуатационная безопасность литых деталей, что приводит к высокому проценту брака, увеличение производственных затрат и сокращение срока службы оборудования.

В производстве промышленного литья, трещины с научной точки зрения подразделяются на два исключительных типа в зависимости от стадии формирования., микроскопический механизм, морфологические особенности и стрессовое состояние: Горячие трещины (Горячие слезы) и холодные трещины (холодные слезы).

Горячие трещины возникают на последней стадии затвердевания расплавленного металла., при этом холодные трещины образуются после полного затвердевания на этапе низкотемпературного упругого охлаждения..

Два типа дефектов резко различаются по макроскопической морфологии., режим микроскопического расширения, коренные причины и уязвимые системы сплавов.

Систематическое понимание механизмов их формирования и стратегий целенаправленного решения необходимо инженерам-литейщикам для оптимизации процессов литья., устранить дефекты трещин и повысить выход годных качественных отливок.

В данной статье подробно описаны полноразмерные характеристики, принципы формирования, ключевые провоцирующие факторы и стандартизированные профилактические & Решения для устранения горячих и холодных трещин.

1. Горячие трещины: Механизм формирования, Характеристики и решения

Горячие трещины – типичные дефекты высокотемпературного литья, возникающие при стадия позднего затвердевания или сразу после затвердевания, когда литейный сплав сохраняет крайне низкую прочность и плохую пластическую вязкость.

Они распространены в стальных отливках., отливки из ковкого чугуна и отливки из легких сплавов, и в основном обусловлены неослабевающим напряжением усадки и термическим напряжением во время затвердевания..

Типичные морфоструктурные характеристики

Горячие трещины обладают уникальными визуальными и микроскопическими особенностями, отличающими их от холодных трещин.:

Макро-форма:

Линии трещин извилистые., неравномерная и неравномерная толщина, с широким внешним отверстием и постепенно суженным внутренним разрезом с типичным разрывом., «частично связанное» состояние перелома.

Особенности окисления поверхности:

Поверхности трещин образуют отчетливые оксидные слои без металлического блеска..
Горячие трещины в стальном литье кажутся почти черными, в то время как трещины из алюминиевого сплава имеют тусклый серый оттенок из-за высокотемпературного окисления..

Режим микроскопического расширения:

Горячие трещины прорастают и расширяются по границам зерен., что является их основной особенностью микроскопической идентификации..

Классификация:

Разделяют на внешние горячие трещины и внутренние горячие трещины..
На поверхности отливки видны внешние трещины., в основном распределены по острым углам, резкие переходы толщины стенок и участки концентрации напряжений с медленным локальным затвердеванием, а в тяжелых случаях может даже проникнуть во все поперечное сечение отливки..
Внутренние горячие трещины образуются в зоне окончательного затвердевания внутри отливок., сопровождается дендритными кристаллическими структурами, и редко распространяются на внешнюю поверхность.

Механизм формирования ядра

После заливки расплавленного металла в форму, тепло рассеивается наружу через стенку формы, затвердевание начинается с поверхности отливки и постепенно распространяется внутрь.

На поздней стадии затвердевания, дендритные кристаллы перекрываются, образуя жесткий твердый скелет и начинают линейную усадку.

На этом этапе, между соседними дендритами все еще существует тонкая незатвердевшая пленка жидкого металла.

Если сокращение дендритного скелета происходит совершенно беспрепятственно, не будет создаваться внутреннее напряжение.

Однако, когда твердая усадка сдерживается внешними барьерами, такими как песчаные формы, песчаные стержни и трение формы, растягивающее напряжение накапливается внутри отливки.

Как только растягивающее напряжение превышает предел прочности сплава при высоких температурах, межзеренное растрескивание происходит между дендритами.

Возникновение горячих трещин зависит от пополнения жидкого металла после растрескивания..

Если достаточное количество расплавленного металла вовремя заполнит трещины, дефекты не образуются; если трещины невозможно восполнить, появятся постоянные горячие трещины.

Сплавы с широким диапазоном температур затвердевания и губчатыми пастообразными характеристиками затвердевания сильно подвержены горячему растрескиванию.,

в то время как эвтектические сплавы с затвердеванием при постоянной температуре имеют наименьшую склонность к горячему растрескиванию..

Ключевые стимулирующие факторы

Образование горячих трещин является результатом конструктивного проектирования., качество плавки и параметры процесса литья:

1. Структурные дефекты: Неравномерная толщина стенок, слишком маленькие внутренние скругления, чрезмерное разветвление перекрывающихся частей, и жесткие каркасные или ребристые конструкции, блокирующие свободную твердую усадку отливок..
2. Иррациональность процесса: Неправильный размер и расположение литниковых и стояковых систем, ограничивающих усадку.;
   преждевременное встряхивание формы, приводящее к быстрому и неравномерному охлаждению; чрезмерная прочность формы с плохой деформируемостью.
3. Вопросы материала и химического состава: Сплавы с высокими скоростями линейной усадки; избыток легкоплавких примесных элементов;
   избыточное содержание серы и фосфора в стальных и чугунных отливках, ухудшающее жаропрочность.

Систематическое разрешение и превентивные меры

Оптимизация конструкции отливки

Стандартизация структурного проектирования для устранения присущих рисков концентрации напряжений.: обеспечить равномерную толщину стенок отливок, установите закругленные переходные скругления на всех острых углах, чтобы смягчить напряжение усадки,

и использовать изогнутые конструкции спиц для отливок колес, чтобы эффективно снизить сопротивление усадке..

Улучшение качества плавки расплавленных сплавов

Внедрить процессы рафинирования и дегазации для удаления оксидных включений и растворенного газа в расплавленном металле., очистить микроструктуру сплава.

Строго контролировать содержание вредных примесей, таких как сера и фосфор., и избегать чрезмерного количества легкоплавких фаз для стабилизации жаропрочности и пластичности сплава..

Оптимизация параметров процесса литья

Внедрить принцип одновременного затвердевания сбалансировать скорость охлаждения всех отливок и минимизировать разницу температурных напряжений.

Спроектируйте разумные размеры и расположение ворот и стояков, чтобы избежать препятствий для усадки..

Увеличьте время выдержки отливок в песчаной форме, чтобы добиться равномерного распределения температуры и снизить внутренние термические напряжения..

Улучшение деформируемости песчаных форм и песчаных стержней., заранее снимите прижимные грузики и крепежные приспособления формы,

и частично выкапывать лишний формовочный песок для крупных отливок, чтобы снизить сопротивление усадке..

Стандартизация операций после литья

Избегайте столкновений, экструзия и сильная вибрация во время встряхивания, очистка и обработка для предотвращения вторичного разрыва высокотемпературных отливок.

2. Холодные трещины: Механизм формирования, Характеристики и решения

Холодные трещины – это низкотемпературные структурные дефекты, образующиеся после полного затвердевания и охлаждения отливки до упругого состояния..

Они возникают, когда местное растягивающее напряжение отливки превышает предел прочности сплава при комнатной температуре., и в основном распределяются в зонах концентрированных напряжений в процессе охлаждения..

Отличительные морфологические и микроскопические особенности

Холодные трещины имеют совершенно другие характеристики, чем горячие трещины., обеспечивая точную визуальную и микроскопическую идентификацию:

• Макроморфология: Трещины прямые или складчатые, однородные., узкая и постоянная ширина, с гладкими и аккуратными линиями излома.
• Состояние перелома: Поверхность излома чистая, с явным металлическим блеском или легким цветом низкотемпературного окисления., без грубого оксидированного слоя горячих трещин.
• Микроскопический режим: Холодные трещины расширяются транскристаллитно., проникает во все поперечное сечение отливки, а не распространяется по границам зерен, что является наиболее существенным отличием от горячих трещин.

Механизм формирования

После полного затвердевания, отливка переходит в стадию упругого охлаждения.

Неравномерная скорость охлаждения различных частей конструкции приводит к значительным градиентам температуры., что приводит к несбалансированной усадочной деформации.

Ограничено собственной жесткой структурой отливки и внешним сопротивлением формы., внутри детали накапливается огромное остаточное растягивающее напряжение.

Когда местное растягивающее напряжение превышает низкотемпературную текучесть и предел прочности материала сплава., происходит трансгранулярный перелом, образование холодных трещин.

Основные стимулирующие факторы

Необоснованная структура литья

Сильно неравномерная толщина стенок приводит к неравномерной усадке при охлаждении.; жесткие закрытые конструкции и тонкостенные & конструкции с крупным ядром склонны к ограниченному усадочному напряжению, который легко превышает предел прочности сплава и вызывает растрескивание.

Неисправная конструкция системы ворот и стояков

Неправильное размещение впускного отверстия (расположены в толстостенных позициях) усугубляет разницу в скорости охлаждения и концентрацию термических напряжений.

Недостаточный размер или неправильное расположение стояков препятствуют свободной усадке отливок..

Чрезмерно высокая жаропрочность и плохая деформируемость формовочного песка и стержневого песка еще больше повышают сопротивление усадке и растягивающее напряжение..

Неквалифицированный химический состав сплава

Чрезмерно высокое содержание углерода и легирующих элементов повышает хрупкость сплава и снижает низкотемпературную вязкость..

Избыточное содержание фосфора (над 0.05%) значительно повышает хладноломкость стальных отливок.

Чрезмерное содержание антиграфитизирующих элементов в отливках из серого чугуна увеличивает объем усадки и вызывает образование холодных трещин..

Нестандартные процессы пост-литья

Преждевременная вытряска формы и высокотемпературная вытряска приводят к быстрому охлаждению и резкому всплеску напряжений.; механическое столкновение и экструзия во время очистки и транспортировки приводят к прямому растрескиванию отливок низкой прочности..

Целевые стратегии разрешения и предотвращения

Оптимизация структурного и технологического проектирования

Оптимизация однородности толщины стенок, добавить переходные конструкции для жестких закрытых деталей, и устранить концентрацию структурных напряжений.

Перепроектируйте систему литников и стояков, чтобы избежать блокирования усадки отливки и сбалансировать скорость охлаждения толстых и тонких сечений..

Строгий контроль состава сплава

Точно отрегулируйте соотношение элементов сплава, строго ограничивать содержание хрупких примесей, таких как фосфор, и уменьшить хладноломкость материала для улучшения ударной вязкости при низких температурах..

Стандартизировать спецификации по выпуску пресс-форм и обращению с ними

Правильно продлите время удерживания формы, чтобы добиться медленного и равномерного охлаждения отливок и постепенного снятия остаточного напряжения..

Избегайте механического воздействия и экструзии при постобработке..

Внедрить термообработку для снятия стресса

Своевременно выполнять стареющую термообработку для отливок с большими остаточными литейными напряжениями для устранения внутренних напряжений..

Проведите вторичную обработку старением после резки стояка и сварочного ремонта, чтобы предотвратить замедленное образование холодных трещин..

3. Инженерный принцип предотвращения трещин

Предотвращение трещин в отливках – это не вопрос удачи или проб и ошибок.. Это вопрос инженерного баланса.

Отливка трескается, когда металлу приходится выдерживать растягивающее напряжение на этапе, когда его прочность слишком низка., или когда остаточное напряжение накапливается быстрее, чем материал может его расслабить.

С этой точки зрения, каждая трещина — видимый результат невидимого несоответствия между тепловое поведение, поведение затвердевания, механическое удержание, и материальные возможности.

Основной принцип прост: отливке необходимо дать возможность дать усадку и остыть в контролируемом режиме., метод низкого сопротивления, сохраняя при этом достаточную подачу и структурную поддержку на уязвимых стадиях затвердевания и охлаждения..

Если какая-либо часть этого баланса потеряна, растрескивание становится вероятным.

Образование трещин – проблема напряжения, не просто проблема с дефектом

В литейной практике, трещины часто называют горячими или холодными трещинами., но под этими поверхностными классификациями лежит та же механическая истина: отливка испытывает напряжение, превышающее ее мгновенную прочность.

Во время затвердевания, металл частично твердый, частично жидкий. Это самый хрупкий этап из всех.

Образуется дендритный скелет., но он еще не развил достаточную пластичность, чтобы выдерживать большие деформации..

Если окружающая плесень, основной, система райзера, или геометрия препятствует свободному сокращению, растягивающее напряжение концентрируется в слабой зоне. Вот в чем причина горячего растрескивания..

После затвердевания, кастинг может оказаться полностью здоровым, но между поверхностью и внутренней частью все еще существуют большие температурные градиенты.

По мере остывания детали, внешние слои сжимаются первыми, в то время как более горячие внутренние слои сопротивляются этому сжатию.. Это создает остаточное напряжение.

Если стресс не снимается постепенно, он может превышать прочность материала при комнатной или промежуточной температуре и вызывать холодное растрескивание..

Таким образом, настоящий инженерный вопрос заключается не просто в том, «Как остановить появление трещин?»?» а скорее: Как нам разработать процесс так, чтобы напряжение никогда не превышало временную прочность отливки??

Отливка должна быть спроектирована как усадочная система.

Отливка не является жестким объектом во время производства.. Это тело, которое должно слегка и непрерывно менять форму по мере охлаждения..

Хороший дизайн учитывает это и работает с тепловым сжатием, а не против него..

Именно поэтому проектирование трещиностойкости начинается с геометрической простоты и структурной однородности.:

• Толщина стенок должна быть как можно более равномерной..
• Следует избегать внезапных изменений в разделе..
• Острые внутренние углы следует заменить большими радиусами..
• Пересечения ребер, боссы, и фланцы должны быть смягчены, а не резки.
• Длинные жесткие рамы следует разбить или перепроектировать, чтобы обеспечить возможность сжатия..
• Тяжелые секции не следует изолировать от более тонких без стратегии перехода..

Когда геометрия жесткая и неправильная, отливка ведет себя как конструкция со встроенными концентраторами напряжений.

Результатом является не только более высокий риск растрескивания., но и неравномерное затвердевание, локализованные горячие точки, трудности с кормлением, и накопление остаточного напряжения.

Другими словами, плохая геометрия создает каскад отказов.

Таким образом, устойчивая к растрескиванию конструкция отливки рассматривает усадку как функциональное требование., не неприятность. Деталь должна иметь возможность предсказуемо сжиматься..

Затвердевание необходимо контролировать, не просто ускоренный

Многие технологические проблемы возникают из-за неправильного понимания скорости охлаждения.. Быстрее не всегда лучше. Важна не максимальная скорость охлаждения, но равномерное и скоординированное охлаждение.

Если одна область затвердевает намного раньше, чем другая, рано затвердевшая область становится твердой оболочкой, в то время как оставшаяся часть все еще сжимается или питается.

Этот дисбаланс создает растягивающее напряжение.. Если подача заблокирована или раковина удерживается, следует растрескивание.

По этой причине, проектировщик должен понимать схему затвердевания отливки:

• Где находятся последние замерзшие регионы?
• Где образуется термальный центр?
• Какие зоны будут испытывать наибольшие ограничения?
• Где жидкий металл все еще может способствовать усадке?
• Где оболочка будет тонкой и слабой на заключительном этапе?

Надежный процесс литья пытается создать продуманную и предсказуемую модель затвердевания..

В зависимости от сплава и геометрии, это может означать направленное затвердевание в сторону стояков, или, в некоторых случаях, почти одновременное затвердевание для уменьшения дифференциального напряжения..

Главное — последовательность. Неконтролируемое затвердевание создает градиенты напряжений.; контролируемое затвердевание управляет ими.

Форма и стержень должны поддерживать форму., не противодействовать сжатию

Форма должна сохранять форму отливки во время заливки и начального затвердевания., но после этого он не должен вести себя как жёсткий зажим.

Если песчаная форма или стержень имеют чрезмерную прочность, плохая разборчивость, или недостаточная текучесть при высоких температурах, он противостоит сжатию и преобразует термическую усадку в растягивающее напряжение..

Это один из наиболее игнорируемых источников взлома.. Форма, которая «слишком хороша» в том смысле, что она слишком жесткая, может быть вредной..

Идеальная система пресс-форм обеспечивает сбалансированное сочетание:

• стабильность размеров во время заливки,
• достаточная устойчивость к эрозии,
• достаточная разрушаемость после затвердевания,
• и низкая удерживающая способность во время усадки.

Конструкция стержня особенно важна для полых или коробчатых отливок..

Слишком большое ядро, слишком сложно, или слишком прочный может стать механической скобой внутри детали.

Когда металл сжимается вокруг него, напряжение концентрируется в стенах. Если возникающее напряжение превышает прочность сплава, отливка трескается, часто, казалось бы, необъяснимым образом.

Таким образом, инженерная защита от трещин требует не только технических характеристик металла., но спецификация поведения плесени. Пресс-форма является частью механической системы..

Кормление и ограничение свободы должны быть сбалансированы вместе.

Стояки часто обсуждаются только с точки зрения компенсации усадки., но их функция более тонкая.

Стояк должен подавать металл в зоны усадки, но если расположение ворот и стояков создает местные ограничения, это также может стать частью проблемы взлома.

Хорошая система кормления должна:

• подача жидкого металла в места последнего затвердевания,
• избегать захвата изолированных горячих точек,
• предотвратить преждевременное замерзание литников,
• и не замыкать отливку в жестком поле напряжений.

Если ворота замерзают слишком рано, он может блокировать естественное сокращение отливки.

Если стояк или питатель расположены так, что механически сдерживают усадку, отливка может порваться вблизи места соединения.

Это особенно часто случается, когда существует большое несоответствие жесткости между отливочным телом и прикрепленной системой подачи..

Здесь принципиален принцип: необходимы подача металла и снятие усадочного напряжения., но это не одно и то же.

Процесс, который хорошо питается, но сдерживает сокращение, все равно может дать трещину.. Дизайн должен выполнять обе функции одновременно..

Остаточное напряжение должно быть уменьшено до того, как оно превратится в трещину.

Не все трещины появляются сразу. Некоторые отливки выходят из формы неповрежденными и позже трескаются во время вытряски., уборка, обработка, или обработка.

Это означает, что отливка содержала остаточное напряжение, которое еще не было полностью снято..

Остаточное напряжение в некоторой степени неизбежно, но его величину можно контролировать. Основными инженерными инструментами являются:

• единый дизайн секций,
• правильная разборчивость формы,
• контролируемое охлаждение в форме,
• подходящее время встряхивания,
• термообработка для снятия напряжений,
• и бережное обращение после затвердевания.

Целью термообработки для снятия напряжений не является изменение формы детали., но снизить внутреннее напряжение до более безопасного уровня.

Для отливок под высоким напряжением, часто именно в этом разница между стабильной частью и замедленной трещиной..

В больших или сложных отливках, снятие напряжений особенно важно, поскольку температурные градиенты и изменения сечения обычно больше..

В таких случаях, отливка может выглядеть стабильной по размерам, но при этом испытывать опасное внутреннее напряжение..

После того, как механическая обработка удаляет опорную поверхность или открывает заблокированный путь напряжения, трещина может появиться внезапно.

Выбор материала должен соответствовать геометрии и процессу.

Трещиностойкий процесс возможен только в том случае, если поведение сплава совместимо с конструкцией детали и процессом литья..

Некоторые сплавы имеют более широкий диапазон затвердевания., более низкая пластичность в горячем состоянии, или большая чувствительность к сокращению.

Эти сплавы могут идеально подходить для одной геометрии и сильно склонны к растрескиванию в другой..

Это означает, что выбор сплава нельзя отделить от проектирования.. Инженер должен учитывать:

• диапазон затвердевания,
• горячая разрывающая чувствительность,
• линейная усадка,
• пластичность в полутвердом состоянии,
• прочность после затвердевания,
• восприимчивость к охрупчивающим элементам,
• и влияние примесей, таких как сера или фосфор.

Геометрия с резкими переходами и сильной фиксацией требует более устойчивого к растрескиванию сплава, чем простой, равномерно разделенная часть.

Так же, сплав с известной чувствительностью к горячему растрескиванию может потребовать модифицированного литника, нижнее ограничение, улучшенная складываемость формы, или более медленное контролируемое охлаждение.

На практике, многие проблемы со взломом не решаются одной только настройкой процесса. Иногда материал должен измениться, или конструкция должна быть смягчена, чтобы соответствовать реальному поведению сплава..

Обработка после затвердевания является частью системы предотвращения растрескивания.

Предотвращение растрескивания не заканчивается с замерзанием металла. Кастинг по-прежнему может не сработать во время встряски., резка, шлифование, выстрел в взрыв, или транспорт.

Как только деталь затвердеет, он все еще может быть хрупким из-за высокого остаточного напряжения, низкотемпературная вязкость, или скрытые микротрещины.

По этой причине, операции после затвердевания следует рассматривать как часть металлургического процесса.:

• встряска не должна быть слишком ранней,
• детали нельзя ронять или ударять,
• снятие ворот должно контролироваться,
• обработка должна избегать резкого приложения силы,
• и хранение должно предотвращать штабелирование грузов или напряжение изгиба..

Это особенно важно для крупных тонкостенных отливок и жестких отливок с большими пролетами.. Эти детали могут выглядеть прочными, но могут оказаться на удивление чувствительными к локальному удару или изгибу..

4. Основные различия между горячими и холодными трещинами

5. Заключение

Трещины в отливках образуются из-за того, что металлу приходится давать усадку., затвердеть, и круто под сдержанностью. Когда это ограничение создает напряжение, большее, чем может выдержать сплав., кастинг разрывает на части.

Горячие трещины появляются во время затвердевания, обычно с нерегулярной, окисленный, межзеренные особенности.

Холодные трещины появляются при последующем охлаждении, обычно как прямее, чище, сквозные трещины, вызванные остаточным напряжением.

Средство столь же систематическое.: улучшить дизайн отливки, уменьшить концентрацию стресса, оптимизировать затвердевание, выбрать подходящий химический состав сплава, улучшить разборчивость формы, контролировать время встряхивания, и при необходимости применять термообработку для снятия напряжения.

На практике, лучшая отливка без трещин – это не та, которая «самая прочная» в форме, но тот, которому разрешено сжиматься в контролируемом режиме, сбалансированный, и предсказуемый путь.