Анализ факторов, влияющих на качество поверхности литых стальных деталей

Качество поверхности литых стальных деталей определяется, прежде всего, двумя взаимосвязанными факторами на этапе формования.: чистота пресс-формы и состояние поверхности формы.

Для крупных отливок, где разливочные системы длинные и металлургическая/технологическая сложность высока, попадание рыхлого песка, окалины и другие загрязнения в керамических стояках/литых трубах, а также ухудшение или повреждение поверхности модели/формы являются основными источниками видимых поверхностных дефектов..

В этой статье подробно анализируются эти факторы., представлены практические меры защиты и доказательства воздействия дефектов поверхности пресс-формы., и предоставляет план реализации для улучшения состояния поверхности в отлитом состоянии и сокращения доработок..

1. Предыстория и важность качества поверхности

Крупногабаритные детали из литой стали (турбинные компоненты, большие клапаны, рабочие колеса гидротурбины, и т. д.) производятся в условиях высоких температур заливки и сложных литниковых систем.

Внешний вид поверхности является не только коммерческим атрибутом, но и показателем контроля процесса и внутренней целостности..

Плохое качество поверхности приводит к дорогостоящему шлифованию., механическая доработка или отказ, что негативно влияет на восприятие клиента.

На практике на внешний вид влияет множество факторов. (металлургические включения, макросегрегация, песчаный сплав, Spabs), но два фактора постоянно доминируют в крупных кастингs во время формования и заливки:

1. Чистота пресс-формы — попадание рыхлого песка, окалина и включения в керамических питающих/бегущих трубах и полости; и
2. Состояние поверхности формы — механические повреждения, ремонтное наращивание, и шероховатость поверхности шаблона и основных компонентов.

Основано на многолетнем практическом опыте производства крупных литых стальных деталей, таких как газовые турбины.,

паровые турбины, и рабочие колеса гидротурбины, в статье систематизирован механизм влияния чистоты полости формы и состояния поверхности формы на качество поверхности отлитых стальных деталей..

В сочетании со сравнительными испытаниями и инженерной практикой, предложены целенаправленные совершенствовательные мероприятия, позволяющие эффективно улучшить качество поверхности отливок и обеспечить техническую поддержку стабильного производства качественных литых стальных деталей..

2. Влияние чистоты полости формы на качество поверхности литых стальных деталей

Полость пресс-формы — это «форма», которая формирует литые стальные детали.. От его чистоты напрямую зависит наличие включений., Песчаные включения, и другие дефекты на поверхности отливок.

В процессе заливки литых стальных деталей, расплавленная сталь течет в полость формы с высокой скоростью.

Шлаковые включения, образующиеся в процессе плавки, рассыпанный песок, попадающий в трубопровод при укладке литниковой системы, и другие загрязняющие вещества будут вымываться в полость формы вместе с расплавленной сталью..

В процессе охлаждения и затвердевания расплавленной стали, из-за их меньшей плотности, большая часть шлаковых включений и рассыпанного песка будет всплывать вверх и выбрасываться через стояк или вентиляционную систему..

Однако, часть включений все равно будет конденсироваться на переменных сечениях, филе, и другие позиции кастингов, образование поверхностных дефектов, таких как включения песка и шлака..

Эти дефекты необходимо устранить шлифовкой., что не только увеличивает производственную нагрузку и стоимость, но также может повлиять на точность размеров отливок, если объем шлифования слишком велик..

Основным источником рассыпанного песка в полости формы является литниковая система..

Литниковая система из литых стальных деталей обычно состоит из керамических труб. (фарфоровые трубы) для обеспечения устойчивости к высоким температурам и предотвращения эрозии расплавленной стали.

Для крупных литых стальных деталей, общая длина уложенной воротной системы может достигать более 40 метры, а процесс укладки включает в себя соединение нескольких секций фарфоровых труб..

Из-за большой длины и высокой сложности укладки, вероятность попадания рассыпанного песка в фарфоровые трубы относительно высока.

Поэтому, особенно важно защитить каждую секцию фарфоровой трубы в процессе укладки, чтобы предотвратить попадание рассыпанного песка в полость формы вместе с расплавленной сталью..

Путем практической проверки на трех видах литой стальной продукции (газовые турбины, паровые турбины, и рабочие колеса гидротурбины),

разработаны три типа защитных материалов и методов для эффективного повышения чистоты полости формы.. Ниже приводится подробный анализ каждого метода.:

2.1 Метод защиты пластиковой пленки ПВХ

ПВХ (Поливинилхлорид) Пластиковая пленка широко используется для защиты ворот из-за ее высокой стоимости., удобное управление, и хорошие характеристики уплотнения.

Рекомендуемая толщина пленки 0,4–1 мм., и конкретная толщина может быть выбрана в соответствии с требованиями операции формования на месте..

Для облегчения наблюдения и проверки внутренней чистоты фарфоровых труб., предпочтительна прозрачная пленка ПВХ..

Конкретные этапы работы следующие:: Первый, перед защитой проверьте внутреннюю чистоту каждой секции фарфоровой трубы, и удалите весь рассыпанный песок или другие загрязняющие вещества..

Затем, оберните пленкой ПВХ вокруг отверстия фарфоровой трубы, которую необходимо защитить.. Герметичность пленки должна быть такой, чтобы не влиять на соединение фарфоровых труб..

При стыковом соединении фарфоровых труб, плавающий песок и другие загрязняющие вещества блокируются снаружи пленки и не могут попасть в фарфоровые трубы..

После завершения укладки воротной системы, фильм снимать не надо.

В процессе заливки, когда расплавленная сталь устремляется в полость формы, воздух в фарфоровых трубах выводится из системы под давлением, и пленка ПВХ выдувается из системы выпуска воздуха вместе с воздухом в полости формы..

Так как пленка ПВХ полностью сгорит и разложится при высоких температурах. (температура разложения ПВХ около 200–300°С.,

что значительно ниже температуры разливки жидкой стали.), он не вызывает загрязнения расплавленной стали и не оставляет остатков на поверхности отливок..

2.2 Метод защиты тонкого стального листа

Тонкие стальные листы толщиной менее 1 мм также можно использовать для защиты фарфоровых труб..

Преимущество тонких стальных листов в том, что их можно использовать повторно., что может в определенной степени снизить долгосрочные затраты на материалы.

Перед использованием, тонкие стальные листы необходимо обработать до соответствующих размеров, немного превышающих внешний диаметр фарфоровых труб в соответствии с размером и формой фарфоровых труб, чтобы они могли полностью покрывать соединительную часть фарфоровых труб..

Процесс операции: Первый, проверьте, нет ли внутри фарфоровых труб посторонних предметов.

Затем, наденьте обработанные тонкие стальные листы на соединительную часть фарфоровых труб, подлежащих защите..

После того, как верхняя часть фарфоровых труб полностью покрыта формовочным песком., вручную вытащить тонкие стальные листы.

Однако, этот метод предъявляет высокие требования к строительным работам: с одной стороны, из-за большого количества песка вокруг фарфоровых труб,

легко промахнуться, потянув за тонкие стальные листы; с другой стороны, процесс выдергивания стальных листов может привести к срыву уже уложенных фарфоровых труб, что приводит к несоосности литниковой системы.

Кроме того, если требуется вторичная проверка чистоты после укладки воротной системы, сложность эксплуатации относительно велика, поскольку тонкие стальные листы удалены, а соединительная часть фарфоровых труб покрыта песком..

Следует отметить, что если тонкий стальной лист не вытащить вовремя или пропустить, он попадет в полость формы вместе с расплавленной сталью во время заливки,

которые будут блокировать поток расплавленной стали и вызывать серьезные дефекты, такие как холодные замыкания и сбои на поверхности отливок..

2.3 Способ защиты пенополистирольной плиты

Пенополистироловая плита имеет преимущества низкой стоимости и легкого веса., а также является распространенным защитным материалом для воротной системы..

Ключом к этому методу является точность обработки пенопласта.: пенопласт необходимо обработать до цилиндрической формы с тем же диаметром, что и внутренний диаметр фарфоровой трубы., а затем помещается на сопло фарфоровой трубы для защиты..

К размеру обработки пенопласта предъявляются высокие требования.: если диаметр слишком большой, пенопласт нельзя вставить в насадку фарфоровой трубы;

если диаметр слишком мал, герметичность будет плохой, и песок легко попадет внутрь фарфоровой трубы из зазора.

В то же время, пенопласт должен иметь достаточную толщину (обычно 5–10 мм) во избежание перекоса внутри фарфоровой трубы, что повлияет на защитный эффект.

Аналогично методу защиты пластиковой пленкой ПВХ., пенопласт не нужно вынимать после укладки воротной системы.

В процессе заливки, когда большое количество расплавленной стали устремляется в полость формы, пенопласт выдувается из полости формы через систему выпуска воздуха под давлением воздуха в полости формы.

Пенополистирол разлагается при высоких температурах. (температура разложения около 100–150°С.) и не выделяет вредных веществ, поэтому он не будет загрязнять расплавленную сталь и не влиять на качество поверхности отливок..

2.4 Сравнение защитных эффектов трех материалов

Основной принцип трех методов защиты заключается в предотвращении попадания рассыпанного песка в фарфоровые трубы и полость формы при условии отсутствия воздействия на поток расплавленной стали во время заливки и отсутствия попадания посторонних веществ в полость формы..

Для выбора оптимальной схемы защиты, стоимость, сложность строительства, и защитный эффект трех материалов сравниваются., как показано в таблице 1.

Стол 1 Сравнение стоимости и характеристик защитных материалов

Это видно из таблицы 1 что как тонкие стальные листы, так и плиты из пенополистирола обладают хорошими защитными эффектами., но сложность их обработки относительно высока, что в определенной степени неудобно для строительства и использования на месте.

Пластиковая пленка ПВХ обладает лучшим защитным эффектом., с простым управлением на месте и высокой экономичностью.

Поэтому, в сочетании с реальными производственными потребностями, ПВХ-пленка толщиной 0,4–1 мм рекомендуется в качестве предпочтительного защитного материала для литниковой системы литых стальных деталей.,

что может эффективно улучшить чистоту полости формы и уменьшить поверхностные дефекты, вызванные включениями песка..

3. Влияние состояния поверхности формы на качество поверхности деталей из литой стали

Пресс-форма является основным инструментом для формования деталей из литой стали., а состояние ее поверхности напрямую влияет на качество поверхности и плоскостность отливок..

Для крупных литых стальных деталей, Деревянные формы в основном используются из-за их преимуществ в легкой обработке., бюджетный, и хорошая механизм.

Однако, Деревянные формы имеют большой объем и большое количество свободных блоков. (подвижные блоки), требующие высокой точности позиционирования и герметичности соединения между свободными блоками.

В реальном производственном процессе, с увеличением количества использований плесени, повреждение поверхности формы и незакрепленных блоков во время снятия формы также увеличится.

Если эти дефекты не устраняются вовремя, они не только повлияют на форму и качество поверхности отливок, но и сократят срок службы формы..

3.1 Образование естественных дефектов на поверхности формы

К естественным дефектам поверхности формы в основном относятся износ., царапины, трещины, и неровности в местах соединений. Эти дефекты в основном вызваны следующими причинами.:

• Повреждения при зачистке пресс-формы: В процессе снятия формы, за счет сцепления между формовочным песком и поверхностью формы,
  поверхность формы и незакрепленные блоки легко царапаются или изнашиваются, когда форму вынимают, особенно на скруглениях и краях формы.
• Факторы окружающей среды: Форма хранится в производственном цехе длительное время., поверхность легко подвергается воздействию влаги, приводит к набуханию и деформации древесины., в результате получается неровная поверхность.
• Техническое обслуживание несвоевременно: После использования формы, если поверхность от песка и загрязнений не очищена вовремя, или поврежденные детали не отремонтированы вовремя, дефекты будут постепенно расширяться с увеличением количества использований.

Среди этих естественных дефектов, наибольшее влияние на качество поверхности отливок оказывает неровная поверхность в местах соединений зазоров и галтелей формы..

После ремонта формы, если поверхность не отшлифована, чтобы она была ровной и гладкой, На поверхности отливок образуются дефекты в виде борозд или «крысиного хвоста»., которые серьезно влияют на внешний вид отливок.

3.2 Испытание искусственных дефектов на поверхности формы

Количественно проверить связь между плоскостностью поверхности формы и дефектами поверхности отливки., был проведен сравнительный тест.

На поверхности формы были изготовлены три типа искусственных дефектов разной глубины., которые были 1–2 мм, 2–4 мм, и 4–6 мм соответственно.

Ареал распространения дефектов охватывает плоскость, поверхность дуги, и угловая часть корня фланца, какие ключевые позиции подвержены поверхностным дефектам в литых стальных деталях.

План испытаний следующий: Для каждой позиции выбрано три направления, и площадь каждой области равна 300 мм × 300 мм.

Искусственные дефекты изготавливаются в выбранных местах и ​​маркируются..

Выпуклые дефекты возникают путем добавления на поверхность формы таких материалов, как шпаклевка или гипс., и вогнутые дефекты шлифуются и формируются на поверхности формы с помощью таких инструментов, как вращающиеся напильники из сплава..

Глубина всех искусственных дефектов измеряется штангенциркулем и фиксируется фотосъемкой..

В процессе формования, детали с искусственными дефектами проверяются на отсутствие плавающего песка или других веществ, влияющих на форму дефектов..

Степень уплотнения и прочность песка, засыпанного вокруг дефектов, реализуют в соответствии с требованиями формовочной операции..

После заливки и формования отливок, они подвергаются качественной термической обработке и первой дробеструйной обработке., а площади поверхности отливок, соответствующие искусственным дефектам, осматриваются и проверяются..

Результаты испытаний показывают, что разная глубина искусственных дефектов на поверхности формы приводит к разному уровню шероховатости поверхности отливки..

Конкретное соответствующее соотношение показано в таблице 2.

Стол 2 Сравнительная таблица искусственных дефектов поверхности формы и шероховатости поверхности отливки

Примечание: Классы шероховатости поверхности в таблице разделены по внутреннему стандарту предприятия для литых стальных деталей.: класс А1 (Ra ≤ 6.3 мкм) высочайшее качество поверхности, подходит для ключевых деталей внешнего вида;

Класс А2/А3 (6.3 мкм < Ra ≤ 12.5 мкм) общее качество поверхности, подходит для обычных деталей конструкции; класс А4 (Раствор > 12.5 мкм) это низкое качество поверхности, который необходимо доработать шлифованием.

По результатам испытаний, для удовлетворения различных требований к шероховатости поверхности деталей из литой стали, поверхность формы должна быть проверена перед каждым использованием.

При дефектах, превышающих указанную глубину (обычно 2 мм для общих частей и 1 мм для ключевых деталей), ремонт и шлифовка должны быть выполнены, чтобы гарантировать, что общее состояние поверхности формы соответствует требованиям..

Для соединения зазоров и галтелей формы, особое внимание следует уделять осмотру и техническому обслуживанию, чтобы избежать образования дефектов в виде канавок или «крысиных хвостов» на поверхности отливки..

4. Заключение

Для крупных деталей из литой стали два наиболее эффективных метода, контролируемыми причинами плохого качества поверхности после литья являются попадание загрязнений через затворы/трубопроводы и дефекты поверхности формы.

Простой, недорогие методы защиты — в первую очередь использование прозрачной ПВХ-пленки толщиной 0,4–1,0 мм для закрытия/закрытия отверстий труб во время установки трубопроводов — значительно уменьшают попадание сыпучего песка..

Тщательный осмотр и своевременный ремонт поверхностей пресс-форм. (с консервативной глубиной дефекта ≤2 мм) предотвратить перенос повреждений пресс-формы на литые детали.

В сочетании с неразрушающим контролем первого изделия и документированной программой технического обслуживания/инспекции., эти меры существенно улучшают состояние поверхности, сократить количество доработок и повысить качество, видимое для клиента.

Ссылки

[1] Чжан Чаохуэй. Анализ качества и меры по повышению качества деталей из литой стали [Дж]. Китайская сеть журналов, 2018(01): 75-77.

[2] Ван Чэнбинь. Дискуссия о влиянии структуры пресс-формы на качество отливки и оптимизация проектирования [Дж]. Современный бизнес и торговая индустрия, 2011, 23(01): 303.

[3] Американское литейное общество (АФС). Справочник по стальному литью [М]. 11е издание. АФС, 2017.