Analýza faktorov ovplyvňujúcich kvalitu povrchu dielov z liatej ocele

Kvalita povrchu oceľových liatych komponentov je vo fáze lisovania ovplyvnená predovšetkým dvomi vzájomne súvisiacimi faktormi: čistota plesňových dutín a stav povrchu formy.

Pri veľkých odliatkoch – kde sú sypacie systémy dlhé a metalurgická/procesná zložitosť je vysoká – vnikanie sypkého piesku, trosky a iné nečistoty do keramických stúpacích/bežných rúr a zhoršenie alebo poškodenie povrchu vzoru/formy sú dominantnými zdrojmi viditeľných povrchových defektov.

Tento článok podrobne analyzuje tieto faktory, predstavuje praktické ochranné opatrenia a testovacie dôkazy o vplyve defektov povrchu plesní, a poskytuje plán implementácie na zlepšenie stavu povrchu po odliatí a zníženie prepracovania.

1. Pozadie a význam kvality povrchu

Veľké diely z liatej ocele (turbína, veľké ventily, poháňače hydroturbíny, atď.) sa vyrábajú pri vysokých teplotách liatia a zložitých vtokových systémoch.

Vzhľad povrchu nie je len komerčným atribútom, ale aj indikátorom kontroly procesu a vnútornej spoľahlivosti.

Nízka kvalita povrchu vedie k nákladnému brúseniu, prepracovanie alebo odmietnutie obrábania a negatívne ovplyvňuje vnímanie zákazníkov.

V praxi ovplyvňuje vzhľad veľa faktorov (metalurgické inklúzie, makro-segregácia, piesková fúzia, chrasta), ale dva faktory trvalo dominujú pre veľké odlievanies počas formovania a liatia:

1. Čistota dutín plesní — vniknutie sypkého piesku, odpad a inklúzie do keramických prívodných/bežných rúr a dutiny; a
2. Stav povrchu formy — mechanické poškodenie, opraviť nahromadenie, a drsnosť povrchu vzoru a komponentov jadra.

Na základe dlhoročných praktických skúseností s výrobou veľkých dielov z liatej ocele, ako sú plynové turbíny,

parné turbíny, a obežné kolesá hydraulických turbín, tento článok systematicky analyzuje mechanizmus vplyvu čistoty dutiny formy a stavu povrchu formy na kvalitu povrchu oceľových odliatkov.

V kombinácii s porovnávacími testami a inžinierskou praxou, sú navrhnuté cielené zlepšovacie opatrenia na efektívne zlepšenie kvality povrchu odliatkov a zabezpečenie technickej podpory stabilnej výroby vysokokvalitných oceľových odliatkov.

2. Vplyv čistoty dutín formy na kvalitu povrchu oceľových odliatkov

Dutina formy je „forma“, ktorá tvaruje oceľové diely. Jeho čistota priamo určuje, či existujú inklúzie, inklúzia, a iné chyby na povrchu odliatkov.

Počas procesu odlievania oceľových odliatkov, roztavená oceľ prúdi do dutiny formy vysokou rýchlosťou.

Troskové inklúzie vznikajúce počas procesu tavenia, rozptýlený piesok vstupujúci do potrubia počas kladenia vtokového systému, a ďalšie znečisťujúce látky sa vyplavia do dutiny formy spolu s roztavenou oceľou.

Počas procesu chladenia a tuhnutia roztavenej ocele, kvôli ich nižšej hustote, väčšina troskových inklúzií a rozptýleného piesku bude plávať nahor a bude vypúšťaná cez stúpačku alebo ventilačný systém.

Avšak, časť inklúzií bude stále kondenzovať na premenných prierezoch, filé, a iné polohy odliatkov, tvoriace sa povrchové defekty, ako sú pieskové inklúzie a troskové inklúzie.

Tieto chyby je potrebné odstrániť brúsením, čo nielen zvyšuje výrobné zaťaženie a náklady, ale môže tiež ovplyvniť rozmerovú presnosť odliatkov, ak je množstvo mletia príliš veľké.

Hlavným zdrojom rozptýleného piesku v dutine formy je vtokový systém.

Vtokový systém dielov z liatej ocele sa zvyčajne skladá z keramických rúr (porcelánové fajky) aby sa zabezpečila odolnosť voči vysokým teplotám a zabránilo sa erózii roztavenej ocele.

Pre veľké oceľové diely, celková dĺžka položeného vtokového systému môže dosiahnuť viac ako 40 meracie výrobky, a proces kladenia zahŕňa viacero častí spojených porcelánových rúr.

Kvôli dlhej dĺžke a vysokej náročnosti kladenia, pravdepodobnosť vniknutia rozptýleného piesku do porcelánových rúr je pomerne vysoká.

Preto, je obzvlášť dôležité chrániť každú časť porcelánovej rúry počas procesu kladenia, aby sa zabránilo vniknutiu rozptýleného piesku do dutiny formy spolu s roztavenou oceľou.

Praktickým overením na troch typoch výrobkov z liatej ocele (plynové turbíny, parné turbíny, a obežné kolesá hydraulických turbín),

Na účinné zlepšenie čistoty dutiny formy boli vyvinuté tri typy ochranných materiálov a metód. Nasleduje podrobná analýza každej metódy:

2.1 Metóda ochrany PVC plastovej fólie

PVC (Polyvinylchlorid) plastová fólia je široko používaná pri ochrane vtokového systému kvôli jej vysokým nákladom, pohodlné ovládanie, a dobrý tesniaci výkon.

Odporúčaná hrúbka fólie je 0,4–1 mm, a špecifickú hrúbku je možné zvoliť podľa požiadaviek na lisovanie na mieste.

Na uľahčenie pozorovania a kontroly vnútornej čistoty porcelánových fajok, uprednostňuje sa priehľadná PVC fólia.

Špecifické prevádzkové kroky sú nasledovné: Prvé, pred ochranou skontrolujte vnútornú čistotu každej časti porcelánovej rúry, a odstráňte všetok existujúci rozptýlený piesok alebo iné znečisťujúce látky.

Potom, omotajte PVC fóliu okolo otvoru porcelánovej rúry, ktorý chcete chrániť. Tesnosť fólie by mala byť primeraná, aby neovplyvnila spojenie medzi porcelánovými rúrkami.

Počas tupého spoja porcelánových rúrok, plávajúci piesok a iné znečisťujúce látky sú zablokované mimo fólie a nemôžu sa dostať do porcelánového potrubia.

Po dokončení pokládky vtokového systému, fóliu nie je potrebné odstraňovať.

Počas procesu nalievania, keď sa roztavená oceľ rúti do dutiny formy, vzduch v porcelánových rúrach je vypúšťaný zo systému pod tlakom, a PVC fólia je vyfukovaná zo systému výstupu vzduchu spolu so vzduchom v dutine formy.

Pretože PVC fólia bude úplne spálená a rozloží sa pri vysokých teplotách (teplota rozkladu PVC je asi 200–300 °C,

ktorá je oveľa nižšia ako teplota liatia roztavenej ocele), nespôsobí znečistenie roztavenej ocele ani nezanechá zvyšky na povrchu odliatkov.

2.2 Metóda ochrany tenkého oceľového plechu

Tenké oceľové plechy s hrúbkou menšou ako 1 mm možno použiť aj na ochranu porcelánových rúr.

Výhodou tenkých oceľových plechov je ich opätovné použitie, čo môže do určitej miery znížiť dlhodobé náklady na materiál.

Pred použitím, tenké oceľové plechy je potrebné spracovať na vhodné veľkosti o niečo väčšie ako je vonkajší priemer porcelánových rúrok podľa veľkosti a tvaru porcelánových rúrok, aby sa zabezpečilo, že úplne zakryjú spojovaciu časť porcelánových rúrok.

Proces operácie je: Prvé, skontrolujte, či sa vnútri porcelánových rúrok nenachádzajú cudzie predmety.

Potom, navlečte spracované tenké oceľové plechy na spojovaciu časť porcelánových rúr, ktoré sa majú chrániť.

Potom, čo je horná časť porcelánových rúr úplne pokrytá formovacím pieskom, ručne vytiahnite tenké oceľové plechy.

Avšak, táto metóda má vysoké požiadavky na stavebné operácie: na jednej strane, kvôli veľkému množstvu piesku okolo porcelánových rúrok,

je ľahké prehliadnuť ťahanie tenkých oceľových plechov; na druhej strane, proces vyťahovania oceľových plechov môže poháňať už položené porcelánové rúry, čo má za následok nesprávne nastavenie vtokového systému.

Navyše, ak sa po položení vtokového systému vyžaduje sekundárna kontrola čistoty, obtiažnosť prevádzky je pomerne veľká, pretože tenké oceľové plechy boli odstránené a spojovacia časť porcelánových rúrok je pokrytá pieskom.

Treba poznamenať, že ak tenký oceľový plech nie je vytiahnutý včas alebo je vynechaný, počas liatia vstúpi do dutiny formy spolu s roztavenou oceľou,

ktoré zablokujú tok roztavenej ocele a spôsobia vážne chyby, ako sú studené uzávery a chybné chody na povrchu odliatkov.

2.3 Metóda ochrany dosky z penového polystyrénu

Doska z penového polystyrénu má výhody nízkej ceny a nízkej hmotnosti, a je tiež bežným ochranným materiálom pre vtokový systém.

Kľúčom k tejto metóde je presnosť spracovania penovej dosky: penovú dosku je potrebné spracovať do valcového tvaru s rovnakým priemerom ako je vnútorný priemer porcelánovej rúry, a potom sa umiestni na trysku porcelánovej rúrky na ochranu.

Veľkosť spracovania penovej dosky má vysoké požiadavky: ak je priemer príliš veľký, penovú dosku nemožno vložiť do trysky porcelánovej rúry;

ak je priemer príliš malý, tesniaci výkon bude slabý, a piesok sa ľahko dostane do vnútra porcelánovej rúry z medzery.

V rovnakom čase, penová doska by mala mať dostatočnú hrúbku (zvyčajne 5-10 mm) aby ste sa vyhli nakloneniu vo vnútri porcelánovej rúry, čo ovplyvní ochranný účinok.

Podobne ako pri metóde ochrany PVC plastovou fóliou, penovú dosku nie je potrebné po položení vtokového systému vyberať.

Počas procesu nalievania, keď sa do dutiny formy rúti veľké množstvo roztavenej ocele, penová doska je vyfukovaná z dutiny formy cez systém výstupu vzduchu pod tlakom vzduchu v dutine formy.

Polystyrénová pena sa pri vysokých teplotách rozkladá (teplota rozkladu je asi 100–150 °C) a nebude produkovať škodlivé látky, takže neznečisťuje roztavenú oceľ ani neovplyvňuje kvalitu povrchu odliatkov.

2.4 Porovnanie ochranných účinkov troch materiálov

Základným princípom troch ochranných metód je zabrániť vniknutiu rozptýleného piesku do porcelánových rúrok a dutiny formy za predpokladu, že neovplyvní tok roztavenej ocele počas odlievania a nevnáša cudzie látky do dutiny formy..

Na výber optimálnej schémy ochrany, náklady, stavebná náročnosť, a porovná sa ochranný účinok týchto troch materiálov, ako je uvedené v tabuľke 1.

Tabuľka 1 Porovnanie nákladov a výkonu ochranných materiálov

Je to vidieť z tabuľky 1 že tenké oceľové plechy aj dosky z penového polystyrénu majú dobré ochranné účinky, ale ich náročnosť spracovania je pomerne vysoká, čo nie je do určitej miery vhodné na stavbu a používanie na mieste.

Plastová fólia z PVC má najlepší ochranný účinok, s jednoduchou prevádzkou na mieste a vysokým nákladovým výkonom.

Preto, v kombinácii so skutočnými výrobnými potrebami, plastová fólia z PVC s hrúbkou 0,4–1 mm sa odporúča ako preferovaný ochranný materiál pre vtokový systém dielov z liatej ocele,

čo môže účinne zlepšiť čistotu dutiny formy a znížiť povrchové chyby spôsobené inklúziami piesku.

3. Vplyv stavu povrchu formy na kvalitu povrchu oceľových odliatkov

Forma je základným nástrojom na formovanie dielov z liatej ocele, a jeho stav povrchu priamo ovplyvňuje povrchovú úpravu a rovinnosť odliatkov.

Pre veľké oceľové diely, Drevené formy sa väčšinou používajú pre ich výhody ľahkého spracovania, nízka cena, a dobrá machinabilita.

Avšak, drevené formy majú vlastnosti veľkého objemu a veľkého počtu voľných blokov (pohyblivé bloky), ktoré vyžadujú vysokú presnosť polohovania a tesnosť spojenia medzi uvoľnenými blokmi.

V skutočnom výrobnom procese, s nárastom počtu použití foriem, zvýši sa aj poškodenie povrchu formy a uvoľnené bloky počas odstraňovania plesní.

Ak tieto závady nebudú včas zachované, ovplyvnia nielen tvar a kvalitu povrchu odliatkov, ale aj skracujú životnosť formy.

3.1 Generovanie prirodzených defektov na povrchu plesní

K prirodzeným chybám povrchu formy patrí najmä opotrebovanie, škrabance, prasklina, a nerovnosti v spojovacích medzerách. Tieto poruchy sú spôsobené najmä nasledujúcimi dôvodmi:

• Poškodenie odstraňovaním plesní: Počas procesu odstraňovania formy, v dôsledku adhézie medzi formovacím pieskom a povrchom formy,
  povrch formy a uvoľnené bloky sa pri vytiahnutí formy ľahko poškriabu alebo opotrebujú, najmä na filé a okraje formy.
• Environmentálne faktory: Forma je dlhodobo skladovaná vo výrobnej dielni, a povrch je ľahko ovplyvnený vlhkosťou, čo vedie k opuchu a deformácii dreva, výsledkom je nerovný povrch.
• Údržba nie je včasná: Po použití formy, ak sa povrchový piesok a znečisťujúce látky včas nevyčistia, alebo poškodené časti nie sú včas opravené, vady sa budú postupne rozširovať s nárastom počtu použití.

Medzi tieto prírodné defekty, najväčší vplyv na kvalitu povrchu odliatkov má nerovný povrch na spojovacích medzerách a zaobleniach formy.

Po oprave formy, ak povrch nie je brúsený, aby bol rovný a hladký, na povrchu odliatkov sa vytvoria ryhovité alebo potkaní chvostové defekty, ktoré vážne ovplyvňujú kvalitu vzhľadu odliatkov.

3.2 Test umelých defektov na povrchu formy

Kvantitatívne overiť vzťah medzi rovinnosťou povrchu formy a chybami povrchu odliatku, bol vykonaný porovnávací test.

Na povrchu formy boli vyrobené tri typy umelých defektov s rôznymi hĺbkami, ktoré boli 1-2 mm, 2– 4 mm, a 4 až 6 mm.

Rozsah distribúcie defektov pokrýva rovinu, oblúkový povrch, a zaoblená časť koreňa príruby, čo sú kľúčové miesta náchylné na povrchové chyby v oceľových odliatkoch.

Plán testu je nasledovný: Pre každú pozíciu sú vybrané tri oblasti, a plocha každej oblasti je nastavená na 300 mm × 300 mm.

Umelé defekty sú vyrobené vo vybraných oblastiach a označené.

Konvexné chyby sa vyrábajú pridaním materiálov, ako je tmel alebo sadra na povrch formy, a konkávne defekty sa brúsia a formujú na povrchu formy pomocou nástrojov, ako sú zliatinové rotačné pilníky.

Hĺbka všetkých umelých defektov sa meria pomocou výškomeru a zaznamenáva sa fotografovaním.

Počas procesu formovania, diely umelých defektov sa kontrolujú, aby sa zabezpečilo, že v nich nie je plávajúci piesok alebo iné látky, ktoré ovplyvňujú tvar defektov.

Stupeň zhutnenia a pevnosť piesku vyplneného okolo defektov sú realizované v súlade s požiadavkami lisovacej operácie.

Potom, čo sa odliatky nalejú a vytvarujú, sú podrobené kvalitnému tepelnému spracovaniu a prvému procesu tryskania, a povrchové plochy odliatkov zodpovedajúce umelým defektom sa kontrolujú a overujú.

Výsledky testov ukazujú, že rôzne hĺbky umelých defektov na povrchu formy vedú k rôznym úrovniam drsnosti povrchu odliatku.

Špecifický zodpovedajúci vzťah je uvedený v tabuľke 2.

Tabuľka 2 Porovnávacia tabuľka umelých defektov na povrchu formy a drsnosti povrchu odliatku

Poznámka: Stupne drsnosti povrchu v tabuľke sú rozdelené podľa podnikovej internej normy pre oceľové odliatky: trieda A1 (RA ≤ 6.3 μm) je najvyššia kvalita povrchu, vhodné pre kľúčové časti vzhľadu;

trieda A2/A3 (6.3 μm < RA ≤ 12.5 μm) je všeobecná kvalita povrchu, vhodné pre bežné konštrukčné diely; Trieda A4 (Rana > 12.5 μm) je nízka kvalita povrchu, ktorý je potrebné prepracovať brúsením.

Podľa výsledkov testov, na splnenie rôznych požiadaviek na stupeň drsnosti povrchu dielov z liatej ocele, pred každým použitím je potrebné skontrolovať povrch formy.

Pre chyby presahujúce špecifikovanú hĺbku (zvyčajne 2 mm pre všeobecné diely a 1 mm pre kľúčové časti), oprava a brúsenie sa musí vykonať, aby sa zabezpečilo, že celkový stav povrchu formy je kvalifikovaný.

Pre spojovacie medzery a zaoblenia formy, osobitná pozornosť by sa mala venovať kontrole a údržbe, aby sa predišlo vytvoreniu defektov podobných drážkam alebo krysím chvostom na povrchu odliatku.

4. Záver

Pre veľké diely z liatej ocele sú dve najpôsobivejšie, kontrolovateľných prispievateľov k zlej kvalite odlievaného povrchu prenikanie kontaminácie cez vtok/potrubie a chyby povrchu plesní.

Jednoduchý, nízkonákladové metódy ochrany – najmä použitie priehľadnej PVC fólie s hrúbkou 0,4 – 1,0 mm na zakrytie/zakrytie otvorov potrubia počas inštalácie potrubia – výrazne znižuje prenikanie uvoľneného piesku.

Dôsledná kontrola a včasná oprava povrchov foriem (s konzervatívnou akceptáciou hĺbky defektu ≤2 mm) zabraňuje prenosu poškodenia formy na odliate komponenty.

V kombinácii s prvým článkom NDT a zdokumentovaným programom údržby/kontroly, tieto opatrenia podstatne zlepšujú stav povrchu, znížiť počet prepracovaní a zvýšiť kvalitu viditeľnú pre zákazníkov.

Odkazy

[1] Zhang Chaohui. Analýza kvality a opatrenia na zlepšenie kvality oceľových odliatkov [J]. China Journal Network, 2018(01): 75-77.

[2] Wang Chengbin. Diskusia o vplyve štruktúry formy na kvalitu odliatku a návrh optimalizácie [J]. Moderné podnikanie a obchod, 2011, 23(01): 303.

[3] Americká zlievárenská spoločnosť (AFS). Príručka pre oceľové odliatky [M]. 11vydanie. AFS, 2017.