Як утворюються тріщини в виливках? Причини, Запобігання, Рішення

Вступ

Кастинг Тріщини є одними з найбільш поширених і руйнівних дефектів при виготовленні металевого литва.

Вони серйозно порушують структурну цілісність, розмірна стабільність, механічні властивості та безпечність експлуатації литих деталей, що призводить до високих показників браку, підвищення собівартості продукції та скорочення терміну служби обладнання.

У промисловому ливарному виробництві, тріщини науково класифікуються на два типи на основі стадії формування, мікроскопічний механізм, морфологічні ознаки та напружений стан: Гарячі тріщини (Гарячі сльози) і холодні тріщини (холодні сльози).

Гарячі тріщини виникають на завершальній стадії твердіння розплавленого металу, тоді як холодні тріщини утворюються після повного затвердіння під час фази низькотемпературного еластичного охолодження.

Два типи дефектів різко відрізняються за макроскопічною морфологією, режим мікроскопічного розширення, першопричини та чутливі системи сплавів.

Систематичне розуміння механізмів їх утворення та цілеспрямованих стратегій розв’язання має важливе значення для інженерів-ливарників для оптимізації процесів лиття, усунути дефекти тріщин і підвищити коефіцієнт виходу високоякісних виливків.

У цій статті детально описані повномірні характеристики, принципи формування, ключові провокаційні фактори та стандартизовані профілактичні заходи & розчини для усунення гарячих і холодних тріщин.

1. Hot Cracks: Механізм формування, Характеристики та рішення

Гарячі тріщини - це типові високотемпературні дефекти лиття, які виникають при пізня стадія затвердіння або відразу після затвердіння, коли ливарний сплав зберігає вкрай низьку міцність і низьку пластичну в'язкість.

Вони поширені в сталевих виливках, відливки з ковкого чавуну та відливки з легких сплавів, і в основному обумовлені незниженою напругою усадки та термічною напругою під час затвердіння.

Типові морфологічні та структурні ознаки

Гарячі тріщини мають унікальні візуальні та мікроскопічні особливості, які відрізняють їх від холодних тріщин:

Macro shape:

Лінії тріщин звивисті, неправильної та нерівномірної товщини, з широким зовнішнім отвором і поступовим звуженням внутрішнього відділу з типовим розривом, «частково з’єднаний» стан перелому.

Особливості окислення поверхні:

Поверхні тріщин утворюють чіткі оксидні шари без металевого блиску.
Гарячі тріщини сталевого лиття виглядають майже чорними, тоді як тріщини алюмінієвого сплаву мають тьмяно-сірий відтінок через високотемпературне окислення.

Режим мікроскопічного розширення:

Гарячі тріщини проростають і розширюються по межах зерен, що є їх основною мікроскопічною ідентифікаційною ознакою.

Класифікація:

Поділяються на зовнішні гарячі тріщини та внутрішні гарячі тріщини.
На поверхні відливки видно зовнішні тріщини, здебільшого розподіляється на гострих кутах, різкі переходи товщини стінки та зони концентрації напруги з повільним локальним твердінням, і навіть може проникнути через весь поперечний переріз лиття у важких випадках.
У зоні остаточного затвердіння всередині виливків утворюються внутрішні гарячі тріщини, супроводжується дендритними кристалічними структурами, і рідко поширюється на зовнішню поверхню.

Core Formation Mechanism

Після розплавлений метал заливають у форму, тепло розсіюється назовні через стінку форми, Затвердіння починається з поверхні лиття і поступово просувається всередину.

У стадії пізнього затвердіння, дендритні кристали перекриваються, утворюючи жорсткий твердий скелет і починаючи лінійну усадку.

На цьому етапі, тонка незатверділа плівка рідкого металу все ще існує між сусідніми дендритами.

Якщо усадка дендритного скелета абсолютно не перешкоджає, внутрішньої напруги не виникне.

Однак, коли тверда усадка стримується зовнішніми бар'єрами, такими як піщані форми, піщані ядра та тертя форми, напруга розтягування накопичується всередині виливка.

Як тільки напруга розтягування перевищує межу міцності сплаву при високих температурах, між дендритами відбувається міжзеренне розтріскування.

Виникнення гарячих тріщин залежить від поповнення рідкого металу після розтріскування.

Якщо достатня кількість розплавленого металу вчасно заповнює тріщини, дефекти не утворяться; якщо тріщини неможливо заповнити, з’являться постійні гарячі тріщини.

Сплави з широким діапазоном температур затвердіння та властивостями губчастої пастоподібної затвердіння дуже сприйнятливі до гарячого розтріскування,

тоді як евтектичні сплави з твердінням при постійній температурі мають найменшу схильність до гарячих тріщин.

Key Inducing Factors

Утворення гарячих тріщин є сукупним результатом проектування конструкції, якість плавки та параметри процесу лиття:

1. Структурні дефекти: Нерівномірна товщина стінок, надмірно маленькі внутрішні філе, надмірне розгалуження частин, що перекриваються, і жорсткі каркасні або реберні конструкції, які блокують вільну тверду усадку виливків.
2. Ірраціональність процесу: Невідповідний розмір і розташування ліберних і стоякових систем, які обмежують усадку;
   передчасне струшування форми, що призводить до швидкого та нерівномірного охолодження; надмірна міцність форми з поганою здатністю до деформації.
3. Матеріально-хімічний склад: Сплави з високою лінійною усадкою; надлишок легкоплавких домішкових елементів;
   надмірний вміст сірки і фосфору в сталевих і чавунних виливках, що погіршує високотемпературну в'язкість.

Систематичне вирішення та профілактичні заходи

Оптимізуйте конструкцію лиття

Стандартизуйте конструкцію конструкції, щоб усунути невід’ємні ризики концентрації напруги: забезпечити рівномірну товщину стінок виливків, встановіть заокруглені перехідні скруглення на всіх гострих кутах, щоб зменшити навантаження від усадки,

і використовувати вигнуті структури спиць для лиття коліс, щоб ефективно зменшити стійкість до усадки.

Поліпшення якості плавки розплавленого сплаву

Використовуйте процеси очищення та дегазації для видалення оксидних включень і розчиненого газу в розплавленому металі, очищають мікроструктуру сплаву.

Суворо контролюйте вміст шкідливих домішок, таких як сірка і фосфор, і уникати надмірної легкоплавкої фази для стабілізації високотемпературної міцності та пластичності сплаву.

Оптимізація параметрів процесу лиття

Реалізувати принцип одночасного затвердіння щоб збалансувати швидкість охолодження всіх деталей лиття та мінімізувати різницю термічних навантажень.

Розробте розумні розміри та планування воріт і стояків, щоб уникнути перешкод усадки.

Збільште час витримки виливків у піщаній формі для досягнення рівномірного розподілу температури та зменшення внутрішньої термічної напруги.

Покращує деформативність піщаних форм і піщаних стрижнів, заздалегідь зніміть затискні вантажі форми та кріпильні пристрої,

і частково викопайте зайвий формувальний пісок для великих виливків, щоб зменшити стійкість до усадки.

Стандартизуйте операцію після лиття

Уникайте зіткнення, екструзія та сильна вібрація під час витрушування, очищення та обробка для запобігання вторинному розриву високотемпературних виливків.

2. Cold Cracks: Механізм формування, Характеристики та рішення

Холодні тріщини - це низькотемпературні структурні дефекти, які утворюються після повного затвердіння й охолодження виливка до пружного стану..

Вони виникають, коли локальне ливарне напруження розтягування перевищує граничну міцність сплаву при кімнатній температурі., і в основному розподіляються в зонах розтягнення зосереджених напруг під час процесу охолодження.

Розрізнення морфологічних і мікроскопічних ознак

Холодні тріщини мають зовсім інші характеристики, ніж гарячі тріщини, забезпечуючи точну візуальну та мікроскопічну ідентифікацію:

• Макроморфологія: Тріщини прямі або рівномірні складчасті, тонкий і рівномірної ширини, з плавними і акуратними лініями зламу.
• Стан перелому: Поверхня зламу чиста з явним металевим блиском або незначним кольором низькотемпературного окислення, без грубого окисленого шару гарячих тріщин.
• Мікроскопічний режим: Холодні тріщини розширюються трансзерно, проникаючи через весь поперечний переріз виливка, а не поширюючись уздовж меж зерен, що є найсуттєвішою відмінністю від гарячих тріщин.

Механізм формування

Після повного застигання, виливок переходить на стадію еластичного охолодження.

Нерівномірна швидкість охолодження в різних частинах конструкції створює значні градієнти температури, що призводить до незбалансованої деформації усадки.

Обмежується власною жорсткою структурою лиття та зовнішньою стійкістю до форми, величезна залишкова напруга розтягування накопичується всередині компонента.

Коли локальна напруга розтягування перевищує низькотемпературну текучість і міцність на розрив матеріалу сплаву, відбувається трансзерняний перелом, утворення холодних тріщин.

Main Inducing Factors

Нерозумна конструкція лиття

Сильно нерівномірна товщина стінок спричиняє непостійну усадку при охолодженні; жорсткі закриті конструкції і тонкостінні & великосердечні конструкції схильні до обмеженого усадкового напруження, який легко перевищує міцність сплаву на розрив і викликає розтріскування.

Несправна конструкція вентиляційної та стоякової системи

Неправильне розташування воріт (розташовані на товстостінних позиціях) посилює різницю швидкості охолодження та концентрацію теплового стресу.

Занижені або неправильно розташовані стояки блокують вільну усадку виливків.

Надмірно висока високотемпературна міцність і низька здатність до деформування формувального піску та стрижневого піску ще більше збільшують стійкість до усадки та напругу розтягування.

Невідповідний хімічний склад сплаву

Надмірно високий вміст вуглецю та легуючих елементів підвищує крихкість сплаву та знижує в'язкість при низьких температурах.

Надмірний вміст фосфору (над 0.05%) значно підвищує хладноламкість сталевих виливків.

Надмірна кількість антиграфітних елементів у виливках із сірого чавуну збільшує обсяг усадки та викликає холодні тріщини.

Нестандартні процеси після лиття

Передчасне струшування форми та високотемпературне струшування призводять до швидкого охолодження та різкого стрибка напруги; механічне зіткнення та екструзія під час очищення та обробки безпосередньо розтріскують виливки з низькою в'язкістю.

Стратегії цілеспрямованого вирішення та запобігання

Оптимізація структурного та технологічного проектування

Оптимізація рівномірності товщини стінок, додати перехідні конструкції для жорстких закритих частин, і усунути структурну концентрацію напруги.

Переконструюйте систему литника та стояка, щоб уникнути блокування усадки лиття та збалансувати швидкість охолодження товстих і тонких секцій.

Строгий контроль складу сплаву

Точне налаштування співвідношення елементів сплаву, суворо обмежити вміст крихких домішок, наприклад фосфору, і зменшити холодноламкість матеріалу для підвищення ударної в'язкості при низьких температурах.

Стандартизуйте специфікації випуску форми та поводження

Належним чином подовжте час утримування форми, щоб досягти повільного та рівномірного охолодження виливків і поступово знімати залишкову напругу.

Уникайте механічного впливу та екструзії в процедурах постобробки.

Застосуйте термообробку для зняття стресу

Своєчасно виконуйте термічну обробку старінням для виливків із великою залишковою ливарною напругою, щоб усунути внутрішню напругу.

Проведіть вторинну обробку старінням після різання стояка та ремонту зварюванням, щоб запобігти уповільненому холодному розтріскуванню.

3. Інженерний принцип запобігання тріщинам

Запобігання утворенню тріщин у виливках – це не питання удачі чи проб і помилок. Це питання інженерного балансу.

Виливок тріскається, коли метал змушений протистояти напрузі розтягування на етапі, коли його міцність занадто низька, або коли залишкова напруга накопичується швидше, ніж матеріал може її послабити.

З цієї точки зору, кожна тріщина є видимим результатом невидимої невідповідності між термічна поведінка, поведінка затвердіння, механічне обмеження, і матеріальні можливості.

Основний принцип простий: виливку необхідно дати стиснутися й охолонути в контрольованому режимі, низькоомний спосіб, зберігаючи достатню живильну та структурну підтримку під час вразливих стадій затвердіння та охолодження.

Якщо будь-яка частина цього балансу буде втрачена, тріщини стає ймовірним.

Утворення тріщин є проблемою стресу, не просто проблема дефекту

У ливарній практиці, тріщини часто описують як гарячі тріщини або холодні тріщини, але під цими поверхневими класифікаціями лежить та сама механічна істина: виливок відчуває навантаження, що перевищує його миттєву міцність.

Під час застигання, метал частково твердий і частково рідкий. Це найбільш тендітна стадія з усіх.

Сформувався дендритний скелет, але він ще не розвинув достатньої пластичності, щоб витримати велику деформацію.

Якщо навколо цвіль, ядро, стоякова система, або геометрія перешкоджає вільному скороченню, напруга розтягування концентрується в слабкій зоні. Це походження гарячого крекінгу.

Після затвердіння, кастинг може виглядати повністю здоровим, але великі градієнти температури все ще існують між поверхнею та внутрішньою частиною.

У міру охолодження деталі, зовнішні шари стискаються першими, тоді як гарячі внутрішні шари протистоять цьому стисненню. Це створює залишкову напругу.

Якщо стрес не знімається поступово, він може перевищувати межі міцності матеріалу при кімнатній температурі або при проміжних температурах і спричинити холодне розтріскування.

Тож справжнє інженерне питання полягає не просто в тому, як зупинити тріщини?”, а скоріше: Як розробити процес так, щоб стрес ніколи не перевищував тимчасову міцність відливки?

Виливок повинен бути розроблений як система усадки

Виливок не є жорстким об'єктом при виготовленні. Це тіло, яке під час охолодження повинно злегка і постійно змінювати форму.

Хороший дизайн визнає це і працює з тепловим скороченням, а не проти нього.

Тому тріщиностійка конструкція починається з геометричної простоти та конструктивної одноманітності:

• Товщина стінок повинна бути максимально рівною.
• Слід уникати різких змін розрізу.
• Гострі внутрішні кути слід замінити великими радіусами.
• Перехрестя ребер, начальники, і фланці повинні бути пом'якшеними, а не різкими.
• Довгі жорсткі каркаси слід розбити або переробити, щоб забезпечити скорочення.
• Важкі ділянки не слід відокремлювати від більш тонких без стратегії переходу.

Коли геометрія жорстка і неправильна, лиття поводиться як конструкція з вбудованими концентраторами напруги.

Результатом є не лише підвищення ризику розтріскування, але й нерівномірне затвердіння, локалізовані гарячі точки, труднощі з годуванням, і накопичення залишкової напруги.

Іншими словами, погана геометрія породжує каскад відмов.

Тому стійка до тріщин конструкція лиття розглядає усадку як функціональну вимогу, не неприємність. Деталі потрібно дозволити передбачувано скорочуватися.

Затвердіння необхідно контролювати, не просто прискорюється

Багато технологічних проблем виникають через неправильне розуміння швидкості охолодження. Швидше не завжди краще. Важлива не максимальна швидкість охолодження, але рівномірне та злагоджене охолодження.

Якщо одна ділянка твердне набагато раніше іншої, рано затверділа область стає твердою оболонкою, тоді як решта ділянки все ще скорочується або живиться.

Цей дисбаланс створює напругу розтягування. Якщо подача заблокована або шкаралупа обмежена, слідує розтріскування.

З цієї причини, дизайнер повинен розуміти схему затвердіння виливка:

• Де останні замерзають регіони?
• Де утвориться тепловий центр?
• Які зони зазнають найвищого обмеження?
• Де рідкий метал ще живить усадку?
• Де оболонка буде тонкою і слабкою на завершальному етапі?

Надійний процес лиття намагається створити продуманий і передбачуваний малюнок затвердіння.

Залежно від сплаву і геометрії, це може означати спрямоване твердіння в бік стояків, або в деяких випадках майже одночасне затвердіння для зменшення диференціального напруження.

Головне — послідовність. Неконтрольоване затвердіння створює градієнти напруги; контрольоване твердіння керує ними.

Форма і серцевина повинні підтримувати форму, не протистояти скороченню

Форма повинна тримати форму виливка під час заливки і початкового застигання, але після цього він не повинен поводитися як жорсткий затиск.

Якщо піщана форма або серцевина мають надмірну міцність, погана розбірність, або недостатня текучість при високій температурі, він протистоїть стисненню та перетворює термічну усадку в напругу розтягування.

Це одне з найбільш забутих джерел крекінгу. Цвіль, яка є «занадто хорошою», тобто занадто жорсткою, може бути шкідливою.

Ідеальна система форм забезпечує збалансоване поєднання:

• стабільність розмірів при заливці,
• адекватна стійкість до ерозії,
• достатня розбірність після застигання,
• і низька стійкість під час усадки.

Конструкція сердечника особливо важлива для порожнистих або коробчатих виливків.

Завелике ядро, занадто важко, або занадто сильний може стати механічною скобою всередині деталі.

Оскільки метал стискається навколо нього, напруга концентрується в стінах. Якщо результуюча напруга перевищує міцність сплаву, лиття тріскається, часто, здавалося б, незрозумілим способом.

Тому для запобігання тріщинам у техніці потрібна не лише специфікація металу, але специфікація поведінки цвілі. Форма є частиною механічної системи.

Годування та обмеження повинні бути збалансовані разом

Стояки часто обговорюються лише з точки зору компенсації усадки, але їх функція більш тонка.

Стояк повинен подавати метал в зони усадки, але якщо планування воріт і сходів створює місцеві обмеження, це також може стати частиною проблеми зламу.

Хороша система годування повинна:

• подача рідкого металу в зони останнього затвердіння,
• уникайте захоплення ізольованих гарячих точок,
• запобігти передчасному замерзанню литника,
• і не блокувати виливок у жорсткому полі напруги.

Якщо ворота замерзнуть занадто рано, це може блокувати природне звуження виливка.

Якщо стояк або живильник розташовані так, що вони механічно стримують усадку, відливка може порватися поблизу області з’єднання.

Це особливо часто трапляється, коли існує велика невідповідність жорсткості між литим корпусом і приєднаною системою подачі.

Принцип тут є критичним: як подача металу, так і зняття напруги усадки необхідні, але це не одне й те саме.

Відросток, який добре живить, але стримує скорочення, все одно може тріснути. Конструкція повинна виконувати обидві функції одночасно.

Залишкова напруга повинна бути зменшена, перш ніж вона стане тріщиною

Не всі тріщини з'являються відразу. Деякі виливки виходять із форми неушкодженими та тріскаються пізніше під час витрушування, прибирання, обробка, або поводження.

Це означає, що лиття містило залишкову напругу, яка ще не була повністю знята.

Залишкового стресу певною мірою не уникнути, але його величину можна контролювати. Основними інженерними засобами є:

• єдине оформлення секції,
• правильна згортання форми,
• контрольоване охолодження в формі,
• відповідний час витрушування,
• термообробка для зняття стресу,
• і дбайливе поводження після застигання.

Метою термічної обробки для зняття напруги є не зміна форми деталі, але знизити внутрішній стрес до більш безпечного рівня.

Для виливків з високими навантаженнями, це часто різниця між стабільною частиною та відстроченою тріщиною.

У великих або складних виливках, Зняття напруги є особливо важливим, оскільки температурні градієнти та зміна перетину зазвичай більші.

У таких випадках, виливок може виглядати стабільним за розмірами, але все ще нести небезпечну внутрішню напругу.

Коли механічна обробка видаляє опорну поверхню або відкриває зафіксований шлях напруги, тріщина може з'явитися раптово.

Вибір матеріалу повинен відповідати геометрії та процесу

Стійкий до розтріскування процес можливий лише тоді, коли поведінка сплаву сумісна з конструкцією деталі та ливарним процесом.

Деякі сплави мають ширші діапазони затвердіння, нижча гаряча пластичність, або більша чутливість скорочень.

Ці сплави можуть бути ідеально підходящими в одній геометрії та дуже схильними до розтріскування в іншій.

Це означає, що вибір сплаву не можна відокремити від дизайну. Інженер повинен враховувати:

• діапазон затвердіння,
• чутливість до гарячого сльозотечі,
• Лінійна усадка,
• пластичність під час напівтвердої стадії,
• міцність після затвердіння,
• сприйнятливість до крихких елементів,
• і вплив домішок, таких як сірка або фосфор.

Геометрія з різкими переходами та сильним обмеженням вимагає більш стійкого до розтріскування сплаву, ніж простий, рівномірно розділена частина.

Так само, для сплаву з відомою чутливістю до гарячих тріщин може знадобитися модифікований литник, нижнє обмеження, покращена згортання форми, або повільніше контрольоване охолодження.

На практиці, багато проблем з тріщинами не вирішуються лише налаштуванням процесу. Іноді матеріал потрібно змінити, або дизайн має бути послабленим, щоб відповідати реальній поведінці сплаву.

Обробка після затвердіння є частиною системи запобігання розтріскування

Профілактика тріщин не закінчується, коли метал замерзає. Лиття все ще може вийти з ладу під час витрушування, різання, шліфування, вибух, або транспортування.

Після того, як деталь затверділа, він все ще може бути крихким через високу залишкову напругу, міцність при низьких температурах, або приховані мікротріщини.

З цієї причини, операції після затвердіння слід розглядати як частину металургійного процесу:

• струс не повинен бути занадто раннім,
• частини не повинні падати або бити,
• слід контролювати зняття воріт,
• при обробці слід уникати різкого застосування сили,
• і зберігання повинно запобігати навантаженню при штабелі або згинанню.

Це особливо важливо для великих тонкостінних виливків і жорстких виливків з великими прольотами. Ці деталі можуть виглядати міцними, але можуть бути напрочуд чутливими до місцевих ударів або згинання.

4. Основні відмінності між гарячими та холодними тріщинами

5. Висновок

Тріщини у виливках утворюються через те, що метал має усадку, зміцнювати, і охолодити під обмеженням. Коли це обмеження створює напругу, більшу, ніж може витримати сплав, лиття розривається.

Гарячі тріщини з'являються під час застигання, зазвичай з нерегулярним, окислений, міжзернові особливості.

Холодні тріщини з'являються при подальшому охолодженні, зазвичай як більш прямий, очищувач, наскрізні руйнування, спричинені залишковою напругою.

Засіб однаково систематичний: покращити дизайн кастингу, зменшити концентрацію стресу, оптимізувати твердіння, вибрати відповідний хімічний склад сплаву, покращити згортання форми, контролювати час струшування, і за потреби застосувати термообробку для зняття стресу.

На практиці, найкраще лиття без тріщин – це не те, яке є «найміцнішим» у формі, але той, якому дозволено контролювати скорочення, збалансований, і передбачуваним способом.