Аналіз факторів, що впливають на якість поверхні литих сталевих деталей

Якість поверхні литих сталевих компонентів визначається головним чином двома взаємопов’язаними факторами на етапі формування: чистота порожнини форми і стан поверхні прес-форми.

Для великих виливків, де заливні системи довгі та металургійна/технологічна складність висока, проникнення пухкого піску, окалини та інші забруднювачі в керамічні труби стояка/канала, а також погіршення або пошкодження поверхні малюнка/плісняви ​​є основними джерелами видимих ​​дефектів поверхні.

У цій статті детально аналізуються ці фактори, представлені практичні захисні заходи та докази випробувань впливу дефектів поверхні форми, і надає дорожню карту впровадження для покращення стану литої поверхні та зменшення кількості повторних робіт.

1. Передумови та важливість якості поверхні

Великі сталеві деталі (компоненти турбіни, великі клапани, гідротурбінні бігуни, тощо) виробляються при високих температурах заливки та складних системах литникових литників.

Зовнішній вигляд поверхні - це не тільки комерційна ознака, а й показник керованості процесу та внутрішньої справності.

Погана якість поверхні призводить до дорогого шліфування, доопрацювання або бракування та негативно впливає на сприйняття клієнта.

На практиці на зовнішній вигляд впливає багато факторів (металургійні включення, макросегрегація, піщаний розплав, струпи), але два чинники стабільно домінують для великих кастингs під час формування та заливки:

1. Чистота порожнини цвілі — потрапляння сипучого піску, шлаку та вкраплень у керамічних трубах подачі/бігуна та в порожнині; і
2. Стан поверхні форми — механічні пошкодження, ремонтне нарощування, і шорсткість поверхні малюнка та основних компонентів.

На основі багаторічного практичного досвіду виробництва великих сталевих деталей, таких як газові турбіни,

Парові турбіни, і бігуни гідравлічних турбін, У цій статті систематично аналізується механізм впливу чистоти порожнини форми та стану поверхні форми на якість поверхні литих сталевих деталей..

У поєднанні з порівняльними випробуваннями та інженерною практикою, запропоновано цілеспрямовані заходи щодо покращення якості поверхні виливків та забезпечення технічної підтримки для стабільного виробництва високоякісних сталевих литих деталей.

2. Вплив чистоти порожнини форми на якість поверхні сталевих литих деталей

Порожнина прес-форми – це «форма», яка формує сталеві деталі. Його чистота безпосередньо визначає наявність включень, Включення піску, та інші дефекти на поверхні виливків.

Під час процесу заливки сталевих литих деталей, розплавлена ​​сталь тече в порожнину форми з високою швидкістю.

Шлакові включення, що утворюються в процесі плавки, розсипаний пісок, що потрапляє в трубопровід при укладанні литникової системи, і інші забруднюючі речовини будуть вимиті в порожнину форми разом з розплавленою сталлю.

Під час процесу охолодження та затвердіння розплавленої сталі, через їх меншу щільність, більшість шлакових включень і розсипаного піску будуть плавати вгору і викидатися через стояк або вентиляційну систему.

Однак, частина включень все одно конденсуватиметься на змінних перерізах, філе, та інші позиції виливків, утворення поверхневих дефектів, таких як включення піску і шлаку.

Ці дефекти необхідно усунути шліфуванням, що не тільки збільшує робоче навантаження та вартість виробництва, але також може вплинути на точність розмірів виливків, якщо обсяг помелу занадто великий.

Основним джерелом розсіяного піску в порожнині форми є литникова система.

Система литників із литих сталевих деталей зазвичай складається з керамічних труб (порцелянові труби) щоб забезпечити стійкість до високих температур і уникнути ерозії розплавленої сталі.

Для великих литих сталевих деталей, загальна довжина укладеної литникової системи може досягати понад 40 метри, а процес укладання передбачає з’єднання кількох секцій порцелянових труб.

Завдяки великій довжині і високій складності укладання, ймовірність потрапляння розсипаного піску в порцелянові труби відносно висока.

Отже, особливо важливо захистити кожну секцію порцелянової труби під час процесу укладання, щоб запобігти потраплянню розсипаного піску в порожнину форми разом із розплавленою сталлю.

Шляхом практичної перевірки на трьох видах сталевих литих виробів (газові турбіни, Парові турбіни, і бігуни гідравлічних турбін),

три типи захисних матеріалів і методів були розроблені для ефективного поліпшення чистоти порожнини форми. Далі наведено детальний аналіз кожного методу:

2.1 Метод захисту поліетиленової плівки ПВХ

ПВХ (Полівінілхлорид) поліетиленова плівка широко використовується в захисті литникових систем завдяки своїй високій вартості, зручна експлуатація, і хороші характеристики герметизації.

Рекомендована товщина плівки 0,4–1 мм, і конкретну товщину можна вибрати відповідно до вимог до операції формування на місці.

Для полегшення спостереження та перевірки внутрішньої чистоти порцелянових труб, перевага віддається прозорій плівці ПВХ.

Конкретні кроки операції такі: Спочатку, перед захистом перевірте внутрішню чистоту кожної секції порцелянової труби, і видаліть будь-який наявний розсипаний пісок або інші забруднюючі речовини.

Тоді, оберніть ПВХ плівку навколо отвору порцелянової труби, яку потрібно захистити. Герметичність плівки повинна бути достатньою, щоб не впливати на з’єднання порцелянових труб.

Під час стикового з’єднання порцелянових труб, плаваючий пісок та інші забруднюючі речовини блокуються за межами плівки і не можуть потрапити в порцелянові труби.

Після завершення укладання литниковой системи, плівку знімати не потрібно.

Під час процесу заливки, коли розплавлена ​​сталь кидається в порожнину форми, повітря в порцелянових трубах випускається з системи під тиском, і плівка ПВХ видувається з системи випуску повітря разом з повітрям у порожнині форми.

Так як плівка ПВХ буде повністю згоряти і розкладатися при високих температурах (температура розкладання ПВХ близько 200-300°С,

що значно нижче температури розливу розплавленої сталі), це не призведе до забруднення розплавленої сталі та не залишить залишків на поверхні виливків.

2.2 Метод захисту тонкого сталевого листа

Тонкі сталеві листи товщиною менше 1 мм також можна використовувати для захисту порцелянових труб.

Перевага тонких сталевих листів полягає в тому, що їх можна використовувати повторно, що може певною мірою зменшити довгострокові витрати на матеріал.

Перед застосуванням, тонкі сталеві листи потрібно обробити у відповідні розміри, трохи більші за зовнішній діаметр порцелянових труб відповідно до розміру та форми порцелянових труб, щоб гарантувати, що вони можуть повністю покрити з’єднувальну частину порцелянових труб..

Процес операції такий: Спочатку, перевірте, чи немає сторонніх предметів всередині порцелянових трубок.

Тоді, насадіть оброблені тонкі сталеві листи на з’єднувальну частину порцелянових труб, які потрібно захистити.

Після того, як верхня частина порцелянових труб повністю засипається формувальним піском, вручну витягніть тонкі сталеві листи.

Однак, цей метод пред'являє високі вимоги до будівельних робіт: з одного боку, через велику кількість піску навколо порцелянових труб,

легко не помітити витягування тонких сталевих листів; З іншого боку, процес витягування сталевих листів може загнати вже укладені порцелянові труби, що призводить до зміщення ліберної системи.

На додаток, якщо після укладання литникової системи необхідний контроль вторинної чистоти, складність експлуатації є відносно великою, оскільки тонкі сталеві листи були видалені, а з’єднувальна частина порцелянових труб покрита піском.

Слід зазначити, що якщо тонкий сталевий лист вчасно не витягнутий або пропущений, він увійде в порожнину форми разом з розплавленою сталлю під час заливки,

який блокуватиме потік розплавленої сталі та спричинить серйозні дефекти, такі як холодне закриття та збої на поверхні виливків.

2.3 Спосіб захисту пінополістирольних плит

Плита з пінополістиролу має такі переваги, як низька вартість і невелика вага, а також є звичайним захисним матеріалом для ліберної системи.

Запорукою цього методу є точність обробки пінопласту: пінопласту потрібно обробити в циліндричну форму з таким же діаметром, як внутрішній діаметр порцелянової труби, а потім помістили на сопло порцелянової трубки для захисту.

Розмір обробки пінопласту має високі вимоги: якщо діаметр занадто великий, пінопласт не можна вставити в патрубок порцелянової труби;

якщо діаметр занадто малий, герметизація буде поганою, і пісок легко проникне всередину порцелянової труби з щілини.

Одночасно, пінопласт повинен мати достатню товщину (зазвичай 5-10 мм) щоб уникнути нахилу всередині порцелянової трубки, що вплине на захисний ефект.

Подібний до методу захисту пластикової ПВХ плівки, пінопласт після укладання литникової системи не потрібно витягувати.

Під час процесу заливки, коли велика кількість розплавленої сталі спрямовується в порожнину форми, пінопласт видувається з порожнини форми через систему випуску повітря під тиском повітря в порожнині форми.

Пінополістирол розкладається при високих температурах (температура розкладання близько 100–150°С) і не вироблятиме шкідливих речовин, тому він не забруднює розплавлену сталь і не впливає на якість поверхні виливків.

2.4 Порівняння захисних ефектів трьох матеріалів

Основним принципом трьох методів захисту є запобігання потраплянню розсипаного піску в порцелянові труби та порожнину форми за умови, що це не впливає на потік розплавленої сталі під час розливання та не вводить сторонні речовини в порожнину форми..

Підібрати оптимальну схему захисту, вартість, складність будівництва, і захисний ефект трьох матеріалів порівнюються, як показано в табл 1.

Стіл 1 Порівняння вартості та ефективності захисних матеріалів

Це видно з табл 1 що як тонкі сталеві листи, так і плити з пінополістиролу мають хороший захисний ефект, але їх складність обробки відносно висока, що певною мірою незручно для будівництва та використання на місці.

Найкращий захисний ефект має плівка ПВХ, з простою експлуатацією на місці та високою вартістю.

Отже, у поєднанні з реальними потребами виробництва, поліетиленову плівку ПВХ товщиною 0,4-1 мм рекомендується як кращий захисний матеріал для литникових систем литих сталевих деталей,

що може ефективно покращити чистоту порожнини форми та зменшити дефекти поверхні, спричинені включеннями піску.

3. Вплив стану поверхні форми на якість поверхні литих сталевих деталей

Форма є основним інструментом для формування литих сталевих деталей, і стан його поверхні безпосередньо впливає на якість поверхні та площинність виливків.

Для великих литих сталевих деталей, дерев'яні форми в основному використовуються завдяки їхнім перевагам простоти обробки, низька вартість, і хороша обробка.

Однак, дерев'яні форми мають характеристики великого об'єму та великої кількості вільних блоків (рухомі блоки), які вимагають високої точності позиціонування і герметичності з'єднання між незакріпленими блоками.

У реальному процесі виробництва, зі збільшенням кількості використання цвілі, пошкодження поверхні прес-форми та вільних блоків під час зачистки форми також збільшиться.

Якщо ці дефекти не усунути вчасно, вони не тільки вплинуть на форму та якість поверхні виливків, але й скоротять термін служби форми.

3.1 Утворення природних дефектів на поверхні форми

Природні дефекти поверхні прес-форми в основному включають знос, подряпини, тріщина, і нерівності в зазорах з'єднання. Ці дефекти в основному викликані наступними причинами:

• Пошкодження від цвілі: Під час процесу видалення форми, за рахунок адгезії між формувальним піском і поверхнею форми,
  поверхня форми та вільні блоки легко дряпаються або зношуються, коли форму витягують, особливо на фільцях і краях форми.
• Фактори навколишнього середовища: Форма зберігається у виробничому цеху тривалий час, і поверхня легко піддається впливу вологи, призводить до розбухання і деформації деревини, в результаті чого поверхня нерівна.
• Технічне обслуговування несвоєчасне: Після використання форми, якщо поверхневий пісок і забруднюючі речовини не очищаються вчасно, або пошкоджені частини не відремонтовані вчасно, дефекти будуть поступово розширюватися зі збільшенням кількості використань.

Серед цих природних вад, нерівна поверхня в місцях з’єднання та галтелі форми найбільше впливає на якість поверхні виливків.

Після того, як форма відремонтована, якщо поверхня не шліфована, щоб вона була рівною та гладкою, на поверхні виливків будуть утворюватися дефекти, схожі на борозенки або щурячі хвостики, які серйозно впливають на якість зовнішнього вигляду виливків.

3.2 Випробування на штучні дефекти на поверхні форми

Для кількісної перевірки зв'язку між площинністю поверхні форми та дефектами ливарної поверхні, було проведено порівняльний тест.

На поверхні прес-форми виготовляли три типи штучних дефектів різної глибини, які становили 1–2 мм, 2–4 мм, і 4–6 мм відповідно.

Діапазон поширення дефектів охоплює площину, дугова поверхня, і філейної частини кореня фланця, які є ключовими позиціями, схильними до дефектів поверхні в литих сталевих деталях.

План тестування такий: На кожну посаду вибираються три зони, і площа кожної області встановлена ​​на 300 мм × 300 мм.

На вибраних ділянках виготовляють штучні дефекти та маркують.

Опуклі дефекти роблять шляхом додавання матеріалів, таких як шпаклівка або гіпс на поверхню форми, а увігнуті дефекти шліфуються та формуються на поверхні прес-форми за допомогою таких інструментів, як напилки зі сплавом.

Глибина всіх штучних дефектів вимірюється ростоміром і фіксується фотографуванням.

У процесі формування, частини штучного дефекту перевіряються, щоб переконатися, що немає плаваючого піску чи інших речовин, які впливають на форму дефектів.

Ступінь ущільнення і міцність піску, засипаного навколо дефектів, реалізуються відповідно до вимог процесу формування..

Після виливки заливаються і формуються, вони проходять якісну термічну обробку та перший дробеструйний процес, а площі поверхні виливків, що відповідають штучним дефектам, перевіряються та перевіряються.

Результати випробувань показують, що різна глибина штучних дефектів на поверхні форми призводить до різного рівня шорсткості поверхні лиття..

Конкретне відповідне співвідношення показано в табл 2.

Стіл 2 Порівняльна таблиця штучних дефектів поверхні форми та шорсткості поверхні лиття

Примітка: Ступені шорсткості поверхні в таблиці розділені відповідно до внутрішнього стандарту підприємства для литих сталевих деталей: Оцінка А1 (Ra ≤ 6.3 мкм) є найвищою якістю поверхні, підходить для ключових зовнішніх деталей;

Оцінка А2/А3 (6.3 мкм < Ra ≤ 12.5 мкм) це загальна якість поверхні, підходить для звичайних структурних частин; Оцінка А4 (Рак > 12.5 мкм) є низька якість поверхні, який необхідно переробити шляхом шліфування.

За результатами тестування, щоб відповідати різним вимогам до шорсткості поверхні деталей із литої сталі, поверхня форми повинна перевірятися перед кожним використанням.

Для дефектів, глибина яких перевищує вказану (зазвичай 2 мм для загальних частин і 1 мм для ключових частин), необхідно виконати ремонт і шліфування, щоб переконатися, що загальний стан поверхні прес-форми кваліфікований.

Для з'єднання зазорів і галтелів прес-форми, особливу увагу слід приділяти перевірці та обслуговуванню, щоб уникнути утворення канавок або щурячих дефектів на поверхні лиття.

4. Висновок

Для великих сталевих деталей два найефективніші, контрольовані внески в погану якість литої поверхні є потрапляння забруднення через вентиль/трубопроводи і дефекти поверхні форми.

Простий, недорогі методи захисту — зокрема, використання прозорої ПВХ-плівки товщиною 0,4–1,0 мм для закриття/закриття отворів труб під час монтажу трубопроводу — значно зменшують проникнення пухкого піску.

Ретельний огляд і своєчасний ремонт поверхонь форми (з консервативною прийнятністю глибини дефекту ≤2 мм) запобігти перенесенню пошкодження форми на литі компоненти.

У поєднанні з першою статтею NDT і задокументованою програмою технічного обслуговування/інспекції, ці заходи істотно покращують стан поверхні, скоротити доопрацювання та підвищити видиму клієнтом якість.

Посилання

[1] Чжан Чаохуей. Аналіз якості та заходи щодо покращення якості литих сталевих деталей [J]. China Journal Network, 2018(01): 75-77.

[2] Ван Ченбінь. Обговорення впливу структури прес-форми на якість лиття та оптимізацію конструкції [J]. Сучасний бізнес і торгівля, 2011, 23(01): 303.

[3] Американське ливарне товариство (AFS). Довідник зі сталевого лиття [М]. 11го видання. AFS, 2017.