Трещины в отливках стали

Горячих трещин в отливках

На стадии проектирования технологического процесса изготовления отливки обычно должны оцениваться особенности возникновения в ней горячих трещин. Наиболее подвержены горячим трещинам отливки со значительной разностенностью и сложные тонкостенные отливки с большим количеством стержней.. В первом случае необходимо принимать меры по выравниванию скоростей охлаждения стенок разной толщины. Так, в целях уменьшения различия в скоростях охлаждения тонких и более толстых стенок осуществляют подвод металла в тонкие стенки, что способствует замедлению их охлаждения. Но эта мера дает положительный эффект в отливках небольшой массы. С увеличением массы отливки усиливается локализация разогревающего действия струи металла, поступающего из питателя, и получается обратный эффект образуются горячие трещины в разогретых областях стенок отливки. Более продуктивное выравнивание охлаждения достигается искусственным захолаживанием массивных частей отливок. Для мелких отливок массой примерно до 100 кг вполне эффективны наружные монолитные холодильники с толщиной 0,5—0,6 от толщины захолаживаемой стенки.

Для отливок большой массы такие холодильники неэффективны. Они прогреваются до температуры стенки отливки раньше, чем она успеет затвердеть. В таких случаях необходимо использовать трубчатые холодильники с регулируемым теплоотводом какой-либо охлаждающей средой (например, воздухом), пропускаемой через их полость. Такие холодильники прокладываются в стенке формы на расстоянии от стенки отливки 20—60 мм. Слой формовочной смеси между холодильником и отливкой замедляет начальную стадию захолаживающего действия по сравнению с обычным наружным холодильником, где на этой стадии, наоборот, имеет место максимальный захолаживающий эффект. В процессе охлаждения отливки действие трубчатого холодильника может усиливаться и ослабляться за счет изменения количества охлаждающей среды, пропускаемой по трубе в единицу времени. Наиболее эффективно ускоряют охлаждение массивных стенок отливок внутренние холодильники, которые устанавливаются в количестве 2—3 % от массы захолаживаемой части отливки. В качестве таких холодильников обычно используют прутки прокатанной стали.

Для сложных тонкостенных отливок приобретает особенно большое значение исходная прочность стенок формы и стержней, которая должна быть возможно более низкой, так как при быстрозатвердевающих тонких стенках отливок прогрев стенок формы незначителен и поэтому не сопровождается заметным разупрочнением их. Уменьшение степени торможения усадки отливок в период прохождения ими интервала

хрупкости стали путем уменьшения прочности и увеличения податливости стенок формы и стержней является одним из универсальных средств устранения возможности возникновения горячих трещин в отливках любой конструкции. Сущность положительного воздействия таких средств состоит в уменьшении развивающейся в отливке упруго-пластической деформации растяжения.

Однако даже при этом в условиях значительной локализации и соответственно резкой концентрации деформаций горячие трещины все же могут возникать. В этой связи при всех обстоятельствах необходимо стремиться к уменьшению степени локализации, рассредоточению усадочных растягивающих деформаций в стенках отливок как с помощью выравнивания скоростей охлаждения, так и посредством соответствующих изменений в конструкции отливок. Иллюстрацией таких изменений может служить рис. 6.37, б, где измененный контур узла, показанный штриховыми линиями, обеспечивает увеличение протяженности зоны локализации упруго-пластической деформации mотл, что ведет к уменьшению опасности образования горячих трещин.

Для снижения опасности появления горячих трещин необходимо заливку формы производить при возможно более низкой температуре металла, поскольку высокая температура заливки приводит к получению более крупнозернистого строения, при котором межкристаллитные прослойки легкоплавких фаз будут иметь большую толщину, что облегчает образование трещин. Кроме того, повышение температуры заливки вызывает усиление местного разогревающего действия питателей, приводящего к образованию около мест подвода металла, а иногда и в других местах, замедленно охлаждающихся зон с наибольшей вероятностью возникновения в них горячих трещин.

Такая роль питателей приводит к необходимости осуществлять подвод металла в форму по возможности рассредоточенно, т. е. через несколько питателей для снижения разогревающего действия каждого из них. Этим же объясняется положительное влияние на уменьшение горячих трещин подвода металла через щелевые питатели.

Обеспечение условий направленного затвердевания при надежной работе прибылей благоприятно сказывается на уменьшении опасности образования горячих трещин благодаря созданию возможностей «залечивания трещин». Вместе с тем сам факт установки прибыли приводит к увеличению термической емкости узла, на котором она размещена, усиливая таким образом неравномерность охлаждения, в результате чего часто возникают горячие трещины в непосредственной близости к прибыли.

Чаще всего такие ситуации возникают, когда размеры прибылей имеют чрезмерно большой запас: в целях увеличения надежности их работы увеличивают приведенную толщину либо высоту, а часто одновременно и то, и другое.

Целесообразно не прибегать к излишествам в размерах прибылей, а в определенных случаях вместо одной весьма массивной лучше устанавливать две менее массивные прибыли.

Читайте также:  Лазер для очистки металла от ржавчины цена

Существенно повысить трещиноустойчивость можно за счет модифицирования стали. Для этого применяют такие высокоактивные элементы, как бор, кальций, барий, магний, иттрий, церий, лантан, титан, цирконий, ванадий и др. Улучшение характеристик первичной структуры, уменьшение физической и химической неоднородности, перераспределение кристаллизующихся фаз и их количества при модифицировании способствуют повышению трещиноустойчивости. Характерным для зависимости трещиноустойчивости от количества вводимых модификаторов является вполне определенная величина добавки, при которой достигается высокая стойкость против горячеломкости (рис. 6.38). Кроме того, один и тот же модификатор по-разному влияет на трещиноустойчивость сталей различного структурного класса. Это обусловлено раз личным характером трещинообразования сталей. В сталях аустенитного класса трещины проходят по границам зерен, ферритного по границе и телу зерна, перлитного — по границам первичных аустенитных зерен, полуферритного по ферритной составляющей. Поэтому повышения трещиноустойчивости аустенитных и перлитных сталей можно добиться за счет очищения и укрепления границ зерен, ферритных кроме этого, и за счет улучшения свойств самого зерна, полуферритных за счет изменения характера расположения ферритной составляющей.

Трещины в отливках стали

Положительное влияние оптимальных добавок модификаторов на трещиноустойчивость объясняется тем, что при модифицировании измельчается первичное зерно аустенита.

Трещины в отливках сталиЭто приводит к увеличению межзеренной поверхности и уменьшению удельной по граничной концентрации примесей. Благоприятное изменение морфологии не металлических фаз также улучшает трещиноустойчивость. На рис. 6.39 показано влияние модификаторов на кинетику процесса усадки стали 15Х1М1ФЛ. Титан уменьшает скорость усадки в начальный период, а церий и барий в более поздний. При модифицировании стали цирконием появляется даже предусадочное расширение.

Анализируя влияние модификаторов на усадку сталей, в целом можно отметить, что они замедляют процесс усадки, особенно в начальный период затвердевания отливок, и тем самым смягчают нарастание напряжений, что повышает трещиноустойчивость отливок.

Холодные трещины в отливках

И меры по их предотвращению

Как было показано выше, в результате разновременного охлаждения различных частей отливки возникают термические напряжения. Величина этих напряжений растет с понижением температуры, а пластичность стали падает. В результате, напряжения могут достичь значений, равных временному сопротивлению при растяжении (σв), и материал отливки разрушается, в отливке появляется трещина. Зарождение и распространение трещин облегчается наличием в структуре стали несплошности (газовые, усадочные дефекты) или неметаллических включений. Наиболее вероятный период образования холодных трещин — охлаждение отливок в интервале температур ниже 700°С. Поверхность таких трещин, как правило, гладкая, чистая, она проходит по телу кристаллов. В некоторых случаях, если трещина формировалась при повышенных температурах, ее поверхность может быть покрыта и тонкой оксидной пленкой.

Трещины в отливках представляют типичный литейный дефект. Даже если имеющиеся в отливке напряжения не привели к появлению трещин или короблению отливок, они могут оказать негативное влияние в дальнейшем. Например, при

эксплуатации литых деталей сохранившиеся в металле напряжения могут суммироваться с рабочими напряжениями, что приводит к разрушению детали или искажению ее размеров.

Вероятность возникновения холодных трещин зависит не только от уровня и кинетики развития литейных напряжений, но может значительно возрасти из-за некоторых особенностей состава стали. Так, известно охрупчивающее действие фосфора, образующего хрупкие фосфиды железа, однако это зависит еще и от содержания в стали углерода. С повышением содержания углерода и, как следствие, уменьшением в структуре металла свободного феррита увеличивается относительная концентрация в нем фосфора, облегчающая создание и выделение из раствора фосфидов, и возрастает опасность возникновения холодных трещин в отливках.

Нередко охрупчивание стали происходит вследствие повышения содержания в ней алюминия и азота, приводящего к выделению по границам первичных зерен мельчайших частиц нитрида алюминия А1N. Процесс выделения нитрида происходит в интервале температур 1000— 800 о С. Признаком возникновения такой аномалии является разрушение металла с образованием так называемого камневидного излома: разрушение происходит по границам зерен, а поверхность излома имеет обычно белый или блестяще-белый вид. При таком состоянии стали холодные трещины в отливках часто располагаются внутри сечения стенки отливки.

Для устранения хрупкости и опасности появления холодных трещин в таких случаях уменьшают долю присадки алюминия, которая обычно доводится до 0,08—0,1 %, и азота — до

Принято считать, что основной причиной образования трещин в отливках является затрудненная усадка, приводящая к возникновению внутренних напряжений. Таким образом, трещины в отливках образуются в основном вследствие макроскопических напряжений, т.е. являются «силовыми». Однако значительное число микротрещин может возникать на стадии затвердевания, в случае металла — при кристаллизации: термофлуктуационным путем, слиянием газовых и усадочных пор, например водородные трещины, из-за наличия инородных включений, вследствие микроскопических напряжений в пределах зерна, или напряжений второго рода. Однако вероятность развития таких трещин до магистральных весьма невелика. Раскрытие трещин и разрушение отливок в процессе литья все же происходит в основном вследствие торможения линейной усадки.

Читайте также:  В чем измеряется скорость резания

В зависимости от температурного интервала образования трещины при литье металлов подразделяются на горячие и холодные.

Горячие трещины образуются при охлаждении от температуры начала линейной усадки (Гн), т.е. для сплавов еще в период кристаллизации, и до температур во многих случаях ниже температуры солидуса. Этот интервал зависит от химического состава сплава. Например, для углеродистых конструкционных сталей он находится в пределах 1350— 1200 °С. Горячие трещины образуются вследствие ПД от внутренних напряжений в основном по границам зерен, так как межкристал- литная прочность при высоких температурах незначительна.

При наличии жидкой фазы между зернами деформационная способность металла еще обеспечивается подвижностью жидкости. Когда содержание жидкости снижается ниже критического, т.е. начиная с Т — Тн, циркуляция жидкости полностью прекращается и дальнейшая деформация должна обеспечиваться пластичностью и прочностью межзеренных границ, которые пока ничтожны, но продолжают возрастать с дальнейшим охлаждением. Это иллюстрирует рис. 11.18, где показан характер изменения межкристал- литной прочности амк с температурой. Внутрикристаллитная прочность самих зерен авк вначале намного выше, чем амк, однако она

Трещины в отливках стали

нарастает с уменьшением Т медленнее, чем омк. Поэтому при высоких температурах прочность отливки определяется межкристал- литной прочностью, а при более низких — внутрикристаллитной.

Температура, при которой зависимости смк(Т) и с увк(Т) пересекаются, называется эквикохезивной температурой Тжв. Область температур между Тн и Тжв называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ) сплава. Если внутренние напряжения а, из-за затрудненной усадки в этом интервале нарастают быстрее, чем омк, то происходит образование и развитие трещин при ПД по границам зерен, в то время как сами зерна деформируются упруго. Это пример хрупкого разрушения вследствие пониженной пластичности границ зерен.

Склонность к образованию горячих трещин увеличивает наличие ликвирующих примесей в отливках, таких, как, например, сера в сталях. Как уже отмечалось в гл. 5, сера образует легкоплавкую эвтектику Fe-FeS, которая, располагаясь по границам зерен, способствует снижению температуры полного затвердевания отливки ниже температуры солидуса сплава. Вследствие этого Тжв

Под действием внутренних напряжений может происходить коробление, приводящее к искажению размеров отливок, а также трещины и даже полное разрушение отливок.

Коробление отливок возникает, когда величина внутренних напряжений на какой-либо стадии охлаждения отливки достигнет величины предела пропорциональности, в результате чего появляются упругие или пластические деформации.

На рис. 12.7 схематично изображено коробление бруса под действием временных температурных напряжений, когда в массивной части развиваются сжимающие, а в тонкой части — растягивающие напряжения. Если изображенный изгиб бруса не выйдет из пределов упругих деформаций, то затем отливка примет первоначальную форму.

Трещины в отливках стали

Рис. 12.7. Схема коробления отливки «брус» на стадии образования временных температурных напряжений (сжимающие — в массивной части, растягивающие — в тонкой части)

После окончательного охлаждения отливки остаточные температурные напряжения изменяют знак — в массивной части бруса напряжения растягивающие, а в тонкой — сжимающие. И соответственно коробление бруса будет протекать с противоположным знаком — тонкая часть будет выпуклая, а массивная — вогнутая.

В условиях производства бывают случаи, когда коробление литой детали происходит после механической обработки. Так, например, если в отливке «брус» будет снят значительный припуск на механическую обработку массивной части, то площадь ее сечения уменьшится, равновесие сил в тонкой и массивной частях нарушится — величина напряжений в массивной части возрастет и может превысить предел пропорциональности материала отливки. В результате будет иметь место изгиб бруса. Чтобы предупредить подобные явления, применяют низкотемпературную термическую обработку — искусственное старение. При нагреве и последующем медленном охлаждении происходит релаксация внутренних напряжений за счет протекания деформационных процессов в микрообъемах отливки. Основными мерами предупреждения короблений являются меры по снижению напряжений выравниванием толщин стенок отдельных частей отливок, ускорением охлаждения массивных частей отливок, а также устройство ложных ребер, повышающих жесткость отливок.

На большинстве отливок дефект коробления исправляют правкой на прессах и молотах.

Трещины на отливках возникают, если на какой-либо стадии охлаждения твердой отливки напряжения превысят предел прочности материала отливки при соответствующей температуре. Трещины возникают, как правило, на малопластичных сплавах, в которых из-за отсутствия деформаций развиваются внутренние напряжения большой величины (белый чугун, заэвтектические силумины).

Читайте также:  Горелка для сварки медных труб

Трещины на отливках условно делят на два типа: горячие и холодные. Горячие трещины образуются в области высоких температур — лишь немного ниже температуры солидуса. На стальных отливках горячие трещины имеют темную неровную поверхность с выступающими гранями литых зерен. При очень высоких температурах границы зерен имеют низкую прочность по причине возможного присутствия жидкой фазы.

Холодные трещины развиваются в области более низких температур — для стальных и чугунных отливок ниже 700 °С. Холодные трещины на стальных отливках имеют блестящую ровную поверхность — разрушение произошло по зернам, а не по их границам. Расхождение поверхностей излома на холодных трещинах меньше, чем на горячих.

На стальных и чугунных отливках более распространены горячие трещины.

Трещиностойкостъ — одно из важных технологических свойств литейных сплавов, определяющих их различную склонность к образованию трещин на отливках. Это свойство зависит от величины коэффициента линейной усадки сплава, от величины модуля упругости, прочности и пластичности сплава при высоких температурах. Для всех сплавов модуль упругости и предел прочности снижаются с ростом температуры и особенно интенсивно по мере приближения к температуре солидуса. Относительное удлинение сплава, определяющее свойство пластичности, по мере повышения температуры сначала возрастает, затем остается практически неизменным, а вблизи температуры солидуса интенсивно снижается. Именно этим обстоятельством объясняют образование горячих трещин вблизи температуры солидуса, когда границы зерен ослаблены или даже содержат некоторую долю жидкой фазы.

Трещиностойкость сплавов зависит от типа диаграммы состояния и величины температурного интервала затвердевания. Эвтектические сплавы менее склонны к образованию трещин. Сплавы с широким интервалом затвердевания имеют большую склонность к трещинам по сравнению с узкоинтервальными сплавами.

Для количественной оценки трещиностойкости сплавов применяют ряд технологических проб. Одна из проб представляет серию образцов различной длины с одинаковым поперечным сечением, одинаковым торможением усадки и одинаковым утолщением в середине образцов (рис. 12.8). Длина образцов, начиная с которой возникают трещины, оценивается как количественная оценка трещиностойкости сплава.

Другая проба представляет собой отливку кольца, отливаемого с металлическим стержнем, т.е. абсолютно неподатливым. Количественной мерой трещиностойкости служит размер трещины. Чем меньше расхождение трещины, тем выше трещиностойкость сплава. Отсутствие трещины свидетельствует о высокой трещиностойкости сплава.

Рис. 12.8. Проба на трещино- стойкость в виде серии образцов различной длины

Трещины в отливках стали

Кроме трещиностойкости сплава, вероятность возникновения трещин на отливках обусловлена рядом технологических и конструктивных параметров, определяющих внутренние напряжения в отливках. К конструктивным параметрам относятся большая раз- ностенность отливок; геометрическая конфигурация отливок, в которых одни части затрудняют протекание усадки других (литые детали типа «колес»); наличие острых углов в сопряжениях стенок отливок. Из технологических параметров следует выделить плохую податливость литейных стержней и форм, неудачную конструкцию литниковой системы, затрудняющую усадку отливки, большой перегрев металла при заливке и высокую скорость заливки.

Соответственно и основные меры предупреждения трещин на отливках базируются на анализе причин их возникновения.

При выборе сплава отдают предпочтение более трещиностойкому, с более узким интервалом затвердевания и в лучшем варианте — эвтектическому сплаву. Должно проводиться тщательное рафинирование сплавов особенно от примесей, способствующих горячеломкости сплавов (в железных, никелевых, медных сплавах— от серы).

Совершенствование конструкции литой детали и отливки включает:

  • • применение отливок (по возможности) с равномерной толщиной стенки;
  • • устранение выступающих частей отливок;
  • • устройство радиусов закруглений вместо острых углов сопряжений стенок отливок;
  • • расчленение сложных литых деталей на простые с последующей сваркой последних (сварно-литые конструкции деталей).

К мерам технологического характера с целью предупреждения трещин относятся:

  • • увеличение податливости литейных форм и особенно стержней;
  • • применение конструкций литниковых систем и прибылей, не мешающих усадке отливки;
  • • устройство ложных ребер жесткости с целью упрочнения слабых мест отливки;
  • • использование приемов ускорения охлаждения массивных узлов (холодильники и др.) и замедления охлаждения тонких стенок отливок;
  • • снижение температуры заливки и скорости заливки, если это не приведет к появлению других дефектов;
  • • замедление скорости охлаждения отливок, начиная с температур перехода сплава в упругое состояние; отливки после выбивки при этой температуре помещают в нагревательные печи, нагревательные колодцы и т.д.;
  • • суспензионный способ литья.