Логический подход к процессам ликвидации горячих трещин

Воронин Ю.Ф., Камаев В.А., Матохина А.В.

Возникновение трещин связано с целым рядом причин, создающих напряженное или усадочное состояние отливки [1]. Для того чтобы определить на площадке брака разновидности трещин и выявить среди них, на пример, горячую, очень важно знать характерные отличия различных трещин, к которым следует отнести морфологическое состояние поверхности дефекта, его форму, расположение и т.д.[2]. Для облегчения выявления трещин, создана архитектура визуальной схожести и различий этих дефектов, представленная на рис. 1[3]. Вся архитектура состоит из 4 уровней.

На первом уровне рассматривается состояние трещин при их первой визуальной оценке. Все представленные трещины имеют различное состояние. На рис. 2 рассматривается отливка «Корпус дверцы» с холодной трещиной, еле заметной. Холодные трещины образуются в зоне растягивающих напряжений и преимущественно располагаются в местах их концентрации. В данном случае трещина расположилась рядом с углом отливки и прошла по всей её толщине.

Рисунок 1. Визуальная продукционная модель характерных отличительных особенностей   трещин с определением их разновидностей.

Рисунок 2.а Фрагмент отливки «Корпус дверцы» с трещиной холодной, имеющей волосовидную, еле заметную форму излома.	Рисунок 2.б. Фрагмент отливки «Корпус дверцы» с дефектом (увеличено)

Пример формирования горячей трещины можно посмотреть на отливке «Рабочее колесо насоса» (рис. 3). Хорошо заметная трещина образовалась на участке отливки, затвердевающим последним. Форма трещины остроугольная, рваная, что свидетельствует о не полном процессе затвердевания металла при формировании дефекта. Заливка формы горячим металлом явилась причиной образования трещины в рассматриваемой отливке. При заливке горячего металла происходит интенсивный разогрев формы и длительный период нахождение расплава в жидкоподвижном состоянии, что способствует формированию трещины в районе сочленения фланца с плоскостью колеса [4].

Рисунок 3.а. Отливка «Рабочее колесо насоса» с дефектом «Горячая трещина» в виде хорошо заметного разрыва.	Рисунок 3.б. Фрагмент отливки «Рабочее колесо насоса» с дефектом (увеличено)

Рисунок 4. Фрагмент отливки «Направляющая станины» с внутренней термической трещиной

На рис. 4 представлен фрагмент отливки «Направляющая станины», в которой после механической обработки обнаружена внутренняя, заметная не вооруженным глазом, термическая трещина. Образование трещины могло произойти в результате интенсивного нагрева отливки без выдержки для выравнивания температуры.

Трещину «Разрыв холодный» можно увидеть на рис. 5. Дефект представлен разрывом сплошности в виде хорошо заметной трещины с острыми углами. Трещина возникла в результате соударения отливки «Крышка» с корпусной отливкой при загрузке их в тару. Дефект образовался от повышенного напряжённого состояния в отливке из-за пониженного содержания углерода в чугуне.

Рисунок 5.а. Отливка «Крышка» с трещиной   «Разрыв холодный».	Рисунок 5.б. Фрагмент отливки «Крышка» с дефектом (увеличено)

Завершив рассмотрение первого уровня архитектуры отметим, что все трещины имеют различие по ширине – от еле заметной, волосовидной до хорошо заметных. Это один из самых характерных признаков различия трещин. Горячая трещина заметно отличается от других достаточной шириной трещины с остроугольными неровными краями.

На втором уровне рассматривается цвет поверхности трещин. Цвет зависит от температуры отливки, при которой произошло возникновение трещины на определённых этапах охлаждения. Иногда поверхность трещины может иметь несколько цветовых оттенков от сине-фиолетового до тёмно-серого и т.д. По цвету поверхности технолог может ориентировочно определить температуру возникновения трещины и её место образования в технологической ветви. Кроме этого, цвет поверхности указывает на вид образовавшейся трещины.

Холодные трещины наиболее богаты цветовыми гаммами поверхностей. Они могут иметь светло-серый, соломенно-желтый, сине-фиолетовый и   темно-серый цвет, иногда с коричневым налетом, в зависимости от температуры, при которой произошел разрыв. Несмотря на высокую температуру образования некоторых из холодных трещин, она остается еле заметной, волосовидной.

Ознакомимся с цветом поверхности горячих трещин. С момента образования на поверхности отливки твёрдой корки, появляются разрывы сплошности в виде трещин, хорошо заметных. Стенки трещины окислены в серо-синий цвет. Температура образования трещин ниже температуры затвердевания металла и в каждом сплаве может иметь различную величину.

Стенки термической трещины, вследствие окисления при нагреве, окрашены в тёмно-серый цвет до чёрного, иногда с коричневым налётом.

Разрыв холодный имеет светло-серый цвет поверхности трещины. Серый цвет поверхности свидетельствует об образовании трещины при температуре ниже 190^оС.

На третьем уровне архитектуры рассматривается форма трещин. У каждого вида трещин она различная. Холодные трещины имеют волосовидную, изломанную форму при всех температурах их образования, вплоть до 700^оС. Другие трещины имеют более расширенную форму, что отличает их от холодных. На рис. 6 представлена отливка «Крышка» с холодной трещиной в виде извилистой линии. Дефект образовался из-за низкой пластичности металла.

Рисунок 6.а. Отливка «Крышка» с трещиной в виде извилистой линии	Рисунок 6.б. Фрагмент отливки «Крышка» с дефектом (увеличено)

Горячие трещины представлены в форме глубоких межкристаллических разрывов, возможно извилистых, прерывающихся. На рис. 7 представлена отливка «Арматура запорная» с горячей трещиной на корпусе отливки в виде извилистых, прерывающихся линий. Повышенная температура заливаемого металла и низкая податливость стержня, являющиеся причинами возникновения дефекта, способствовали образованию горячих трещин на данной отливке. Ступенчатая форма рассматриваемых трещин является характерной при использовании неподатливых стержней и форм. При повышенном содержании в металле серы и фосфора могут создаваться дополнительные условия для возникновения горячих трещин. Термические трещины представлены в виде извилистого разрыва с извилистую форму с острыми краями.

Рисунок 7.а. Отливка «Арматура запорная» с трещиной горячей в виде извилистых, прерывающихся линий.	Рисунок 7.б. Фрагмент отливки «Арматура запорная» с дефектом (увеличено)

Рисунок 8. Фрагмент отливки «Корпус горелки» с трещиной, имеющей острыми краями.

На рис. 8 представлен фрагмент отливки «Корпус горелки» с трещиной термической, имеющей извилистую форму с острыми краями. Разрыв холодный представлен на рис. 9 в виде изломанной линии, пересекающей отливку или её часть.

На четвёртом уровне архитектуры рассматривается расположение трещин на отливке. Холодные трещины располагаются в определённом месте, где образуется максимальный уровень напряжённости при минимальной прочности металла. Горячие трещины могут образоваться у термических узлов и в местах пониженной прочности металла при использовании неподатливых форм и стержней. Термические трещины и разрывы холодные образуются, в основном, в местах концентрации напряжений, чаще под воздействием возмущающих факторов.

На рис. 10 представлен фрагмент отливки «Рабочее колесо», которое имеет еле заметную, волосовидной формы трещину со светло-серой поверхностью. Отливка имеет одну трещину, расположенную на стыке рабочей лопатки с ободом. Эта холодная трещина заметно отличается от других и может быть легко определена при анализе конструкции отливки и состава чугуна. Проведённый химический анализ чугунной отливки показал пониженное содержание углерода, что явилось причиной получения более жёсткого металла и образования трещин при его охлаждении. 

Рисунок 10. а. Фрагмент отливки «Рабочее колесо» с холодной трещиной	Рисунок 10. б. Фрагмент отливки «Рабочее колесо» с дефектом (увеличено)

Рисунок 11.а. Фрагмент отливки «Корпус арматуры» с горячей трещиной	Рисунок 11.б. Фрагмент отливки «Корпус арматуры» с дефектом (увеличено)

Горячая трещина, расположенная в области неподатливых стержней, представлена на рис.11. Трещина хорошо заметная, с дендритной структурой, серо-синяя, имеет извилистую форму с перерывами. Такая характеристика несёт ценную информацию о природе возникновения трещины. Если установлено, что трещина горячая и имеет описанную выше форму, то дефект вероятно образовался от неподатливого стержня и повышенной температуры заливаемого металла.

Разрыв холодный, расположенный в напряжённой области, представлен на отливке «Плита печная» (рис. 12). Трещина на отливке хорошо заметная, имеет светло-серую окраску, пересекает отливку в её узкой части, где сечение отливки минимальное. Такие трещины возникают при нанесении значительных ударов отливке с повышенной жёсткостью чугуна. Доведение металла по составу близкому к эвтектическому и бережливое обращение с отливкой, ликвидирует рассматриваемую трещину.

Рисунок 12.а. Фрагмент отливки «Плита печная» с трещиной «Разрыв холодный»	Рисунок 12.б. Фрагмент отливки «Плита печная» с дефектом (увеличено)

После определения вида горячей трещины, необходимо установить причины ее возникновения. В данном описании представлена экспертная система по определению причин возникновения горячей трещины [5]. Ее подробное рассмотрение приведено ниже.

Рисунок 13. Титульный экран автоматизированной системы по моделированию условий ликвидации горячей трещины	Рисунок 14. Определение вида дефекта по его характерным отличиям

На рис.13 приведен первый экран автоматизированной системы. При использовании клавиши «Помощь» можно войти в режим изучения работы с системой, где материал рассчитан на пользователя, не владеющего работой с компьютером [6]. Очень подробно рассматривается работа с программой, в конце приводится пример моделирования причинами возникновения дефектов для ликвидации горячей трещины.

На рис. 14 приводятся отливки с трещинами, которые по своим   характерным особенностям отличают рассматриваемый дефект от остальных. В частности, описывается, что горячая трещина образуется на участках, затвердевающих последними, поверхность излома серо-синего цвета, иногда с цветами побежалости. Структура поверхности трещины дендритная, располагается трещина в основном на поверхности, иногда в нутрии отливки. Эти описания сопровождаются цветными фотографиями отливок с возможностью увеличения, поэтому очень трудно сделать ошибку в определении дефекта [7].

На рис. 15 представлено увеличенное изображение дефекта отливки, где можно отчетливо просмотреть поверхность дефекта, его окраску, форму и др. Таким образом можно просмотреть любую отливку в данной системе.

Рисунок 16. Описание возникновения дефекта

На рис. 16 представлено описание характерных особенностей трещины горячей, ее структурной характеристики и места расположения на отливке. Довольно подробно рассматривается механизм формирования горячей трещины.

Рисунок 17. Таблица с вопросами для определения уровня поражения отливки газовыми раковинами

Рисунок 18. Конец таблицы на рис. 17.

На рис. 17 представлена таблица с вопросами для технолога, в которой он отмечает ту ситуация в технологическом процессе, которая предшествовала ситуации возникновения горячих трещин []. Для примера выберем стандартную ситуацию, которая часто возникает в литейных цехах при изготовлении отливок, например, кранов запорных для нефтяной промышленности. Выберем в табл. на рис. 17 и 18 те технологические параметры, которые были при изготовлении дефектной отливки. Данные параметры в большей или меньшей степени могут являться причинами возникновения трещины.

• 2.3. Температура заливаемого металла выше расчетной на 50 и более градусов;
• 3.3. Податливые стержни не используются;
• 10.2. В металле содержится повышенное содержание ликвирующих элементов.

Пояснение сущности выбранных параметров не требуется, поскольку они знакомы каждому литейщику. Следует отметить только пункт 10.2, который содержит информацию о повышенном содержании ликвирующих элементов. В этом случае возможно образование легкоплавкой эвтектики, по зоне отложения которой происходит свободное формирование горячих трещин.

Введя выбранные вопросы в табличный классификатор причин возникновения дефекта, т.е. нажав «мышкой» на кнопки у соответствующих цифр,  задаем параметры для работы  матрицы  прямого воздействия и парного взаимодействия причин возникновения дефектов на качество литья.

После проведения требуемых расчетов на экране монитора выбираем двухмерный (черно-белый или цветной) или трехмерный графики вероятности возникновения дефекта отливки. В данном случае выбрали трехмерный график. После ввода этой информации получаем графическое изображение возможных причин возникновения дефекта, представленное на рис. 19. По графику на этом рисунке технолог может определить, какие из причин возникновения дефектов наиболее опасны и провести моделирование причинами для создания устойчивого состояния технологического режима. При возникшем затруднении в определении причин возникновения дефектов по графику, можно обратиться к таблице, представленной в верхней части экрана на рис. 20. Таблица, в верхней ее части, содержит информацию о вероятности возникновения дефекта по рассматриваемым выше причинам. Кроме этого, в нижней части экрана содержится короткая информация по способам ликвидации дефекта. Расширенная информация приведена на рис. 21 и 22.

Рисунок 19. Трехмерных график влияния причин на вероятность возникновения горячей трещины	Рисунок 20. Таблицы вероятностной оценки причин возникновения горячей трещины, короткой и расширенной информации по способам ее ликвидации

Рисунок 21. Расширенная информация по ликвидации содержания серы в металле	Рисунок 22. Расширенная информация по повышению податливости стержня и формы

Анализируя график на рис.19 и таблицу на рис.20 можно установить, что наиболее опасным является высокая температура заливаемого металла с 55%-ной вероятностью возникновения дефекта. Следующими причинами являются повышенное содержание в металле ликвирующих элементов с 53%-ной вероятностью возникновения дефекта и недостаточная податливость стержней с 52%-ной вероятностью возникновения горячей трещины.

Анализируя причины возникновения дефектов следует отметить, что для получения отливок без горячих трещин необходимо:

• снизить температуру заливаемого металла хотя бы до уровня расчетной, т.е. причину 2.3 заменим на причину 2.2;
• снизить в составе металла содержание ликвирующих элементов до рекомендуемого по информации уровня;
• повысить податливость стержней хотя бы до уровня 2.2.

Таким образом, осуществляется моделирование причинами для снижения возможности возникновения дефектов. Повторное опробование системы моделирования по выбранным параметрам показало снижение возможности образования горячих трещин менее 30%-ного уровня. Такой показатель обеспечивает бездефектное изготовление отливки.

Рассмотренная мини-экспертная система позволяет:

- без особых затруднений изучить точную характеристику рассматриваемой горячей трещины для ее отличия от других разновидностей трещин;

- определить причины возникновения горячей трещины и провести моделирование воздействием причин и положительных технологических факторов на снижение уровня дефекта отливки;

- в процессе моделирования получить, изучить или вспомнить короткую и расширенную информации по ликвидации причин возникновения дефекта.

Такие автоматизированные системы построены для всех разновидностей различных дефектов отливок.

Литература: