Новая методология и комплекс автоматизированных систем для повышения качества отливок из чугуна и стали

Анализ работы литейных цехов показывает, что доля бракованного литья в  России стоит на достаточно высоком уровне. В результате заводы несут многомиллионные убытки. Причина трудности ликвидации дефектов состоит в бессистемном подходе к их ликвидации.  Зачастую борьба с браком проводится методом проб и ошибок, а иногда и бессмысленных действий.

Мощным средством создания литья высокого качества является  системный подход к снижению брака отливок. Под системой снижения литейного брака следует понимать совокупность взаимосвязанных отличительных особенностей дефектов отливок, причин их возникновения и способов ликвидации, объединенных с целью нейтрализации литейных пороков. Объединение элементов в систему осуществляется в результате формирования образа литейного дефекта в нечто новое, обладающее интегративным качеством, которым эти элементы ранее не обладали. Между системами определения разновидностей дефектов и их ликвидации, существуют связи, которые соединяют элементы между собой в систему.

В течение многолетней работы по повышению качества отливок нами был проведен системный анализ и создана новая методология выявления и ликвидации дефектов литых заготовок. Она позволяет рассмотреть и использовать различные направления по повышению качества отливок. Схема методологии представлена на рис. 1. Методология использует качественные и количественные методы, способствующие выявлению и ликвидации дефектов, или моделированию литейных процессов.

Качественные методы не требуют специальных математических расчетов и базируются на логическом или эмпирическом определении дефектов. К качественным методам в представленной методологии относятся:

 Методика логического определения дефектов, содержащая:

• дерево систематизации дефектов, позволяющее по характерным отличиям точно определить разновидность дефектов;
• граф цепочек причинно-следственных связей, который создается при исследовании этапов процесса формирования дефекта. По графу можно определить истинную причину возникновения дефекта;
• граф способов ликвидации дефектов, способствующий определению наиболее эффективного способа устранения дефекта.

Описанная методика предназначена для технологов, которые владеют информацией о протекающих в литейной форме процессах формирования и затвердевания отливки. Если же знания о литейных процессах недостаточны, можно использовать методику эмпирического определения дефектов. Для этого технолог отвечает программе на поставленные вопросы и получает готовые решения по ликвидации рассматриваемого брака отливок. Программа выдает трехмерный график обнаруженных нарушений в технологическом процессе изготовления отливок, короткую и расширенную информацию для ликвидации брака отливок.     В    состав    методологии     входят    количественные    методы

моделирования условий возникновения дефектов. К ним относится автоматизированные системы по оптимизации газового режима литейной формы, моделирования условий ликвидации усадочных дефектов, интегрированная аналитическая система снижения брака отливок, расчету литниковых систем с выдачей чертежей отдельных элементов конструкции и др. Созданная методология в совокупности с автоматизированными системами используется в процессе обучения и ликвидации дефектов на заводах России.

Для быстрого восприятия и простоты запоминания протекающих в литейной форме процессов возникновения и ликвидации литейных дефектов, разработаны 6 учебных пособий с грифом Минобразования для ликвидации основных дефектов отливок из чугуна и стали. К ним относятся системы по определению и ликвидации: окисленных газовых раковин; неметаллических включений; усадочных дефектов; различных трещин; светлых газовых раковин; неспая и недолива. Пособия реализованы как в черно-белом варианте для студентов ВУЗов, так и в цветном варианте формата А4, приобретаемых заводами и ВУЗами России и Украины.

С использованием описанных учебных пособий  созданы новые автоматизированные системы «Тренажер» для повышения уровня восприятия студентами и технологами  литейного направления процессов возникновения и ликвидации литейных дефектов, а также для использования систем в процессе разработки технологических проектов изготовления отливок. К таким системам относятся:

1. «Тренажер для выработки навыков ликвидации четырех основных разновидностей окисленных газовых раковин».
2. «Тренажер для выработки навыков ликвидации проникновения в отливку шлака, песочных раковин, размыва керамики и других неметаллических включений».
3. «Тренажер для выработки навыков ликвидации открытых, закрытых, газоусадочных  раковин  и пористости»
4. «Тренажер для выработки навыков ликвидации холодных, горячих, термических трещин и разрывов».
5. «Тренажер для выработки навыков ликвидации вскипа, локальных и свищевидных светлых газовых раковин».
6. «Тренажер для выработки  навыков ликвидации неспая и недолива отливок».

На рис. 2 приведен  титульный лист автоматизированной системы «Тренажер для  выработки навыков изготовления отливок без трещин», а на рис. 3 представлен фрагмент анимации процесса затвердевания отливки с ребром жесткости для ликвидации горячей трещины. Такие «Тренажеры» по различным направлениям используются для обучения магистрантов 5-6 курсов по курсу «Новые методы возникновения и ликвидации литейных дефектов на отливках из чугуна и стали» в Волгоградском государственном техническом университете.  «Тренажеры»  для  обучения  сотрудников  литейного производства приобрели Уралвагонзавод,  Алтайвагон, Азовэлектросталь, Трансмашхолдинг и др. Также «Тренажеры» применяются при проведении семинаров повышения квалификации литейщиков.

Интерес для производителей железнодорожного литья представляют исследования качества и свойств металла отливок «Рама боковая» различных производителей, проведенные профессором Виноградовым (ТГУ), которые показывают, что уровень механических свойств отливок, за исключением KCV (-60^оС), в большинстве случаев существенно выше заложенных требований, что не согласуется с изломами в летний период.

Заведующий отделением ОАО ВНИИЖТ Сухов А.В. считает, что низкое качество литья неизбежно отразилось бы на трещинообразовании в большинстве нагруженных сечений, однако изломы отливок происходят исключительно во внутреннем углу буксового проема. Это дает основание полагать, что до сих пор не найдена основополагающая причина изломов.

Из представленных заключений уважаемых исследователей можно отметить, что механические свойства стали 20ГФЛ достаточно высоки, тем не менее, изломы происходят.

Информации о причинах изломов отливок «Рама боковая» появляются в различных изданиях с сопровождением графиков, рисунков компьютерного моделирования протекающих в литейной форме процессов, фотографии дефектных отливок и т.д. При этом основная причина возникновения излома отливок  сводится к присутствию в области радиуса R55 литейных дефектов, к которым относят газовые раковины, неметаллические включения, усадочные раковины др. В частности, сообщается [1], что причиной излома «Рам боковых» являются скрытые литейные дефекты – усадочные раковины, служащие концентраторами напряжений и ослабляющие сечение рамы. Для ликвидации усадочных раковин рекомендуется использовать экзотермические прибыли, где во время горения экзотермической смеси выделяется значительное количество тепла, препятствующее отдачи тепла от прибыли в форму (что способствует укрупнению пластинчатых карбидов марганца и увеличению зерен структуры металла – примеч. автора). В другом источнике [2] рассматривается, что образование и развитие кристаллизационной трещины в месте излома может происходить при крайне низких напряжениях, при этом разрушение не прогнозируется теми критериями, которые базируются на общепринятых в расчетах конструкционной прочности  моделях поведения сплошной среды. Важным фактором является пространственное расположение усадочных пор и обусловленное усадкой локальное снижение  плотности в зоне ожидаемого разрушения.     

Рассмотрим более ранний период изготовления отливок «Рама боковая» с анализом качества отливок. Как известно, до 2000 года вопрос излома «Рам боковых» не стоял так остро, как сейчас. На рис. 1 приведена фотография сечения отливки из стали 20Л, эксплуатировавшейся на вагоне 32 года без излома. В термическом узле отливки имеется увеличенная усадочная раковина, которая не привела к излому детали. Это первый, очень важный момент, что излом отливок происходит не от мелких дефектов. При осмотре внутренней поверхности отливок, в местах соединения стенок отсутствуют ребра жесткости, так обильно установленные на отливках из стали 20ГФЛ. Это свидетельствует о повышенной пластичности стали 20Л при отсутствии значительного количества пластинчатых карбидов марганца, что благоприятно отражается на нейтрализации возникающих  напряжений отливки при усадочном процессе затвердевания металла.

Приведем некоторые отклонения в режимах и технологии изготовления отливок «Рама боковая» из стали 20ГФЛ, которые способствуют в конечном итоге излому отливок. Излом отливок происходит в области радиуса R 55, где имеется утолщенная стенка отливки и дополнительно увеличенная термическая прибыль, обогревающая жидкую сталь в области утолщенной стенки отливки для ликвидации усадочных раковин. Здесь имеет место возможное формирование пластинчатого карбида марганца, увеличение зерна структуры и другое, приводящее к снижению прочностных свойств металла, что будет приведено ниже. Известно [3,4] благоприятное влияние на хладостойкость мелкодисперсных сфероидальных карбидов и отрицательное влияние пластинчатых карбидов марганца в перлите, по мере роста которых повышается критическая температура хрупкости. Следовательно, наличие в стали пластинчатых карбидов марганца может служить начальным условием возникновения изломов отливок.

Какие же факторы опускаются в формируемой структуре металла и их важность в предупреждении излома отливок. Прочностные свойства металла отливки, в частности, показатели хладноломкости KCV при  -60^оС, оцениваются по свойствам вершины клиновидной пробы, что является ошибочным. Вершина пробы имеет небольшие размеры и быструю скорость затвердевания, в связи с чем результаты исследований будут увеличено искаженные. Сама проба имеет   повышенную скорость затвердевания от влажной смеси и небольшой объем металла, что нельзя приравнять к утолщенным стенкам отливки, в частности,  в радиусе R55,  где увеличиваются пластины карбидов марганца и растет размер зерен от повышенной температуры прибыли. Проведенными исследованиями клиновидных образцов установлено, что сталь 20ГФЛ на образцах также имеет пластинки карбида марганца. Это подтверждается травлением шлифов в 50%-ной кипящей   серной  кислоте   с   последующим   выявлением   ликвационной химической неоднородности и междендритных микропор.

На рис. 5 представлен  контрольный клиновидный образец из стали 20ГФЛ, поверхность которого была    обработана    травлением серной   кислотой.   Отчетливо   видны   пустоты    от вытравленного пластинчатого карбида марганца. 

Значительный интерес представляют образцы из стали  20ГФЛ в радиусе R55, где происходят изломы отливок. На рис. 6 приведен фрагмент сечения отливки в радиусе R55 с травленой в 50%-ной кипящей   серной  кислоте  поверхностью. На поверхности образца представлено массовое формирование   пустот от пластинчатого карбида марганца. Особенно поражает воображение просмотр этой поверхности при увеличении через микроскоп,  в   частности,  через  микроскоп  МБС-9.  Предстает   картина массовых раковин от разрушенного карбида, иногда уходящих внутрь отливки. Кроме этого, можно найти свищевидные газовые раковины. Обладая достаточной хрупкостью, пластинчатые карбиды марганца могут при переменных нагрузках терять свою прочность и разупрочнять  область радиуса R55 в целом. На рис. 4 приведена увеличенная часть рис. 3, где более отчетливо представлены пустоты от вытравленных пластинчатых карбидов марганца.

 

Мы готовы оказать помощь заинтересованным литейщикам в повышении качества отливок, в том числе и ликвидацию изломов отливок «Рама боковая» в процессе эксплуатации.

Литература.

1.Монастырский А., Бубнов В., Котенко С., Балакин В. Излом боковой рамы тележки грузового вагона. Анализ технологии производства, пути устранения дефектов// журнал «CADMASTER», МАШИНОСТРОЕНИЕ, 2012. - № 5. – С. 60-65.

2. Огородникова О.М., Мартыненко С.В., Грузман В.М. Прогнозирование кристаллизационных трещин в стальных отливках// Литейное производство. –2008.-№10.-С.-29-34.

3. Солнцев Ю.П., Андреев А.К., Гречин Р.И.  Литейные хладностойкие стали//М.Металлургия.-.1991.-.176с.

4. Пастухов М.И. Оценка несущей способности литых деталей тележек грузовых вагонов после длительной эксплуатации//Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В: прикладные науки.-2005.-.№12.-.С.160-163.

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №08 (156) 2013 г.