Система быстрого выявления причин возникновения и ликвидации дефектов отливок. Окисленные газовые раковины

Воронин Ю.Ф. (Волгоградский ГТУ)

На большинстве литейных заводов имеются сложности в выявлении разновидностей, причин возникновения и ликвидации дефектов отливок. Основная сложность состоит в недостаточных знаниях литейщиками отличительных особенностей дефектов, использования этих знаний при определении направлений возникновения дефекта и создании задела по его ликвидации [1-3]. В настоящей статье представлены примеры визуально-логического определения разновидностей окисленных газовых раковин, этапов их формирования и способов ликвидации, составляющие основу формирования автоматизированной системы «Информационная платформа» по бездефектному изготовлению отливок [4].

Рисунок 1. Фрагмент 3-х уровневой «Информационной платформы» с определением, в частности, окисленных свищевидных газовых раковин.

Каждый дефект на 3-м уровне  завершается подробным описанием ликвидации дефектов, как будет приведено ниже для повышения технологами, студентами и другими работниками литейного производства, визуального и логического восприятия увиденных дефектов отливок, пояснений по их возникновению и ликвидации.  Для помощи при изучении особенностей дефекта имеется компьютерное увеличение их изображения до достаточного уровня. Рассматриваемая ниже информация является результатом многолетней работы по визуально-логическому выявлению и ликвидации дефектов отливок из чугуна и стали.

Рассмотрим схематический пример работы «Информационной платформы» (будущей автоматизированной системы) при определении причины возникновения и способа ликвидации окисленной газовой раковины в виде свищевидных каналов на поверхности отливки. Для   примера   приведено  исследование свищевидной окисленной  газовой раковины  на отливке «Рабочий орган»  насоса для перекачки нефти (третий уровень,  слева).

На рис. 1 представлен фрагмент  информации 3-х уровневой «Информационной платформы». Представленная на платформе система позволяет найти окисленную свищевидную газовую раковину отливки «Рабочий орган», с подробным описанием её отличительных особенностей, причин возникновения и способов ликвидации, что в автоматизированной системе будет представлено на третьем уровне системы под каждым дефектом отливки. Создаваемая «Информационная платформа»  содержит более 300 вариантов  формирования различных дефектов отливок, что послужит большой помощью литейщикам при повышении качества литья. На первом уровне системы рассматривается 8 основных дефектов отливок: окисленная газовая раковина, трещина, усадка, светлая газовая раковина, неметаллические включения, разрушение формы, недолив отливки, нераскисленный металл. На втором уровне приведено от 4 до 6 разновидностей дефектов (другие дефекты) от рассмотренной  разновидности  каждого из 8 дефектов на первом уровне. На третьем уровне рассматривается не менее 7 завершающих разновидностей дефектов от каждого дефекта из второго уровня. Там же приведено описание разновидности каждого представленного дефекта, причины его возникновения и способа ликвидации. Практически все рассматриваемые дефекты с подробным описанием их разновидностей, этапов формирования и способов ликвидации будут представлены в «Информационной платформе».

Рассматриваемые в данной статье и приведенные в «Информационной платформе» фотографии отливок с дефектами были выявлены на различных заводах. Каждый дефект имеет свои отличительные особенности по цвету, структуре поверхности, форме, месту расположения, величине, сочетанию определенных фрагментов и т.д. Рассмотрим по рис. 1 приведенные (в описании 3-го уровня) отличительные особенности и поэтапное определение условий формирования свищевидных окисленных газовых раковин на отливке «Рабочий орган»  насоса.

Представленные свищевидные раковины(рис. 2.а и рис. 2.б), расположены в отливке со стороны стержня и формы. Такие  дефекты вызывают значительные  затруднения у литейщиков при их ликвидации, но после изучения этого материала  можно будет увидеть, насколько просты и очевидны рассматриваемые дефекты [5].   

Рисунок 2.а. Фрагмент отливки «Рабочий орган» с окисленной газовой раковиной

Рисунок 2.б. Обратная сторона фрагмента отливки «Рабочий орган» со свищевидной окисленной газовой раковиной от стержня

На рис. 2.а представленфрагмент наружной стороны отливки «Рабочий орган»  насоса с дефектом. Дефект представляет вытянутую полость с шероховатой поверхностью серо-синего цвета. Такая поверхность напоминает дефект «Усадочная раковина», образованная в незначительном термическом узле  при  заливке формы горячим металлом. Литейщики     завода     пришли     именного    к    такой характеристике дефекта и занимались ликвидацией усадки длительное время, а рассматриваемый дефект появлялся и исчезал вне зависимости от результатов исследований. 

Проведенный анализ по выявлению истинной причины формирования дефекта позволил  установить, что диаметр утолщения отливки в месте возникновения раковины составляет 9 мм, что затруднительно для возникновения усадочной раковины в таком пространстве отливки.  В  процессе  исследований было обнаружено в средней части протяженного дефекта  окисленную свищевидную раковину, уходящую внутрь отливки и выходящую на  её внутренней поверхности, как показано на рис. 2.б. Следовательно, отливка имела окисленную свищевидную раковину, формируемую с внутренней стороны .

Для проведения дальнейших исследований обратимся к рис. 1, где на втором уровне имеется окисленная свищевидная раковина (вторая слева). От этого дефекта имеется стрелка на третий уровень, где представлено 7 разновидностей свищевидных раковин. Рассматривая представленные окисленные свищевидные раковины на третьем уровне, находим подобную нашей отливку, расположенную первой слева. Под этой отливкой в автоматизированной системе имеется описание с анимацией процесса возникновения и ликвидации дефектов. Ознакомимся с описанием процесса возникновения рассматриваемого дефекта.

Рассматривая под увеличением не менее 20 крат свищевидную раковину, устанавливаем, что она имеет серо-синий цвет недолитой отливки, диаметр отверстия 1 мм, раковина уходит в глубину отливки. Внутренняя поверхность отливки в этом месте формировалась от вклеиваемого внутреннего стержня сферической формы. Стержень  изготавливался из плакированной смеси, где в качестве связующего использовалась новолачная феноло-формальдегидная смола с отвердителем. Смесь имела повышенную газотворность в пределах 20 см³/г. смеси. Для вывода газа из стержня, было предусмотрено вентиляционное отверстие рядом с местом его вклейки в формирующий стержень. По технологии клей наносится кистью в виде полоски по диаметру знаковой части в месте контакта его с формовочным знаком. Однако, иногда вместо нанесения клея кистью, его наносили окунанием  знаковой частью в клей. В результате клеем было покрыто место выхода газа из стержня, что создавало условия затрудненного выхода газа в атмосферу. После повышения требовательности к выполнению сборочных операций стержней, подобные дефекты не возникали.

 Рассмотрим полную последовательность этапов формирования рассмотренного дефекта.

Этап 1. Дефект представлен в виде  вытянутой полости с шероховатой поверхностью серо-синего цвета, в центре которой имеется свищевидная раковина диаметром в пределах 1 мм.

Этап 2. Диаметр места расположения раковины, равный 9 мм, свидетельствует о  невозможности возникновения в этом месте усадочной

раковины. Следовательно, увеличенная раковина является газовой, образование    которой   происходило   в  момент  начала  кристаллизации

металла с формированием дендритов и образованием шероховатой поверхности дефекта.

Этап 3. Образование увеличенной газовой раковины происходило через свищевидное отверстие, соединяющее  поверхности отливки.

Этап 4. Внутренняя поверхность отливки формировалась от вклеиваемого сферического стержня из плакированной смеси с повышенной газотворной способностью.

Этап 5. Нарушение операции вклейки стержня закупоривало его вентиляционную поверхность, что способствовало повышению давления газа и формированию газовой раковины.

Последующее внимательное проведения операций вклейки стержней и совершенствование вентиляционной системы, ликвидировало возникновение рассматриваемой газовой раковины.

Рисунок 3. Отливка «Крышка цилиндра» с окисленной газовой раковиной

По аналогии с представленным выше, рассмотрим возникновение и ликвидацию окисленной газовой раковины «Пузырь подкорковый», приведенную в описании к 3-му уровню общей системы «Информационной платформы».

Газовая раковина, приведенная на рис. 3, имеет окисленную  поверхность.  Такие раковины гладкие, имеют серо-синий цвет недолитой отливки, разнообразную увеличенную форму. Поверхность раковин может быть матовой или блестящей с точечной шероховатостью. Подробное описание разновидностей окисленных газовых раковин приведено в [6]. Такие раковины возникают в момент выделения газа  из стержней или формы при контакте их с заливаемым металлом. Определим этапы формирования представленной окисленной газовой раковины. Внимательное изучение раковины показывает, что  образование дефектов связано с увеличенным выделением газа из формы или стержней (первый этап). Анализ собранной литейной формы показал, что в форме используется несколько ленточных и ряд других стержней, выполняющих конфигурацию отливки (второй этап). Ленточные стержни обладают способностью обильного выделения газа в первые секунды заливки формы металлом (третий этап). При изучении вентиляционной системы формы установлено, что в некоторых местах установки знаков стержней отсутствовали сквозные вентиляционные каналы для вывода выделяющегося газа в атмосферу (четвертый этап). Образование повышенного газовыделения из стержней при отсутствии эффективной вентиляционной системы, способствовало возникновению газовых раковин (пятый этап). Используя поэтапное обследование условий формирования дефектов, можно быстро повысить качество отливок.

Для получения навыков определения  этапов возникновения дефекта и построения цепочек причинно-следственных связей, используем анимационный процесс формирования рассмотренной окисленной газовой раковины на протяжении цикла изготовления отливки, который в «Информационной платформе» будет показан в форме действующей динамичной анимации. На рис. 4.а приведена форма в сборе. Форма изготовлена из влажной песчано-глинистой смеси, стержень – из смеси песка с лигносульфонатом. Сочетание негативных факторов литейной формы (формовочная и стержневая смеси имеют повышенную газотворную способность), влияющих на возникновения дефекта, будем считать первым этапом формирования дефекта. Вторым этапом является отсутствие вентиляционной системы в стержне и форме. 

Рисунок 4.а. Форма в сборе без вентиляционных каналов

Процесс заполнения литейной формы расплавленным металлом можно отнести к третьему этапу формирования дефекта. К четвертому этапу  можно отнести завершение процесса заливки формы металлом. В этот момент по всей рабочей   поверхности   формы   и   стержня   возникло   газообразование органических составляющих смесей, которые, проникая в поры формы и стержня,  создают в них  повышенное  давление газа.  При увеличении времени контакта залитого металла с поверхностью формы  и  особенно  стержня,    создается     давление   образующегося   газа   выше   критической величины, равной 780Н/м²  (8 Г/см²) [7]. Образующийся газ проникает в металл в виде пузырьков,  всплывающих  к поверхности рельефа формы, что можно отнести к пятому этапу формирования дефекта отливки. Шестой, завершающий этап формирования окисленных газовых раковин сферической или другой формы (в зависимости от интенсивности образования давления газа), можно видеть на анимационной картине,   представленной  на   рис. 4.б. В нижней части отливки газовая раковина расположена  в термическом узле. Другие газовые раковины расположились в вертикальной плоскости отливки.

Изучая представленные фрагменты анимации можно отметить, что этапы формирования дефектов отливок можно разделить на технологические и производственные. К технологическим этапам формирования газовых раковин, заложенным при разработке проекта, относятся [8]:

Рисунок 4.б. Завершающий  процесс образования окисленных газовых раковин в отливке

повышенные газотворные способности стержней и формовочной смеси;

отсутствие требуемых вентиляционных наколов в форме;

отсутствие эффективной вентиляционной системы в стержнях;

Рассмотренный на рисунках путь возникновения дефекта можно представить в виде цепочек причинно-следственных связей.  Цепочки состоят из следующих этапов технологического процесса: -> повышенная газотворная способность формовочной смеси и стержней -> начальная стадия  выделения газа при заливке металла в форму ->  отсутствие требуемой вентиляционной системы в форме  и стержне ->  повышение газового давления в порах литейной формы  ->  создание критического давления газа в форме и стержне ->  проникновение газа в металл в виде овальных пузырьков  ->  формирование газовых раковин в различных частях отливки. Подобные    цепочки   причинно-следственных   связей   необходимо строить при исследовании  отливок с   различными дефектами.

Рассмотрим анимационный процесс ликвидации окисленных газовых раковин сферической или другой формы, построенный по результатам рассмотренных выше причинно-следственных связей в виде этапов формирования дефекта. На рис. 5.а представлена заливаемая металлом форма с выполненными вентиляционными каналами в стержне и форме. Стержень имеет центральные вентиляционные каналы, расположенные по горизонтали в месте соединения половинок  стержня. Дополнительно каждая половинка стержня имеет вентиляционные каналы,  соединяемые  с центральными каналами, которые в свою очередь имеют выходы в атмосферу.

Рисунок 5.а. Процесс заливки металла в форму, имеющую вентиляционную систему для вывода газа за пределы формы

Рисунок 5.б. Залитая металлом форма на завершающей стадии  образования газа и горения пламени из  вентиляционных каналов

В вентиляционные каналы стержня и формы начинает поступать газ от сгорания органических составляющих смесей,   что   заметно   по   изменению    цвета    каналов.    Далее    происходит    более     интенсивное образование газа, заполнения им вентиляционной системы с выводом за пределы формы.  Газ, заполняя мелкие вентиляционные каналы, перемещается в более крупные  с последующим выходом в атмосферу. Более   заметный   цвет   вентиляционных   каналов   свидетельствует   о прохождения по ним отходящего от формы и стержня газа. Об эффективной работе вентиляционной системы свидетельствует горение факелов пламени или отходящий дым и пар в месте выхода газа за пределы литейной формы. Это можно увидеть на анимационном фрагменте, представленном на рис. 5.б.  Через вентиляционную систему выполняется интенсивный выход газа с горением в месте вывода в атмосферу. Опытные литейщики знают, что горение пламени из вентиляционных каналов являются предвестником получения отливок без газовых раковин. На рис. 5.в представлена фотография залитых форм корпусных отливок с выполненными  вентиляционными  каналами.  Обильное горение отходящего газа в верхней части и по линии разъема форм, стало результатом    правильно    составленных    и    реализуемых    в производстве  причинно-следственных связей получения отливок высокого качества на основе системного подхода.

Рисунок 5.в. Залитые металлом формы  с горением пламени из  вентиляционных каналов

Литература: