При литье в песчаные формы усадочные раковины и усадочная пористость являются наиболее распространенными внутренними дефектами отливок. Усадочные раковины обычно проявляются в виде крупных нерегулярных полостей в утолщенных областях или зонах тепловых центров отливки, характеризующихся шероховатыми стенками и дендритными кристаллами. Усадочная пористость проявляется в виде мелкодисперсных скоплений пор, преимущественно расположенных вдоль осей литья или на стыках толщин. Эти дефекты серьезно ухудшают механические свойства и герметичность, что может привести к трещинам и преждевременному разрушению. Как основные процессы в литейном производстве, конструкция литейной формы и операции по изготовлению стержней играют решающую роль в предотвращении усадочной пористости и раковин. В данной статье систематически излагаются эффективные меры по снижению частоты их возникновения, с упором на критические аспекты процедур изготовления литейных форм.
I. Оптимизация конструкции по жесткости литья и давлению заполнения
1. Обеспечить высоту верхнего короба и повысить статическое давление металла.
Недостаточная высота верхней коробки значительно снижает давление усадки металла на заключительном этапе кристаллизации отливок, что приводит к снижению охлаждающей способности и повышению подверженности образованию усадочной пористости или усадочных раковин в тепловых швах. Для литых стальных насосов с горизонтально-разъёмной конструкцией (литой стальной корпус насоса) особое внимание необходимо уделять балансировке веса между верхней и нижней коробками: Недостаточный размер верхней коробки усугубляет недостаточное давление усадки, приводя к образованию концентрированных усадочных раковин в верхней части фланца насоса. Вес верхней коробки должен быть ≥1,5 от статической гидравлической подъёмной силы расплавленного металла, с добавлением дополнительных грузов при необходимости. Производственные нормы должны строго запрещать уменьшение высоты верхней коробки для экономии песка или снижения затрат на пресс-форму. Для конструкций, требующих неглубоких верхних коробок, компенсационные решения должны включать:
Используйте изоляционную гильзу стояка или нагревательный стояк для продления времени затвердевания металлической жидкости в стояке;
Используйте заливочную чашу для подъема или непрерывного добавления высокотемпературной металлической жидкости в стояк, чтобы поддерживать плавный канал наполнения и давление наполнения.
2. Улучшить общую жесткость и компактность отливки.
Недостаточная жёсткость формы может привести к расширению полости во время обжига предварительно отлитой заготовки или статическому давлению потока расплавленного металла, что приведёт к недостаточному заполнению жидкостью. Корпуса насосов с разъёмным корпусом требуют усиленного структурного усиления из-за сложных поверхностей рабочих каналов и большого количества сердечников.
Толстая часть фланца корпуса насоса локально отлита с использованием материалов с высокой теплоаккумулирующей способностью, таких как хромитовый песок, для ускорения затвердевания и снижения тенденции к усадке и разрыхлению;
В сердечник канала потока встраивается каркас из холодного железа (например, стальной стержень диаметром 20 мм), чтобы повысить жесткость сердечника и предотвратить его смещение, а также ускорить рассеивание тепла, избежав возникновения микроусадок в толщине стенки канала потока;
После закрытия коробки приложите к болту разъемной поверхности усилие предварительной затяжки (≥0,2 МПа).
2. Научное проектирование литниковой системы и системы холодного литья
1. Усиление последовательного затвердевания и направленной усадки
Специальная конструкция литья: корпус насоса, расположенный в средней части корпуса, оснащён видимым стояком в верхней части впускного/выпускного фланцев с горловиной в форме перевёрнутого конуса (шире вверху и уже внизу) для обеспечения беспрепятственного прохождения каналов компенсации усадки. Скрытый стояк установлен за каналом рабочего колеса, используя внутреннюю полость песчаного сердечника для отвода воздуха и предотвращения осевой усадки, обусловленной медленным рассеиванием тепла в этой области.
Инновационное применение холодного железа: применение конформных изогнутых холодных железа (толщиной примерно 0,8 толщины стенки) в зоне переменного сечения улитки насоса. Расстояние между холодными желез ...
Система заливки: предпочтительно использовать систему открытой заливки с нижним впрыском, чтобы избежать чрезмерной эрозии полости расплавленным металлом. Расположение внутреннего канала заливки должно способствовать достаточному охлаждению горячих точек, чтобы избежать образования изолированных зон перегрева и усадочной пористости.
2. Избегать термических швов и оптимизировать структуру отливок/формовок
Оптимизируйте структуру отливки за счёт припусков на обработку и коррекции: старайтесь избегать резких изменений размеров сечения (чрезмерной разностенности) и уменьшайте количество изолированных горячих стыков. В месте соединения «толстый-тонкий» применяется переходная конструкция.
Правильная конструкция углов: Недостаточный радиус (R) вогнутых углов снижает эффективность охлаждения формовочной смеси, замедляет затвердевание и увеличивает пористость, вызванную усадкой. Избыточный радиус (R) может привести к образованию зон теплового шока, приводящих к пористости, вызванной усадкой. Идеальный радиус угла должен составлять примерно треть толщины прилегающей стенки.
Техническое обслуживание формы/корпуса: Регулярно проверяйте и ремонтируйте изношенную форму/корпус, чтобы гарантировать, что толщина стенки отливки соответствует проектным требованиям, и не допускать локального утончения, которое препятствует прохождению канала повторной отливки.
III. Строгий контроль характеристик песка и процесса нанесения покрытия
1. Основой являются эксплуатационные характеристики формовочного песка.
• Воздухопроницаемость: Низкая воздухопроницаемость затрудняет отвод водяного пара и газа из формы, а давление газа может проникать в незатвердевший металл, усиливая тенденцию к усадке и образуя дефекты, связанные с газовой усадкой. Необходимы регулярные проверки и корректировки.
• Влажность и газообразование: строго контролируйте влажность песка и снижайте газообразование. Избыток влаги не только снижает прочность, увеличивает газообразование, но и замедляет локальное охлаждение, вызывая усадку и разрыхление.
• Прочность и термостойкость: необходимо обеспечить достаточную прочность во влажном и сухом состоянии, а также термостойкость, чтобы предотвратить преждевременную деформацию стенки формы или образование трещин, что может разрушить среду для дополнительного охлаждения.
2. Оптимизация процесса нанесения покрытия
• Нанесите быстроохлаждающее покрытие (например, порошковое покрытие на основе циркония) на толстые участки или горячие узлы, чтобы ускорить затвердевание области.
• Строго контролируйте концентрацию и толщину покрытия для обеспечения его однородности. Слишком толстое или неравномерное покрытие ухудшит теплоизоляцию и повлияет на идеальный градиент последовательного затвердевания.
IV. Сосредоточение внимания на деталях и контроле процесса бурения
1. Тонкая формовка и изготовление стержней
• Стандартизировать операции формовки и обрезки, чтобы избежать чрезмерного попадания воды на отдельные участки, что приводит к накоплению влаги в формовочном песке и неравномерному охлаждению.
• Убедитесь, что песчаный стержень полностью сухой (особенно в области головки стержня), а вентиляционные каналы (восковая проволока, вентиляционная игла) не засорены, чтобы предотвратить влияние газа из песчаного стержня на процесс затвердевания и усадки металла, что может привести к образованию рыхлой усадки или воздушных усадочных раковин.
• Обеспечьте правильное расположение и устойчивость песчаного сердечника, избегайте неравномерной толщины стенок, вызванной смещением или плаванием сердечника, а также образования непредвиденных горячих соединений.
2. Подготовка к герметизации коробок и заливке
• Коробка устанавливается точно, чтобы предотвратить образование горячих соединений, вызванных локальным утолщением из-за неправильного типа.
• Чаша для заливки и подъемное кольцо установлены надежно и хорошо герметизированы.
• Для крупных и сложных отливок предпочтительнее использовать литье в песчано-смоляную смесь, поскольку это повышает общую точность и жесткость отливки.
V. Характеристики эксплуатации и координация с другими процессами
Специальные рабочие точки насоса среднего открытия
• Позиционирование комбинации песчаных стержней: для сборки группы стержней проточного канала используется позиционирующая пластина, изготовленная с помощью 3D-печати, а зазор между головками стержней составляет менее 0,8 мм, чтобы предотвратить смещение стержня, приводящее к неравномерной толщине стенки, а также к случайной термической усадке и ослаблению;
• Поддерживайте давление закрытия коробки: сожмите толщину уплотнительной ленты на поверхности разъема до 80% от исходной и используйте давление закрытия коробки для уплотнения шва, чтобы предотвратить прерывание заполнения коробки и образование усадочных раковин из-за подъема коробки.
• Обмен информацией в процессе плавки: благодаря точному соответствию характеристик металла процесс плавки может обеспечивать обратную связь в режиме реального времени по составу расплавленной стали (например, содержанию углерода и кремния) для конечного этапа формовки. Поскольку высокоуглеродистая сталь имеет большую склонность к усадке, конструкция формы требует увеличения объема стояка для компенсации усадки, а также установки дополнительных охладителей для ускорения кристаллизации в толстостенных секциях и предотвращения образования усадочной пористости.
• Координация падения песка: время изоляции при температуре более 500 ℃ составляет более 6 часов (2–3 часа для обычных деталей), медленное охлаждение для снятия напряжения и предотвращения образования производных трещин в усадочной зоне.
эпилог
Практика контроля усадочных раковин и усадочных раковин в корпусе насоса средней производительности показывает, что для отливок сложной конструкции необходимо преодолевать традиционную схему расположения стояков (например, скрытый стояк за рабочим колесом), ключевым фактором предотвращения усадки в тонкостенных областях является усиление жесткости сердечника (встроенный каркас из холодного чугуна), а дифференцированная стратегия охлаждения (изогнутый холодный чугун + региональное покрытие) позволяет точно контролировать горячий участок.
Контроль усадочных раковин и пористости при литье в песчаные формы в основе своей основан на создании трёхкомпонентной среды кристаллизации посредством формовочных процессов: изготовление жёстких форм, использование прецизионных кокилей и поддержание постоянного давления для компенсации усадки. Только путём глубокой интеграции методов формования стержней со структурными характеристиками отливок (такими как перевёрнутые конические горловины во фланцах корпусов насосов и кокили, соответствующие проточным каналам) можно снизить уровень дефектов до уровня ниже 0,5%, тем самым удовлетворяя требованиям безопасности к отливкам, работающим под давлением.