ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ В ПЕСЧАНЫЕ ФОРМЫ..

Требования к качеству стальных отливок для железнодорожного транспорта очень строгие и не должны содержать никаких дефектов. Помимо контроля химического состава, механических свойств и металлографической структуры, также требуется проведение неразрушающего контроля методом PT, MT и UT. Направляющая стойка — одна из литых стальных деталей железнодорожных колес. Различные спецификации, размеры и вес немного различаются. Масса составляет 14–18 кг. Марка стали — ZG230-450. Отливка склонна к образованию поверхностных микротрещин на переходе между большим и малым наружными диаметрами.

1. Введение в исходную производственную ситуацию
На начальном этапе производства используется процесс формования с использованием модифицированной фурановой смолы (смолы для литейной стали). Количество добавляемой смолы составляет 1,1% от количества формовочного песка, а количество добавляемого сульфокислотного отвердителя — около 50% от количества смолы. Измеренные через 24 часа свойства: прочность на растяжение 1,2 МПа, прочность на сдвиг 0,6 МПа, газообразование 12,5 мл/г и потери при прокаливании 2,6%. Плавка проводилась в электропечи средней частоты. Температура плавки и выпуска составляла 1660 ℃, температура заливки стали – 1580 ℃. Для предварительного раскисления диффузионным методом ферромарганца, а затем диффузионным методом ферросилиция. Для раскисления и дегазации использовались алюминиевые блоки или алюминиевые проволочные мешки. Количество добавляемого алюминия составляло 0,12%. Процесс термообработки: нормализация при 880 ℃ × 1 ч + отпуск при 600 ℃ × 2 ч. Другие стальные отливки, полученные этим методом, имеют поверхностные микротрещины, что может соответствовать требованиям к эксплуатации после ремонта сваркой. Однако уровень дефектов в виде поверхностных микротрещин в отливках направляющих стоек высок, что приводит к значительному объему работ по ремонту сваркой и снижению эксплуатационных характеристик изделия.
Чтобы определить, вызваны ли трещины термической обработкой, процесс дефектоскопии был изменен до термической обработки, чтобы доказать, что трещины образовались после литья и не связаны с термической обработкой. Все механические свойства отливок после термической обработки были оценены. Затем, изменяя температуру заливки для испытания, увеличивая или уменьшая ее на 15 °C, вероятность появления микротрещин на поверхности первой коробки каждого пакета и отливок, отлитых при высокой температуре, несколько возрастает, но существенного изменения частоты появления дефектов в виде трещин в общей статистике не наблюдается, и для каждого пакета стали невозможно контролировать температуру заливки первой и последней коробок, и фактическое производство не может обеспечить одинаковой температуры заливки для каждой детали.
Для устранения дефекта поверхностной трещины отливки направляющей колонны, она была изготовлена методом нанесения покрытия в песчано-гравийную форму. Использовался термостойкий песок с покрытием для литой стали, покрытие не наносилось, а стержень заливался. Другие параметры процесса и контроль химического состава не изменялись. В результате шероховатость поверхности отливок снизилась. Значение Ra снизилось, а дефект трещины уменьшился на 5%, но всё ещё остается высоким и не может достичь идеального значения и требует улучшения.

2. Анализ механизма образования трещин
2.1 Расположение и механизм образования трещин
Трещины имеют слегка сетчатую форму с оксидным цветом внутри трещин. Трещины появляются только на поверхности отливки, внутри трещин нет. Судя по расположению и форме трещин, подтверждается, что трещина является горячей.
The hot crack occurs in the temperature range of the feeding boundary and the solidus boundary in the mushy zone. During the solidification of the steel casting, if there is still a liquid film between the dendrites, at this time, the casting solidifies and shrinks and is affected by the casting mold. hindered by a tensile direction stress; under the action of the tensile stress, the liquid film between the dendrites is elongated. If its tensile amount is greater than its bearing capacity, it will be pulled off at the liquid film to form cracks. The position where the guide post cracks is not only the position where the shrinkage of the casting is blocked, but also the position where the riser cannot be fed, so the crack occurs here.Горячая трещина возникает в температурном диапазоне между границей подачи и границей солидуса в двухфазной зоне. Во время затвердевания стальной отливки, если между дендритами ещё сохраняется жидкая плёнка, отливка в этот момент затвердевает и усаживается, подвергаясь воздействию литейной формы. Под действием растягивающего напряжения жидкая плёнка между дендритами удлиняется. Если её величина растяжения превышает несущую способность, она будет отрываться от жидкой плёнки, образуя трещины. Место, где трескается направляющая стойка, не только блокирует усадку отливки, но и не может питать прижимную планку, поэтому трещина возникает именно здесь.

2.2 Влияние остаточного содержания алюминия
Сравнительный анализ результатов спектрального анализа химического состава отливок показывает, что остаточное содержание алюминия в области трещины составляет от 0,05% до 0,075%, что свидетельствует об относительно высоком содержании остаточного алюминия. Оптимальное содержание остаточного алюминия в стальных отливках находится в диапазоне от 0,035% до 0,055%; данные указывают на то, что оптимальное содержание остаточного алюминия в стальных отливках составляет около 0,021%. Слишком высокое содержание остаточного алюминия легко приведет к трещинам в отливках; согласно введению данных, алюминий Нитрид алюминия будет выделяться на границе первичного аустенитного зерна, охрупчивая границу зерна. Во время первичной кристаллизации расплавленной стали с образованием аустенита нитрид алюминия будет выделяться в виде грубой пленки на границах зерен между аустенитными зернами, что приведет к дефектам сегрегации границ зерен и ослаблению прочности связи границ зерен. В результате пластичность и вязкость стали значительно снижаются, а граница зерен стали показывает область слабой прочности во время охлаждения и усадки, и граница зерен легко становится источником трещины; под действием усадочного напряжения трещина расширяется и удлиняется, образуя макротрещины, которые в конечном итоге уменьшают литую сталь. Механические свойства деталей.

Раньше для выплавки жидкой стали использовался один раскислитель – алюминий, при этом раскисляющий и дегазирующий эффект был недостаточным. По сравнению с чугуном, выход годного стального литья ниже, а для заливки прибылей требуется больше возвратного материала. Возвратный материал используется многократно в течение длительного времени, что приводит к накоплению алюминия, что приводит к избыточному количеству остаточного алюминия в отливках, что является основной причиной появления микротрещин на поверхности отливок.

2.3 Влияние процесса формования
2.3.1 Влияние шероховатости поверхности песчаной формы (стержня)
Сравнивая процесс формования в песчано-смоляную смесь и процесс формования в песчано-смоляную смесь с покрытием, можно отметить, что вероятность образования трещин в отливках, полученных двумя способами, различна.
Шероховатость поверхности песчано-смоляной формы (стержня) велика, как и шероховатость поверхности отливки. При шероховатости поверхности песчаной формы (стержня) с покрытием Ra≤100 частота появления микротрещин на поверхности отливки высока; в то время как шероховатость поверхности песчаной формы с покрытием (стержня) низкая, а поверхность сформированной отливки шероховатая. Степень твердости также низкая, Ra≤50, и частота появления микротрещин на поверхности отливки низкая. Это показывает, что шероховатость поверхности песчаной формы (стержня) оказывает непосредственное влияние на поверхностные трещины отливки.
Оптимальный диапазон содержания остаточного алюминия в стали для литья по выплавляемым моделям составляет от 0,03% до 0,065%. Причина более высокого верхнего предела содержания остаточного алюминия в данном случае заключается в том, что шероховатость поверхности литьевой формы мала, поверхность отливки гладкая, и трещины образуются с трудом, поэтому верхний предел содержания остаточного алюминия может быть выше.

2.3.2 Influence of sulfur content in sand mold (core)2.3.2 Влияние содержания серы в песчаной форме (стержне)
Смоляная песчаная форма (стержень) не только имеет высокую шероховатость поверхности, но и содержит определённое количество серы.
Хотя используется модифицированная смола для литья стали, по сравнению с песком с покрытием, отвердитель для смоляной формы содержит серу. После заливки под воздействием высокотемпературной расплавленной стали сера в отвердителе разлагается и проникает в поверхностный слой отливки; в поверхностном слое отливки содержание серы высокое, образуя шлаковые включения сульфида железа и сульфида марганца. Сульфид железа концентрируется на границах зерен, что снижает прочность связи на границах зерен. При охлаждении и усадке отливки под действием усадочных напряжений на границах зерен образуются микротрещины; в процессе охлаждения отливки микротрещины продолжают расширяться, образуя макроскопические трещины.

Повреждение шлаковых включений сульфида железа и сульфида марганца на поверхности отливок аналогично повреждению шлаковыми включениями нитрида алюминия. Включения сульфида железа, особенно сульфида железа, легко вызывают горячие трещины в стали. Сульфид является не только источником трещин, но и наименее трудоёмким путём их распространения. Чем больше отвердителя добавляется при замешивании песка в условиях низких температур, тем сильнее сульфидизация песчаной формы на поверхности отливки, тем выше содержание серы на поверхности отливки и тем легче возникают трещины. Смола, используемая в покрытом песке, не содержит серы, и накопление серы на поверхности отливки не происходит, поэтому при использовании покрытого песка для изготовления направляющей стойки стальной отливки на поверхности отливки образуется меньше трещин.

2.4 Влияние чистоты жидкой стали
Согласно введению, чистота выплавляемой жидкой стали напрямую влияет на образование поверхностных трещин в отливках;
Расплавленная сталь, выплавленная в электропечи средней частоты, не подвергается рафинированию в рафинировочной печи, и её чистота уступает чистоте расплавленной стали, рафинированной в рафинировочной печи. Примеси в жидкой стали: одна из них – шлак, образующийся при травлении футеровки печи, а другая – примеси в шихте, такие как продукты металлургических реакций, заржавевшие в жидкой стали, и примеси, образующиеся в результате окисления жидкой стали.
Комплексный анализ показывает, что поверхностная трещина направляющей колонны расположена на стыке двух стенок – большой и малой цилиндрических поверхностей, что является зоной концентрации усадочных напряжений.

3. Тест производительности для устранения трещин
3.1 Снижение количества остаточного алюминия в отливках
Чтобы уменьшить накопление алюминия, следует уменьшить количество возвращаемой шихты. Для раскисления используйте композитный раскислитель на основе алюминия, кремнийкальциевого сплава и редкоземельного кремнийжелезосодержащего сплава. Добавление редкоземельных сплавов в раскисленную расплавленную сталь позволяет не только измельчить зерно, повысить прочность на разрыв и предел текучести стальных отливок, но и снизить склонность к образованию горячих трещин в процессе затвердевания отливок. При обычной выплавке жидкой стали для предварительного раскисления перед выпуском из печи используются ферромарганец и ферросилиций, а затем добавляется композитный раскислитель. Количество добавляемого алюминия контролируется в пределах 0,1% для снижения количества остаточного алюминия в отливках.
3.2 Повышение чистоты расплавленной стали
Возвратный материал подвергается дробеструйной очистке для удаления липкого песка с поверхности; В процессе плавки жидкой стали поверхность расплава плотно покрывается, чтобы предотвратить окисление. Для образования шлака добавляется флюорит, который затем многократно удаляется перед выпуском из печи. При выпуске расплавленной стали в печь добавляется очиститель для расплавленной стали. После выпуска из печи шлак полностью сливается, плотно закрывается, а дно упаковки продувается аргоном.
3.3 Использование песчаной формы (стержня) с покрытием из литой стали для формирования стержня
Поскольку смола, используемая в покрытом песке для литой стали, имеет щелочную реакцию, не возникает проблем с сульфурацией песчаной формы (стержня) на поверхности отливки, что предотвращает образование поверхностных трещин, вызванных высоким содержанием серы.
3.4 Уменьшение шероховатости поверхности стержня и отливки
После изготовления формы (стержня) как можно скорее, пока она горячая, нанесите слой литейного стального покрытия на водной основе на поверхность песчаной формы (стержня) с покрытием. Используйте форму (стержень) для сушки краски путем самонагрева, чтобы уменьшить шероховатость поверхности песчаной формы (стержня). Если краска не высохнет в достаточной степени, её можно высушить вручную. По сравнению со спиртовыми покрытиями, покрытия на водной основе и песок с покрытием обладают хорошей смачиваемостью, что позволяет снизить шероховатость поверхности песчаных форм (стержней), тем самым уменьшая шероховатость поверхности отливок и помогая избежать трещин на поверхности отливок.
3.5 Максимально снизить усадочные напряжения в отливке
Для снижения усадочных напряжений температура заливки строго контролируется, чтобы не быть слишком высокой, а песчаная форма открывается в течение 10–15 минут после заливки. Это позволяет устранить тормозящее влияние песчаной формы на усадку отливки до изменения пластичности отливки.
После принятия вышеуказанных мер количество поверхностных трещин в отливках стальных направляющих стоек сократилось до менее 3%, шероховатость поверхности отливок достигла Ra≤50, а качество значительно улучшилось.

4 Заключение
4.1 Основными причинами образования трещин на поверхности направляющих стоек стальных отливок железнодорожных составов являются высокое остаточное содержание алюминия в отливках, неудовлетворительная шероховатость поверхности отливок, наличие примесей в расплавленной стали и сульфурирование поверхности отливок отвердителем из смоляного песка. 4.2 Допустимый диапазон содержания остаточного алюминия в направляющей стойке стальных отливок для железнодорожных перевозок зависит от типа песчаной формы, шероховатости поверхности отливки и чистоты жидкой стали. В основной песчаной форме (стержне) и отливке шероховатость поверхности хорошая, чистота жидкой стали высокая, а отливка не имеет трещин. В случае образования трещин допускается повышенное содержание остаточного алюминия.
4.3 Использование композитного раскислителя может снизить содержание остаточного алюминия в отливках. Жидкая сталь, выплавляемая в электропечах средней частоты, может быть обработана путем добавления флюоритового шлака в печь, добавления очищающего агента во время выпуска и продувки аргоном стального ковша после выпуска для повышения чистоты жидкой стали. Покрытие песчаной формы (стержня) может эффективно снизить значение шероховатости поверхности отливки за счет нанесения огнеупорного покрытия на водной основе на поверхность; после заливки песок следует своевременно распаковать для снижения усадочных напряжений отливки. Эти меры позволяют эффективно устранить микротрещины на поверхности направляющей колонки железнодорожных стальных отливок.