ООО «Завод кольцевых заготовок». Фатьянов Д.С. Контроль качества отливок, изготовленных методом центробежного электрошлакового литья. Характерные литейные дефекты и причины их образования

Количество контрольных отливок устанавливает изготовитель отливок. Контрольные отливки должны быть подвергнуты испытаниям по всем видам обязательных и дополнительных контролируемых показателей качества, разрезке по тепловым узлам, механической обработке, испытанию пробным давлением Рпр. (при наличии требований).

При освоении отливок для серийного производства и по окончании проверки контрольных отливок необходимо изготовить опытную партию. Размер опытной партии устанавливает изготовитель отливок. По заключению о результатах испытаний и проверки опытной партии отливка может быть запущена в серийное производство.

Заключение о результатах механической обработки и испытанию пробным давлением опытной партии дает заказчик отливок. Отливки опытной партии при соблюдении всех требований могут быть использованы в качестве штатных отливок.

При отработке технологического процесса проводятся следующие металлографические исследования отливок опытной партии:

• макроструктурный анализ – на макротемплетах (рис. 1) проводится оценка структуры металла до и после термической обработки и т. д. Данный анализ позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм и сделать заключение о качестве заготовки и правильности ведения технологического процесса при литье;
• микроструктурный анализ – на микрошлифах изучается форма, размер и строение зерен, распределение неметаллических включений и т. д. (рис. 2, 3);
• оценка неметаллических включений;
• оценка величины зерна.

Требования к материалам

Все поступающие исходные материалы (стальной лом, шихтовые материалы, ферросплавы, флюсы), используемые для изготовления отливок, имеют сертификаты предприятия-поставщика, подтверждающие химический состав и качество материалов, и в стопроцентном объеме подвергаются входному контролю. Шихтовые материалы очищаются от загрязнений и окалины пескоструйной очисткой или в галтовочных барабанах.

Дополнительные виды испытаний и контроля кольцевых заготовок, схемы порезки кольцевых заготовок для проведения дополнительного контроля определяет изготовитель в зависимости от технических требований КД на детали.

Термическая обработка

Отливки подвергаются обязательной термической обработке для получения требуемого уровня механических свойств. Вид и режим термической обработки отливок устанавливается изготовителем в зависимости от требуемых механических свойств. Некоторые режимы термической обработки приведены в таблице.

Приемо-сдаточные испытания и контроль качества

Приемо-сдаточные испытания проводят для каждой партии отливок на соответствие техническим требованиям КД, НТД на детали. Результаты заносятся в Сертификат качества на каждую партию отливок / деталей в зависимости от группы контроля.

Приемо-сдаточные испытания включают:
1. Контроль химического состава сталей, который производится от каждой плавки и от каждой отливки на специально прилитом образце.
2. Механические испытания отливок ЦЭШЛ на разрыв и на ударную вязкость KCU, KCV до –70 °С и проводятся на образцах, вырезанных:
    • из отдельно отлитой заготовки для образцов;
    • из дополнительной отливки партии;
    • из специального технологического припуска отливки.

При получении неудовлетворительных результатов испытаний по одному из показателей механических свойств по нему проводятся повторные испытания на удвоенном количестве образцов, отобранных от той же партии, или проводится повторная термическая обработка отливок и образцов с последующими испытаниями всех механических свойств.

Допустимое количество полных термических обработок составляет не более трех. Для отливок из аустенитных и аустенитно-ферритных сталей допускается не более двух полных термических обработок.

При несоответствии результатов испытаний механических свойств после второй термической обработки аустенитных и аустенитно-ферритных сталей и после третьей для других марок стали все отливки данной плавки бракуют.

3. Замер твердости стали по Бринеллю. Объем контроля в зависимости от требований КД на деталь, в т. ч. 100 % партии отливок.
4. Визуальный контроль геометрических размеров и состояния поверхностей отливок производится на 100 % отливок от партии. Визуальный контроль качества поверхностей на отсутствие дефектов, снижающих качество и ухудшающих товарный вид, производится путем визуального осмотра при нормальном освещении без применения увеличительных приборов. При наличии требований в КД на детали и в подозрительных местах производится контроль поверхностных дефектов методом капиллярной дефектоскопией (ЦДС).
5. Контроль внутренних дефектов отливок методом ультразвукового контроля (УЗК) производится при отработке технологического процесса и при наличии требования в чертежах деталей. Метод УЗК имеет определенные достоинства: мобильность в использовании для контроля дефектов, безопасность в использовании, отсутствие необходимости в защитных камерах. Группа качества УЗК: от 2n до 4n (ГОСТ 24507). Переносные ультразвуковые дефектоскопы и томографы позволяют контролировать дефекты отливок с толщиной стенок до 400 мм с возможностью определения глубины залегания дефектов.

На поверхностях отливок, подлежащих механической обработке, допускаются дефекты, не превышающие по глубине после их удаления фактического припуска на механическую обработку. Дефекты поверхности отливок, выявленные при контроле, ухудшающие внешний вид продукции, подлежат устранению:

• зачисткой, разделкой или механической обработкой в пределах припуска на механическую обработку для обрабатываемых поверхностей;
• зачисткой в пределах допуска на размер для необрабатываемых поверхностей;
• разделкой дефектов до здорового металла с последующей заваркой по технологической документации изготовителя.

Исправление дефектов на уплотнительных поверхностях, на кромках патрубков под сварку и в прилегающей зоне шириной равной однократной толщине стенки детали не допускаются.

Методы контроля полноты удаления дефектов в зависимости от вида дефектов определяются технологической документацией изготовителя. Исправление дефектов отливок заваркой производится до термической обработки. В случае исправления дефектов после термической обработки должна быть проведена повторная термическая обработка. Контроль полноты удаления трещин производится методом капиллярной дефектоскопии (ЦДС).

Характерные литейные дефекты и причины их образования

Нормы контроля и отбраковки отливок ЦЭШЛ соответствуют нормам, предъявляемым к поковкам из тех же марок сталей.
К недопустимым внутренним и наружным дефектам относятся поры, цепочки пор, раковины, неметаллические и шлаковые включения, трещины и др. Такие дефекты выявляются в результате металлографических исследований.

Причинами образования литейных дефектов в отливках ЦЭШЛ являются грубые нарушения режимов технологического процесса исполнителями и нетехнологичность конструкции детали, не рекомендуемая для изготовления методом ЦЭШЛ (масса отливки менее 20 кг, толщина сечения отливки более 350 мм, высота отливки более 1 000 мм и др.).

Внутренние дефекты отливок классифицируются:

1. Дефекты усадочного характера (усадочные раковины и рыхлоты).

Кристаллизация отливок под постоянным действием центробежных сил, наличие на свободной (внутренней) поверхности толстого слоя жидкого шлака, обеспечивающего направленную кристаллизацию отливок от стенок формы к центру вследствие температуры жидкого шлака, превышающей температуру расплава на 200…400 °С, обеспечивает получение отливок без внутренних дефектов усадочного характера.

Причиной образования дефектов усадочного характера является:

• нарушение технологического процесса изготовления отливки, тонкий слой шлака или его отсутствие на внутренней поверхности отливки;
• нетехнологичная конструкция детали для получения отливки методом ЦЭШЛ.

2. Шлаковые включения.

Причиной образования шлаковых раковин в отливках является нарушение технологического процесса электрошлакового переплава и некачественная подготовка оборудования и литейной формы:

• «холодный» шлак, приводящий к неполной сепарации и запутыванию частиц шлака в металле отливки в виде дефектов «снежок» (мелкие, до 1,5 мм, шлаковые включения) как в отдельных частях, так и во всем объеме отливки;
• некачественная подготовка сливного желоба после предыдущего слива металла;
• некачественная очистка формы от остатков шлакового гарнисажа от предыдущей отливки.

3. Повышенное содержание неметаллических включений (сульфиды, нитриды и т. д.) вследствие нарушения технологического процесса электрошлакового переплава.

4. Флокены. Причиной появления флокенов является повышенное содержание водорода в металле вследствие использования влажного флюса при плавке.

Преимущества и ограничения применения метода ЦЭШЛ

Изготовление отливок методом ЦЭШЛ, объединившим достоинства центробежного литья и электрошлакового переплава, имеет определенные преимущества в сравнении с традиционными методами изготовления отливок:

• в отливках, изготовленных методом ЦЭШЛ, отсутствуют внутренние дефекты усадочного характера;
• электрошлаковый переплав обеспечивает пониженное содержание в металле неметаллических включений и серы (менее 0,01 %);
• повышенный уровень механических свойств.

Механические свойства отливок ЦЭШЛ не уступают механическим свойствам поковок из аналогичных марок стали;

• более высокий коэффициент использования металла за счет повторения наружного контура детали в отличие от отливок традиционных методов литья, у которых масса литниковой и прибыльной части может достигать 50…100 %;
• метод ЦЭШЛ не требует специального дорогостоящего оборудования и прост в осуществлении и применении.

Ограничения применения метода ЦЭШЛ:

• данным методом могут изготавливаться отливки определенной конфигурации типа тел вращения с обязательным наличием центрального внутреннего отверстия;
• ограничения по габаритам отливок и массе. Данным методом технологически возможно и экономически целесообразно изготавливать отливки наружным диаметром ориентировочно до 2 300 мм, высотой ориентировочно до 700 мм и массой до 2,5 тонн.

Заключение

Заготовки, изготовленные методом ЦЭШЛ, считаются «отливками со служебными характеристиками поковок», и до сих пор не описаны своим единым стандартом как трубы, сортовой и листовой прокат, поковки, штамповки и т. д. Поэтому создался прецедент, когда современными стандартами на изготовление соединительных деталей трубопроводов метод ЦЭШЛ исключен как не изученный и не обладающий собственной научно-технической документацией, позволяющей приводить в соответствие качество и характеристики получаемых отливок. Исследованием качества получаемых отливок и приведением в соответствие документации занимается каждое предприятие-изготовитель самостоятельно и за свой счет.

Процесс разработки стандарта на отливки ЦЭШЛ должен проходить централизованно со всеми участниками отрасли при обязательной поддержке и участии ведущих научно-исследовательских институтов России.

В октябре 2018 года при Научно-Промышленной Ассоциации Арматуростроителей (НПАА, г. Санкт-Петербург) создана Рабочая группа по выработке и принятию мотивированного решения о возможности применения отливок, полученных методом ЦЭШЛ, в различных условиях эксплуатации, в т. ч. для изготовления соединительных деталей трубопроводов.

В Рабочую группу вошли предприятия пула заводов-изготовителей совместно с представителями инжиниринговых, экспертных организаций и научно-исследовательских институтов России, а также потребители данной продукции.

Задачей Рабочей группы является разработка следующих документов:

• общие технические условия «Отливки стальные центробежного электрошлакового литья повышенной эксплуатационной надежности»;
• общие технические условия «Заготовки фланцев стальные центробежного электрошлакового литья»;
• дальнейшее применение Технических условий на изготовление заготовок методом ЦЭШЛ для фланцев по ГОСТ 33259-2015, ГОСТ 28759.5-90.

В настоящее время подготовлены проекты Технических условий, которые направлены в экспертные организации для получения отзывов и формирования окончательной редакции документов.

Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 5 (54) 2019