Усадочные раковины в стальном литье – как компьютерное моделирование помогло снизить брак

Почему проблема актуальна

Стальное литьё применяется для деталей, работающих в самых ответственных условиях: элементы энергетического оборудования, арматура, корпусные детали машин. Требования к качеству здесь особенно высокие.
Одним из распространённых видов брака при производстве массивных стальных отливок остаются усадочные раковины — внутренние пустоты или каверны, образующиеся в результате усадки металла при кристаллизации. Если такие дефекты не выявить при контроле, они могут стать причиной аварий и выхода деталей из строя.

Для литейного цеха усадочные раковины — это серьёзная проблема:

• растут показатели брака
• снижается выход годного металла
• нарушаются сроки поставки готовых деталей

Как проявилась проблема на предприятии

На одном из заводов, выпускающих корпусные детали для энергетического оборудования весом от 500 кг до нескольких тонн, участился брак по усадочным раковинам.

При рентгенографическом контроле в массивных зонах отливок выявлялись каверны, глубоко расположенные в теле металла. Стандартные меры — увеличение количества питателей и добавление прибылей — не давали стабильного результата.

Причины возникновения усадочных раковин

Процесс кристаллизации стали сопровождается уменьшением объёма. Чтобы компенсировать эту усадку, металл должен свободно поступать в зону, где идёт затвердевание. Если подвод металла недостаточен или организован неправильно, образуются усадочные раковины.
Факторы риска:

• неудачное расположение питателей
• недостаточный объём прибылей
• сложная форма отливки с массивными перемычками
• отсутствие направленной кристаллизации

Для анализа и оптимизации процесса затвердевания по рекомендации и непосредственном участии СЛТ было принято решение внедрить систему компьютерного моделирования литейных процессов. Программное обеспечение позволяет на цифровой модели отливки:

• просчитать заполнение формы жидким металлом;
• определить зоны, где возникает риск усадочных дефектов;
• виртуально «проиграть» кристаллизацию и увидеть распределение температур;
• подобрать расположение и размеры питателей и прибылей.

Таким образом, ещё до реального выпуска опытной партии можно увидеть, где именно сформируются усадочные раковины и изменить конструкцию литниковой системы.

Практическая работа и результаты

На предприятии было выбрано одно из проблемных изделий — стальная корпусная деталь весом около 1,2 т. При прежней технологии до 20 % отливок имели внутренние усадочные дефекты.
После построения 3D-модели отливки и проведения расчётов выявилось, что:

• металл в массивной центральной части затвердевал значительно позже периферийных зон;
• существующие питатели не обеспечивали подпитку этих участков;
• именно здесь и образовывались усадочные раковины.

С помощью моделирования было предложено:

• изменить форму и размеры питателей;
• добавить один дополнительный питатель, обеспечивающий подпитку «проблемного узла»;
• оптимизировать толщину литниковых каналов для равномерного заполнения.

После внесённых изменений изготовили пробную партию. Радиографический контроль показал:

• усадочные раковины исчезли в ранее проблемных зонах;
• количество дефектных отливок снизилось более чем в два раза;
• общая экономия металла составила около 8 % за счёт уменьшения избыточных прибылей.

Выводы и опыт для отрасли

1. Усадочные раковины не устраняются «на глазок». Даже опытный технолог не может точно предсказать поведение жидкого металла в сложной форме.
2. Компьютерное моделирование позволяет «увидеть невидимое». Виртуальная проверка выявляет слабые места в конструкции ещё до запуска плавки.
3. Экономический эффект двойной: снижение уровня брака и уменьшение расхода металла на питатели и надставки.
4. Опыт можно масштабировать. После успешного внедрения на одной номенклатуре предприятие распространило практику моделирования на все крупные отливки.

Если производство сталкивается с регулярными усадочными дефектами, вложения в систему моделирования окупаются быстро. Одна предотвращённая серия дефектных отливок может перекрыть стоимость лицензии и обучения персонала.

Компания СЛТ занимается разработкой литейной и стержневой оснастки, выполняет компьютерное моделирование процессов заливки и кристаллизации.