I. В массовом производстве усадочная пористость достигает 40%, расширение стояка не удается исправить.

В данном исследовании рассматривается отливка планетарного механизма из стали QT600-10. Деталь имеет квадратный профиль с подшипниковыми выступами, расположенными по четырем углам, и внутренним отверстием для зуба в центре. Как критически важный компонент из высокопрочного чугуна для трансмиссионных систем, она требует строгой внутренней плотности.

В ходе опытного производства прототипа на нижней поверхности внутреннего отверстия зуба наблюдалась лишь незначительная усадочная пористость, которую можно было вручную отфильтровать для соответствия требованиям поставки. После перехода на мелкосерийное серийное производство количество дефектов резко возросло, увеличив процент брака из-за усадочной пористости до 40%. У большого количества отливок после механической обработки были обнаружены внутренние полости, что привело к невозможности обнаружения дефектов.

Техническая группа сначала применила традиционные отраслевые методы для увеличения производительности подачи. Они увеличили диаметр оригинальных боковых стояков с 90 мм до 105 мм, скорректировали направление подачи через литниковую систему и протестировали температуру заливки в различных диапазонах. После полутора месяцев многократных испытаний заливки на месте и проверки с помощью моделирования, усадочная пористость не показала заметного улучшения. Кроме того, произошло прерывание потока затвердевания, поэтому в горячую точку не поступал расплавленный чугун. Проект столкнулся с риском претензий со стороны клиентов и потерей заказов.

II. Первопричина дефекта: Недостаточная вместимость стояка не является проблемой; путь подачи затвердевает заранее.

На основе моделирования процесса затвердевания и анализа разреза отливки техническая группа подтвердила причину отказа стержня. Проблема заключалась не в недостаточном количестве расплавленного железа, хранящегося в стояковых гильзах, а в преждевременном затвердевании и закупорке питающего канала.

Охлаждение отливок происходит по правилу: сначала затвердевают тонкие участки, а затем — толстые горячие точки. После заполнения формы тонкие участки быстрее рассеивают тепло и преимущественно образуют твердую оболочку, напрямую перекрывая путь, соединяющий питающие гильзы и горячие точки. Даже если жидкий расплавленный чугун остается внутри питающих гильз, он не может быть подан в толстые горячие точки, что делает систему подачи совершенно неэффективной.

1. Оценка риска по соотношению толщины стенок: Если соотношение толщины стенок меньше 1,5, отливка затвердевает практически синхронно с низким риском образования усадочной пористости. Соотношение 1,5–3 указывает на умеренный риск, и необходимо гарантировать беспрепятственное прохождение расплава через стенки. Если соотношение превышает 3, тонкие участки полностью и быстро затвердевают, в то время как толстые участки все еще содержат жидкий металл, что приводит к чрезвычайно высокому риску образования усадочной пористости. Использование охладителей или перепроектирование конструкции питателя являются обязательными.

2. Поэтапные характеристики усадки металла: Усадка в жидком состоянии составляет 1,5%–2%. Расплавленный чугун сохраняет хорошую текучесть, и подача легко осуществляется. Усадка при затвердении достигает 3%–4%, являясь основным источником усадочной пористости. На этом этапе расплавленный чугун переходит в полутвердое состояние с резко сниженной текучестью, что значительно затрудняет подачу. Усадка в твердом состоянии составляет приблизительно 1%. Отливка полностью затвердела, и подача становится невозможной.

3. Различия в свойствах материалов: высокопрочный чугун QT600-10 имеет более высокое содержание перлита. Его объемное расширение за счет осаждения графита для компенсации усадки слабее, чем у низкосортного высокопрочного чугуна, такого как QT500-7. Этот материал предъявляет более строгие требования к проходимости канала подачи и временному окну подачи, и отработанные процессы, используемые для низкосортного высокопрочного чугуна, не могут быть напрямую скопированы.

III. Отказаться от расширения боковой подъемной гильзы; использовать центральную экзотермическую подъемную гильзу.

Техническая группа отказалась от традиционной идеи простого увеличения диаметра подъемных втулок и перепроектировала пути подачи. Оптимальное решение заключается в заполнении центрального внутреннего отверстия зуба и применении центральных экзотермических подъемных втулок.

1. Подъемные муфты размещаются непосредственно над зонами перегрева, что значительно сокращает расстояние подачи и уменьшает потери тепла при транспортировке расплавленного железа;

2. Устранены длинные узкие боковые каналы подачи, что в принципе позволяет избежать засорения, вызванного преждевременным затвердеванием подающих каналов;

3. Экзотермические материалы непрерывно выделяют тепло, увеличивая время удержания расплавленного железа в жидком состоянии внутри стояков, обеспечивая непрерывную подачу расплавленного железа в горячие точки на протяжении всего процесса затвердевания.

Результаты моделирования подтверждают, что этот процесс позволяет обеспечить стабильную последовательную кристаллизацию и полностью устранить усадочную пористость на дне внутреннего отверстия зуба. Последующее опытное производство позволит эффективно снизить процент брака и стабилизировать внутреннее качество деталей, выпускаемых серийно.

Долгое время многие литейные заводы склонны увеличивать диаметр питающих втулок после появления усадочной пористости. Этот метод увеличивает расход расплавленного чугуна, но часто не устраняет дефекты и повышает производственные затраты. При возникновении усадочной пористости предприятиям следует в первую очередь оценить, не произойдет ли преждевременное затвердевание каналов подачи. Оптимизация процесса, направленная на рациональное последовательное затвердевание, может быть достигнута путем корректировки положения питающих втулок, сокращения каналов подачи и правильного использования охладителей вместо слепого увеличения диаметра питающих втулок. Эта методология особенно применима к высокопрочным деталям трансмиссии из высокопрочного чугуна, таким как QT600-10, помогая предприятиям сократить отходы пробного материала, сократить циклы выравнивания и стабилизировать качество серийного производства.