О причинах трещинообразования в корпусных отливках сельскохозяйственных машин

Введение. К наиболее ответственным деталям сельскохозяйственной техники, которые в значительной мере определяют её надёжность в эксплуатации, относятся – корпусные. В процессе использования техники они подвергаются различным нагрузкам (механическим, термоциклическим и вибрационным). Это приводит к трещинообразованию особенно при отклонениях в структуре материала, формируемой при их производстве [1-4]. Трещинообразование сопровождается потерей герметичности и аварийной утечкой топливо-смазочных материалов.

Материалы и методы исследования. Корпусные детали, как правило, изготавливают методом литья из серого чугуна марок СЧ15, СЧ18 или СЧ20. Толщина стенок изменяется в пределах 30-55мм. Основными требованиями, предъявляемым к их качеству, являются следующие: σ_В=200-250МПа (в тонких сечениях σ_В=270Мпа) и 223-248 ед. НВ.

Для обеспечения этих свойств различные производители корпусных отливок используют методы модифицирования, микролегирования чугуна и различные технологические приёмы литья, в том числе, и способы подготовки литейной формы. Кроме того, для восстановления повреждённых зон отливок различные предприятия используют метод зачистки и заварки дефектов.

Для того, чтобы оценить влияние различных факторов на склонность отливок к повреждаемости, в первую очередь, надо определить причины, ответственные за склонность к трещинообразованию, а затем эффективно разрабатывать направления поиска путей повышения качества.

Целью работы являлось определение факторов, оказывающих влияние на склонность отливок к трещинообразованию.

Для реализации поставленной цели были проведены статистические сопоставительные исследования отливок с развитой повреждаемостью на их поверхности и без неё. Анализ проводили на шлифах, вырезанных с различных зон отливок металлографическим методом, а также с использованием электронной микроскопии.

Исследуемые отливки существенно отличались по структуре металла. Металлографическим анализом не травленных шлифов было установлено, что склонность к трещинообразованию возрастает при кристаллизации большой доли грубого пластинчатого графита. В меньшей мере склонны к поверхностному трещинообразованию отливки с равномерным распределением мелких (точечных и компактных) включений графита.

Результаты исследований. На рис. 1 приведена структура чугуна с различной склонностью к трещинообразованию.

а                                   б

Рис. 1 Включения графита в исследуемых отливках, х100

а – с повышенной поверхностной склонностью к трещинообразованию, б- с пониженной

На первом этапе сопоставительные исследования проводили в зоне, прилегающей к поверхности, где трещинообразование фиксировали визуально.

Не характерным для исследуемых отливок является факт кристаллизации выявленной одинаковой формы и количества графита у поверхности и середины (по всему сечению толщиной 30мм).

Травление шлифов 4%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте выявило неравномерное распределение фазового состава сплавов (рис. 2). Четко выявляются границы эвтектических зерен, которые состоят из ферритной составляющей и графитовых включений, располагающихся у границы зерен этой фазы.

ЗООмкт

Электронное изображение 1

Спектр	В стат.	C	O	Si	P	S	Cr	Mn	Fe	Итог
Спектр 1	Да	13.14	34.40	0.97		0.20		0.39	50.90	100.00
Спектр 2	Да	8.43	4.57	1.95				0.55	84.50	100.00
Спектр 3	Да	7.43		1.47	0.17		0.18	0.99	89.76	100.00

Рис. 2 Микроструктура поверхностного слоя отливки, склонной к трещинообразованию

Существенное влияние на склонность к трещинообразованию может оказывать ликвация компонентов. Методом микрорентгеноспектрального анализа границ эвтектических зерен установлено, что доля в них углерода наиболее низкая и составляет 7,43-8,43% (за счёт выделения графита). Такая концентрация углерода характерна для феррита двух исследуемых групп корпусных деталей в з оне бл изкой к поверхности. К центру отливок (сечение на глубине

15мм) доля углерода в феррите ниже и соответствует 6,95% (рис. 3).

Независимо от типа структурных составляющих (феррит, перлит) у поверхности отливок концентрация кремния сравниваемых отливок довольно близкая и составляет 1,38-1,61%. В центральной зоне в отливке, склонной к поверхностному трещинообразованию выявлена значительная его ликвация (0,27-2,08%, см. рис. 3).

ТООмкт ¹ ___________ Электронное изображение 1

Спектр	C	O	Si	Al	S	Cr	Cl	K	Mn	Fe	Na	Mg	Ca
Спектр 1	80.08	5.34	0.27							14.31
Спектр 2	36.90	13.78	1.16	0.29	0.16	0.09	0.11	0.10	0.39	46.52	0.21	0.18	0.12
Спектр 3	7.18		1.73						0.82	90.27
Спектр 4	9.80		2.08						0.62	87.50

Рис. 3 Микроструктура середины отливки без поверхностных трещин

По границам эвтектических зерен у поверхности исследуемых отливок отмечается формирование фосфидной эвтектики. Концентрация фосфора в этих зонах достигает 0,74%. В центральной части отливок этот компонент отсутствует или его доля не превышает 0,08%. В отдельных зонах отливок, склонных к трещинообразованию, его концентрация достигает 0,53%, что также свидетельствует о выделении фосфидной эвтектики.

Наибольшая доля ферритной составляющей находится в области розеточных включений графита и это характерно только для поверхностного слоя отливок. Такой феррит отличается более тёмным цветом, что связано с его насыщенностью кислородом (13,98-34,4%). Перлитная структурная составляющая практически не окисляется в центральной зоне отливок, а наблюдаемая повышенная концентрация этого компонента характерна для зон с грубыми включениями графита, в которые проникает окислительная атмосфера, способствующая зарождению и развитию трещин. В процессе повреждаемости берега трещин окисляются и по их расположению и протяженности можно судить о степени дефектности отливок в центральной её части (рис. 4). Для этого следует воспользоваться методом неразрушающего контроля качества [5], поскольку важно не только выявить поверхностные трещины, но и исключить их формирование в других зонах отливки, чтобы предотвратить аварийные ситуации при эксплуатации техники.

ЗООмкт             1 Электронное изображение 1

Спектр	C	O	Si	P	S	Cr	V	N	Mn	Fe	Mg	Al
Спектр 1	23.78	1.00	1.39		0.18				0.84	72.81
Спектр 2	6.95		2.09	0.08		0.09	0.05		0.61	90.14
Спектр 3	73.92	8.44	0.33		0.11	0.09		5.16	0.08	11.68	0.05	0.13
Спектр 4	93.94	3.83	0.07						0.04	2.13

Рис. 4 Микроструктура середины отливки c поверхностными трещинами

Выявлена существенная неоднородность и в распределении серы. Независимо от анализируемых зон и исследуемых отливок её концентрация изменяется в пределах от 0 до 0,49%. Причем, в случаях повышенной концентрации серы от 0,27 до 0,49%, имеет место и увеличение – марганца от 0,83 до 2,6%. Это свидетельствует о формировании включений MnS.

В отливках менее склонных к поверхностному трещинообразованию дополнительно выявлены в локальных областях средней зоны следующие компоненты %: 0,29 Al; 0,18 Mg; 0,11 Cl; 0,10 K; 0,21 Na; 0,12 Ca (см. рис. 3). Можно предложить, что металл этих отливок модифицировали, введением комплексного модификатора, который неравномерно растворился при обработке жидкого металла.

В таких отливках у поверхности выявлена и добавка карбидообразующего компонента – ванадия. Доля его изменяется в локальных зонах от 0,04-0,48% (рис. 5). При максимальной концентрации этого компонента (0,48%) возможно образование спецкарбидов VC, т.е.

вклад его проявляется не только в измельчении зерна.

Металл отливок с увеличенной склонностью к поверхностному трещинообразованию модифицирован и микролегирован компонентами Ti, V и N. Они также распределены неравномерно, т.к. выявлены только в средней части сечения отливки толщиной 30мм. Средняя концентрация V и Ti составляет 0,05-0,07%. В одной из зон доля азота достигает 5,16%. Можно предположить, что это крупное нитридсодержащее включение (см. рис. 4).

Спектр	C	O	Si	P	S	Cr	V	Ti	Mn	Fe
Спектр 1	13.78	2.83	1.50	0.07	0.50	0.08	0.04	0.06	1.25	79.89
Спектр 2	16.95	8.65	1.38	0.03	0.05	0.08	0.07	0.02	0.56	72.22
Спектр 3	18.63	1.35	1.61	0.01	0.19	0.06	0.07	0.01	0.83	77.23
Спектр 4	8.91	1.12	1.39	0.74	0.04	0.13	0.32	0.21	1.04	86.10
Спектр 5	21.52		1.43	0.03	1.07	0.06	0.07		2.15	73.67
Спектр 6	8.94	1.07	1.43	0.74	0.61	0.13	0.48	0.40	1.74	84.47

Рис. 5 Граница эвтектических зерен (ферритная составляющая)

Статический анализ различных зон отливок с повышенной склонностью к трещинообразованию на их поверхности выявил наличие большого количества включений оксидов железа, кремния и сложных - типа (MnFe)O, MnSiO3, Mn2SiO4, размером до 1-2мкм. Максимальное их скопление характерно для зон с розеточными включениями графита. В этих местах отмечается и интенсивное окисление ферритной составляющей. Это проявляется в повышенной травимости с концентрацией кислорода до 34%. Включения окислов имеют неправильную компактную форму. По мере удаления от поверхности размер таких включений уменьшается и не превышает 0,5-0,7мкм (рис. 6).

Рис. 6 Окислы алюминия (Al 2 O 3 ) и кремния (Si 2 O 3 ). Термоэлектронная эмиссия

Поверхностное окисление металла отливок связано с плохой подготовкой литейной формы, её повышенной влажностью. При этом пластинчатый графит, особенно грубые включения, обеспечивают доставку активно-коррозионной среды и в другие зоны отливок.

Анализом показано, что отливки мало склонные к поверхностному окислению имеют в центральной части сечения повышенную долю кислорода, причем даже в большей мере, чем в корпусных деталях с поверхностными трещинами (табл. 1). По всей поверхности, в анализ не попала магистральная трещина, доставляющая активно-коррозионную среду в центральную зону отливки.

Уменьшить склонность отливок к трещинообразованию возможно осуществлением контроля на соответствие технологических процессов нормативно-технической документации по подготовке литейной оснастки и способа модифицирования жидкого расплава.

Таблица 1 - Статический анализ распределения кислорода в исследуемых отливках

Локальное распределение кисло			рода в зонах, %
число случаев	с поверхностными трещинами		без поверхностных трещин
	поверхность	середина	поверхность	середина
1	3,41	1,0	1,17	0,91
2	3,44	8,44	0	2,96
3	4,57	3,83	1,12	13,98
4	1,81	1,17	1,35	2,65
5	1,35	1,17	8,65	4,54
6	0	0	2,83	0
7	0		1,07	0
8	0			13,78
9	0			5,34
10	0
средняя концентрация кислорода	4,5	2,6	2,31	4,01

Выводы. В результате выполненных комплексных исследованиях установлено, что основными причинами трещинообразования корпусных деталей из серого чугуна являются: формирование грубых включений графита и их розеточные включения; наличие больших скоплений оксидов; ликвация компонентов с формированием неметаллических включений, являющиеся концентраторами напряжений.

Для снижения склонности отливок к трещинообразованию необходимо четко соблюдать технологический регламент литья и подготовки формы, осуществлять качественный процесс модифицирования жидкого металла, исключающего формирование грубого графита и его розеток, а также ликвации химических компонентов, в том числе, и входящих в состав модификатора.

Sets the basic causes of cracking case details made of grey iron. This formation of coarse graphite and rosette inclusion; the presence of large concentrations of oxides; liquation of components with formation non-metallic inclusions are stress concentrators.