АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗАГОТОВОКИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ ЛАТУНЕЙПугачева Н.Б.1, Овчинников А.С.2, Лебедь А.В.21Екатеринбург, Россия, 2Ревда Свердловской области, РоссияЛегированные латуни занимают лидирующее место среди всех конструкционных машиностроительных материалов, благодаря уникальному сочетанию их высокой технологической обрабатываемости и получаемых эксплуатационных свойств. Специальные латуни помимо меди и цинка могут содержать в своем составе такие элементы как Si, Мn, Fе, Аl, Ni и др. За счет достаточно большой степени легирования в латунях формируется определенная структура, обеспечивающая необходимый уровень не только механических, но и специальных свойств, к которым относятся износостойкость, коррозионностойкость, кавитационностойкость и т.д. В условиях промышленного производства всегда встречаются различного типа дефекты, которые в той или иной мере влияют на качество заготовок. Поэтому анализ встречаемых в ходе технологической обработки дефектов является одним из основных направлений повышения качества ответственных деталей машиностроения.ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» является одним из ведущих в России предприятий по выпуску труб и прутков из меди, латуни, медно-никелевых сплавов, бронз, в частности трубы для колец синхронизаторов на "АВТОВАЗ", трубы радиаторные для "БЕЛАЗ", "ШААЗ", "Оренбургского радиатора", трубы для холодильников "Индезит", "Норд", "Бирюса", "АТЛАНТ" и т.д., бойлерные трубы для ремонта работающих и сборки новых теплообменных аппаратов для РАО ЕЭС и Росэнергоатома. В связи с этим анализ дефектов медных и латунных заготовок, выпускаемых ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов», дает возможность сделать обобщающие выводы по всей отрасли вцелом. Дефекты, встречающиеся на изделиях из легированных латуней можно разделить по видам технологической обработки: литейные; горячей прокатки и прессования; холодной обработки. Дефекты, полученные на разных стадиях обработки, взаимно влияют друг на друга. Требуемые свойства любого металла или сплава, прошедшего обработку давлением, можно получить при помощи термообработки, обеспечивающей формирование определенной структуры. Это справедливо лишь в том случае, если рассматриваемый материал не содержит в себе каких-либо дефектов, унаследованных от литого состояния. В противном случае, литейные дефекты существенно снижают как прочностные, так и пластические свойства металлов и часто являются причиной преждевременного разрушения готовых изделий. В настоящее время заготовки из кремнемарганцевых латуней, предназначенные для последующего прессования труб различного диаметра, изготавливаются наполнительным и полунепрерывным способами литья. Полунепрерывное литье обладает рядом преимуществ по сравнению с наполнительным и, поэтому, является предпочтительным: - высокая интенсивность охлаждения расплава способствует направленной его кристаллизации, уменьшению ликвационной неоднородности, неметаллических и газовых включений; - непрерывная подача расплава к фронту затвердевания обеспечивает постоянное питание растущих кристаллов, повышает плотность металла; - существенно увеличивается технологический выход годного. При непрерывном литье качество слитков, их структура, физические и химические свойства напрямую зависят от качества шихтовых материалов, технологических параметров плавки и литья. В процессе разливки по различным причинам могут сформироваться такие дефекты слитков из медных сплавов как: -неслитины; -поверхностные трещины (продольные и поперечные) -внутренние осевые трещины; -раковины и поры усадочного происхождения; -окисные плены и неметаллические включения; -шлаковые и сажевые засоры; -коробление и др. Одним из наиболее распространенных видов брака в слитках из сплавов на медной основе являются трещины. Если неглубокие поверхностные трещины еще можно устранить с помощью операций фрезерования порошками или прессования заготовок круглого сечения с так называемой “рубашкой”, то наличие в слитках внутренних горячих трещин является неустранимым видом брака. По мнению большинства исследователей причиной возникновения внутренних горячих трещин в слитках являются термические напряжения, возникающие вследствие перепада температуры по горизонтальному и вертикальному сечению кристаллизующегося слитка. Осевые горячие трещины в непрерывнолитых слитках формируются в зоне горячеломкости, определяемой «эффективным» температурным интервалом кристаллизации. Единственным достаточным условием образования горячих трещин в отливках является равенство относительной деформации растяжения отливок (растягивающего напряжения в них), возникающей вследствие торможения свободной линейной усадки затвердевающего сплава, величине предельной относительной деформации растяжения (пределу прочности на разрыв) данного сплава. В большинстве случаев трещины появляются из-за нарушения оптимальных технологических параметров разливки или теплофизических условий охлаждения слитка в кристаллизаторе. Основными технологическими параметрами, оказывающими существенное влияние на качество литых заготовок при непрерывном литье, являются температура разливаемого металла, скорость литья и давление воды в системе охлаждения кристаллизатора. Можно выделить следующие закономерности образования трещин в цилиндрических заготовках, полученных в кристаллизаторах с непосредственным охлаждением водой: по мере увеличения скорости литья увеличиваются внутренние напряжения и возможность образования трещин в слитке; по мере увеличения высоты кристаллизатора возможность образования трещин уменьшается; уменьшение интенсивности охлаждения слитков также уменьшает возможность образования трещин в слитках; для каждого диаметра слитка существует определенная скорость литья, соответствующая началу возникновения трещин; по мере повышения температуры литья возможность образования трещин возрастает; недостаточное центрирование поступления расплавленного металла в лунку вызывает несимметричность строения слитка, что увеличивает возможность образования трещин; недостаточное центрирование усилия, вытягивающего слиток из кристаллизатора, также приводит к увеличению возможности образования трещин; неравномерное поступление воды на поверхность слитка, которое может быть вызвано засорением отверстий, подающих воду на слиток, тоже увеличивает вероятность образования трещин в слитке. Газовые раковины, пузыри и поры, как правило, не вызывают трещинообразования, но при обработке давлением образуют расслоения и плены, снижают плотность и пластичность полуфабрикатов и прочностные показатели. Аналогичное влияние оказывают и усадочные раковины. Для образования внутри слитка газовых пузырей необходимо наличие в расплаве частичек твердых примесей, служащих центрами зарождения газовых пузырьков. В реальных расплавах эту роль выполняют главным образом окислы содержащихся там металлов и другие неметаллические включения, служащие готовой подкладкой для зарождения и роста газовых пузырей. При длительном нагреве их перед прокаткой или прессованием такой дефект литья, как окалина проникает в глубь трещин, раковин. При прокатке или прессовании она так же, как частички поверхностного засора, может быть вдавлена на более или менее значительную глубину в здоровую массу слитка и стать причиной трудно удаляемых дефектов. Обзор литейных дефектов, а также возможные способы из удаления даны в таблице 1 в соответствии с СТП 08-14-014, действующего на РЗ ОЦМ:Таблица 1 - Основные литейные дефекты Вид дефекта Определение Марка сплава и металла, наиболее подверженнаяуказанному дефекту Способы удаления дефекта Определения пригодности для дальнейшей обработки 1 Газовая пористость Дефекты в виде рассеянных по всему объему слитка пор, имеющих шарообразную форму с чистой гладкой поверхностью Свинцовые латуни Удалению не подлежат Допускаются единичные поры (не более семи) диаметром до 1,5 мм независимо от места их расположения на сплавах типа ЛС. 2 Поверхностные засоры Углубления на поверхности слитков (внутри углублений могут находиться видимые на глаз включения флюса и шлака). Внутренняя поверхность засоров неровная, шероховатая Многокомпонентные латуни Алюминиевые бронзы Шабровка поверхности в соответствии с СТП 08-14-014 и СТП 08-14-149 Металл пригоден для дальнейшей обработки при условии соответствия качества поверхности слитков СТП 08-14-014 3 Внутренние засоры Включения сажи, шлака, располагающиеся на удалении от поверхности слитка, в объеме металла Многокомпонентные латуни Удалению не подлежат Окончательный брак 4 Кольцевые пережимы Резкое сужение диаметра слитка в виде кольцевых пережимов Все сплавы Незначительные пережимы шабруются Металл пригоден для дальнейшей обработки при условии соответствия качества поверхности слитков настоящему стандарту 5 Наплывы Натекание металла на поверхность слитка Алюминиевые бронзы Наплывы, отслоившиеся от слитка, отделяют зубилом. Наплывы, сварившиеся с металлом, убирают шабровкой до высоты не более 3 мм Металл пригоден для дальнейшей обработки при условии соответствия качества поверхности слитков настоящему стандарту 6 Неслитины Несплошности металла на поверхности слитка в глубину, расположенные поперек слитка. Края неслитин не острые, заоваленные Многокомпонент ныелатуни Из-за большой площади поверхности, глубокие (более 3 мм), неслитины на слитках не шабруются, и металл бракуется.Неслитины менее 3 мм не являются браковочным признаком независимо от площади неслитин на слитке Металл пригоден для дальнейшей обработки при условии соответствия качества поверхности слитков настоящему стандарту 7 Осевые трещины Нарушение сплошности металла в центральной части поперечного сечения слитка в виде прямых линий или линий пучкового характера Простые и многокомпонентные латуни, медно-никелевые сплавы Удалению не подлежат Окончательный брак, если металл идет для изготовления прутков.Допускается по разрешению технического директора использовать металл для изготовления труб, при условии, если диаметр осевой трещины не более 1/2 внутреннего диаметра прессовой трубы 8 Поперечные поверхностные трещины Извилистые поперечные разрывы поверхности слитка. Края разрывов острые. Внутренняя поверхность в разрывах шероховатая, неровная Многокомпонентные латуни, сплавы, содержащие олово Неглубокие поперечные трещины шабруются. Поперечные трещины глубиной более 5 мм - оконча-тельный брак Металл пригоден для дальнейшей обработки при условии соответствия качества поверхности слитков настоящему стандарту 9 Продольные борозды Прямолинейные и извилистые углубления вдоль продольной оси слитка. Края борозды скруглены Сложные многокомпонент ные латуни. Сплавы, содержащие свинец, олово Шабровка слитков в соответствии с настоящим стандартом и СТП 08-14-149. Слитки не шабруются, если продольные борозды, имеющие глубину не более 6 мм, имеют ровную поверхность и плавные переходы. При глубине более 6 мм слиток (заготовка) бракуются. Металл пригоден для дальнейшей обработки при условии соответствия качества поверхности слитков настоящему стандарту 10 Продольные поверхностные трещины Прямолинейные и извилистые разрывы на поверхности вдоль продольной оси слитка Все сплавы Неглубокие трещины шабруются, трещины глубиной более 6 мм - окончательный брак На слитках всех сплавов (кроме медных), качество шабровки определяется визуально. От шаброванного медного слитка отрезают темплет и направляют для изучения в лабораторию физико-механичеких испытаний и металловедения ИЛ. В том случае, если продольная трещина полностью вышабрована и глубина шабровки не превышает 6 мм - металл признается годным 11 Свищи Газовые продолговатые раковины, направленные с поверхности слитка в его глубину. Продолговатые раковины внутри металла, расположенные под углом к продольной оси слитка Алюминиевые бронзы Удалению не подлежат Окончательный брак 12 Усадочные раковины Открытые или закрытые полости с шероховатыми стенками в центральной части поперечного сечения слитка Могут быть на всех сплавах, но встречаются крайне редко Удалению не подлежат Допускаются единичные усадочные поры («уколы») диаметром не более 1,0 мм, расположенные не более чем в 10 мм от центра слитка на сплавах ЛО 70-1, Л 68, БрОФ 4-0,25, МНЦ 15-20 и многокомпонентные латуни (анализируются на темплетах). Указанные дефекты на других сплавах - окончательный брак 13 Межкристаллитные трещины Нарушения сплошности металла по границам зерен, не выходящие на поверхность слитка и не проходящие через центр. Распространяются в металле на величину зерна. Медь БрКд ЛАМш ЛМш Л 68 Удалению не подлежат Браковочным признаком не являются. Металл пригоден для дальнейшей обработки Из выше перечисленных литейных дефектов для легированных латуней наиболее характерны: газовая пористость; поверхностные засоры; внутренние засоры; усадочные раковины (редко); межкристаллитные трещины (ЛАМш, ЛМш); кольцевые пережимы; неслитины; осевые трещины; поперечные поверхностные трещины; продольные борозды; продольные поверхностные трещины. Основные виды дефектов при горячей прокатке, а также меры предупреждения и устранения представлены в таблице 2:Таблица 2 - Основные виды дефектов при горячей прокатке Вид брака Причина Меры предупреждения и устранения Расслоение стенки Повышенное редуцирование гильз в захватном конусе валковНеметаллические включения в металле гильзы Уменьшение зазора между оправкой и внутренним диаметром гильзы. Уменьшение степени деформации за счет снижения высоты гребняПредъявление более высоких требований к чистоте и пластичности металла Плены и трещины на поверхности трубы Плохое качество поверхности заготовки, которое выявляется при двойной перечно-винтовой прокатке Тщательная проверка поверхности при контроле заготовки Винтовые порезы и отпечатки на трубе Острые кромки деталей, с которыми соприкасается труба. Выкрашивание валка раскатного стана Зачистка острых кромок деталей. Смена рабочих валков стана Раструб на концах трубы Раструб на конце трубы, особенно на заднем. Образуется при прокатке тонкостенных труб с отношением DT/ST>12…11 Прокатка труб с отношением DT/ST>12…11 трудно осуществима Брак по толщине стенки Калибр, образованный тремя валками, больше или меньше калибра, определенного таблицей прокатки. Неправильный подбор оправки или повышенный износ ее Регулировка положения валков для получения требуемого колибра. Смена оправки Разница в диаметрах оправок одного комплекта Отклонения в диаметре оправок одного комплекта не должны быть больше 0,2 мм Сильно неравномерный нагрев заготовки Следить за качественным нагревом металла При прессовании возможны следующие виды брака, представленные в таблице 3:Таблица 3 - Основные виды брака при прессовании Виды брака Причины брака Меры предупреждения и устранения его Расслоение стенки При объемном истечении металла, когда наружные слои заготовки текут внутрь заготовки, на границе интенсивного скольжения может образоваться расслоение Изменение характера течения металла; приближение его к послойному течению путем применения лучших смазок Образование поверхности скольжения на границе с «мертвыми углами» при течении металла Смазка контейнера для того, чтобы перевести воронкообразное течение металла на послойное. Применение конусной матрицы, чтобы исключить образование «мертвых углов» Борозды, риски; забоины на наружной и внутренней поверхности труб Износ инструмента (матриц, игл, прессшайб) или налипание на них металла Постоянный контроль за степенью износа инструмента и качеством его поверхности. Своевременная замена инструмента Рябизна и складки на внутренней поверхности труб Большой слой стеклянной или кристаллической смазки на оправки (игле) Нанесение нормального слоя смазки на оправку Разностенность труб при прессовании Неравномерны нагрев заготовки Равномерный нагрев заготовки Эксцентричное расположение отверстия в заготовке после прошивки на вертикальном прессе или после сверления Точное направление иглы по центру заготовки при прошивке отверстия Неравномерное давление металла на поршень Симметричное давление металла на поршень. Необходима, чтобы ось прошивня строго совпадала с осью контейнера и заготовка плотно прилегала к стенкам контейнера На станах холодной прокатки возможно появление дефектов, представленных в таблице 4.Таблица 4 - Основные виды брака при прокатке на станах холодной прокатки Виды брака Причина брака Меры предупреждения и устранения его Закат Образование закатов (усов) при прокатке вследствие чрезмерных зазоров между калибрами, чрезмерной подачи, недостаточной ширины ручья или несоответствия профиля ручья калибров конусности оправки Уменьшить зазоры между калибрами, проверить глубину ручья, его ширину и развалку, уменьшить подачу и избегать бросков, сменить калибры, если закаты продолжаются Вмятины Вдавливание ребордов калибра в трубу, смещение калибров друг относительно друга в горизонтальной плоскости, резкий переход от глубины к ширине ручья Установить нормальный зазор между калибрами, выровнять калибры в горизонтальной плоскости, проверить развалку калибра и подшлифовать калибр Волнистость на наружной поверхности Чрезмерная подача, плохая обработка перехода зева поворота к колибрующему участку, изношенность колибрующего участка, смещение оси патрона относительно оси прокатки Уменьшить подачу, проверить калибровочный участок на конусность, устранить несовпадение оси патрона относительно оси прокатки, проверив износ катков и опорных брусьев Граненость Изношенность калибров с образованием пологих продольных углублений из-за обжатия в одних и тех же местах утолщенной стенки, соответствующей выпускам калибров Сменить калибры, для предупреждения гранености применять калибры с достаточной твердостью после термической обработки Кольцеобразные отпечатки Неправильное положение оправки – ее конец находиться в конце предотделочного участка; поломка оправки или образование на ней трещин Следить за тем, чтобы передний конец оправки при крайнем положении относительно калибров находился у зева поворота; контроль за состоянием оправки Поперечные риски и трещины Чрезмерная деформация металла, пережим стенки между поверхностью ручья и оправки при неправильной расточке ручья, при низком относительном удлинении металла трубы Проверка: соответствия калибров и оправки калибровке; правильности расточки ручья; режима термообработки, которому была подвергнута труба Отклонение размеров труб за пределы допусков По толщине стенки: чрезмерное или недостаточное выдвижение оправки, повышенная подача заготовки, несоответствие размеров калибра и оправкиПо наружному диаметру: неправильный зазор между калибрами, чрезмерная или недостаточная глубина ручья Правильный подбор технологического инструмента, регулярная периодическая проверка размеров труб в процессе изготовления и размеров ручья в процессе его износа Разностенность Большая поперечная продольная разностенность заготовки, чрезмерная развалка ручья, износ ручья калибра Подбор инструмента в соответствии с калибровкой, установление правильного зазора между калибрами, применение заготовки с допусками по ТУ В настоящее время на многих заводах цветной металлургии существует проблема получения качественной продукции при использовании низкокачественной шихты. Использование качественных шихтовых материалов оправдано с технологической точки зрения, но не оправдано с экономической, так как увеличение стоимости шихты будет повышать себестоимость продукции и как следствие может привести к снижению конкурентоспособности готовых изделий. Однако применение в качестве шихты лома и отходов собственного производства неизбежно ведет к загрязнению сплавов различными примесями, т.е. к снижению качества выпускаемой продукции, производству продукции несоответствующей запросам потребителей, что в свою очередь экономически нецелесообразно. Таким образом, одним из способов получения более качественной заготовки является применение качественных шихтовых материалов. Также необходима более тщательная отработка процесса литья для конкретных сплавов. Для предотвращения появления дефектов при горячей обработке давлением необходимо контролировать температуру нагрева заготовки, скорость обработки, а также качество как прессового инструмента, так и инструмента при горячей прокатке. Как видно, рассмотренные дефекты независимо от их происхождения вызывают ухудшение технического состояния элементов конструкции и могут привести к постепенному (износовому) или внезапному их отказу в. эксплуатации. Это сущестненно снижает срок службы готовых изделий. Применение новых наиболее прогрессивных процессов получения цветных металлов и сплавов в металлургии, позволяющих существенно повысить качество металлов, совершенствование технологии изготовления деталей с целью исключения появления в них дефектов, строгое соблюдение правил эксплуатации — реальные пути повышения качества и эксплуатационной надежности изделий металлургии и машиностроения. Однако это невозможно без широкого применения эффективных методов контроля качества металла и металлоизделий, особенно в тех случаях, когда требуется получить металлы и сплавы специального назначения с высокими эксплуатационными свойствами, обеспечивающими 100%-ную гарантию надежной работы изготовленных из них дорогостоящих и уникальных объектов, машин и конструкций ответственного назначения. Разумеется такой контроль может быть осуществлен только неразрушающими методами контроля. Основным этапом, предотвращающим попадание труб с недопустимыми дефектами потребителю, является выявление нарушения сплошности материала, которое на заводе ОЦМ проводят вихретоковым методом на дефектоскопе немецкой фирмы «Foerster». Вихретоковый метод обеспечивает выявление в трубах дефектов, которые дают идентичное или большее искажение электромагнитного поля, чем дефект, на который настроена чувствительность дефектоскопа. Дефектоскоп настраивается при помощи эталонного образца, на который нанесены искусственные дефекты в виде сверленных отверстий. Диаметр отверстий согласуется с потребителем на каждый типоразмер. Вихретоковый метод контроля продукции нечувствителен к несплошностям, расположенным у концов трубы (мертвая зона) вследствие обязательного наличия устройства, блокирующего сигналы от концов труб. Величина «мертвой зоны» для дефектоскопа «Foerster» составляет не менее 50 мм. При дефектоскопии несплошности типа царапин, расслоений или плен, которые располагаются непрерывно и равномерно по всей длине трубы, не всегда могут быть выявлены. Примером этого является дефектоскопия заведомо дефектных труб (с расслоениями). Дефектоскопия позволяет выявить следующие дефекты: кольцеватость, риски, глубокие раковины, крупные включения, плены, задиры. Таким образом, качество заготовок и готовых изделий необходимо контролировать на всех этапах технологической обработки. Это можно осуществить используя ультразвуковые методы контроля, с помощью которых будет возможным выявление дефектов не только на поверхности, но и на глубине заготовки или готового изделия. Данные методы практически полностью исключат попадание дефектных труб потребителю и исключат претензии к заводу по качеству поставляемой продукции.