Пленообразование: Виды и причины дефектов

Плены являются результатом образования оболочки и представляют собой металлические корки неправильной формы на поверхности литой детали. Толщина плен, как правило, составляет всего несколько миллиметров. Плены имеют острые кромки и прочно связаны с поверхностью отливки. Существуют верхние плены, т. е. образующиеся на верхней горизонтальной стенке литейной формы, и нижние плены, которые появляются ниже потока заливаемого в форму металла – на дне формы.

Данный дефект образуется на деталях из любых материалов, изготавливаемых методом литья в сырые формы с бентонитовым связующим. Пленообразование чаще всего имеет место на поверхности верхней плоскости отливки (на верхней стенке полости), но может появляться и на дне полости. Особый риск связан с деталями, которые подвергаются сильному сжатию в литейной форме. Пленообразование часто сопровождается образованием ужимин (в основном на стержнях) и песочным пригаром. Все перечисленные дефекты видны невооруженным глазом и, как правило, приводят к отбраковке детали.

Типичные дефекты литейных форм с бентонитовыми связующими

Явно выраженная плена на детали из литейного чугуна с шаровидным графитом (прочность на растяжение во влажном состоянии для формовочного материала составляет 0,16 Н/см2).

Песочный пригар

С зонами расширения песка, в данном случае – с пленами и песочным пригаром – можно успешно бороться путем повышения прочности на растяжение во влажном состоянии. Повышение прочности на растяжение во влажном состоянии (Н/см2) позволяет предотвратить появление данных дефектов (см. значения, приведенные под рисунками).

Ужимины также образуются при формировании оболочки. Однако данная оболочка не раскрывается, а по мере расширения песка проникает в полости литейной формы. Литейный металл заполняет образующийся зазор, что приводит к появлению похожих на вены дефектов. Ужимины очень часто можно наблюдать на стержнях со связующими из синтетических смол (обычно такие дефекты называют пленами).

Причины

Влияние тепла (излучение, теплопроводность), поступающего с литейным металлом, приводит к тепловому расширению формовочного материала. В результате разных температур в отдельных зонах формы величина напряжения также значительно разнится. Это напряжение воздействует на поверхностные слои или стенки литейной формы.

Напряжение при сжатии vs. прочность на растяжение

Расширение кварца, особенно в результате обратного превращения при 573 °C, вызывает напряжение при сжатии в поверхностных слоях литейной формы и затем приводит к формированию оболочки. Напряжение при растяжении возникает в граничном слое между сильно нагретой оболочкой и установленным песчаным стержнем, который все еще остается относительно холодным. Если разделение не проводится, это напряжение должно быть поглощено формовочным материалом. Прочность на растяжение сырых песчаных форм, т. е. прочность на растяжение во влажном состоянии, определяет, будет ли оболочка раздуваться или же отделится, что приведет к образованию ужимин, песочного пригара или плен.

Как показывает опыт, отношение напряжения при сжатии и прочности на растяжение во влажном состоянии можно регулировать, контролируя тем самым пленообразование.

Напряжению при сжатии противодействует пластинчатость стенки литейной формы (формовочного материала) и сила прилипания к поверхности, т. е. величина прочности на растяжение во влажном состоянии в слоях формовочного материала, которые лежат ниже. Данные дефекты литья, которые здесь схематически показаны и описаны, образуются, если механические/тепловые нагрузки (напряжение) превышают пластичность и прочность в поперечном сечении нагрузки.

Таким образом, верхние плены развиваются из зоны конденсации на поверхности формы в результате напряжения при сжатии, которое здесь возникает и выталкивает вверх стенку литейной формы и вызывает
отслаивание (a). Как правило, данный процесс называют формированием оболочки. Появление ужимин также связано с формированием оболочки (b). Однако оболочка не раскрывается, поэтому на поверхности отливки появляется похожий на заусенец приподнятый шов. Ужимины можно удалить, прибегнув к более тщательной обработке поверхности. С высокой долей вероятности, отливку удастся сохранить. Нижние плены образуются в полости литейной формы под потоком расплавленного металла – на дне формы. Причиной этого также является зона конденсации, которая влияет на формирование оболочки. Если песчаная оболочка прилипает ко дну литейной формы, выступающие кромки оболочки приводят к появлению либо плен, либо песочного пригара (c). Напротив, если песчаная оболочка раздувается и под действием протекающего через нее металла разрушается, на нижней поверхности отливки образуется типичная нижняя плена (d).