Организация контроля качества отливок в литейном производстве

На большинстве литейных предприятий контроль качества выпускаемых отливок осуществляет отдел технического контроля (ОТК). Работа контролеров ОТК, как правило, специализирована и каждое подразделение отдела выполняет строго определенные функции, к которым относятся:

• контроль качества изготовления и эксплуатационного состояния технологической оснастки и модельных комплектов;
• входной контроль качества основных и вспомогательных материалов;
• выборочный пооперационный контроль исполнения технологического процесса;
• контроль качества готовых отливок.

За исключением контроля качества готовых отливок, перечисленные выше функции ОТК, строго не регламентированы и определяются внутренней структурой производства, различными инструкциями и положениями.

Основанием для контроля качества готовых отливок служат ГОСТы, действующие  технические условия, чертежи на отливку со специальными конструктивными  и технологическими требованиями к  ней. Действенность контроля во многом зависит от взаимосвязи работы контролера, принимающего отливки, со всеми звеньями службы ОТК, от получения контролером  своевременной и конкретной информации об отливке. Контролер, принимающий  продукцию, должен уметь предъявить исполнителю не только общие, но и  вполне конкретные требования. Лишь при  этом условии можно предупредить выпуск недоброкачественной продукции, полнее учесть требования технических  условий, оперативно повлиять на ход  производства.

Окончательный контроль продукции  выполняет контролер-приемщик. Однако некоторые функции этого контроля возложены на другие подразделения  ОТК и лаборатории. Но вся информация о требованиях к отливке поступает  к контролеру-приемщику.

В таблице 1 определены основные виды контроля отливок и их периодичность.

Таблица 1

Одной из основных и наиболее ответственных  работ, выполняемых ОТК, является контроль размерной точности, т.е. разметка. Помимо контрольно-измерительного инструмента, контролер-разметчик широко использует шаблоны и щитки. В настоящее время на предприятиях с высокой технологической оснащенностью используются 3-Д сканеры и контрольно-измерительные центры. В ряде случаев для проверки геометрических размеров внутренних камер отливки, измерения толщины стенок в труднодоступных местах или для проверки шероховатости внутренних поверхностей и отсутствия изъянов отливку разрезают. Этот способ контроля применяют выборочно, в основном в серийном производстве мелких и средних отливок, используют при запуске в производство модельных комплектов, а также для проверки точности исполнения отдельных элементов отливки и в других случаях. Периодичность разметки зависит от массы, размера партии, способа изготовления отливок и материала модельного комплекта. При периодичной разметке выявляют износ и неисправность модельных комплектов, определяют состояние опочно-плитовой оснастки.

Размерная точность отливки  определяется не только состоянием технологической  оснастки и особенностями технологического процесса, но и наличием литейных дефектов, влияющих на геометрические размеры  отливки. Помимо соответствия требованиям чертежа, наличие тех или иных литейных дефектов определяют механические свойства отливок, их гидропрочность и т.д.. Правильная идентификация дефектов обеспечивает установление истинных причин их возникновения, помогает правильно выбрать необходимые методы контроля для надежного выявления дефектов и разработать эффективные мероприятия по их устранению.

По ГОСТ 15467-79 дефектом называют каждое отдельное несоответствие

продукции установленным  требованиям. Изделие, имеющее хотя бы один дефект, называют дефектным. Это  означает, что как минимум один из показателей качества отливки  превысил предельно допустимое значение.

В зависимости от степени  пораженности дефектами все отливки подразделяют на четыре группы:

• годные, полностью отвечающие всем установленным требованиям технической документации и стандартов;
• условно годные, имеющие небольшие отклонения от установленных требований (малозначительные дефекты), не оказывающие существенного влияния на эксплуатационные показатели отливки или изделия в целом; отливки допускаются к дальнейшей обработке и используются по своему назначению с разрешения главных специалистов промышленных предприятий после тщательной оценки дефектов;
• исправимый брак - отливки, имеющие один или несколько устранимых дефектов, после исправления которых они могут быть допущены к дальнейшей обработке и использованию по назначению;
• неисправимый или окончательный брак - отливки, имеющие такие дефекты, исправление которых технически невозможно или экономически нецелесообразно, либо качество исправления которых невозможно проконтролировать. Забракованию подлежат отливки, имеющие хотя бы один неустранимый дефект.

Устранимость или неустранимость дефекта определяют применительно к конкретным условиям производства и ремонта. Дефекты подразделяются по разным признакам. Например, в зависимости от предрасположенности дефектов к обнаружению они могут быть явными и скрытыми. Явным является дефект, обнаруживаемый при внешнем осмотре (визуальном контроле), или дефект, для выявления которого в нормативной документации предусмотрены соответствующие инструментальные средства и методики. Несмотря на невозможность визуального обнаружения, такой дефект является явным, так как при использовании предписанной методики дефектоскопии он будет безусловно обнаружен. Скрытый дефект - это дефект, не обнаруживаемый при указанных выше условиях и не выявляемый предусмотренной для контроля аппаратурой. Скрытые дефекты иногда выявляются в процессе механической обработки отливок или в процессе эксплуатации изделий, а также при дополнительном дефектоскопическом контроле не предусмотренными в технологических картах методами и средствами. Наиболее нежелательно и опасно, когда скрытый дефект проявляется в процессе эксплуатации изделия, что может вызвать аварийную ситуацию.

Согласно ГОСТ 19200 – 80 дефекты отливок  из чугуна и стали подразделяют на пять основных групп (50разновидностей).

Первая группа дефектов – несоответствие по геометрии, определяет размерную точность отливок и включает в себя четырнадцать видов:

• Недолив - дефект в виде неполного образования отливки вследствие незаполнения полости формы металлом. Одной из основных причин недолива является недостаточное количество жидкого металла.
• Незалив - несоответствие конфигурации отливки чертежу вследствие износа модельной оснастки или дефектов формы. Причиной незалива может быть также нарушение технологических режимов заливки.
• Неслитина - сквозная щель или отверстие в стенке отливки, образовавшееся вследствие неслияния встречных потоков металла. Неслитина характерна для сплавов с широким интервалом кристаллизации и наблюдается обычно в тонких стенках отливок. Эти дефекты легко обнаруживаются при визуальном осмотре отливок. Основные причины неслитин: низкая температура заливаемого металла, низкая скорость заполнения формы металлом.
• Обжим - местное нарушение конфигурации отливки. Обжим обычно образуется вблизи плоскости разъема в виде прилива или утолщения произвольной формы. Образуется вследствие деформации формы из-за механических воздействий при ее сборке или заливке.
• Подутость - представляет собой местное утолщение отливки, возникшее вследствие расширения недостаточно уплотненной формы заливаемым металлом. Причина: низкая прочность формовочных либо стержневых смесей, слабое уплотнение форм либо стержней, высокое металостатическое давление.
• Перекос - дефект в виде смещения одной части отливки относительно осей или поверхностей другой части по разъему формы/модели вследствие их неточной установки (на ряде предприятий данный дефект называют сдвигом).
• Стержневой перекос - дефект в виде смещения отверстия, полости или части отливки, выполняемой с помощью стержня, вследствие его перекоса. Причины перекосов: дефекты оснастки (коробления, поломки и т.п.); неудовлетворительное состояние опочной оснастки и подмодельных плит (износ центрирующих элементов), некачественная сборка формы.
• Разностенность - увеличение или уменьшение толщины стенок отливки. Разностенность выявляется визуально или с помощью измерительных средств. Причины перекосов и разностенности: дефекты оснастки (коробления, поломки и т.п.); неудовлетворительное состояние опочной оснастки и подмодельных плит (износ центрирующих элементов), некачественная сборка формы. Кроме того, зачастую данные дефекты определяют несоответствие знаковых частей форм знакам стержней.
• Стержневой залив - дефект в виде залитого металлом отверстия или полости в отливке. Возникает из-за непроставленного в литейной форме стержня или его обрушения.
• Коробление - может проявляться в различных формах, наиболее характерным является появление вогнутости или выпуклости на плоских поверхностях отливок. Искажение конфигурации отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении отливки или вследствие деформации  модельной оснастки либо коробления литейных форм.
• Вылом - дефекты в виде нарушений конфигурации отливки при выбивке ее из формы, выбивке стержней, обрубке литников, зачистке отливок или их транспортировании. Причиной выломов может служить неправильный подвод металла к отливке, воздействие больших механических нагрузок на отливку ввиду её конструктивных особенностей и др..
• Зарез - дефект в виде искажения контура отливки при отрезке литников, обрубке и зачистке.
• Прорыв металла и уход металла – дефект в виде неполного образования или искажения формы отливки (прорыв), либо дефект в виде пустоты в теле отливки, ограниченный тонкой коркой затвердевшего металла (уход), образовавшиеся вследствие вытекания металла из формы при заливке либо по истечению некоторого времени. Причиной данных дефектов могут быть слабое крепление формы либо недостаточный вес груза, коробление форм либо их недостаточная прочность.

Вторая группа дефектов отливок  из стали и чугуна – дефекты поверхности, возникающие вследствие сложных физико-химических процессов, проходящих на границе раздела металл – форма. Данная группа включает в себя тринадцать видов дефектов:

• Пригар - специфический трудноотделяемый слой на поверхности отливки, возникший при взаимодействии расплавленного металла с материалом формы. Этот дефект образуется преимущественно на поверхности отливок из сплавов с высокой температурой плавления и при заливке в песчаные формы.
• Окисление - окисленный слой металла на поверхности отливки. Образовывается в результате достаточно длительной и высокотемпературной термической обработки.
• Газовая шероховатость – сферообразные мелкие углубления на поверхности отливки. Образовываются вследствие выделения газовых пузырьков на поверхности раздела металл – форма.
• Спай - дефект в виде углубления с закругленными краями на поверхности отливки. Образуются в месте слияния потоков металла с недостаточной температурой или в результате прерванной заливки.
• Плена - самостоятельный металлический или окисный слой на поверхности отливки, образовавшийся при недостаточно спокойной заливке.
• Складчатость - дефект в виде сморщенной поверхности – незначительных сглаженных возвышений и углублений. Образуется вследствие тепловых деформаций поверхностного слоя формы или затвердевающего металла, а также вследствие пониженной жидкотекучести металла.
• Вскип - дефект в виде скопления раковин и наростов. Подобные дефекты могут не только располагаться в теле отливки, но и выходить на поверхность. Образуются вследствие интенсивного парообразования в местах переувлажнения формы или стержня, а также вследствие переуплотнения формы.
• Ужимина - углубление с пологими краями, заполненное формовочной смесью и прикрытое слоем металла. Образовывается вследствие окисления формовочной смеси при тепловом расширении поверхностного слоя формы.
• Нарост - выступ произвольной формы на поверхности отливки. Образовывается при заполнении металлом разрушенного участка формы.
• Засор - внедрившиеся в поверхность металла комочки материала формы.
• Залив - тонкие металлические приливы. Основной причиной является проникновение металла в зазоры по разъему формы и знакам стержней.
• Просечка – невысокие, часто плоские прожилки металла. Возникают при затекании расплава в трещины формы.
• Грубая поверхность – сферообразные углубления на поверхности отливки, схожие с газовой шероховатостью, но по своим параметрам превышающая допустимые нормы. Образовываются вследствие выделения газовых пузырьков на поверхности раздела металл – форма.

Третья группа дефектов – несплошности в теле отливки. Это внутренние дефекты различного вида и происхождения, наиболее многочисленны и наиболее опасны из-за последствий, возникающих при эксплуатации отливок.

• Горячая трещина - дефект в виде разрыва или надрыва тела отливки по границам кристаллов, поэтому она имеет извилистую или ломаную форму и неровную окисленную поверхность. Горячие трещины образуются вследствие затрудненной усадки в интервале температур затвердевания сплавов и располагаются чаще всего во внутренних углах сходящихся стенок или других подобных узлах отливки.
• Холодная трещина – дефект в виде разрыва тела затвердевшей отливки, отличается сравнительно гладкой светлой поверхностью и, как правило, имеет прямолинейную форму. Дефект образуется в твердом металле в местах наибольшего воздействия внутренних напряжений, т.е. в зонах перехода от толстых сечений к тонким.
• Межкристаллическая трещина - дефект в виде разрыва тела отливки. Возникает при охлаждении отливки в форме на границах первичных зерен аустенита в температурном интервале распада.
• Усадочная раковина – дефект в виде открытой или закрытой полости, образующейся в тепловых узлах отливки. Поверхность такой раковины обычно грубая, иногда окисленная. Причиной является затрудненное питание отливки.
• Усадочная пористость представляет собой скопление мелких пор в тепловых узлах. Усадочная пористость образуется из-за недостаточного питания отливки при усадке металла во время его затвердевания.
• Рыхлота – дефект в виде скопления мелких (микроскопических) усадочных раковин.
• Утяжина – дефект в виде углубления с закругленными краями на поверхности. Причиной является недостаток питания отливки, образуются обычно в массивных частях отливки вследствие усадки металла.
• Газовая раковина - дефект в виде открытой или закрытой полости, но в отличие от усадочной имеющий сферическую форму и гладкую чистую поверхность. Образуется газами, попавшими в отливку при взаимодействии жидкого металла с материалом формы или выделившимися из металла при его затвердевании.
• Газовая пористость – дефект в виде мелких пор. Образуется в результате выделения газа из металла при его затвердевании.
• Ситовидная раковина (ситовидная пористость) - скопление удлиненных тонких раковин, расположенных в подповерхностном слое отливки и ориентированных перпендикулярно к ее поверхности. Обычно их появление вызвано повышенным содержанием водорода в кристаллизующемся слое металла.
• В чугунных отливках может образовываться графитовая пористость в виде сосредоточенных крупных выделений графита, которые нарушают герметичность отливки при работе под давлением газа или жидкости.
• Песчаная раковина - полость, частично или полностью заполненная формовочным материалом.
• Шлаковая раковина – полость, частично или полностью заполненная шлаком.
• Поверхностное повреждение – случайные повреждения поверхности во время выбивки отливок или транспортирования. При этом образуются различные дефекты в виде забоин, вмятин и т. п.
• Залитый шлак – дефект в виде частичного заполнения литейной формы шлаком.
• Непровар жеребеек – дефект в виде несплошности соединения металла отливки с поверхностью жеребеек (холодильников). Образуется вследствии загрязнения жеребеек, несоответствии их масс, понижении температуры заливаемого металла.

В группу включения входят дефекты в виде инородных металлических или неметаллических частиц, попавших в металл механическим путем.

• Металлические включения – дефект в виде инородного металлического включения, имеющего поверхность раздела с отливкой.
• Неметаллические включения – дефект в виде неметаллической частицы, попавшей в металл механическим путем либо образовавшееся в результате химического взаимодействия компонентов при расплавлении и заливке металла.
• Королек – дефект в виде шарика металла, отдельно застывшего и несплавившегося с отливкой. Образуется в результате затвердевания брызг металла при неправильной заливке.

Для отливок с тонкими стенками и массивными узлами специфичны дефекты группы несоответствие по структуре:

• Отбел - твердые трудно поддающиеся механической обработке участки отливки из серого чугуна, вызванные скоплением структурно свободного цементита. Они характерны для тонких сечений отливок (стенок, ребер и т.п.). Возникают при ускоренном охлаждении, но могут быть связаны с отклонениями химического состава. По существу, это появление структуры белого чугуна в сером чугуне.
• Половинчатость – появление структуры серого чугуна (графита) в отливках из белого чугуна. Характерна для массивных участков отливок. Возникает при пониженных скоростях охлаждения.
• Ликвация – местное обогащение участков отливки одним или несколькими компонентами сплава или примесями. Различают внутрикристаллическую (дендритную) ликвацию, проявляющуюся в обогащении границ зерен ликвируюшими элементами и образовании неравновесных структурных составляющих; зональную ликвацию - неоднородность химического состава в макрообъёмах отливки: ликвацию по плотности, связанную с различием плотности жидких фаз или твердой и жидкой фаз сплава. Возникает в результате избирательной кристаллизации при затвердевании.
• Флокен – дефект в виде разрыва тела отливки в результате избыточного содержания водорода в стали и под действием внутренних напряжений. В изломе отливки флокен имеет вид пятна матового цвета с гладкой поверхностью.

Несоответствие структуры отливок  во многих случаях рассматривается  более широко. Для ответственных  отливок может регламентироваться не только микро-, но и макроструктура, а в микроструктуре могут регламентироваться размер, форма и равномерность распределения различных структурных составляющих, соотношение фаз и т.п. Для каждого сплава несоответствие (несовершенство) структуры носит сугубо индивидуальный характер. Для выявления этих дефектов используются методы металлографического анализа и физические структурно-чувствительные методы неразрушающего контроля. Ликвационные дефекты выявляются также химическим анализом путем отбора проб из разных участков отливки или методами микролокального химического анализа.

Необходимо отметить, что в классификации  дефектов по ГОСТ 19200-80 отсутствуют  определения дефектов типа несоответствия химического состава, несоответствия механических свойств, несоответствие макро- и микроструктуры, несоответствие массы и др. . Это не следует понимать в том смысле, что указанные отклонения перестали играть какую-либо роль в оценке качества отливок. Напротив, внимание к ним повысилось и они были выведены за рамки понятия "литейный дефект", стали самостоятельным браковочным признаком. Особо важное значение соответствие состава и свойств приобретает для ответственных отливок из специальных высоколегированных сплавов. Несоответствие свойств обычно можно рассматривать как вторичное явление, т. е. как следствие влияния литейных дефектов и отклонений химического состава при их раздельном или совместном влиянии. На ряд ответственных отливок общего машиностроения разработаны специальные ГОСТы, в которых установлены допустимые нормы по дефектности отливок, указаны механические характеристики сплава и требования, предъявляемые к его структуре, а также даны рекомендации по набору методов контроля. В ряде отраслей, выпускающих форсированные, высокоскоростные, сильно нагруженные машины и отливки для них (ж. д. транспорт, подъемники для людей, авиация, автостроение и т. п.), требуется проведение большого комплекса испытаний как свойств материала, так и самих отливок. Также повышенные требования к контролю качества предъявляются к изделиям с особыми свойствами: работа при повышенных и пониженных температурах, немагнитные, с высокой демпфирующей способностью и т. п..

Для реализации описанных выше видов контроля отливок и выявления дефектов используют неразрушающие и разрушающие методы контроля.

• Разрушающие методы контроля сопровождаются полным или частичным разрушением отливки или специально прилитой к ней пробы. Такие методы контроля дороги и трудоемки, поэтому применяются для выборочного контроля отдельных отливок.
• Методы неразрушающего контроля позволяют выявить дефекты и определить качество материала отливки без ее разрушения. Этими методами можно контролировать все без исключения отливки. Неразрушающий контроль отливок является наиболее предпочтительным.

Выбор метода контроля определяется габаритом отливок и их массой, склонностью отливок к образованию того или иного литейного дефекта, техническими требованиями и условиями эксплуатацииизделий и т.д. Также учитывают возможность использования того или иного оборудования в цехе, продолжительность и безопасность контроля для обслуживающего персонала и смежных участков производства.

Для контроля качества отливок широко применяют радиографические методы дефектоскопии. К ним относятся рентгенография, гаммаграфия и бетатронография. В рентгенографии в качестве источника излучения используют рентгеновскую трубку, в гаммаграфии - радиоактивные изотопы, в бетатронографии - бетатрон. Общим для них является приемник излучения, в качестве которого применяют радиографическую пленку или пластинку.

Для контроля качества отливок  чаще всего применяют рентгенографию и гаммаграфию. При гамма-дефектоскопии используют различные стационарные и переносные гамма-аппараты, ими просвечивают отливки из стали с толщиной стенок до 60 мм, из легких цветных сплавов - до 120 мм. Бетатрон применяют для контроля стальных отливок с толщиной стенок 100÷500 мм, титановых -175÷800 мм, алюминиевых 280÷1400 мм и магниевых - 450÷2000 мм.

При люминесцентной дефектоскопии отливки погружают на некоторое время в раствор, состоящий из керосина, бензина и минерального масла, к которому подмешано флуоресцирующее вещество (дефектоль, люминофор), способное светиться при облучении его ультрафиолетовым излучением. Вынутую из такого раствора отливку промывают, сушат и обсыпают порошком окиси магния или другого вещества, способного впитывать жидкость. После этого отливку подвергают облучению ртутно-кварцевой лампой. Если отливка не имеет трещин, то она при облучении остается темной. Если же в отливке есть поверхностные трещины, то они начинают светиться голубоватым или зеленоватым светом.

Для цветной дефектоскопии приготовляют раствор, состоящий из керосина, трансформаторного масла и скипидара. В этот раствор добавляют органический краситель (судан). Проверяемую отливку не менее чем на 30 мин погружают в этот раствор, а после извлечения промывают сильной струей воды. Пульверизатором или кистью покрывают отливку тонким слоем каолина (белая глина) или раствором мела и сушат при температуре 100—120°С. После того как каолин или мел впитает в себя раствор из трещин и высохнет, на белой поверхности отливки выявляются тонкие ярко-оранжевые линии, показывающие место нахождения трещин.

Ультразвуковая дефектоскопия основана на возбуждении и распространении в контролируемом сплаве упругих механических колебаний с частотой более 20 кГц. В практике контроля применяют несколько различных ультразвуковых методов: теневой, резонансный и эхо-метод.

При теневом методе источник и приемник ультразвуковых колебаний размещают  с разных сторон стенки отливки. При  отсутствии в ней дефектов сигнал на выходе приемника сохраняется  неизменным.

Резонансный метод основан на распространении  в отливке волн, которые возникают  при совпадении собственной частоты  объекта и частот возбуждаемых в  нем колебаний. Такой метод используют для измерения толщины стенок, а также для выявления дефектов отливок.

Эхо-метод использует способность  ультразвуковых волн отражаться от границ раздела сред, т. е. и от дефектов. Источник ультразвуковых колебаний  одновременна используется и как приемник. Время, по истечении которого эхо-сигнал возвращается на головку приемника, зависит от глубины залегания дефекта. Этот метод позволяет не только выявить нарушения сплошности, но и определить, где и на какой глубине находится дефект.

При магнитной дефектоскопии для определения дефектов в отливках применяют несколько методов. Один из методов основан на том, что предварительно намагниченную отливку помещают между полюсами электромагнита или в магнитном поле соленоида,, по которому пропускают ток. Если такую катушку передвигать вдоль намагниченной отливки, то при наличии дефекта изменяется направление магнитного потока и в витках катушки возникает э. д. с. индукции, величина которой измеряется гальванометром. По показаниям гальванометра и судят о месте нахождения дефекта отливки.

При другом магнитном способе обнаружения  дефектов намагниченную отливку  покрывают сухим порошком или  смачивают жидкой магнитной эмульсией. Нанесенные на поверхность отливки  порошок или эмульсия собираются в месте расположения скрытого дефекта  и выявляют таким образом его границы.

Пневмоиспытание производят под давлением воздуха до 6 кгс/см². Перед испытанием наружную поверхность отливки покрывают мыльным раствором. Негерметичность полостей отливки выявляют по мыльным пузырям, свидетельствующим о наличии сквозных пор или отверстий.

Гидроиспытание отливок производят под давлением воды от 8 до 100 кгс/см². Запотевание стенок отливки свидетельствует о наличии течи.

Спектральным и химическим анализом определяют химический состав отливок. Для этого используют литник отливки или образец для механических испытаний, иногда пробу, которую берут непосредственно из плавильной печи, заливочного ковша и при заливке расплава.

Механические испытания отливок могут проводиться полностью, частично или не проводиться совсем. Например, при контроле качества ответственных по назначению отливок из серого чугуна проверяют изгиб, стрелу прогиба, твердость, предел прочности на растяжение и иногда на сжатие. Для испытания отливают специальные образцы, из которых вытачивают пробы для механических испытаний. Иногда образцы для испытаний вырезают из отливок. Так как в этом случае происходит разрушение отливки, то техническими условиями или другим документом заранее устанавливается размер партии отливок, от которой берется одна для изготовления из нее образцов.

По структуре сплава можно судить о свойствах отливки. Структуру сплава устанавливают при рассмотрении специально приготовленных образцов (шлифов) невооруженным глазом (макроанализ) или под металлографическим микроскопом с увеличением в 100—500^х (микроанализ).

Таким образом, обеспечение высокого качества отливок требует наряду с организационно-техническими мероприятиями широкой и строгой системы контроля. Контроль производится в различном объеме в зависимости от конкретных условий и требований. При индивидуальном и мелкосерийном производстве крупных и средних по массе, но сложных по конструкции отливок, порядок и перечень контрольных операций может существенно расширяться, что также важно при освоении массового производства. При хорошо отлаженном производстве, стабильности качества исходных материалов, неизменности технологического процесса контроль качества может быть существенно сокращен введением выборочной проверки и проверки по графикам.