Введение

Для успешной реализации стратегических направлений развития в области создания конструкций из материалов с низкой плотностью и стабильными прогнозируемыми характеристиками, а также их безопасной эксплуатации актуальными являются разработка и внедрение современных методов оценки качества литья и способов восстановления герметичности отливок с использованием материалов нового поколения [1-10].

Характерной особенностью промышленных литейных магниевых сплавов системы магнийалюминийцинк (МЛ5 и МЛ5п.ч.) является склонность к образованию микрорыхлот [11-16].

При производстве крупно- и среднегабаритных отливок в зонах, имеющих значительное изменение сечений, могут иметь место микрорыхлоты. В технической документации на литье наличие микрорыхлот предусматривается как допустимый дефект при условии сохранения механических свойств.

Обнаружить микрорыхлоты в отливках можно путем просмотра изломов деталей или образцов, исследования микро- и макроструктуры сплава [17-21]. Изучая излом детали, можно определить расположение микрорыхлот в отливке, их характер и интенсивность. Этот метод не может быть использован для массового контроля, так как для его проведения необходимо разрушение детали. Он может быть применен для выявления качества отливок при периодическом или выборочном контроле.

Исследование микро- и макроструктуры позволяет определить форму микрорыхлот и расположение их относительно кристаллизующихся в сплаве фаз, а также оценить интенсивность микрорыхлот.

Контроль методом рентгеновского просвечивания [22-24] позволяет определить положение и распределение микрорыхлот, не разрушая отливку, а также их характер и интенсивность, что весьма важно для использования этого метода как метода массового контроля.

Материалы и методы

Рентгеновский контроль проводили в соответствии с ОСТ1 90427 [25] и производственной инструкцией ПИ 1.2.226-2008 [26]. Режимы и параметры средств рентгеновского контроля четырех групп отливок из магниевых сплавов разрабатывали в соответствии с требованиями ПИ 1.2.226-2008.

Термическую обработку образцов, вырезанных из отливок, проводили по режиму Т4 в соответствии с ОСТ1 90121 [27].

Механические свойства при растяжении (σ_в, σ_0,2, δ) образцов, вырезанных из отливок, при комнатной температуре определяли в соответствии с ГОСТ 1497 [28].

Фрактографический анализ изломов образцов из сплава МЛ5 выполнен на электронном сканирующем микроскопе фирмы Jeol.

Результаты

При разработке «шкалы микрорыхлот» детали, имеющие микрорыхлоты, обнаруженные рентгенографическим методом, подвергали термообработке по стандартному режиму Т4.

Участки, пораженные микрорыхлотами, и близлежащие «здоровые» зоны вырезали и проводили повторный рентгенографический контроль. Заготовки образцов для механических испытаний вырезали из бездефектных и дефектных фрагментов детали в двух направлениях (вдоль и поперек расположения слоев микрорыхлот). Изготовленные образцы подвергали рентгеновскому контролю для определения количества и расположения микрорыхлот в образце. После испытания изломы образцов тщательно изучали и определяли количество микрорыхлот (в процентах от площади сечения излома).

Полученные рентгеновские снимки разбивали на четыре группы в зависимости от радиационной толщины* отливки:

– I группа - более 30 мм;

– II группа - от 20 до 30 мм;

– III группа - от 10 до 20 мм;

– IV группа - от 4 до 10 мм.

Каждую группу классифицировали по интенсивности микрорыхлот (слабой, средней и сильной степени).

Установить строгую зависимость между микрорыхлотами и механическими свойствами (пределом прочности, относительным удлинением) при испытании при растяжении образцов, вырезанных из отливок, не представляется возможным. Прочностные характеристики отливки зависят не только от наличия или отсутствия микрорыхлот, но и от состава сплава, размера зерна, качества термической обработки, наличия в отливке других дефектов (например, шлаков) и ряда других причин.

С учетом вышеизложенного выяснения влияния микрорыхлот на механические свойства отливок исследовано большое количество деталей различных конфигурации и габарита с неодинаковой интенсивностью микрорыхлот. Анализ данных по исследованию деталей из сплава МЛ5 показал, что механические свойства отливок при установившемся технологическом процессе производства зависят, главным образом, от толщины стенки испытываемой детали и наличия микрорыхлот.

Испытание механических свойств позволило установить, насколько микрорыхлоты снижают механические свойства относительно «здоровых» мест, т. е., что существенное значение имеет степень поражения микрорыхлотами испытуемого образца.

Разработана «Шкала микрорыхлот для отливок из магниевых сплавов МЛ5 и МЛ5п.ч.».

Шкала устанавливает зависимость между интенсивностью изображения микрорыхлоты при рентгеновском просвечивании отливки из сплава МЛ5 и механическими свойствами (пределом прочности и относительным удлинением) этой отливки по месту дефекта.

Данная шкала предлагается как эталон при оценке качества по результатам рентгеновского контроля отливок из сплавов МЛ5 и МЛ5п.ч., имеющих микрорыхлоты. Она состоит из 12 эталонных рентгенограмм с изображением образцов магниевых сплавов МЛ5 и МЛ5п.ч. Образцы выбраны из большого количества деталей различных размеров, с различными толщинами стенок и степенью поражения микрорыхлотами.

На эталонных рентгеновских снимках представлены изображения четырех групп отливок толщиной: более 30, 20–30, 10–20 и 4–10 мм (по три в каждой группе). На каждом из трех снимков, входящих в одну группу, представлено рентгенографическое изображение отливки с микрорыхлотой слабой, средней и сильной степени. Каждому изображению микрорыхлоты на рентгеновском снимке соответствует типичная для него микроструктура.

Для каждой степени микрорыхлот установлен разброс механических свойств (предела прочности) и построены кривые их распределения. В таблицах, помещенных совместно с кривыми распределения свойств, указан процент образцов, показавших соответствующие значения предела прочности.

Для отливок толщиной 4–30 мм, за исключением отливок толщиной более 30 мм, приведены значения механических свойств, полученных при испытании образцов, вырезанных поперек расположения слоев с микрорыхлотами.

–––––––––––––––––

* Под радиационной толщиной понимают толщину объекта контроля в направлении оси пучка рентгеновского излучения.

Образцы, вырезанные вдоль расположения слоев с микрорыхлотами, показывают, как правило, более высокое значение предела прочности, чем образцы, вырезанные поперек расположения слоев с микрорыхлотами.

Механические свойства (средние значения) отливок различных групп и интенсивности микрорыхлот приведены в таблице.

Предел прочности и относительное удлинение деталей, пораженных микрорыхлотами (средние значения)

Сопоставление приведенных данных показывает, что механические свойства (предел прочности и относительное удлинение) отливок с тонким сечением стенок выше, чем механические свойства отливок с толстым сечением стенок, что объясняется различием в размерах зерна сплава.

Графики кривых частоты для предела прочности построены на основании испытаний – от 80 до 400 образцов на одну кривую.

Построить графики кривых частоты для относительного удлинения не удалось ввиду разброса данных, поэтому значения относительного удлинения выведены как среднее арифметическое из количества испытанных образцов.

При практическом применении «шкалы микрорыхлот» оценку микрорыхлоты в контролируемой отливке осуществляют следующим образом:

‒ из альбома шкалы выбирают рентгенограмму с изображением эталонных образцов, толщина которых составляет (1–1,2) от толщины контролируемой отливки;

‒ путем визуального сравнения изображений эталонных образцов шкалы и контролируемой отливки по их максимальному подобию устанавливают степень микрорыхлоты в объекте контроля.

Для данной группы интенсивности микрорыхлот (см. таблицу) определяют средние механические свойства. Разброс значений свойств в зависимости от толщины детали представлен соответствующими кривыми на рис. 1. Полученные значения механических свойств сопоставляют с данными ТУ на отливку и принимают решение о ее годности.

 Рисунок 1. Кривые частоты предела прочности для отливок с толщиной стенки более 30 (а); от 20 до 30 (б); от 10 до 20 (в) и от 4 до 10 мм (г) с интенсивностью микрорыхлоты: (‒ ‒ ‒) – слабой; (‒‒‒‒) – средней; (- - - -) – сильной степени

Для практического применения данной «шкалы микрорыхлот» необходимо, чтобы в ТУ на каждое изделие или деталь была регламентирована допустимая степень микрорыхлоты, либо конструктором или технологом предприятия, производящего продукцию, должны быть установлены разбраковочные нормы при контроле отливок.

Результаты фрактографического анализа изломов образцов, выполненного на электронном сканирующем микроскопе фирмы Jeol, представлены на рис. 2.

  Рисунок 2. Внешний вид излома образца из сплава МЛ5: а – общий вид излома (×3,5); б ‒ микрорыхлота в изломе (×200); в – микрорыхлота в изломе (×500); г – пустоты между участками с микрорыхлотой (×100)

 Способы восстановления герметичности отливок

Микропоры в литых заготовках и деталях могут приводить к ухудшению прочностных характеристик деталей и узлов машин, вплоть до их полной непригодности к эксплуатации.

Отливки с преобладанием сильной степени микрорыхлоты и других недопустимых дефектов подлежат переплаву, так как дефекты влияют на прочность и целостность изделия. Микропористость (наличие зон с микрорыхлотой слабой и средней степени) незначительно воздействует на эти параметры и подлежит устранению путем пропитки в соответствии ОСТ1 90248 [29]. Сложность решения этой задачи связана с тем, что на процесс устранения пор в отливках оказывают влияние много специфически значимых факторов. Практически могут быть устранены те поры, диаметр которых меньше их длины. В данном случае более успешно работают анаэробные герметики с низкой вязкостью, так как вязкость характеризует способность композиции заполнять поры. Например, размер пор, которые можно легко устранить в толстостенных отливках, может сильно отличаться от размеров пор в тонкостенных отливках. Это связано с тем, что «вымывание» герметика после процесса пропитки легче происходит из пор тонкостенных деталей [30]. При этом нужно учитывать скорость полимеризации, которая зависит от химического состава пропитывающего материала, продолжительности набора рабочей и полной прочности, а также размера и протяженности пор [31].

Из существующих методов пропитка методом вакуум-давления является наиболее эффективной благодаря тому, что создаваемое в автоклаве предварительное разрежение способствует более глубокому проникновению герметизирующего материала в поры отливки вследствие уменьшения возможного противодавления воздуха, оставшегося в порах после проверки герметичности. Вместе с тем уменьшается возможность искажения герметизирующей пробки в результате расширения этого воздуха при нагреве детали или образца в процессе отверждения герметизирующего состава.

Для устранения микропор в отливках из магниевых сплавов МЛ5 и МЛ5п.ч. разработаны технологические параметры герметизации пропиточными составами Анакрол-90 и КП-ГС-55, представляющими собой жидкие однородные композиции, стойкие при хранении к воздействию кислорода воздуха. Они способны к полимеризации в микродефектах с образованием твердого продукта, не вызывают снижения коррозионной стойкости и адгезии лакокрасочных покрытий.

Обсуждение и заключения

«Шкала микрорыхлот» внедрена в производство для неразрушающего контроля серийных отливок. Благодаря четкому разграничению микрорыхлот по степеням «рентгеновская шкала» удобна в работе.

С целью повышения эффективности и снижения трудоемкости процесса герметизации отливок из магниевых сплавов МЛ5 и МЛ5п.ч. рекомендуются при пропитке методом вакуум-давления эффективные пропиточные составы Анакрол-90 и КП-ГС-55.

Коллектив авторов выражает благодарность сотрудникам ФГУП «ВИАМ»:
Н.А. Михайловой, принявшей участие в разработке режимов рентгеновского контроля отливок; Л.В. Морозовой за выполнение фрактографического анализа отливок. Благодарим также коллективы ООО «НПП „Сатурн”» (разработчики пропиточных составов марки «Анакрол») и ОАО «Дельтапласт» за сотрудничество в исследовании и отработке технологических процессов герметизации отливок новыми пропиточными составами.