Отливки: не просто кусок металла, а история с дефектами и допусками 

Когда говорят отливки, многие представляют просто грубую заготовку, которую потом долго и нудно обрабатывать. Вот в этом и кроется первый, самый живучий миф. Будто бы литьё — это что-то простое и устаревшее, где главное — расплавить металл и вылить в форму. На деле, качественная отливка — это уже на 80% готовое сложное изделие, где каждая полость, каждый ребро жёсткости, каждый литник рассчитаны и отработаны, часто дороже, чем сама последующая мехобработка. Особенно это касается ответственных узлов, например, для лесозаготовительной техники или насосного оборудования, где ударные нагрузки и абразивный износ — обычное дело. Тут уже не до грубой заготовки, тут каждый килограмм металла на счету, и каждый внутренний дефект может вылиться в остановку всей линии у клиента.

Материал: выбор, который определяет всё

Вот смотришь на спецификацию: корпус насоса, материал GX130CrNiSi 25-5-2. Для непосвящённого — просто набор букв и цифр. А на практике это означает высокохромистый износостойкий чугун, который должен работать в пульпе с песком. И самая частая ошибка на этапе выбора — попытка сэкономить на материале, заменив его на более дешёвую углеродистку с поверхностной упрочняющей обработкой. В лабораторных условиях, может, и прокатит. А в реальности, на морозе в порту, когда этот корпус от насоса для перекачки балласта испытывает циклические термоудары, дешёвая сталь даёт трещину по телу отливки уже через полгода. Дорогостоящий простой. Мы в своё время тоже наступили на эти грабли, пытаясь предложить более бюджетное решение для одного заказчика в нефтехимии. Сэкономили ему на закупке, но потеряли репутацию, когда отливка кронштейна для трубной обвязки не выдержала вибрации.

Поэтому сейчас в приоритете чёткое следование материалу. Углеродистая сталь для несущих, но не изнашивающихся элементов металлургического оборудования — да. Высоколегированная жаропрочная сталь для печной арматуры — без вариантов. А вот для тех же зубьев ковшей или корпусов шламовых насосов — только высокохромистые чугуны, вроде тех, что использует ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье. На их сайте https://www.www.xszgsteel.ru видно, что они это понимают, делая акцент на материалы для тяжёлых условий работы. Это правильный подход. Потому что отливка живёт в конкретной среде: кислота, щёлочь, трение, температура. И материал — это её иммунитет.

И ещё нюанс по материалам, который часто упускают из виду в техзаданиях — свариваемость отливки. Допустим, отлили массивную ступицу для колеса дорожно-строительной машины. Вроде бы всё по чертежу. А потом на объекте её нужно приварить к конструкции. И если химический состав не был скорректирован под сварку (углеродный эквивалент завышен), по шву пойдут трещины. Это уже не дефект литья, а дефект проектирования, но отвечать-то всё равно литейщику. Поэтому сейчас мы всегда запрашиваем у клиента полный цикл будущей жизни детали: будут ли её варить, наплавлять, подвергать термообработке после литья. Это спасает от многих неприятных разговоров потом.

Технология формования: песок против него же

Все знают про песчаные формы. Но песок — это как металл, общее понятие. Холоднотвердеющая смесь (ХТС) на фурфуроле, жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС), песчано-глинистые смеси с естественной сушкой — это абсолютно разные миры по точности и чистоте поверхности отливки. Для серийных корпусов судовых насосов, где важна повторяемость и минимальная припуска на обработку, идеален процесс в оснастке с ХТС. Поверхность получается чистой, облой минимальный. Но сам процесс — вонючий (это про фурфурол) и требует хорошей вентиляции. А вот для единичной, крупногабаритной отливки, скажем, опорной рамы для портального крана, часто идут по пути ЛГМ (модели из пенополистирола) в обычном песке. Быстро, дёшево для одного экземпляра, но поверхность будет с повышенной шероховатостью и риском попадания зёрен педа в тело отливки. Выбор — всегда компромисс между экономикой, качеством и сроком.

Один из наших провалов был связан как раз с неверным выбором технологии формования. Делали крупную крышку для реактора в нефтехимии из нержавейки. Решили сэкономить на оснастке и сделали форму по-простому, в сыром песке. Отливку, вроде, получили. Но после термообработки пошли микротрещины по поверхности. Причина — низкая газопроницаемость формы, металл задохнулся, плюс повышенное содержание водорода. Пришлось переливать, но уже с использованием сухой песчаной формы с надлежащим прокалом. Сроки сорваны, убытки наши. Зато урок усвоен на всю жизнь: для ответственных и, особенно, из нержавеющих сталей — только высококачественные смеси и контролируемая атмосфера формы.

Сейчас много говорят про 3D-печать форм и стержней. Технология, безусловно, прорывная для прототипирования и сложно-конфигурированных отливок. Но в серийном производстве, например, для той же лесозаготовительной техники, где нужны тысячи одинаковых ковшей или зубьев, её рентабельность под большим вопросом. Скорость построения формы пока не конкурент традиционной оснастке. Но для одной-двух штук, когда нужно проверить конструкцию — идеально. Мы пробовали заказать таким способом сложный комбинированный стержень для литого коллектора. Получилось точно, без стыков, что исключило возможную засвистовку металла на месте соединения частей стержня. Дорого, но для той задачи — оправданно.

Горячая часть: плавка, модифицирование, разливка

Здесь царство металлургов. Казалось бы, всё просто: выдержал температуру, выдержал химию по плавке — и лей. Ан нет. Самый критичный этап — раскисление и модифицирование жидкого металла перед разливкой. Особенно для чугунов. Можно получить идеальный по химии высокохромистый чугун, но если неправильно ввести модификатор (силикокальций, ферросилиций) или не обеспечить нужное время выдержки, графит в структуре встанет не той формы. Вместо изолированных шариков (что даёт вязкость) получишь пластины — материал станет хрупким. Контроль — по микроструктуре эталонной отливки-свидетеля. Без опытного технолога-металлурга здесь делать нечего.

Разливка — тоже искусство. Температура литья. Скорость заполнения формы. Если лить быстро и горячо — повышенная усадочная раковина, риск горячих трещин. Если лить медленно и остывшим металлом — недоливы, спаи, шлаковые включения. Для каждой конфигурации отливки, для каждой марки стали — свой режим. Универсальных рецептов нет. Помню случай с отливкой износостойкой плиты для грохота. Материал — легированная сталь 110Г13Л (гадфильд). Залили чуть ниже рекомендуемой температуры. Вроде, форма заполнилась. Но после выбивки увидели сетку холодных трещин по всей рабочей поверхности. Металл не успел срастись в тонких сечениях. Переделали, подняв температуру на 30°C и предварительно нагрев форму. Всё получилось.

И, конечно, питатели и прибыли. Их расчёт — это магия, основанная на опыте и компьютерном моделировании (хотя симуляция литья всё ещё часто врет по мелочам). Прибыль должна застывать последней, питая усадку в теле отливки. Неправильно рассчитал — получи концентрированную усадочную раковину прямо в массивной части детали, которую потом не заваришь. Мы для новых сложных отливок всегда делаем пробные заливки с разным расположением прибылей, потом пилим их и смотрим макроструктуру. Дорого, но дешевле, чем забраковать всю партию.

Мехобработка: где теория встречается с реальностью

Вот отливка остыла, прошла термообработку (если нужно) и попала в механический цех. И тут начинается самое интересное. Чертеж говорит одно, а реальная усадка и коробление отливки — другое. Особенно это касается крупногабаритных и тонкостенных изделий. Базирование для первой операции — головная боль. Неточное литьё может съесть весь припуск с одной стороны и оставить его с избытком с другой. Хороший литейщик всегда закладывает неравномерный припуск, зная, как поведёт себя деталь в форме. Но даже это не спасает на 100%.

Ещё один бич — скрытые дефекты: раковины, песчаные раковины, неметаллические включения. Они могут вскрыться уже на финишной стадии обработки, когда в деталь вложено много часов станко-времени и труда. У нас был прецедент с валом насоса из нержавеющей стали. После токарной и шлифовки, при финальном УЗК, обнаружили цепочку включений в критичном сечении под прессовой посадкой подшипника. Деталь — в брак. Расследование показало, что при разливке в ковше был захвачен шлак. С тех пор на все ответственные отливки внедрили дополнительный контроль металла в ковше перед разливкой и фильтры в литниковой системе.

Взаимодействие с механиками должно быть постоянным. Иногда небольшая корректировка чертежа литья (добавить технологический буртик для базирования, сместить плоскость разъема формы) на этапе проектирования сэкономит кучу времени и денег на обработке. Идеально, когда конструктор консультируется с литейщиком до финализации чертежей. К сожалению, так бывает нечасто. Чаще приносят готовый чертёж детали после обработки и говорят: Сделайте отливку под это. И начинается долгая работа по обратному инжинирингу, добавлению усадки, припусков, разработке технологии литья.

Контроль: не для галочки, а для сна

Визуальный, размерный, ультразвуковой, капиллярный контроль. Для каждой отливки — свой набор, прописанный в ТУ или стандарте. Но формальное следование инструкции — путь к катастрофе. Контроль должен быть выборочным, но умным. Если видишь на макрошлифе в одном месте неидеальную структуру, нужно проверить УЗК именно в этой зоне и вокруг неё, даже если по карте контроля эта точка не предусмотрена. Опытный мастер ОТК по звуку молотка, которым он простукивает отливку, может определить зону несплошности. Это не панацея, но первый фильтр.

Самый объективный, но и дорогой метод — рентгеновский контроль. Его применяют для критичных отливок в энергетике или авиации. В нашей сфере (порт, дорожная техника) чаще обходятся УЗК и цветной дефектоскопией. Но есть нюансы. Например, высокохромистые чугуны имеют крупнозернистую структуру, которая сильно рассеивает ультразвук. Стандартные настройки дефектоскопа для стали тут не работают. Нужны специальные датчики с низкой частотой и свои калибровочные образцы с искусственными дефектами, сделанными из того же материала. Без этого можно либо пропустить дефект, либо, наоборот, забраковать годную отливку из-за шумовой картинки.

Итоговый контроль — это всегда ответственность. Поставив клеймо на отливку, ты как бы говоришь: Эта деталь готова нести нагрузку. Поэтому лучше перебдеть. Мы однажды отгрузили партию стандартных зубьев для экскаватора, пропустив мельчайшую трещину на тыльной стороне (не несущей нагрузки). Через месяц пришла рекламация: зуб сломался, клиент простаивал. Трещина стала очагом усталостного разрушения. С тех пор даже на, казалось бы, простые и дешёвые позиции контроль ужесточили. Репутация дороже.

В конце концов, производство отливок — это не конвейер. Это цикл постоянных решений, компромиссов и борьбы с природой металла, который хочет застыть и сжаться так, как ему удобно, а не так, как нужно нам. Универсальных решений нет, есть накопленный опыт, подкреплённый (а иногда и опровергнутый) теорией. Компании, которые это понимают, как та же ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье, фокусируясь на конкретных отраслях и материалах, имеют больше шансов делать действительно работающие изделия, а не просто куски металла. Потому что в нашей сфере плохая отливка — это не просто брак в цеху, это потенциальная авария на объекте у заказчика. И эту мысль нельзя терять ни на минуту.