SML / Лекция_6

120

6 ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЛИТЬЕ

6.1 Суть способа. Основные операции и область использования

Принцип центробежного литья заключается в том, что заполнение формы расплавом и формирование отливки происходят при вращении формы вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси, либо при ее вращении по сложной траектории. Этим достигается дополнительное воздействие на расплав и затвердевающую отливку поля центробежных сил. Процесс реализуется на специальных центробежных машинах и столах.

Чаше используют два варианта способа, в которых расплав заливается в форму с горизонтальной или вертикальной осью вращения. В первом варианте получают отливки – тела вращения малой и большой протяженности, во втором

– тела вращения малой протяженности и фасонные отливки.

Наиболее распространенным является способ литья пустотелых цилинд-

рических отливок в металлические формы с горизонтальной осью вращения. По этому способу (рисунок 6.1) отливка 4 формируется в поле центробежных сил со свободной цилиндрической поверхностью, а формообразующей поверхно-

стью служит внутренняя поверхность изложницы. Расплав 1 из ковша 3 зали-

вают во вращающуюся форму 5 через заливочный желоб 2. Расплав растекается по внутренней поверхности формы, образуя под действием поля центробежных сил пустотелый цилиндр. После затвердевания металла и остановки формы от-

ливку 4 извлекают. Данный способ характеризуется наиболее высоким техно-

логическим выходом годного (ТВГ ≈ 100%), так как отсутствует расход метал-

ла на литниковую систему.

При получении отливок со свободной параболической поверхностью при вращении формы вокруг вертикальной оси (рисунок 6.2) расплав из ковша 1 за-

ливают в форму 2, закрепленную на шпинделе 3, приводимом во вращение электродвигателем 4. Расплав 5 под действием центробежных и гравитацион-

121

Рисунок 6.1 – Схема получения отливки при вращении формы вокруг горизон-

тальной оси:

1 – расплав; 2 – заливочный желоб; 3 – ковш; 4 – отливка; 5 –

форма

122

Рисунок 6.2 – Схема получения отливок при вращении формы вокруг верти-

кальной оси:

1 – ковш; 2 – форма; 3 – шпиндель; 4 – электродвигатель; 5 –

расплав; 6 – отливка

123

ных сил распределяется по стенкам формы и затвердевает, после чего вращение формы прекращают и извлекают из нее затвердевшую отливку 6.

Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации получают с использованием стержней (рисунок 6.3, а) в формах с вертикальной осью вра-

щения. Так отливают, например, венцы зубчатых колес. Расплав из ковша через заливочное отверстие и стояк 1 поступает в центральную полость формы 2, вы-

полненную стержнями 3 и 4, а затем под действием центробежных сил через щелевые питатели – в рабочую полость формы. При этом избыток металла в центральной полости формы 5 выполняет роль прибыли, обеспечивая питание отливки при затвердевании.

Мелкие фасонные отливки можно получать центробежным литьем в пес-

чаные формы (рисунок 6.3, б). Части формы 1 и 2 устанавливают на центро-

бежный стол и крепят на нем. При необходимости используют стержни 4. Ра-

бочие полости 3 должны располагаться симметрично относительно оси враще-

ния для обеспечения балансировки формы. Расплав заливают через централь-

ный стояк, из которого по радиальным каналам он попадает в полости формы.

Технологический выход годного при таком способе литья приближается к вы-

ходу годного при литье в песчаные формы. При центробежном литье можно использовать песчаные, металлические, оболочковые и объемные керамиче-

ские, а также комбинированные формы.

Особенности формирования отливки. Главная особенность формиро-

вания отливок при центробежном способе литья заключается в том, что запол-

нение формы металлом и затвердевание отливки происходят в поле действия центробежных сил, во много раз превосходящих силу тяжести.

В этих условиях если твердые частицы соприкасаются со стенкой формы,

они оказываются прижатыми к стенке и уже не всплывают. На этом основано использование сыпучих покрытий для металлических форм при центробежном литье.

124

Рисунок 6.3 – Схема получения фасонных отливок:

а – венец шестерни: 1 – стояк; 2 – центральная полость формы; 3 и 4 – стержни; 5 – прибыль; б – мелкие фасонные отливки: 1 – нижняя полуформа; 2 – верхняя полуформа; 3 – рабочая поверх- ность формы; 4 – стержень

125

Действие центробежных сил необходимо учитывать и при конструирова-

нии систем шлакозадержания и питания отливки, например, при получении стальных фасонных отливок центробежной заливкой в песчаные формы.

Особенности охлаждения и затвердевания отливок в поле центро-

бежных сил. При изготовлении отливок со свободной поверхностью расплав охлаждается в изложнице неравномерно по объему. Часть теплоты отводится от расплава через стенку изложницы и ее крышку, а часть – конвекцией и излуче-

нием со стороны свободной поверхности. Количество теплоты, отводимое в воздушное пространство от свободной поверхности отливки, значительно. Воз-

дух, находящийся в полости отливки, вовлечен в процесс вращения и находится в постоянном движении. Вдоль оси вращения на смену нагретому воздуху по-

ступают порции холодного. Более интенсивная циркуляция воздуха наблюдает-

ся в случае вращения формы с расплавом вокруг вертикальной оси вследствие естественного подъема горячего воздуха вверх.

Подобная неравномерность охлаждения, особенно толстостенных отли-

вок, приводит к возникновению конвективных потоков в расплаве: охлажден-

ный и более плотный расплав перемещается от свободной поверхности внутрь затвердевающей отливки, а горячий и менее плотный – наружу. Поэтому кон-

вективные потоки в расплаве циркулируют в радиальном направлении (рисунок

6.4, а). В условиях центробежного литья это явление наблюдается даже при не-

большом различии температур и плотностей металла, так как действующие в этой системе силы возрастают пропорционально величине гравитационного ко-

эффициента. Это способствует направленному затвердеванию отливки в ради-

альном направлении, которое выражено тем сильнее, чем больше угловая ско-

рость вращения формы.

При направленном затвердевании от стенок изложницы фронт растущих в радиальном направлении кристаллов находится под значительным избыточным давлением расплава, обусловленным действием поля центробежных сил.

Вследствие этого кристаллы растут в направлении поступающего расплава (ри-

сунок 6.4, б), поэтому они несколько наклонены в сторону по направлению вра-

126

Рисунок 6.4 – Схема возникновения конвективных потоков (показаны фигур-

ными стрелками) во вращающемся затвердевающем расплаве (а)

исхема кристаллического строения отливки (б):

lo – глубина расположения усадочной пористости; стрелкой

показано направление вращения изложницы.

127

щения. Давление, развиваемое при вращении расплава, способствует проника-

нию его в межкристаллитные пространства, что улучшает питание затверде-

вающей отливки и увеличивает ее плотность. Свободная поверхность расплава затвердевает в последнюю очередь и при горизонтальной оси его вращения форма свободной поверхности остается геометрически правильной – цилинд-

рической.

Инородные частицы (газы, шлак и т.д.), плотность которых меньше плот-

ности расплава, при центробежном литье с большой скоростью всплывают на свободную поверхность расплава. Это приводит к необходимости назначать большие припуски на обработку свободных поверхностей отливок, что являет-

ся недостатком данного способа литья.

Таким образом, при направленном затвердевании можно получить отлив-

ки с плотным строением тела, без усадочных дефектов и инородных включе-

ний. Однако центробежные силы способствуют направленному затвердеванию только в тех случаях, если выделяющиеся на свободной поверхности кристал-

лы твердой фазы имеют большую плотность, чем плотность остального рас-

плава.

Для большинства литейных сплавов это условие соблюдается. Исключе-

ние составляют два случая:

∙когда сплав затвердевает с увеличением объема, например, серый чу-

гун;

∙когда выделяющиеся из жидкого металла кристаллы обогащены компо-

нентами сплава, имеющими меньшую плотность, чем оставшийся рас-

плав. Такое явление наблюдается, например, при затвердевании заэв-

тектических силуминов. В этом случае при содержании кремния в си-

луминах более 11,7 %, первичные кристаллы обогащены кремнием,

плотность которого меньше плотности алюминия. Если эти более лег-

кие кристаллы зародились и выросли на свободной поверхности, то они там и останутся. Если кристаллы зародились в переохлажденном рас-

плаве, за счет разности плотностей расплава и твердой фазы они всплы-

128

вают. В результате отливка затвердевает от стенок изложницы и со сто-

роны свободной поверхности, и к концу затвердевания вследствие не-

достатка питания внутри отливки образуются усадочные поры. В этом случае, чем быстрее вращается форма, тем интенсивнее выносятся кри-

сталлы на свободную поверхность и тем глубже располагается усадоч-

ная пористость.

Усадочная пористость под свободной поверхностью наблюдается также при изготовлении толстостенных отливок (рисунок 6.4, б). В тонкостенных от-

ливках большой протяженности глубина расположения зоны усадочной порис-

тости l меньше. Это объясняется соотношением скоростей охлаждения со стороны наружной и внутренней поверхностей отливки. Чем меньше скорость охлаждения внутренней поверхности отливки и больше скорость охлаждения ее со стороны наружной поверхности – тем меньше глубина l .

Скоростью охлаждения отливки можно управлять. Так, с наружной сто-

роны это достигается путем изменения толщины слоя или теплофизических свойств огнеупорного покрытия, изменением скорости охлаждения формы. Со стороны внутренней поверхности с этой целью можно использовать сыпучие огнеупорные материалы или экзотермические смеси.

Таким образом, особенности формирования обливки при центробежном литье сопряжены как с большими преимуществами, так и с недостатками. К

преимуществами этого способа можно отнести: возможность улучшения за-

полняемости форм расплавом под действием давления, развиваемого центро-

бежными силами; повышение плотности отливок вследствие уменьшения ко-

личества усадочных пор, раковин, газовых, шлаковых и неметаллических включений; уменьшение расхода металла и повышение выхода годного, благо-

даря отсутствию литниковой системы при изготовлении отливок типа труб, ко-

лец, втулок или уменьшению массы литников при изготовлений фасонных от-

ливок; исключение затрат на стержни при изготовлении отливок типа втулок и труб.

129

Недостатками способа являются: трудности получения отливок из спла-

вов, склонных к ликвации; загрязнение свободной поверхности отливок неме-

таллическими включениями; неточность размеров и необходимость повышен-

ных припусков на обработку свободных поверхностей отливок, вызванная ско-

плением неметаллических включений в материале отливки вблизи этой по-

верхности и отклонениями точности дозы расплава, заливаемого в форму.

Наивысшие технико-экономические показатели центробежного способа литья достигаются при получении пустотелых цилиндрических отливок с раз-

личными размерами и массой (длиной до нескольких метров и массой до не-

скольких тонн): труб разного назначения из чугуна, стали, цветных и специ-

альных сплавов; втулок и гильз для стационарных и транспортных дизелей; ко-

лец подшипников качения и др. Большое распространение получило центро-

бежное литье для изготовления биметаллических изделий, изделий из сплавов с низкой жидкотекучестью и высоким поверхностным натяжением, при необхо-

димости получения тонкостенных отливок со сложной геометрией и микро-

рельефом поверхности. К ним относятся, например, турбинные диски с лопат-

ками, отливки художественного и ювелирного назначения.

6.2 Технология изготовления отливок

Для изготовления отливок центробежным способом применяют различ-

ные литейные формы: металлические, песчаные, комбинированные (металличе-

ские с песчаными стержнями), керамические, оболочковые по выплавляемым моделям и др. Формы могут быть предназначены для изготовления отливок на машинах с горизонтальной и вертикальной осью вращений формы, для длин-

ных или коротких отливок цилиндрической формы, для получения фасонных отливок. Конструкция формы зависит от характера производства (единичное,

серийное, массовое).

Дозирование расплава. Точность массы и толщины стенок отливок со свободной поверхностью при центробежном литье зависят от точности дозиро-