Центробежное литье

Центробежное литье – это способ изготовления отливок, при котором заполнение формы расплавом и его затвердевание происходит в поле действия центробежных сил.

Основные операции. Форма может вращаться вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной осей, а также одновременно вокруг горизонтальной и вертикальной осей. Наиболее распространен способ литья во вращающиеся металлические формы с горизонтальной осью вращения (рис. 1.21). По этому способу отливка формируется со свободной поверхностью в поле центробежных сил, а формообразующей поверхностью служит внутренняя поверхность изложницы. Расплав заливается в изложницу через заливочный желоб и растекается по внутренней поверхности формы, образуя под действием центробежных сил пустотелый цилиндр.

После полного затвердевания металла и остановки машины отливка извлекается из формы. Этот способ обладает наиболее высоким коэффициентом выхода годного (≈ 100 %). При получении отливок со свободной поверхностью при вращении формы вокруг вертикальной оси (рис. 1.22) расплав заливают в форму, укрепленную на шпинделе, приводимом в движение электродвигателем. Расплав под действием центробежных сил отбрасывается к стенкам формы и затвердевает. Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации получают с использованием стержней в формах с вертикальной осью вращения (рис. 1.23). Расплав через заливочное отверстие и стояк попадает в центральную полость формы, выполненную стержнями. Затем через щелевые питатели под действием центробежных сил расплав попадает в полость формы.

Центробежное литье принадлежит к литейным процессам, основные операции которых выполняются с использованием машин. В зависимости от назначения машины для центробежного литья разделяют на универсальные, предназначенные для изготовления отливок общего назначения; труболитейные, предназначенные для изготовления чугунных и стальных труб, в том числе труб большого диаметра; специального назначения, используемые для изготовления однотипных отливок в массовом производстве (гильзы двигателей внутреннего сгорания, биметаллические отливки и др.).

В зависимости от расположения в пространстве оси вращения различают машины с горизонтальной, вертикальной и наклонной осью вращения. По конструктивному исполнению различают шпиндельные и роликовые машины и центробежные столы. Основные требования, предъявляемые к машинам для центробежного литья: обеспечение вращения формы с требуемой частотой, регулирование частоты вращения в заданных условиях технологического процесса. Машина должна работать плавно, без вибраций, иметь прочные и удобные устройства для крепления и фиксации форм, устройство для подогрева и охлаждения изложниц.

Преимущества и недостатки литья. Заливка вращающейся формы и затвердевание отливки под действием центробежных сил обуславливают главные преимущества данного способа литья: затвердевание металла под действием центробежных сил способствует получению плотных (без газовых, усадочных раковин и рыхлот) отливок с высокими механическими свойствами; отсутствие литниковых систем и прибыльных надставок обеспечивает высокий коэффициент выхода годного; при литье полых цилиндров и труб не требуется стержней для образования центрального отверстия. Основными недостатками центробежного литья являются: неточность размеров свободных поверхностей отливок, повышенная склонность к ликвации компонентов сплава, повышенные требования к прочности литейной формы.

Область использования. Центробежным литьем получают литые за готовки, имеющие форму тел вращения: втулки, венцы червячных колес, барабаны бумагоделательных машин, трубы различного назначения, роторы электродвигателей, камеры сгорания реактивных двигателей, деталей пусковых установок. В некоторых случаях метод центробежного литья является единственно возможным.

Наибольшее применение центробежное литье находит при изготовлении втулок из медных сплавов, преимущественно оловянных бронз, и сложных фасонных отливок из титановых и других жаропрочных сплавов. Втулки из медных сплавов получают в металлических изложницах, а отливки из титановых сплавов – в графитовых формах, изготовленных прессованием или по выплавляемым моделям. Венцы червяных колес из оловянистых бронз получают в песчаных формах, а рабочие колеса центробежных насосов – в металлических формах с песчаными стержнями.

Свойства металла, отлитого центробежным способом. Главная особенность процесса формирования отливок при центробежном литье заключается в том, что заполнение формы и затвердевание отливки происходят в поле действия центробежных сил, во много раз превосходящих силу тяжести. При изготовлении отливок со свободной поверхностью расплав охлаждается в изложнице неравномерно по объему. Часть теплоты отводится от расплава в стенку изложницы и ее крышку, другая часть – конвекцией и излучением со стороны свободной поверхности. Воздух в полости отливки вовлекается во вращение и выходит из ее полости; на его место вдоль оси вращения поступает холодный воздух. Такая неравномерность охлаждения отливки приводит к возникновению конвекции в расплаве. Охлажденный более плотный расплав перемещается к стенкам формы, а горячий и менее плотный – к свободной поверхности расплава. Вследствие этого в расплаве возникают конвекционные потоки, циркулирующие в радиальном направлении, что способствует направленному затвердеванию в радиальном направлении и тем больше, чем больше частота вращения.

При направленном затвердевании от стенок изложницы фронт растущих в радиальном направлении кристаллов все время соприкасается с расплавом, что способствует улучшению питания отливок. Свободная поверхность расплава затвердевает в последнюю очередь и остается геометрически правильной. Инородные включения (газы, шлак и т.д.), имеющие меньшую плотность, чем расплав, под действием силы, обусловленной разностью плотностей и гравитационным коэффициентом, интенсивно всплывают на свободную поверхность. Это приводит к необходимости назначать большие припуски на обработку свободных поверхностей отливки.

Центробежные силы способствуют направленному затвердеванию только тогда, когда выделяющиеся на свободной поверхности кристаллы твердой фазы имеют плотность большую, чем плотность остающегося расплава. Для большинства сплавов это условие соблюдается. Исключение составляют два случая: когда сплав затвердевает с увеличением объема (например, серый чугун) и когда выделяющиеся подвижные кристаллы обогащены компонентами сплава, имеющими меньшую плотность, чем остающийся расплав. Ликвация сплавов под действием центробежных сил происходит при изготовлении отливок из сплавов, компоненты которых взаимно нераствори мы и не образуют эвтектик и химических соединений. К таким сплавам относится, например, свинцовистая бронза. Дефекты отливок и меры по их предупреждению. В процессе производства отливок способом центробежного литья возникает ряд характерных дефектов: мелкие спаи на поверхности при низкой температуре формы и металла, горячие трещины, плены в наружных слоях втулок, сквозные раковины при литье оловянных бронз.

Надежный контроль технологических параметров литья, автоматизированная дозировка металла позволяют до минимума свести потери от брака.

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите основные типы отливок, получаемые центробежным литьем.

2. Опишите типы литейных машин, предназначенных для получения отливок центробежным литьем.

3. Как влияют центробежные силы на структуры отливок?

4. Назовите основные требования, предъявляемые к машинам для центробежного литья.

5. Каковы главные преимущества и недостатки центробежного литья?