Основные сведения. Центробежным литьем называют способ изготовления отливок, при котором залитый в форму расплав подвергается воздействию центробежных сил

Центробежным литьем называют способ изготовления отливок, при котором залитый в форму расплав подвергается воздействию центробежных сил. Центробежные силы возникают в расплаве при заливке его во вращающуюся форму или в результате приведения во вращательное движение уже заполненной металлом формы (метод центрифугирования). Обычно расплав подвергается воздействию центробежных сил как в период заполнения формы, так и при кристаллизации, вплоть до полного затвердевания отливки.

Величина центробежной силы определяется по зависимости

, (4.1)

где m – масса металла, ω – угловая скорость, r – радиус отливки.

Центробежная сила в несколько раз больше обычной силы тяжести. Отношение центробежной силы к силе тяжести называется гравитационным коэффициентом, степенью перегрузки или коэффициентом утяжеления:

. (4.2)

Различают несколько разновидностей процесса, классифицируемых следующим образом.

По расположению оси вращения: вертикальная, горизонтальная, наклонная, с переменным углом наклона.

По материалу формы: металлическая без покрытия или с покрытием, песчано-глинистая, комбинированная, керамическая, графитовая и др.

По материалу отливки: для черных металлов и сплавов, цветных металлов и сплавов, для биметаллических отливок, двухслойные (металл–неметалл).

По скорости вращения: постоянная, переменная.

По положению полости формы относительно оси вращения: ось формы совпадает с осью вращения либо форма находится вне оси вращения.

По конфигурации отливки: труба, втулка, асимметричная отливка.

Отливки, изготовленные центробежным способом: с внутренней поверхностью, определяемой стержнями, либо со свободной внутренней поверхностью.

Принцип изготовления отливки со свободной поверхностью вращения вокруг вертикальной оси показан на рис. 4.1. Из ковша 1 металл заливают в форму 2, укрепленную на шпинделе с приводом во вращение электродвигателем. Центробежными силами металл прижима­ется к боковой цилиндрической стенке. После полного затвердева­ния металла форму останавливают и извлекают из нее отливку 3.

Рис. 4.1. Схема центробежного литья с вертикальной осью
вращениия

Таким способом изготавливают отливки небольшой высоты – короткие втулки, кольца, фланцы, венцы шестерен и т.п. Свобод­ная поверхность отливки является параболоидом вращения, и отлив­ки получаются с переменной по высоте толщиной стенки.

На машинах с горизонтальной или наклонной осью вращения получают отливки с постоянной толщиной стенки как по длине, так и в поперечном сечении. Этим способом отливают и короткие, и длинные изделия – гильзы, трубы, фасонные детали и т.п.

При получении отливок со свободной поверхностью вращения вокруг горизонтальной оси (рис. 4.2) металл из ковша 1 заливают в форму 3 через приспособление 2 в виде чаши или воронки с жело­бом. Жидкий металл 4 прижимается к внутренней поверхности враща­ющейся формы и застывает, образуя отливку 5.

Сложная внутренняя поверхность отливки при центробежном литье получается с помощью стержня (рис. 4.3). Металл через за­ливочное отверстие 1 подается в центробежную полость 2, образо­ванную стержнями 3 и 4, а из нее через щелевые питатели 5 попа­дает в рабочую полость формы.

Рис. 4.2. Схема центробежного литья с горизонтальной осью вращения	Рис. 4.3. Форма для изготовления отливок со сложной внутренней поверхностью

Центробежным литьем можно получать также мелкие фасонные детали, не являющиеся телами вращения (рис. 4.4). В этом случае форма состоит из двух половин – нижней 1 и верхней 2. Рабочие полости формы 3 равномерно располагаются вокруг центрального стояка и соединяются с ним радиальными каналами.

Рис. 4.4. Форма для изготовления мелких фасонных деталей

В целях повышения жаростойкости форм, исключения приваривания отливки к форме, придания поверхностному слою отливки заданных свойств на рабочие поверхности литейных форм наносятся различные покрытия (сыпучие и компактные). Сыпучие бывают:

– теплоизоляционные, предназначенные для регулирования скорости охлаждения отливки и исключения пригара жидкого металла (кварцевый песок, шамот, магнезит, циркон и др.);

– изменяющие свойства поверхностного слоя отливок, в частности, препятствующие образованию отбеленного слоя в чугунных отливках (ферросилиций, графит, алюминиевый порошок и др.);

– предназначенные для получения в одной и той же форме отливок с разным наружным диаметром.

Сыпучие покрытия вводятся в такой последовательности. Литейную форму очищают, подогревают и приводят во вращение, затем с помощью желоба насыпают порошкообразный материал, который под действием центробежных сил равномерно распределяется по поверхности формы. После чего производится заливка расплавленного металла.

Компактные, или формуемые, покрытия применяют для получения отливок, имеющих на поверхности выступы, буртики, пояски и другое, например гильзы блоков цилиндров (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схема изготовления футерованной формы:

а – профилирование формовочной смеси; б – уплотнение (накатывание) смеси; в – футерованная форма; г – отливка гильзы цилиндров

Литейную форму в таких случаях футеруют сырой песчано-глинистой или песчано-смоляной смесью. Во вращающуюся форму 5 загружают формовочную смесь 4, которая центробежной силой прижимается к ее поверхности. Затем в полость формы вводят шаблон 3, установленный на опорах 2 и его радиальным перемещением профилируют и уплотняют формовочную смесь (рис. 4.5, а).

После остановки изложницы и извлечения шаблона на его место вставляют фасонный ролик 7, закрепленный на опорах 6. Ролик с опорами перемеща­ют в радиальном направлении и окончательно профили­руют и уплотняют форму. В дальнейшем полученную форму с измененными крышками 1 устанавливают на центробежную машину и заливают металлом (рис. 4.5, в). После охлаждения отливку 8 (рис. 4.5, г) извлекают из изложницы, разрушая одноразовую накатанную форму.

Если используют песчано-смоляные смеси, то после профилирования и уплотнения их нагревают для отверждения электронагревателями, вводимыми внутрь формы.

Центробежным способом кроме монометаллических отливок получают биметаллические трубы или втулки путем последовательной заливки слоев металла, например, сталь – бронза, бронза – сталь, чугун – бронза и бронза – чугун.

Первый заливаемый слой охлаждают минимальное время и тогда шлаковые и другие загрязнения с внутренней поверхности первого слоя всплывают через второй жидкий слой на его внутреннюю поверхность. Между слоями металла образуется переходная зона, которая по своему химичес­кому составу соответствует промежуточному составу обоих залитых сплавов, чем достигается наиболее качественное соединение обоих сплавов между собой.

Помимо биметаллических втулок методом последо­вательной заливки получают биметаллические сплош­ные валки для станов горячей прокатки. Бочка валка оформляется металлической формой со слоем теплоизо­лирующего сыпучего материала (кварц, циркон). Изложница закрыта крышками с плотно прилегающим литниковым устройством. Для наружного слоя бочки валка применяется легированный чугун, а для сердцеви­ны и цапф – серый или с шаровидным графитом.

При малой толщине теплоизолирующего покрытия и при заливке полностью одним составом чугуна из-за разной скорости охлаждения наружных и внутренних частей валка в них образуется разная структура – отбеленный наружный износостойкий слой и более пластичная внутренняя часть.

В настоящее время разработана технология центробежного литья двухслойных металлошлаковых труб методом заливки сначала металла, а затем шлака. Такие трубы целесообразно использовать при транспортировании абразивных сыпучих материалов. Как показала практика, стойкость металлошлаковых труб в десят­ки раз превышает стойкость стальных труб.

Для особых целей в химической промышленности центробежным способом проводят остекленение стальных труб. Толщина стеклянного покрытия составляет 1,5...5 мм. Остекленные трубы химически инертны и хорошо выдерживают тепловой и механический удары.

В общем случае при центробежном литье применяют металлические формы без покрытий, металлические формы с покрытиями, формы из песчано-глинистой смеси, оболочковые формы, формы, получаемые с помощью выплавляемых моделей и др.

Центробежным литьем получают обычно отливки из всех литей­ных сплавов: от мелких (втулки, кольца и т.п.) до уни­кальных отливок массой до 45 т; крупногабаритные стальные отливки и бронзовые отливки диаметром 500...550 мм, длиной до 6500 мм для валов и цилиндров различных машин; крупные сосуды высокого дав­ления для химической промышленности; прокатные валки; биметал­лические гильзы, охлаждаемые турбинные лопатки, диски турбин, сопловые аппараты, отливки металл–неметалл, остекленные трубы и др.

Важной характеристикой при разработке технологических процессов изготовления отливок путем литья является скорость вращения формы, которая определяется из условия получения качественных отливок. Характер структуры, распределение шлако­вых включений, газовой и усадочной пористости и другие свойст­ва центробежных отливок зависят от величины центробежной силы. Чрезмерное увеличение скорости вращения нежелательно из-за воз­можности образования дефектов в отливках: продольных трещин на наружной поверхности, усиленной ликвации; натеков металла и спаев на наружной поверх­ности при литье труб в металлическую форму и т.п. Кроме того, машины с большим числом оборотов конст­руктивно более сложны, менее удобны и менее безопасны в работе. На практике минимальным и достаточным числом оборотов считается такое, которое обеспечивает правильную свободную поверхность от­ливки. Эта скорость зависит от расположения оси, количества осей, рода металла, допускаемой разностенности и наружного диа­метра отливки. Оптимальную скорость вращения для каждой конкрет­ной отливки обычно определяют по эмпирическим формулам.

Число оборотов формы для отливок общего назначения часто рассчитывают по формуле Константинова

, (4.3)

где ρ – плотность сплава, г/см; r₀ – внутренний радиус отлив­ки, см.

Формула (4.3) найдена из условия обеспечения минимальной величины эффективной плотности, необходимой для получения ка­чественной отливки со свободной поверхностью.

Формула Кэммена связывает скорость вращения с наружным ра­диусом отливки:

, (4.4)

где k – коэффициент, зависящий главным образом от плотности заливаемого металла.

Для тяжелых сплавов коэффициент k составляет 1800...3000, а для легких – 1700...4000. Наименьшие значения коэффициента при­нимают при расчете числа оборотов для тонкостенных отливок , наибольшее – для толстостенных . Средние значения коэффициента соответствуют отливкам с промежуточными толщинами стенок.

Формулы (4.3) и (4.4) дают удовлетворительные результаты только в определенном диапазоне толщины стенок, т.е. когда радиус наружной стенки отливки превышает радиус внутренней не более чем в 3 раза .