Технология и
технико-экономическая оценка центробежного
литья
Литье является одним из важнейших
и распространенных способов изготовления
заготовок и деталей машин. Литьем получают
заготовки различных конфигураций, размеров
и массы из различных металлов и сплавов:
чугуна, стали, сплавов меди, алюминия,
магния и т. д. Это наиболее простой и дешевый,
а иногда и единственный способ изготовления
заготовок. Точные методы литья позволяют
получать отливки с высокой точностью
размеров и малой шероховатостью поверхностей,
часто не требующие дальнейшей механической
обработки. Наряду с достоинствами литье
имеет и недостатки, основным из которых
является неоднородность химического
состава и низкие механические качества
получаемых отливок.
Сущность процесса
литья заключается в том, что расплавленный
металл определенного химического состава
заливается в заранее приготовленную
литейную форму, полость которой по своим
размерам и конфигурации соответствует
форме и размерам требуемой заготовки.
После остывания заготовки или готовые
детали, называемые отливками, извлекают из форм.
Литейные формы могут быть разового
и многократного применения (постоянные
или полупостоянные).
Для получения отливок высокого
качества литейные сплавы должны обладать
определенными литейными свойствами:
хорошей жидкотекучестью, низкой усадкой,
иметь химическую однородность структуры,
низкую температуру плавления и т. д.
Плавление металлов перед заливкой
в формы выполняют на различном оборудовании,
например: чугун — в вагранках и шахтных
печах; углеродистые и легированные стали
— в мартеновских и электропечах; медные
сплавы — в дуговых, индукционных и пламенных
отражательных печах, а также в тиглях;
алюминиевые сплавы — в электрических
и пламенных печах.
Большую часть чугунных и стальных
отливок получают методом литья в песчано-глинистые
формы (до 60% общего объема). Для получения
отливок с высокой точностью, минимальными
припусками на механическую обработку,
высоким классом шероховатости поверхностей
и лучшей структурой металла применяют
специальные способы литья: литье в постоянные
металлические формы (кокили), центробежное
литье, литье под давлением, литье по выплавляемым
моделям, литье в оболочковые формы и т.
д.
Для определения эффективности
применения любого метода литья необходимо
проводить технико-экономический анализ,
учитывающий все производственные факторы.
Одним из недостатков процесса
литья является относительно большой
процент брака. Наиболее характерными
дефектами литья являются: трещины, раковины
(воздушные, газовые, шлаковые), ликвация
- неоднородность химического состава
сплавов, возникающая при их кристаллизации,
заливы, недоливы, перекосы, коробление
и пр.
Для снижения брака в литейном
производстве необходимо проводить контроль
на всех стадиях технологического процесса
литья, а исправимые дефекты и пороки литья
(например, открытые раковины, наружные
трещины) целесообразно исправлять: заваривать,
заделывать пробками и др.
Центробежное литьё - перспективный способ производства
фасонных изделий с формой тел вращения
преимущественно при крупносерийном их
изготовлении. Этим способом литья получают
водопроводные и канализационные трубы,
заготовки гильз цилиндров двигателей
внутреннего сгорания, облицовки судовых
валов, корпуса сушильных цилиндров бумагоделательных
машин, труба для энергетического машиностроения
и другие изделия ответственного назначения.
Первый патент на центробежный
способ изготовления отливок был получен
в Англии в 1809 г. А. Экхертом, который в
то время практического применения не
нашел, т.к. в то время отсутствовал массовый
спрос на отливки типа труб, втулок и колец.
Потребность в них вполне обеспечивалась
другими способами литья.
В конце 20 века, с ростом промышленности,
появилась потребность в центробежном
литье, потому что традиционные способы
изготовления тел вращения не обеспечивали
требуемого количества и качества изделий.
Все это создало необходимые предпосылки
для широкого промышленного распространения
центробежного литья.
Центробежным литьем в настоящее
время изготавливаются отливки из чугуна,
стали, сплавов титана, алюминия, магния
и цинка (трубы, втулки, кольца, подшипники
качения, бандажи железнодорожных и трамвайных
вагонов).
Технология центробежного литья
обеспечивает целый ряд преимуществ, зачастую
недостижимых при других способах литья:
высокая износостойкость за
счет особой кристаллической решетки
центробежной отливки;
высокая плотность металла
и отсутствие раковин;
отсутствие шлаковых и неметаллических
включений;
возможность изготовления единичных
отливок без создания моделей и оснастки;
возможность получения центробежных
отливок из сталей с химическим составом
по требованию заказчика.
Центробежное литьё по сравнению
с литьём в разовые формы имеет следующие
преимущества. Производительность труда
при работе на центробежной машине увеличивается
в несколько раз, отпадает потребность
в площадях для формовки, смесях, связующих
материалах для стержней, а также в оборудовании
для сушки форм и стержней.
Процесс центробежного литья
может быть полностью механизирован или
автоматизирован, что уменьшает потери
от брака и сокращает потребность в высококвалифицированной
рабочей силе.
Центробежные отливки отличаются
повышенными механическими свойствами
литого металла. При этом значительные
технико-экономические преимущества центробежного
литья достигаются вследствие экономии
металла, энергоносителей и продолжительности
производственного цикла.
Однако, центробежное литьё
имеет и недостатки: необходимы специальные
машины; формы должны быть повышенной
прочности и герметичности, необходимо
строгое дозирование металла для получения
нужного размера внутреннего отверстия
отливки; усиливается ликвация компонентов
сплавов по плотности. Сама отливка может
иметь только форму тела вращения.
Особенность центробежного
литья состоит в том, что металл заливают
во вращающуюся форму, чаще всего металлическую.
При заливке и кристаллизации металл испытывает
действие центробежных сил.
Ось вращения формы может быть
горизонтальной, вертикальной, наклонной
или перемещающейся в пространстве в процессе
получения отливки.
Масса отливок при центробежном
литье, может достигать от нескольких
килограммов до 45 тонн. Толщина стенок
от нескольких миллиметров до 350мм. Центробежным
литьем можно получить тонкостенные отливки
из сплавов с низкой текучестью, что невозможно
сделать при других способах литья.
Металл, свободно заливаемый
во вращающуюся вокруг горизонтальной
оси форму, растекается по ней под действием
кинетической энергии струи и вовлекается
во вращательное движение за счёт сил
трения металла о форму. Однако, такая
скорость частиц металла при его вращении
вокруг горизонтальной оси не может быть
постоянной из-за пульсации результирующей
силы в течение оборота формы, так как
она складывается из постоянной по величине
и направлению силы тяжести и постоянной
по величине, но меняющейся по направлению
центробежной силы.
В длинных формах кинетической
энергии струи заливаемого металла недостаточно
для равномерного растекания его вдоль
формы, поэтому ось вращения таких форм
делают наклонной, либо перемещают заливочный
желоб вдоль формы во время заливки расплава,
либо передвигают форму вдоль неподвижного
желоба. Частота вращения формы при центробежном
литье - один из основных технологических
параметров, определяющих качество отливки.
От частоты вращения формы зависят плотность
отливки, ее механическая прочность, однородность
состава по радиальному сечению, степень
удаления шлаковых включений от наружной
поверхности отливки к внутренней и правильность
формы свободной поверхности отливки.
Определение скорости вращения
формы является одним из основных вопросов
при разработке технологии литья и конструировании
центробежных машин. Чрезмерное увеличение
частоты вращения нежелательно из-за возможности
образования в отливках продольных трещин
на наружной поверхности и повышенной
ликвации элементов сплава.
Кроме того, машины с большой
частотой вращения конструктивно более
сложны, менее удобны и менее безопасны
в работе. Поэтому, при технологической
разработке процесса и конструирования
машин выбирают не наибольшую, а наименьшую
частоту вращения, которая обеспечивала
бы надлежащее качество отливок. Нижний
предел частоты вращения при литье полых
заготовок с горизонтальной осью вращения
определяется следующим условием: заливаемый
металл во время первого оборота вокруг
оси должен получить ускорение, превышающее
g. Невыполнение этого условия приводит
к «дождеванию» металла при заливке в
форму. Наиболее известным способом расчёта
скорости вращения формы является расчёт
по коэффициенту гравитации.
Коэффициентом гравитации центробежного
литья называют число, которое показывает,
во сколько раз центробежная сила, действующая
на заливаемый металл, больше силы тяжести.
При расчётах необходимо различать заливку
в форму с горизонтальной и вертикальной
осями вращения.
При расчёте скорости вращения
формы с горизонтальной осью вращения
по коэффициенту гравитации учитывают,
что на частицы расплава действует центробежная
сила и сила тяжести.
(6.1)
Где m –масса частицы,
кг;
V – линейная скорость, м/с;
R – радиус вращения частицы, м.
Коэффициент гравитации
К определяется по зависимости:
(6.2)
Где g – ускорение
свободного падения, м/с2
После подстановки
выражения для Fu в эту формулу
она принимает следующий вид:
(6.3)
Где V=2πRn.
После подстановки
поучаем
(6.4)
Коэффициент гравитации К зависит
от вида формы и заливаемого сплава. Для
песчаной формы с горизонтальной осью
вращения принимают К=75, для металлической
формы К=80, для сплавов с узким интервалом
затвердевания К=90…100.
При вертикальной оси вращения
свободно заливаемый в форму металл постепенно
увлекается ею во вращательное движение.
Через некоторое время угловые скорости
вращения отдельных слоев металла и самой
формы выравниваются, и жидкость приходит
в состояние относительного покоя. Пульсации
результирующей силы за период оборота
формы в этом случае не происходит, так
как направление центробежной силы при
вращении относительно вертикальной оси
не изменяется.
Температура нагрева изложницы
перед заливкой металлом, футеровка изложницы
и способ заливки металла в форму оказывают
влияние на формирование центробежных
отливок и их качество. Предварительный
подогрев изложницы снижает тепловой
удар при заливке металла, способствует
лучшему распределению металла по диаметру
и длине, повышению качества наружной
поверхности отливок и снижению брака
по отбелу при литье чугуна.
Огнеупорное покрытие уменьшает
скорость и степень нагрева изложниц при
заливке их металлом, а также снижает скорость
охлаждения отливок, что предотвращает
образование трещин при литье стали и
отбела при литье чугуна.
Для форм наиболее распространены
огнеупорные покрытия из сыпучих материалов
(обычно из сухого кварцевого песка). Благодаря
большой частоте вращения изложницы такое
покрытие наносится ровным слоем на ее
стенку, удерживается на ней и не размывается
струей горячего металла. Но значительный
пригар песка и формирование некачественной
наружной поверхности отливок обусловливает
необходимость разработки более технологичных
огнеупорных покрытий.
Перспективно использовать
в этих целях жидкие огнеупорные покрытия
на основе диатомита, например, огнеупорную
краску, содержащую, % (мас. доля): диатомита
термообработанного 55-70; бентонита 1,0-2,5;
коллоидального раствора золя кремниевой
кислоты с содержанием 20% Si02 3,0-9,0; воды
(до плотности краски 1200-1400 кг/м3) – остальное,
так как это обеспечивает получение качественных
однослойных и биметаллических отливок
из чугуна и стали.
Скорость заливки металла влияет
на качество наружной поверхности отливки
и заполнения формы и зависит от критической
скорости вращения формы. Подачу металла
в начале заливки рекомендуется ускорить,
чтобы металл быстрее распределился по
всей поверхности формы. В этом случае
неслитины и спаи на поверхности отливки
не образуются. В дальнейшем скорость
наращивания толщины слоя снижают в целях
создания благоприятных условий для направленного
затвердевания, уменьшения гидравлического
давления на затвердевшую оболочку и вероятности
развития ликвации и т.д. Регулирование
скорости заливки удобнее выполнять при
заливке металла через носок ковша и гораздо
сложнее - через стопор или чашу с отверстием.
При разработке технологического
процесса центробежного литья необходимо
учитывать плотности первично выпадающих
фаз в интервале кристаллизации и остающегося
маточного раствора. В тех случаях, когда
плотность первично выпадающей фазы меньше
плотности жидкости, необходимо обеспечить
минимальные скорость литья, температуру
металла и формы для обеспечения направленной
кристаллизации.