離心鑄造-離心鑄造的發(fā)展及應(yīng)用

離心鑄造是將熔融金屬澆入高速旋轉(zhuǎn)的金屬鑄型內(nèi)，在離心鑄造機(jī)的作用下，鑄型高速旋轉(zhuǎn)，在其離心力的驅(qū)使下，冷卻結(jié)晶的一種鑄造成型方法。

鑄造技術(shù)

　　鑄造是一種液態(tài)金屬成型的方法。鑄造的方法有很多種，Zui廣泛的應(yīng)用是砂型鑄造，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展及人類(lèi)社會(huì)對(duì)其應(yīng)用的需要，對(duì)鑄造技術(shù)提出了一系列新的，更高的要求，歸納起來(lái)，主要有以下三方面：

　　1、不僅要求鑄件的生產(chǎn)批量增大，而且更加追求其質(zhì)量的提高，如提高鑄件的表面光滑成度，及盡量減少各種類(lèi)型的鑄造缺陷;

　　2、盡量簡(jiǎn)化其工藝步驟，提高其生產(chǎn)效率，提高其自動(dòng)化在造型中所占的比例，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度;

　　3、把金屬材料的消耗降到Zui低，降低生產(chǎn)成本。

　　為了實(shí)現(xiàn)上述目地，近些年來(lái)，人們將傳統(tǒng)鑄造工藝與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果相結(jié)合的基礎(chǔ)上，又發(fā)明了多種鑄造方法，為了和傳統(tǒng)的砂型鑄造方法作以區(qū)分，除了傳統(tǒng)砂型方法外，都稱(chēng)之為特種鑄造方法。常見(jiàn)的鑄造方法介紹：

　?、偈D鑄造;②金屬型鑄造;③低壓鑄造;④離心鑄造;⑤陶瓷型鑄造;⑥壓力鑄造;⑦消失熔鑄造;⑧磁型鑄造等。

　　特種鑄造在其造型所使用的材料，方法以及模具上都和傳統(tǒng)的砂型鑄造有著很大的不同。

離心鑄造的發(fā)展及應(yīng)用

　　離心鑄造從發(fā)明到現(xiàn)在以有七八十年的歷史了，直到上世紀(jì)初才逐步推廣于工業(yè)生產(chǎn)。直到40年代初期我國(guó)才開(kāi)始運(yùn)用離心鑄造方法來(lái)生產(chǎn)鑄鐵管。

　　而在現(xiàn)代，離心鑄造已經(jīng)是一種應(yīng)用廣泛的鑄造方法，尤其對(duì)生產(chǎn)盤(pán)環(huán)類(lèi)及管套類(lèi)鑄件生產(chǎn)得心應(yīng)手。

　　離心鑄造還可用于諸如生產(chǎn)葉輪等異型鑄件、造紙、無(wú)縫管坯、雙金屬鑄件(如鋼套鑲銅軸承)、干燥滾筒等。離心鑄造機(jī)如今已實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化、機(jī)械化，一些機(jī)械化離心鑄管廠已實(shí)現(xiàn)了十幾萬(wàn)噸的年產(chǎn)量。

離心鑄造的分類(lèi)

　　為使鑄型旋轉(zhuǎn)，離心鑄造就要在離心鑄造機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)鑄型旋轉(zhuǎn)空間位置的不同，離心鑄造機(jī)可分為立式與臥式兩大種類(lèi)。

　　在立式離心鑄造機(jī)上，鑄型是繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的。由于離心力和液態(tài)金屬自身重力下，使鑄件的內(nèi)表面呈拋物面形狀，造成鑄件上薄下厚。在其他條件不變的情況下，鑄件的高度越高，壁厚差越大。所以，立式離心鑄造主要用于小于直徑盤(pán)環(huán)類(lèi)鑄件，而且由于在液態(tài)金屬自身的重力下，壁厚不均勻，后續(xù)要加大其切削加工。

　　臥式離心鑄造機(jī)，鑄型是繞水平軸旋轉(zhuǎn)的。鑄件各部分冷卻條件大體相同，所以可以鑄造出壁厚較均勻的圓筒形及管套類(lèi)等鑄件。

離心鑄造的特點(diǎn)

　　由于離心鑄造時(shí)，液體金屬是在旋轉(zhuǎn)情況下充填鑄型并進(jìn)行凝固的，因而離心鑄造便具有下述的一些特點(diǎn)：

　　1、在離心力的驅(qū)使下，金屬結(jié)晶從鑄型壁逐步向鑄件內(nèi)表面順序進(jìn)行，具有一定方向性的冷卻結(jié)晶，從而改善了補(bǔ)縮環(huán)境，使一些熔渣、氣體、夾雜物等雜質(zhì)集中于鑄件內(nèi)表層，也是因為離心的件用下使鑄件其他部分組織細(xì)密，由于在離心力的驅(qū)使下，使金屬液體甩向鑄型側(cè)壁，使氣孔、縮孔等鑄造類(lèi)缺陷在壓力的作用下彌合，從而得到組織致密的鑄件，有助與其機(jī)械性能的提高。

　　2、離心鑄造不需要澆道口，也并不需要鑄造冒口，鑄造空心鑄件時(shí)還可省去型芯，金屬利用率可達(dá)80%-90%，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

　　3、對(duì)于中空鑄件的生產(chǎn)Zui為適合，相比與傳統(tǒng)的砂型鑄造可以省去活動(dòng)型芯的拆裝，節(jié)省原材料的消耗，降低其生產(chǎn)成本及勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　4、在離心鑄造中，鑄造合金的類(lèi)型幾乎不受限制。

離心鑄造工藝

　　1、鑄造機(jī)技術(shù)參數(shù)

　　使用立式離心鑄造機(jī)，電機(jī)功率為75 kW，主軸Zui高轉(zhuǎn)速為600 r/min，無(wú)極調(diào)速。設(shè)備適用的鑄件的Zui大直徑為1 100 mm、Zui大高度為1 800 mm，設(shè)備Zui大承載質(zhì)量(鑄件+鑄型)為15 t。

　　2、鑄型的設(shè)計(jì)

　　離心鑄造用鑄型，主要由金屬型筒、擋板、帶砂芯的底板三部分組成。由于該錐段轉(zhuǎn)鼓大部分內(nèi)外圓均為圓錐形，直段部分較短，并且其鑄件縮尺通常約為2%，加上金屬型筒對(duì)鑄件的激冷作用，冷卻收縮后就能方便地脫模，故不需要考慮鑄件的拔模斜度。改進(jìn)型立式離心鑄造用鑄型結(jié)構(gòu)如下圖所示。

金屬型筒材料的確定：

　　考慮到金屬液溫度較高，為避免金屬外模局部溫度超過(guò)其轉(zhuǎn)變溫度A_c1(奧氏體化開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度)，使金屬外模內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)離心鑄造金屬型筒材料的選用情況，通常選30CrMo、34CrMo和21CrMo10等為金屬型筒材料。

　　由于錐段轉(zhuǎn)鼓生產(chǎn)批量大，為保證金屬外模具有較長(zhǎng)的使用壽命，且21CrMo10材料的合金含量高，Ac1溫度為768℃且韌性較好，有阻止熱裂紋形成的特性，故選21CrMo10為金屬型筒材料。

　　金屬型筒壁厚的確定：

　　在一般臥式離心鑄造中，通常擋板與鑄件的接觸面積要比金屬型筒小得多，鑄件的熱量主要是傳遞給金屬型筒后散發(fā)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，臥式離心鑄造中金屬型筒壁厚δ_型與鑄件壁厚δ_鑄的比值δ_型/δ_鑄在1.4～2.0比較適宜。

　　在改進(jìn)型立式離心鑄造中，雖然在金屬鑄型底板上設(shè)置了砂芯，砂芯將從鑄件吸收更多的熱量，但是砂芯在吸收熱量后會(huì)產(chǎn)生很多水汽，水汽在經(jīng)底板排出的同時(shí)將帶走大部分的熱量，使底板、擋板吸收的熱量與金屬型筒相比要小得多，故在確定改進(jìn)型立式離心鑄造金屬型筒的壁厚時(shí)參照臥式離心鑄造即可。

　　改進(jìn)型錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件中主要壁厚Zui厚處為51mm，按δ_型/δ_鑄在1.4～2.0計(jì)算，δ_型為71.4～102.0mm，考慮到錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件壁厚有的地方變大，確定金屬型筒的壁厚為90mm，此時(shí)δ_型/δ_鑄=1.7。

　　3、鑄型首次使用前內(nèi)表面的處理

　　首次使用的金屬型筒工作表面，在機(jī)械加工后比較光潔、存在油污等，噴涂涂料后會(huì)出現(xiàn)涂料容易脫落的現(xiàn)象，使鑄件產(chǎn)生夾渣等有害缺陷。因此，金屬型筒在首次使用前，通常要求噴涂涂料后用適當(dāng)溫度的金屬液清洗型筒一次。

　　生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，金屬型筒工作表面在首次使用前，提前在噴涂的涂料中加入少量的鹽，然后噴涂到金屬型筒工作表面并存放5～7天，之后將金屬型筒工作表面用清水清洗干凈，清洗干凈后即可投入使用，且加入的少量的鹽并不會(huì)對(duì)金屬型筒產(chǎn)生任何危害，并可以大大減少資源的浪費(fèi)、提高生產(chǎn)效率等。

　　4、鑄型加工余量的確定

　　采用離心鑄造時(shí)，金屬液在離心力的作用下進(jìn)行補(bǔ)縮，一般無(wú)氣孔、夾渣等有害缺陷，雜質(zhì)主要聚集在錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件內(nèi)表面和兩端面，故鑄件內(nèi)表面加工余量要大于外表面。

　　同時(shí)，在改進(jìn)型立式離心鑄造工藝中，由于增加了砂芯，避免了鑄件內(nèi)表面產(chǎn)生縮凹;因此，設(shè)計(jì)加工余量時(shí)不需要考慮縮凹對(duì)鑄件壁厚的影響。

　　故其單面加工余量：錐段轉(zhuǎn)鼓上端(小直徑端)面為20mm，錐段轉(zhuǎn)鼓下端(大直徑端)面為16mm，錐段轉(zhuǎn)鼓外圓加工余量為6mm，錐段轉(zhuǎn)鼓內(nèi)孔加工余量為10mm。

　　5、鑄型轉(zhuǎn)速的確定

　　采用康斯坦丁諾夫公式確定鑄型轉(zhuǎn)速：

　　式中n——鑄型轉(zhuǎn)速，r/min;

　　γ——合金液重度，N/m³;

　　r₀——鑄件內(nèi)表面半徑，m;

　　β——調(diào)整系數(shù)，對(duì)于鑄鋼件的立式離心鑄造，β取1.0~1.3。

　　對(duì)于國(guó)外某離心分離機(jī)用大直徑不銹鋼錐段轉(zhuǎn)鼓，其材質(zhì)為UNSJ93371雙相不銹鋼，γ=7.8×10⁴N/m³。由于錐段部分增加了砂芯，r₀可按直段部分的選取，即r₀=137.5mm。因此，由上式可計(jì)算出鑄型所需的離心轉(zhuǎn)速為533.0~692.9r/min。

　　鑄型的離心轉(zhuǎn)速n取560r/min，此時(shí)β=1.05。

　　6、金屬型筒的涂料

　　金屬型筒的涂料采用硅石粉水基涂料，噴涂的涂料厚度為1.2~1.5mm，噴涂涂料時(shí)應(yīng)均勻、平整。金屬型筒、砂芯預(yù)熱后噴涂涂料，噴涂后不需再次預(yù)熱。

　　7、金屬型筒和砂芯的預(yù)熱溫度

　　金屬型筒的預(yù)熱溫度為180~240℃。首次使用時(shí)，先預(yù)熱至≥300℃，然后自然冷卻至180~240℃進(jìn)行涂料的噴涂，噴涂涂料后即可用于澆注。

　　砂芯采用樹(shù)脂砂造型，預(yù)熱溫度為120~150℃，預(yù)熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，一般為1h左右，以避免出現(xiàn)松垮，滯留的水汽在澆注時(shí)可以將熱量從底板孔中帶出。預(yù)熱后進(jìn)行涂料的噴涂，涂料噴涂完畢后即可用于澆注。

　　8、澆注溫度的確定

　　對(duì)雙相不銹鋼來(lái)說(shuō)，其熔點(diǎn)約為1440℃。采用改進(jìn)型立式離心鑄造，澆注溫度一般在熔點(diǎn)的基礎(chǔ)上上升120~230℃，即1560~1670℃。由于澆注溫度過(guò)高則不利于保護(hù)鑄型，且為保證鑄型型腔內(nèi)的氣體能充分排出，故取澆注溫度為1580~1600℃。

　　9、鑄件脫模溫度的確定

　　鑄件在離心力的作用下充型、凝固，冷卻至700℃左右時(shí)，離心力基本上已不起作用，可停機(jī)將鑄型從立式離心機(jī)上吊走，以保護(hù)立式離心機(jī)。為便于操作，待鑄件自然冷卻至300℃左右脫模。