Центробежное литьё Суть способа. Основные операции и область использования
Принцип центробежного литья заключается в том, что заполнение фор-мы 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 цилиндрических 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 поверхностью служит внутренняя поверхность изложницы. Расплав 1 из ковша 3 заливают 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 отливку 4 извлекают. Данный способ характеризуется наиболее высоким технологическим выходом годного (ТВГ = 100%), так как отсутствует расход металла на литниковую систему.
Рисунок 6.1 – Схема получения отливки при вращении формы вокруг горизонтальной оси: 1 – расплав; 2 – заливочный желоб; 3 – ковш; 4 – отливка; 5 – форма
При получении отливок со свободной параболической поверхностью при вращении формы вокруг вертикальной оси (рисунок 6.2) расплав из ковша 1 заливают в форму 2, закрепленную на шпинделе 3, приводимом во вращение электродвигателем 4. Расплав 5 под действием центробежных и гравитационных сил распределяется по стенкам формы и затвердевает, после чего вращение формы прекращают и извлекают из нее затвердевшую отливку 6.
Рисунок 6.2 – Схема получения отливок при вращении формы вокруг вертикальной оси: 1 – ковш; 2 – форма; 3 – шпиндель; 4 – электродвигатель; 5 – расплав; 6 – отливка
Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации получают с использованием стержней (рисунок 6.3, а) в формах с вертикальной осью вращения. Так отливают, например, венцы зубчатых колес. Расплав из ковша через заливочное отверстие и стояк 1 поступает в центральную полость формы 2, выполненную 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 песчаные формы (рисунок 6.3, б). Части формы 1 и 2 устанавливают на центробежный стол и крепят на нем. При необходимости используют стержни 4. Рабочие полости 3 должны располагаться симметрично относительно оси вращения для обеспечения балансировки формы. Расплав заливают через центральный стояк, из которого по радиальным каналам он попадает в полости формы. Технологический выход годного при таком способе литья приближается к выходу годного при литье в песчаные формы. При центробежном литье можно использовать песчаные, металлические, оболочковые и объемные керамические, а также комбинированные формы.
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 поверхность формы; 4 – стержень
Особенности формирования отливки. Главная особенность формирования отливок при центробежном способе литья заключается в том, что заполнение 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.
Действие центробежных сил необходимо учитывать и при конструировании систем шлакозадержания и питания отливки, например, при получении стальных фасонных отливок центробежной заливкой в песчаные формы.
Особенности охлаждения и затвердевания отливок в поле центробежных 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 излучением со стороны свободной поверхности. Количество теплоты, отводимое в воздушное пространство от свободной поверхности отливки, значительно. Воздух, находящийся в полости отливки, вовлечен в процесс вращения и находится в постоянном движении. Вдоль оси вращения на смену нагретому воздуху поступают порции холодного. Более интенсивная циркуляция воздуха наблюдается в случае вращения формы с расплавом вокруг вертикальной оси вследствие естественного подъема горячего воздуха вверх.
Подобная неравномерность охлаждения, особенно толстостенных отливок, приводит к возникновению конвективных потоков в расплаве: охлажденный и более плотный расплав перемещается от свободной поверхности внутрь затвердевающей отливки, а горячий и менее плотный – наружу. Поэтому конвективные потоки в расплаве циркулируют в радиальном направлении (рисунок 6.4, а). В условиях центробежного литья это явление наблюдается даже при небольшом различии температур и плотностей металла, так как действующие в этой системе силы возрастают пропорционально величине гравитационного коэффициента. Это способствует направленному затвердеванию отливки в радиальном направлении, которое выражено тем сильнее, чем больше угловая скорость 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 (рисунок 6.4, б), поэтому они несколько наклонены в сторону по направлению вращения. Давление, развиваемое при вращении расплава, способствует прониканию его в межкристаллитные пространства, что улучшает питание затвердевающей отливки и увеличивает ее плотность. Свободная поверхность расплава затвердевает в последнюю очередь и при горизонтальной оси его вращения форма свободной поверхности остается геометрически правильной – цилиндрической.
Рисунок 6.4 – Схема возникновения конвективных потоков (показаны фигурными стрелками) во вращающемся затвердевающем расплаве (а) и схема кристаллического строения отливки (б): l0 – глубина расположения усадочной пористости; стрелкой показано направление вращения изложницы.
Инородные частицы (газы, шлак и т.д.), плотность которых меньше плотности 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 является недостатком данного способа литья.
Таким образом, при направленном затвердевании можно получить отливки с плотным строением тела, без усадочных дефектов и инородных включений. Однако центробежные силы способствуют направленному затвердеванию только в тех случаях, если выделяющиеся на свободной поверхности кристаллы твердой фазы имеют большую плотность, чем плотность остального расплава.
Для большинства литейных сплавов это условие соблюдается. Исключение составляют два случая:
когда сплав затвердевает с увеличением объема, например, серый чугун;
когда выделяющиеся из жидкого металла кристаллы обогащены компонентами сплава, имеющими меньшую плотность, чем оставшийся расплав. Такое явление наблюдается, например, при затвердевании заэвтектических силуминов. В этом случае при содержании кремния в силуминах более 11,7 %, первичные кристаллы обогащены кремнием, плотность которого меньше плотности алюминия. Если эти более легкие кристаллы зародились и выросли на свободной поверхности, то они там и останутся. Если кристаллы зародились в переохлажденном расплаве, за счет разности плотностей расплава и твердой фазы они всплывают. В результате отливка затвердевает от стенок изложницы и со стороны свободной поверхности, и к концу затвердевания вследствие недостатка питания внутри отливки образуются усадочные поры. В этом случае, чем быстрее вращается форма, тем интенсивнее выносятся кристаллы на свободную поверхность и тем глубже располагается усадочная пористость.
Усадочная пористость под свободной поверхностью наблюдается также при изготовлении толстостенных отливок (рисунок 6.4, б). В тонкостенных отливках большой протяженности глубина расположения зоны усадочной пористости 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 стороны 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 заполняемости форм расплавом под действием давления, развиваемого центробежными силами; повышение плотности отливок вследствие уменьшения количества усадочных пор, раковин, газовых, шлаковых и неметаллических включений; уменьшение расхода металла и повышение выхода годного, благодаря отсутствию литниковой системы при изготовлении отливок типа труб, колец, втулок или уменьшению массы литников при изготовлений фасонных отливок; исключение затрат на стержни при изготовлении отливок типа втулок и труб.
Недостатками способа являются: трудности получения отливок из сплавов, склонных к ликвации; загрязнение свободной поверхности отливок неметаллическими включениями; неточность размеров и необходимость повышенных припусков на обработку свободных поверхностей отливок, вызванная скоплением неметаллических включений в материале отливки вблизи этой поверхности и отклонениями точности дозы расплава, заливаемого в форму.
Наивысшие технико-экономические показатели центробежного способа литья достигаются при получении пустотелых цилиндрических отливок с различными размерами и массой (длиной до нескольких метров и массой до нескольких тонн): труб разного назначения из чугуна, стали, цветных и специальных сплавов; втулок и гильз для стационарных и транспортных дизелей; колец подшипников качения и др. Большое распространение получило центробежное литье для изготовления биметаллических изделий, изделий из сплавов с низкой жидкотекучестью и высоким поверхностным натяжением, при необходимости получения тонкостенных отливок со сложной геометрией и микрорельефом поверхности. К ним относятся, например, турбинные диски с лопатками, отливки художественного и ювелирного назначения.
ЛИТЬЕ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
Такое название в нашей стране получил способ, запатентованный в 1940-х гг. в Германии И. Кронингом (отсюда распространенное за рубежом название «кронинг-процесс»).
Традиционно этот способ относили к специальным видам литья, так как он требует использования для изготовления форм нагреваемой модельной оснастки. Но, по существу, данный способ входит в группу методов литья в разовые разъемные формы из дисперсных материалов.
Оболочковые разъемные формы обычно изготовляют из сыпучих термореактивных песчаных смесей с органическими связующими. В качестве связующего чаще всего используют фенолформальдегидные смолы (СФ-12, СФ-15 и др.) с добавкой уротропина в количестве 8 – 12% от содержания смолы. Расход смолы в смеси составляет 4 – 5 % массы огнеупорной основы – кварцевого песка или другого огнеупорного зернистого материала.
Основные операции изготовления форм. Оболочковая форма состоит из двух полуформ с горизонтальной или вертикальной плоскостью разъема.
Процесс изготовления оболочек из песчано-смоляной термореактивной смеси включает в себя следующие операции: нагрев модельной оснастки; нанесение на поверхность оснастки разделительного покрытия; нанесение на модельную оснастку песчано-смоляной смеси; формирование и затвердевание оболочки; съем готовой полуформы с модельной оснастки.
Методы изготовления оболочек различаются в основном способом нанесения песчано-смоляной смеси на модельную оснастку. Наиболее распространен способ свободной засыпки модельной оснастки смесью из поворотного бункера (рисунок 7.8).
Рисунок 7.8 – Схема технологического процесса изготовления оболочковых форм: а – подготовка модельной оснастки; б – засыпка модельной плиты смесью; в – удаление излишков смеси; г – окончательное затвердевание оболочки в печи; д – съем оболочковой полуформы с модельной плиты; е – склеивание оболочковых полуформ; ж – подготовка формы к заливке; 1 – модельная плита; 2 – модель отливки; 3 – литниковая система; 4 – плита толкателей; 5 – бункер со смесью; 6 – смесь; 7 – формирующаяся оболочка; 8 – элементы цен-трирования оболочковой полуформы при будущей сборке
При изготовлении верхней оболочковой полуформы металлическую модельную плиту 1 (рисунок 7.8, а) с моделью отливки 2 и литниковой системой 3 нагревают до 200 – 300оС электронагревателями или газовыми горелками и наносят на нее тонкий слой разделительного покрытия. В качестве покрытия используют раствор синтетического термостойкого каучука в бензине. Этот состав обладает наиболее высокой стойкостью (до 50 съемов), реже применяют мазут.
Формовочную смесь 6 из бункера 5 насыпают на модельную плиту (рисунок 7.8, б) и выдерживают. Время выдержки обусловливает толщину прогретого слоя смеси до температуры плавления связующего, частичной его полимеризации и, соответственно, толщину формирующейся оболочки. Обычно используют оболочки толщиной 6 – 20 мм.
Плиту вместе с бункером переворачивают на 180о для удаления лишней непрогретой части смеси. После того, как смесь ссыпалась в бункер (рисунок 7.8, в), плиту с оболочкой снимают с бункера и помещают в печь (рисунок 7.8, г), где при 300 – 400оС ее выдерживают I – 4 мин для окончательного затвердевания оболочки. При этом смола полимеризуется и переходит в твердое состояние.
После извлечения оснастки из печи твердую прочную оболочковую полуформу снимают с модельной плиты толкателями, приводимыми в движение через плиту толкателей 4 механизмом съема (рисунок 7.8, д). Таким же образом изготавливают нижнюю полуформу.
Перед сборкой обеих полуформ с верха стояка срезают закрывающую его часть оболочки, если это необходимо, в нижнюю полуформу устанавливают стержни и склеивают оболочки по разъему на специальных многоштыревых прессах (рисунок 7.8, е). Для склеивания оболочковых полуформ используют жидкие или порошкообразные клеи на основе термореактивных смол. Центрируются полуформы за счет выступов и впадин на разъеме 8, оформленных при изготовлении оболочек соответствующими элементами модельной оснастки.
К форме с горизонтальной плоскостью разъема приклеивают оболочку с полостью литниковой чаши. При вертикальной плоскости разъема формы в этом нет необходимости, так как все элементы литниковой системы располагаются в плоскости разъема основных оболочек.
Заливают оболочковые формы в контейнерах с засыпкой чугунной дробью (рисунок 7.8, ж). Засыпка увеличивает прочность формы, препятствуя ее деформации при заливке. Кроме того, чугунная дробь быстрее отводит теплоту от формы, предотвращая тем самым быстрый ее нагрев до температур разложения связующего, сопровождающийся распариванием – потерей прочности оболочки.
Существуют варианты нанесения песчано-смоляной смеси на модельную плиту свободной засыпкой с вибрацией, пескодувным способом и др. В оболочковых формах можно получать отливки массой до 50 кг практически из любых сплавов – чугуна, углеродистой и легированной стали, легких и тяжелых цветных сплавов.
Основные преимущества литья в оболочковые формы по сравнению с литьем в обычные песчаные формы состоят в следующем: в несколько раз сокращается расход и объем переработки формовочных материалов; уменьшается трудоемкость ряда технологических операций, таких как приготовление формовочной смеси, изготовление форм, очистка отливок; уменьшается металлоемкость формовочного оборудования; снижаются первоначальные капитальные затраты и др. Недостатками способа в современных условиях являются: необход-имость изготовления форм в горячей оснастке; трудоемкость изготовления модельной оснастки, работающей при температурах до 300оС; недостаточная термостойкость связующего для изготовления крупных или массивных отливок из чугуна и стали; повышенное выделение вредных веществ вследствие термического разложения смоляного связующего.
Однако благодаря заметным преимуществам в точности отливок рас-смотренный метод изготовления оболочковых форм интенсивно используется в крупносерийном и массовом производстве.