Центробежное литье

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.

     Литейной формой являются обычно металлические формы, изготовленные из стали или чугуна. При центробежном литье металл заливают во вращающуюся форму, установленную на центробежной машине. В некоторых случаях форма приводится во вращение после заливки. Вращение формы осуществляется вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Принцип центробежного литья заключается в том, что заполнение формы 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. Чаще 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.

Свойства литых заготовок, полученных данным методом:

• Устраняются внутренние дефекты литых заготовок усадочного характера вследствие кристаллизации отливки в литейной форме под постоянным действием центробежной силы и строгонаправленной кристаллизации отливки под действием центробежной силы от стенок литейной формы к свободной поверхности (внутреннему отверстию) литой заготовки, покрытой слоем шлака, имеющего температуру на 200…400°С большую, чем расплав.
• Понижается уровень загрязнённости металла неметаллическими включениями вследствие проведения электрошлаковой плавки под слоем шлака, исключающего контакт расплавленного металла с кислородом атмосферы, рафинированием (очисткой) капель расплава при прохождении через слой шлака и первоначальным сливом расплавленного шлака в литейную форму и дополнительным рафинированием расплава после поступления его в литейную форму и оттеснением шлака с прохождением его через расплав во внутреннюю полость (отверстие) заготовки за счёт центробежных сил.
• Уменьшается содержание серы в металле (менее 0,01 %) вследствие десульфации при электрошлаковой плавке.
• Механические свойства не уступают свойствам кованым заготовкам вследствие устранения внутренних дефектов усадочного характера и обеспечения низкого уровня включений по границам зёрен.

     Процесс центробежного литья может быть полностью механизирован или автоматизирован, что уменьшает потери от брака и сокращает потребность в высококвалифицированной рабочей силе.

      Наиболее распространенным является способ литья пустотелых цилиндрических отливок в металлические формы с горизонтальной осью вращения. По этому способу отливка формируется в поле центробежных сил со свободной цилиндрической поверхностью, а формообразующей поверхностью служит внутренняя поверхность изложницы. Расплав из ковша заливают во вращающуюся форму через заливочный желоб. Расплав растекается по внутренней поверхности формы, образуя под действием поля центробежных сил пустотелый цилиндр. После затвердевания металла и остановки формы отливку извлекают. Данный способ характеризуется наиболее высоким технологическим выходом годного (ТВГ = 100%), так как отсутствует расход металла на литниковую систему.

      Металлические формы при центробежном литье, так же, как и при кокильном, предварительно подогревают и на поверхность наносят защитные покрытия. Для форм, вращающихся горизонтально, можно применять сыпучие покрытия, которые вводят в форму перед заливкой. Под действием центробежных сил порошок покрытия равномерно распределяется по всей цилиндрической поверхности формы.

      Методом центробежного электрошлакового литья получают заготовки, представляющие собой тела вращения:

• Заготовки фланцев (плоские, воротниковые фланцы, на свободном кольце),
• Заготовки в форме катушек (превенторы, штуцеры),
• Корпуса колонных обвязок,
• Бандажные кольца,
• Фланцевые заглушки (глухие фланцы),
• Эксцентрические и концентрические переходы,
• Заготовки в виде усечённого шара для шаровых затворов кранов.

     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.  Способ центробежного литья имеет следующие особенности:

• Металл заливается и кристаллизуется в форме под действием центробежных сил. Центробежные силы создают благоприятные условия для направленного затвердевания отливки (от стенок к свободной поверхности) и непрерывного питания затвердевающего слоя жидким металлом.
• Отливки получаются плотными, без пористости и усадочных пустот.
• Неметаллические включения, имеющие меньшую плотность, чем металл, скапливаются на внутренней свободной поверхности. Поэтому на внутренней поверхности предусматриваются повышенные припуски на механическую обработку.
• При центробежном литье полых изделий (труб, гильз, втулок и т. д.) отсутствуют стержни и литниковая система. Хорошее заполнение формы обеспечивается даже для сплавов с пониженной жидкотекучестью.
• При получении отливок со свободной параболической поверхностью при вращении формы вокруг вертикальной оси расплав из ковша заливают в форму, закрепленную на шпинделе, приводимом во вращение электродвигателем. Расплав под действием центробежных и гравитационных сил распределяется по стенкам формы и затвердевает, после чего вращение формы прекращают и извлекают из нее затвердевшую отливку.

      Мелкие фасонные отливки можно получать центробежным литьем в песчаные формы. Части формы устанавливают на центробежный стол и крепят на нем. При необходимости используют стержни. Рабочие полости 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.

      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.

      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.

      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.

     Водопроводные и канализационные трубы из серого чугуна являются одним из наиболее массовых видов продукции, изготовляемых центробежным литьем. Для труб характерны большая длина и сравнительно малая толщина стенки. Канализационные трубы изготовляют длиной 2 м и диаметром 50 -150 мм при толщине стенок 4-5 м; водопроводные трубы — длиной 2 — 5 м, диаметром 50-1000 мм и толщиной стенок 7,5 — 30 мм. Литые трубы не обрабатывают резанием. В технических условиях на их приемку регламентируют массу труб, их разностенность (продольная и радиальная). Для водопроводных труб, кроме того, обязательным является испытание на герметичность. Из механических свойств определяют твердость (по Брюнеллю) и так называемый модуль кольцевой прочности R.

      Недостатки процесса — значительная стоимость металлических форм при малой их стойкости, образования в отливках поверхностного отбела и больших внутренних напряжений, что заставляет подвергать трубы высокотемпературному отжигу, что удорожает стоимость продукции.

      Преимущества центробежного литья — возможность получения пустотелых отливок без применения стержней, получение плотной и мелкозернистой структуры, экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы.