46:2942296 6张 鑫水冷法离心

　　离心铸造研究现状 摘要：作为特种铸造之一的离心铸造，在现代铸造业中已经占据了十分重要的 地位。本文概括了近 20 年来离心铸造关键工艺技术的研究现状，总结了离心铸 造的应用状况。 关键词：离心铸造；工艺技术；相关产品；研究现状。 1 离心铸造关键技术的研究现状 1.1 铸型转速的计算 在生产过程中， 对铸型转速的确定是十分重要的， 它直接影响着铸件的质量 和生产的成本。转速过低，离心力不足，易导致铸件充型不良，水平离心铸造中 就会出现雨淋现象； 但转速过高， 不但会浪费资源， 而且会使铸件产生纵向裂纹， 成分偏析等缺陷。目前对铸型转速的确定主要有 5 种方法[1] （1）当铸件 R 外/R 内比值≦1.5，使用水平离心铸造时：n=β 555200/（γ R）? n—铸型转速(r/min)；R—铸内表面半径(m)；β —合金重度(N/m3)；γ —调整系 根据材料不同取 0.921.6。 （2）在绝大多数离心铸造中可以使用： n=29.9（G/R）? G—重力系数：中空冷硬轧辊 75~150、缸套 50~110、铜套钢管 50~65、铸铁管 30~75 （3）当铸件 R 外/R 内比值应≦1.15 时: n=C/R? C—综合系数(g/cm-3)：铸铁 7.2、铸钢 7.85、黄铜 8.2、铅青铜 8.8~10.5、巴氏合 金 7.3~7.5、铝合金 2.65~3.10、青铜 8.4。 （4）对于立式离心铸造： n=42.3{h/(D2-d2)} ? h—铸件高度(m)；D、d)铸件内孔允许的半径和小半径(m)。 （5）在生产实践经验中： N=2k{Eh（R21+R22）}? N—铸型的生产转速；E—能量系数:尚需通过实践，积累经验，逐渐确定。 1.2 涂料的研究 涂料及涂料工艺的改进对铸件质量的提高有极大地作用[2]。在离心铸造生产 1 中，金属型内表面涂敷涂料的主要作用是:降低金属型所受的热冲击、控制合金 液的冷却速度、形成合理的铸件表面、使铸件容易脱模。我国离心铸造所用的涂 料多存在劳动条件差，粘砂严重，表面硬度高及涂料层不易扩散等缺点。 河北机电学院研制的以高铝土为主，并添入少量两种不同的粘结剂及微量 PVA 的新涂料。通过测定 3 种新涂料的比重、悬浮性、触变性、烘干抗裂性、 附着性、涂料硬度、发气性、高温急热抗裂性、高温强度等指标，发现其中两种 由于采用了无机高温粘结剂和粒度小的耐火材料， 结果提高了涂层的硬度和高温 强度，使涂层开裂时间大于金属液凝固时间，有效地防止了金属渗漏，抑制了粘 砂[3]；吉林省白山市科研所发现，用于热模法离心铸造的硅藻土隔热涂料中硅藻 土的粒度分布状态与涂料的性能和铸件表面粗糙度有直接影响。 通过对涂料粉料 颗粒分布状态的分级调配， 可获得性能优良的隔热涂料[4]； 对专用于风冷内燃机、 风冷发动机中的风冷缸套， 欧美国家用一种特殊涂料生产出的风冷缸套表面呈现 “杨梅”状，即形成具有一定高度和密度的、均匀的毛刺，增大了缸体与缸套之 间的结合强度和散热效果。这一技术，我国的部分技术单位也已拥有[5]；新兴铸 管股份有限研究表明， 耐火骨料中的发气物主要是吸附水与结晶水，但经高 温焙烧后，发气量会显著下降。粘结剂发气量是聚合氯化铝，悬浮剂发气量 是膨润土。 涂层的烘干温度越高， 保温时间越长， 发气量越小， 其中在 350℃ 保温 1~2 小时，可防止气孔缺陷。此外，耐火骨的密度越大则悬浮性越差，而耐 火骨的粒度越小，悬浮性越好；不同涂料的悬浮性也不同，其中海藻酸钠涂料悬 浮性，羧甲基纤维素钠涂料次之，膨润土涂料差[6]。 1.3 合金液中气体及杂质的控制 离心铸造工艺根据自身特点，为了优化工艺，提高产品质量，充分发挥离心 铸造的优点，在铸造熔炼各种金属时，要求熔炼出的金属有合适的成分、有适当 的浇注温度以及高的纯净度，人们对此进行了大量的研究。上世纪八十年代初， 前苏联研究发现，正交电磁场对液态金属的除气作用效果明显。近年来，山东工 业大学开展了电磁搅拌对铝钛硼合金净化的研究， 结果表明电磁搅拌对金属液除 杂的作用巨大、效果明显，除杂率可达 90%以上。虽然这些研究没有直接在离心 铸造中进行，但对离心铸造中合金液的净化提供了宝贵的指导作用[7]。 1.4 细化晶粒及控制成分偏析的研究 2 铸件性能的好坏是由铸件本身的成分、 组织结构决定的， 离心铸件也是如此。 由于离心铸件的偏析较为严重， 所以对离心铸件成分均匀化及减少偏析的研究一 直都是焦点问题。 电磁离心铸造既保留了普通离心铸造组织致密、缩松及气孔少 等优点，又可通过电磁搅拌作用，改变普通离心铸造中的粗大柱状组织为均匀的 等轴晶组织，并使第二相均匀分布，减轻成分偏析。贺幼良等人对电磁离心铸造 工艺、 凝固的力场分析及有限元法对电磁离心凝固过程熔体的流动和传热进行耦 合分析，建立了物理参数 G/R 和 GR(G 是温度梯度，R 是界面生长速度)与金属 凝固组织之间的关系。 并通过计算这两个物理参数的值，对电磁离心铸件的凝固 组织进行了定性分析，较为准确地预测出铸件凝固时组织的变化[8]；沈阳工业大 学对离心铸造铅青铜偏析进行了研究，结果发现， 混合稀土能促进铅在整个合金 中的均匀分布。但是混合稀土的加入量过少，防止铅偏析的效果不明显，加入量 过多又会引起合金氧化、流动性降低、操作困难等问题，其通过实验确定了牌号 为 ZCuPb15Sn7 的铅青铜合金，离心铸造 混合稀土适宜加入量为 0.5%[9]； 西安理工大学用 离心铸造与重力金属型铸造对比的方法， 证明了离心铸造的白口铁基体比重力铸 造含更多的细化等轴晶，并且白口铁的共晶产物(莱氏体+碳化物)少于静力金属 型铸造的白口铁， 其中离心铸造白口铁中的碳化物呈板块状，而屈氏体进一步得 到细化，从而使铸件的力学性能高于重力金属型铸件，尤为韧性为明显[9，10]。 1.5 电磁离心铸造的研究 近年来， 电磁离心铸造已经越来越受到人们的关注，电磁离心铸造是指一种 能有效改善离心铸件组织及性能的新工艺， 即在离心铸造过程中对液态金属进行 电磁搅拌。东北大学贾光霖等人建立了电磁离心铸造中液态金属的速度分布方 程， 并且分析了成分不同的液相和游离固相的运动规律， 得出在电磁离心铸造中， 液态金属受电磁力与离心力的交互作用， 而且在铸件凝固的界面前沿存在着强烈 的冲刷。 这种冲刷使合金液中各相间及异相质点与基体之间由于在电磁特性上的 差别，呈现出不同的运动规律，因而可以控制它们的偏析程度[11]。清华大学对外 加磁场的离心铸造高速钢轧辊组织及性能进行了研究，运用 XRD、SEM 等手段 发现外加磁场后，铸件中残留奥氏体的含量明显降低，特别在外加磁场为 0.15 T 时，残留奥氏体的含量达到。此外，随着磁场强度的增加，碳化物数量增多 且更细小、弥散，进而提高了铸件的硬度[12]。 3 2 离心铸造技术的应用现状 2.1 垂直离心铸造的应用 离心铸造按照铸型旋转轴位置的不同，可以分为水平(卧式)离心铸造与垂直 (立式)离心铸造两类。在我国水平离心铸造发展较为广泛，其相关技术与产品也 较垂直离心铸造更为完善与丰富。而近些年，随着离心铸造技术的日新月异，垂 直离心铸造也得到了发展。 大隆铸锻对垂直离心铸造工艺进行了研究，并 在所形成的理论基础上进行了 0Cr25Ni6Mo2N 双相不锈钢叶轮、 3Cr24Ni7SiNRE 为材料的还原罐封头的生产。铸件的成品率高达 80%以上，成本大幅降低，铸件 质量显著提高[13]；钛合金具有重量轻、强度高、兼容性好等优点而被用于航天、 军工等领域中。 但是它的制造和加工费用昂贵， 限制了其在各个领域的广泛使用， 为了降低钛合金的生产成本， 利用立式离心铸造是一种行之有效的方法。哈尔滨 工业大学吴士平等首先对国内外钛合金离心铸造做了总结，之后对石墨型 Ti 合 金立式离心铸造中熔体横截面的变化规律，以及旋转方向对充填顺序进行研究， 指出在离心力场下， 柯氏力对熔体运动方向的改变影响非常大，当熔体填充到 远端时，由正向填充转为反向填充。分别讨论了横浇道内侧有、无内浇道两种情 况下的熔体填充过程[14]；哈尔滨工业大学对立式离心铸造钛合金熔体填充量进 行了数值模拟与试验研究， 证明了填充量随离心转速的增加而增加，但是转速过 高却会导致熔体填充量的下降，此外，横浇道的截面积对填充量的也有影响[14， 15] ；河南科技大学对立式离心铸造的缩松锁孔进行了数值模拟，并将理论判据应 用到软件中发现采用半球形冒口钛铝合金铸件缩松锁孔少于锥形冒口的铸件， 研 究结果为钛合金产品在垂直离心铸造中的推广奠定了基础[15]。 2.2 离心铸造功能梯度材料 功能梯度材料(Functionally Graded Materials，简称 FGM)是指构成材料的要 素(组成、结构)沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续梯度变化，从而使材料性质和 功能也呈梯度变化的一种新型材料。 利用离心铸造中的离心力可以较容易的生产 出功能梯度材料。吉林工业大学于思荣等对此进行了详细的总结及实验研究指 出，利用离心铸造法制梯度功能材料的发展、现状及热点问题。其中对强化相 质点梯度分布控制数学模型的研究、 离心铸造的梯度功能材料的实验研究做了详 细的介绍[16]；武汉科技学院对离心铸造 Al2Fe 合金梯度功能材料的温度场、初生 4 相浓度场进行了数值模拟，后通过模拟结果及图像得出结论:随着转速增大， 离心半径越大，初生相浓度越高；随着离心半径增大，初生相浓度增大，组织呈 现梯度变化[17]。 2.3 离心铸造复合材料 复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料 为增强体(reinforce2ment)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产 生协同效应， 使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。传 统的金属基复合材料(MMCs)具有制造成本低、良好的力学、物理性能等优点。 自 1984 年平井敏雄等用化学气相沉积法(CVD)制出 C2SiC 功能梯度复合材料 以来， 人们就开始了用离心铸造法制造复合材料的研究。重庆大学王开等将惰性 气体保护搅拌铸造法的复合材料制方法与离心铸造成型技术结合起来， 制出 增强颗粒具有连续梯度分布的复合材料盘状件，将对离心铸造 SiCp/ZL104 复合 材料盘状件组织与性能进行了研究，测量了在径向不同位置的试样的孔隙率、密 度、硬度和增强颗粒体积分数。试验结果表明，将复合材料复合铸造法与离心铸 造成形技术相结合后， 可在复合材料界面结合良好的情况下，实现部分 SiC 增强 颗粒沿径向方向上的联系梯度分布，离心铸造同时降低复合材料的孔隙率，提高材料致密 度，增加材料洛氏硬度[18] 2.4 离心铸造小口径厚壁铸管 南京工程学院与南京绿洲机械合作利用离心铸造的方法成功的制造出外 径 80 mm 内径 45 mm 长 1000 mm 的小口径厚壁 ZG1Cr18Ni9Ti 不锈钢铸管。在 生产过程中， 他们还自己设计了离心机与铸型， 定制了与铸件对应的铸造工艺[19] 3 结论 综上所述， 离心铸造作为一种传统的特种铸造技术，具有其他铸造技术不可 替代的优点，如不需砂芯即可获得中空铸件、金属液利用率高、铸件组织致密、 易于生产梯度材料等。因此，离心铸造在工艺及产品开发方面都有新的突破。 (1) 在工艺设计方面，现阶段已经对离心铸造转速计算、铸造缺陷控制、计算 机仿真， 以及电磁离心铸造等方面有了较广泛地研究。 但是每种研究成果都有一 定的局限性， 因此在实际生产中，一定要根据产品的质量要求和生产单位的实际 情况正确选择，并且在已有研究基础上进行改进创新。 5 (2) 在产品开发方面，经过多年的科研实践，离心铸造已经不再仅局限于传统 铸铁管类产品，出现了许多以中高合金钢、钛合金等为主要材料的新产品，并且 对新型材料的成型过程研究日益完善。此外，根据离心铸造的产品特点，引发了 对梯度功能材料和复合材料的新研究，研究成果已部分运用于生产实践。 参考文献： [1]张伯明.离心铸造[M].北京:机械工业出版社 2004. 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