离心铸造如浇注温度过高可能引起缩孔缩松气

　　离心铸造_化学_自然科学_专业资料。章 离心铸造 1.1 概述 定义：离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中(通常 250-1500r/min)，在离心力的作用下，完成金属 液的充填和凝固成形的一种铸造方法。 ? 离心铸造必须在专

　　章 离心铸造 1.1 概述 定义：离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中(通常 250-1500r/min)，在离心力的作用下，完成金属 液的充填和凝固成形的一种铸造方法。 ? 离心铸造必须在专门的设—离心铸造机（使铸型旋 转的机器）上完成。根据铸型旋转轴在空间位置的不 同，离心铸造机可分为卧式离心铸造机和立式离心铸 造机两种。 立卧 式式 立式离心铸造 主要用来生产高度小于直径的圆 环类铸件，有时也可用此种离心 铸造机浇注异形铸件。由于在立 式铸造机上安装及稳固铸型比较 方便，因此，不仅可采用金属型， 也可采用砂型、熔模型壳等非金 属型。 卧式离心铸造 主要用来生产 长度大于直径 的套筒类和管 类铸件。 离心铸造的特点 ? 由于液体金属是在旋转状态及离心力作用下完成 充填、成形和凝固过程的，所以离心铸造具有如 下一些特点： （1） 铸型中的液体金属能形成中空圆柱形自由表 面，不用型芯就可形成中空的套筒和管类铸件， 因而可简化管、筒类铸件的生产工艺过程。 （2） 离心力作用，显著提高液体金属的充填能力， 改善充型条件，可用于浇注流动性较差的合金和 壁较薄的铸件。 （3） 有利于铸件内液体金属中的气体和夹杂物的 排除，并能改善铸件凝固的补缩条件。因此，铸 件的组织致密，缩松及夹杂等缺陷较少，铸件的 力学性能好。 （4） 可减少甚至不用浇冒口系统，降低了金 属消耗。 （5） 对于某些合金（如铅青铜等）容易产生 重度偏析。 （6） 铸件内表面较粗糙，有氧化物和聚渣产 生，且内孔尺寸难以准确控制。 （7） 应用面较窄，仅适合于外形简单且具有 旋转轴线的铸件如管、筒、套、辊、轮等的 生产。部分简单的小型异型铸件也可生产。 （8）可以实现双金属铸造。 离心铸造的应用 ? 离心铸造主要用来大量生产管筒类铸件， 如铁管、铜套、缸套、双金属钢背铜套、 耐热钢辊道、无缝钢管毛坯、造纸机干燥 滚筒等，还可用来生产轮盘类铸件，如泵 轮、电机转子等。 8 离心铸件直径可 达3米，长度8米 重量 达几公斤 到十多吨 10 离心铸造双金属管 1.2 离心铸造原理（铸件成型特点） 1.2.1 离心力场 ? 离心铸造时，旋转着的液体金属占有一定 的空间，若在这个空间中取液体金属的任 一质点M，其质量为m，旋转半径为r，旋 ? 转角速度为ω，则在该质点上作用着离心力 ? F=m ω 2 r 。 ? 离心力的作用线通过旋转中心O，指向离开 中心的方向。它使金属质点做远离旋转中 心的径向运动。 ? 与地心引力场很相似！ ? 在地心引力场中，单位体积（V）物质所 受的重力（mg）称为重度，并以γ＝ mg/V=ρg表示；同样，对于离心力场来说， 作用于旋转状态单位体积（V）物质上的离 心力γ＝m ω 2 r/V＝ρ ω 2 r（其中ρ为物质的 密度）。为了与地心引力场相区别，我们 将γ称为“有效重度”。 ? 将离心力场与地心引力场的重度作一比较， 并以下式表示： G＝γ／γ＝ρ ω 2 r／ρg＝ ω 2 r／g （1-1） 或 γ＝Gρg＝Gγ （1-2） 式（1-1）及式（1-2）中的比值G称重力系数， 它表示旋转状态中物质重度增大的倍数。显然， 离心铸造时，在旋转铸型中的液体金属的有效重 度也将按G的倍数增大（通常为几十倍乃至一百 多倍），在液体金属自由表面上的有效重度一般 在（2～10）×106N/m3范围内。 总结 离心力场 重度： 有效重度： 重力系数： ???g ? ? ??2r G??2r/ g M mω2r mg O r ω 1.2.2 离心力场中液体金属自由表面的形状 离心力的作用→不用型芯即可获得中空圆柱 形铸件→冷凝后终就成为铸件中空的内表 面为自由表面。 液体金属自由表面形状是如何形成的？ h 立式离心铸造时的液体金属自由表面的形成 X?m?2x Y ?mg Z?0 由水力学欧拉公式： M mω2x Xd ?Yxd?Z yd ?0 z m?2xd? xmgd?y0 y ? ?2 x2 2g mg O x2 K x1 ω y1 y2 在立式离心铸造的旋转铸型中，液体金属的自 由表面是一个绕垂直转轴y的回转抛物面。 求铸件高度和内孔的半径差： 所以： 上式实际上就是一个旋转抛物面方程。 在一般情况下，凝固 后的立式离心铸件上 应有一与液体金属自 由表面相似的内表面， 但铸件内表面的抛物 面形状常会被破坏， 如右图所示。 为什么？ 卧式离心铸造时的液体金属自由表面的形成 离心力F＝mω2r0 X＝mω2r0cosα＝ mω2x Y＝mω2r0sinα＝ mω2y 由欧拉公式： ω y mω2r0sinα mω2r0 xα O y mω2r0cosα x Xd ?Yxd?Z yd ?0 z m ?2xd?x m ?2yd?y0 x2?y2 ?r02 在卧式离心铸造的旋转铸型中，若不考虑重 力场影响，液体金属的自由表面是一个绕水平转 轴x的圆柱面。 由于重力场的影响： ω y mω2r0sinα mω2r0 A xα mω2r0cosα e y O O x x B 根据水力学的液体流动的连续性原理： 从而出现圆柱形内表面向下偏移的现象。 问题？ 但这种自由表面偏移的情况是不会在凝固后的铸 件内表面上遗留下来的： 1）由铸件外壁向内表面逐渐凝固→液体层厚度逐渐减小 →偏心值e逐步减小 2）液体金属温度不断降低→粘度增大→液体金属由A断面 向B断面(由B断面向A断面)的运动阻力增大→υA与υB的 差值减小→偏心值e逐步减小 因此，在卧式离心铸造时，液体金属自由表面偏移的现象 将随着铸件凝固过程而逐渐消失。后，铸件的表面将不 会出现偏心。 为什么？ 1.2.3 离心压力 离心铸造时，在离心力的作用 下，液体金属内部和铸型壁上与重 力场一样，也会受到液体金属的压 力作用，这种压力称为离心压力。 离心压力的大小及其分布情况有其 本身的特点。 图1-5 卧式离心铸造时离心压力的计算 离心压力 dV???r?dr??d?drdz ? 2? y ω m????r?dr??d?drdz ? 2? F ????r?dr??2d?drd?z2 ? 2? O x ???r ? d r??2d?d rd?z2 ??r ? d r??2 dp? ? 2 ? ???2 ? 2 ? dr???2rdr rd?dz r ? ? pr ? prdp???2 p0 r rdr r0 P r??22 ?(r2?r02)??2g ? 2(r2?r02) Pmax?pR ??2? g2 (R2?r02) ? 图1-5所示为截取卧式离心铸造铸型中液体 金转属角的速横 度断 为ω面，，则其在外r半处径的为离R心，压内力孔为半径为r0，旋 ? ? pr ? ?? 2 2 (r 2 ? r02 ) ? ?? 2 2g (r 2 ? r02 ) （1-8） ? 式中 γ —液体金属的重度(N/m3)；g—重力加速度 ? 由式（1-8）可知，卧式离心铸造时，液体 金属中的等压面是以旋转轴为轴线的圆柱面，旋 转半径不同，离心压力值也不同，从自由表面r起 至外径R处，压力变化呈抛物线规律分布，在R处 为，即 ? pR ? ?? 2 2g (R2 ? r02 ) （1-9） ? 力。PR就是旋转液体金属对铸型壁作用的离心压 立式离心铸造时呢？ 离心压力与卧式有什么变化？ h r0不一样！ M mω2x mg y1 y2 上部压力小，下部压力大 O x2 K x1 ω P1 – P2=γh 如何推导？作业题！ 1.2.4 液体金属中异相质点的径向运 动 离心铸造时，浇入铸型的液体金属并不 是均匀单一的，往往会夹有一些异相质点。 主要包括： 外来夹杂物或气体； 无法互溶的不同组元； 凝固析出的晶粒和气体等。 这些异相质点与液体金属的重度各不一样。 在重力场中．它们的上浮或下沉的速度υ重 可根据斯托克斯公式确定： 离心力场中： 将两式相除得： 由式上可知，离心铸造时，液体金属中异相质点的浮 沉速度比重力铸造时大G倍。所以重度比液体金属小 的气体或某些夹杂物就较容易浮至自由表面，这就是 离心铸件中气孔、夹杂等缺陷可显著减少的原因。当 然，在铸件内表面上会有较多的异相夹杂物存在。 ? 在大多数情况下，凝固时析出的晶粒，其重度比液 体金属大。因此离心铸造时，析出的晶粒有更大的 趋势向铸件外表面或结晶前沿移动。同样，液体金 属中温度较低的部分也较易向外表面集中。此 外．离心铸造的散热过程又是通过铸型壁进行的。 所有这些，都为离心铸件由外表向内表的定向凝固 创造了更有利的条件。这样，促使结晶层的成长速 度增大，缩小了结晶的固、液相共存区，减少了铸 件中形成缩孔、缩松的倾向。所以，离心铸件的组 织比一般铸件致密。 径向移动将使： ? 有利于夹杂、渣滴和气孔逸出； ? 补缩容易，有效重度大，不易形成缩孔、 缩松的缺陷，组织致密度大； ? 易出现偏析和双向凝固现象。 ? 若金属凝固时析出的晶粒，其重度比液体 金属小，会怎样？ 高硅铝合金 ? 自内表面向外壁凝固！ 铅青铜 ? 缩孔缩松增加。 ? 避免方法：创造自外壁向内表面顺序凝固 的有利条件，如加强铸型冷却！ 1.3 离心铸件在液体金属相对运动影响 下的凝固特点 1.3.1 离心铸型横断面上液体金属的相对运动 及其对铸件结晶的影响 1.3.1.1 离心铸型横断面上液体金属的相对运动 1. 卧式离心铸造时重力场所引起的相对运动不明显 2. 由惯性作用所引起的相对运动 1.3.1 离心铸型横断面上液体金属的相对流动 及其对铸件结晶的影响 ?紊流阻止了异相 质点在金属中的正 常沉浮，液固共存 区增厚，形成等轴 晶区。 ?层流使其生长成 倾斜状的柱状晶。 1.3.2 离心铸型纵断面上液体金属的相对流动 及其对铸件结晶的影响 不同液层间的层状流动→层状偏析组织 如：金属型离心铸铁管零件，铸件断面由白 口与灰口、细小石墨与粗大石墨相互交替的 层状偏析组织。 防治措施：（减弱层状流动为目的） 1降低铸型冷却作用； 2提高浇注温度； 3增大浇注速度。 1.4 离心铸造设 1.4.1 立式离心铸造机 立式离心铸造铸铁件 1.4.2 卧式离心铸造机 卧式悬臂离心铸机 卧式滚筒离心铸机 卧式滚筒离心铸机 1.4.3多工位离心铸造机 多工位立式离心铸机 1.5 离心铸造工艺 1.5 离心铸造工艺 离心铸造的工艺要点主要有： ? 1） 首先根据铸件要求确定铸型转速，这是获得 优质铸件的首要条件。浇注前调好转速，浇注过 程中严格控制变速范围。 ? 2）铸型须经过清理、预热，再上涂料。上涂料时 要严格控制铸型温度和涂料厚度。 ? 3）浇注时严格掌握合金液的温度，定量准确，控 制好浇注速度。 ? 4）铸件冷却要严格掌握水冷时间和冷却强度。 1.5.1 铸型的转速 铸型转速是离心铸造工艺的主要内容。铸型转 速的选择主要应考虑如下三方面的问题： ? （1） 保证液体金属进入铸型后，能迅速充满成形。 ? （2） 保证获得良好的铸件内部质量，避免出现缩 孔、缩松、夹杂和气孔等。 ? （3） 防止产生偏析、裂纹等缺陷。 ? 在实际生产中，为了获得组织致密的铸 件，可根据液体金属自由表面（相应为铸 件的内表面）上的有效重度γ值或重力系数 G值来确定铸型的合适转速。因为铸件内表 面上的γ及G值为小，若已能满足质量要 求．则在其它部位的质量也能得到保证。 ? 由前述可知，自由表面上的金属质点的有效重度 为γ＝ρω2r0，则 n ? 29.9 ? （8-13） r 0? 式中 n——铸型的转速（r·min-1）； γ、γ——分别为液体金属的有效重度和重度（N·m-3） r0——铸件内表面的半径(m)。 因为γ / γ ＝G，故式（8-13）可改写成 G （8-14） n ? 29.9 r0 若取式（8-14）中29.9 ＝C，则可得 C n? r0 （8-15） 式（8-13）、式（8-14）及式（8-15）为实际生 产和有关文献中常见的铸型转速计算公式。公式 中的γ、G和C值根据所浇注的合金种类、铸件的 形状特征和所采用的离心铸造工艺而定，一般对 直径较小的铸件和采用金属型时可取较大值；当 合金结晶区间较窄，或采用砂型立式离心铸造时， 可取较小值；γ、G和C值可查相关的文献。 ? 前苏联康斯坦丁诺夫JI.C根据式（8-15），经试 验后提出：不论液体金属的种类如何，只要在液 体金属自由表面上的有效重度γ＝3.33× 106 N·m-3 ，就能保证获得组织致密的铸件。据此可 推导出铸型转速的计算公式 ? ? ? n ? 55200 ?r0 （8-16） ? 式中 γ的单位为N·m-3，r0的单位为m。 ? 选择铸型转速时，应以保证液体金属能充满成形 和获得组织致密的优质铸件为原则。过高的铸型 转速将导致铸件产生纵向裂纹和偏析，在采用砂 型离心铸造时，还会出现胀砂、粘砂甚至跑火等 缺陷，此外，也不利于安全生产。 1.5.2 离心铸造用铸型 1.5.2.1 卧式悬臂离心铸造机上的金属铸型 膨胀系数不一致！ 1.5.2.2 滚筒式离心铸造机上的金属铸型 1.5.3 涂料 1）涂料的作用 ? ①使金属液不直接接触模具，改善铸件的成 形和凝固状况，改善铸件质量。 ? ②保护模具，减缓对铸型的冲击和热作用， 延长模具使用寿命。 ? ③减少激冷，防止铸铁件产生白口。 ? ④填铺模具，使模具上存在的小孔、裂纹等 填平，以免窝气，防止铸体产生气孔。涂料 层有利于气体的排除。 2）对涂料的要求 ? ①较好的保温性，导热性要低。 ? ②较高的耐火性，耐高温而不熔化（也不产 生气体，一般不与合金起化学反应）。 ? ③高温强度好，能经得起高温合金的冲击， 容易脱模。 离心铸造用涂料大多用水做载体，有时也 用干态涂料如石墨粉等，以使铸件更容易从 型中取出。 要注意涂料的烘干。 1.5.4 离心浇注工艺 1.5.4.1 液体金属 的定量 重量法 容积法 定自由表面高度法 1.5.4.2 液体金属进入铸型 的方向 金属液的流动方向与铸型旋转 方向一致，并尽量靠近型壁表面。 1.5.4.3 模具工作温度（浇注时模温） ? 模具在开始浇注之前要预热，使其温度逐渐 提高，充分干燥，避免浇注时产生气体，减少对 合金的激冷作用，同时也减缓对模具的热激，提 高铸件质量，保护模具。预热方法：煤气和油等 燃烧加热；木柴、焦炭等燃烧加热；上窑加热； 内模可放在炉上烘烤或用红铁块等加热。预热须 力求均匀。 ? 在连续生产过程中根据铸件的质量要求和 生产条件，铸型（模子）需维持一定的工作温度， 从而调节对合金（如铸铁）的激冷作用，保证铸 件质量、提高模具使用寿命。 1.5.4.4 合金浇注温度 浇注温度与材质、铸件质量及铸型条件等有关。 如浇注温度过低可能引起局部缺浇、冷隔、夹杂等缺 陷。如浇注温度过高可能引起缩孔、缩松、气孔及晶 粒粗大等缺陷，而且不利于保护模具。有关合金的浇 注温度确定可参考其它资料。 1.5.4.5 浇注速度 ? 浇注速度对铸件质量有一定影响。开始浇注时 应使合金液很快铺满铸型，在不影响转速的情况下快 些浇注为好（含铅较高的铜合金除外，因为转速高， 离心力大，容易产生偏析），铸件越大浇注速度也应 增大。 ? 浇注速度参见表1-2和表1-3。 表1-2 铜合金浇注速度 表1-3 铸铁和铸钢浇注速度 1.5.4.6 铸件脱模温度 ? 它与铸件材质、质量和冷却方式有关。 一般说来铸件完全凝固以后后即可停车取 出铸件，或连同铸型同时取下。实际中观 察铸件内表面呈暗红色即可。 1.5.5 几种离心铸件的铸造工艺 金属型离心 铸造铁管 离心铸造水 泵叶轮 离心铸造双金属轴瓦、双金属轧辊
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