Центробежное литье это

Что такое центробежное литье металла

Центробежное литье представляет собой способ изготовления отливок в специальных металлических формах, которые вращаются с высокой скоростью. Главная особенность процесса заключается в том, что заполнение формы и затвердевание металла происходят в поле действия центробежных сил.

При вращении формы со скоростью от 300 до 3000 оборотов в минуту расплавленный металл распределяется по внутренней поверхности изложницы и прижимается к её стенкам. Центробежная сила, действующая на каждую частицу расплава, в десятки раз превосходит гравитационную силу. Это создаёт условия для направленной кристаллизации металла от внешней поверхности к внутренней.

Принцип работы центробежного литья

Физика процесса основана на использовании центробежных сил для формирования отливки. Когда расплав попадает во вращающуюся форму, на него действует центробежное ускорение, которое создаёт давление, прижимающее металл к стенкам изложницы. Величина центробежной силы зависит от угловой скорости вращения и радиуса формы.

Процесс кристаллизации

Затвердевание металла при центробежном литье происходит по особому механизму. Форма охлаждает металл с наружной стороны, а со свободной внутренней поверхности тепло отводится в окружающий воздух. В результате кристаллизация идёт направленно от периферии к центру отливки. При этом в жидком металле непрерывно происходит конвекция, обеспечивающая перемешивание расплава.

Под действием центробежной силы более плотный чистый металл прижимается к стенкам формы, а лёгкие примеси, шлаковые и газовые включения выносятся на внутреннюю свободную поверхность. Эти примеси затем удаляются механической обработкой. Такая естественная сепарация обеспечивает высокую чистоту металла в наружных слоях отливки.

Этапы технологического процесса

• Подготовка формы — нанесение огнеупорного покрытия на внутреннюю поверхность металлической изложницы
• Разгон формы до рабочей скорости вращения на центробежной машине
• Заливка расплавленного металла через желоб или центральное отверстие
• Кристаллизация металла при продолжающемся вращении формы
• Охлаждение отливки до заданной температуры
• Остановка вращения и извлечение готовой детали
• Механическая обработка внутренней поверхности для удаления примесей

Оборудование для центробежного литья

Для реализации технологии используются специализированные центробежные машины, которые различаются по расположению оси вращения формы. Выбор типа оборудования зависит от конфигурации и размеров изготавливаемых отливок.

Машины с горизонтальной осью вращения

Горизонтальные центробежные машины применяются для производства длинных цилиндрических деталей, у которых длина значительно превышает диаметр. Изложница устанавливается на опорные ролики и приводится во вращение электродвигателем через систему передач. Расплав заливается через жёлоб, который перемещается вдоль формы для обеспечения равномерного распределения металла по длине.

Такие машины позволяют изготавливать трубы диаметром от 50 до 1500 миллиметров и длиной до 15 метров. Толщина стенки может варьироваться от 2,5 до 125 миллиметров. Горизонтальная ориентация обеспечивает равномерное распределение гравитационных сил, что важно для получения равностенных отливок большой длины.

Машины с вертикальной осью вращения

Вертикальные центробежные машины используются для отливки деталей, у которых высота не превышает диаметр более чем в 2 раза. Форма закрепляется на вертикальном шпинделе и вращается вокруг вертикальной оси. Металл заливается сверху и под действием центробежной силы прижимается к боковым стенкам изложницы.

Особенность вертикального литья заключается в том, что гравитация создаёт разность давлений по высоте отливки. В результате получается некоторая разностенность — нижняя часть отливки оказывается толще верхней. Этот эффект необходимо учитывать при проектировании технологии.

Виды центробежного литья

Вид	Характеристика	Применение
Истинное центробежное	Формирование пустотелой отливки со свободной внутренней поверхностью	Трубы, гильзы цилиндров, втулки большого диаметра
Полуцентробежное	Литьё используется для уплотнения металла в массивных отливках	Зубчатые колёса, маховики, диски
Центрифугирование	Несколько форм размещаются на вращающейся планшайбе симметрично оси	Мелкие фасонные детали сложной конфигурации

Формы для центробежного литья

В качестве литейных форм используются металлические изложницы, изготовленные из чугуна, стали или графита. Металлические формы обладают высокой теплопроводностью, что обеспечивает быстрое охлаждение и направленную кристаллизацию отливки. Срок службы таких форм составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч заливок в зависимости от заливаемого сплава и условий эксплуатации.

Внутренняя рабочая поверхность изложницы покрывается огнеупорным составом для защиты от высокотемпературного воздействия расплава. Покрытие наносится послойно путём вращения формы с последующей сушкой и прокалкой. Качество покрытия напрямую влияет на чистоту наружной поверхности отливки.

Для изготовления фасонных отливок могут применяться комбинированные формы. В этом случае металлическая изложница служит наружной оболочкой, а внутри размещаются песчаные, керамические или оболочковые стержни, формирующие сложную конфигурацию отливки.

Получаемые отливки и их характеристики

Трубы и цилиндрические заготовки

Центробежное литьё идеально подходит для производства труб различного назначения. Изготавливаются водопроводные и канализационные трубы из чугуна, трубы для нефтегазовой промышленности из стали, втулки и гильзы из медных сплавов. Внутренняя полость образуется естественным образом без применения стержней, что существенно упрощает технологию и снижает себестоимость.

Типичные размеры современного производства: наружный диаметр от 50 до 2000 миллиметров, длина до 12-15 метров, толщина стенки от 3 до 150 миллиметров. Точность наружного диаметра достигает 12-14 квалитета, шероховатость поверхности Ra составляет 1,25-12,5 микрометра.

Втулки и подшипники скольжения

Втулки из бронзы и латуни, получаемые центробежным литьём, широко применяются в узлах трения различных машин. Особенно востребованы втулки из оловянных бронз, обладающих отличными антифрикционными свойствами. Высокая плотность металла обеспечивает повышенную износостойкость и долговечность деталей.

Биметаллические отливки

Уникальная возможность технологии — получение двухслойных и многослойных отливок. Сначала во вращающуюся форму заливается первый сплав, например, износостойкая сталь. После частичного затвердевания поверх него заливается второй сплав — вязкая низкоуглеродистая сталь. В результате получается биметаллическая деталь, сочетающая твёрдую износостойкую рабочую поверхность и прочную вязкую основу.

Структура металла центробежных отливок

Кристаллизация в условиях высоких центробежных сил и направленного отвода тепла формирует особую структуру металла. Затвердевание начинается от стенки изложницы, где скорость охлаждения максимальна. Здесь образуется зона мелких равноосных кристаллов толщиной несколько миллиметров.

Далее рост кристаллов происходит в направлении отвода тепла от периферии к центру. Формируются столбчатые дендриты, ориентированные перпендикулярно поверхности отливки. Такая направленная кристаллическая структура обеспечивает высокие механические свойства в радиальном направлении.

При центробежном литье стали карбиды не образуют сплошной хрупкой сетки, как при обычном литье, а группируются в отдельные компактные включения. Это происходит благодаря конвективному перемешиванию расплава и повышенному давлению при кристаллизации. По структуре и свойствам центробежнолитая сталь приближается к кованой.

Плотность металла в наружных слоях центробежной отливки на 2-5 процентов выше, чем в отливках, полученных обычным способом. Практически полностью отсутствуют газовые поры, усадочные раковины, шлаковые и неметаллические включения. Это обеспечивает механические свойства, превышающие свойства обычных отливок на 20-30 процентов.

Преимущества и недостатки метода

Преимущества центробежного литья

• Высокая плотность металла и отсутствие усадочных дефектов благодаря направленной кристаллизации под давлением
• Повышенные механические свойства — прочность и износостойкость на 20-30% выше обычных отливок
• Отсутствие газовых пор, шлаковых и неметаллических включений в рабочих слоях детали
• Экономия металла до 20-30% за счёт отсутствия литниковой системы и прибылей
• Возможность получения пустотелых деталей без применения стержней
• Высокий выход годного — до 95-98% залитого металла
• Мелкозернистая структура и гладкая наружная поверхность отливок
• Возможность изготовления биметаллических и многослойных деталей
• Высокая производительность и возможность автоматизации процесса

Недостатки центробежного литья

• Неточность внутреннего диаметра пустотелых отливок — требуется последующая механическая обработка
• Загрязнение внутренней поверхности ликватами и примесями, необходимость увеличенных припусков
• Ограниченность форм — метод эффективен в основном для тел вращения
• Возможность ликвации компонентов сплава при неправильном подборе режимов
• Высокие требования к прочности и балансировке форм
• Трудность получения отливок с очень малым внутренним диаметром
• Необходимость специализированного дорогостоящего оборудования

Применение центробежного литья

Технология находит широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря высокому качеству получаемых отливок и экономической эффективности процесса.

Машиностроение

В машиностроении центробежным способом изготавливают втулки и вкладыши подшипников скольжения, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, поршневые кольца, валы и оси. Высокая износостойкость центробежнолитых деталей обеспечивает увеличенный ресурс узлов трения.

Металлургия

Для прокатных станов производятся опорные и рабочие валки, втулки и обечайки. Биметаллические валки, полученные центробежным литьём, сочетают твёрдую рабочую поверхность из легированного чугуна и вязкую основу из углеродистой стали. Это обеспечивает высокую стойкость валков при прокатке.

Нефтегазовая промышленность

Изготавливаются обсадные и бурильные трубы, элементы трубопроводов высокого давления, корпуса насосов и задвижек. Плотная бездефектная структура металла обеспечивает герметичность и надёжность оборудования, работающего под высоким давлением.

Энергетика

Для электростанций производятся роторы электродвигателей и генераторов, корпусные детали турбин, теплообменные трубы. Высокие механические свойства и термостойкость центробежнолитых деталей критически важны для надёжной работы энергетического оборудования.

Транспорт

В железнодорожном транспорте применяются бандажи и центры колёсных пар, тормозные барабаны. Для судостроения изготавливаются дейдвудные трубы, детали гребных валов, корпуса насосов. Автомобильная промышленность использует центробежное литьё для производства тормозных барабанов и гильз цилиндров.