离心铸造研究现状_张泽磊

收稿日期:2010 06 16; 修订日期:2010 07 25

作者简介:张泽磊(1984 ),甘肃金昌人,硕士生.研究方向为材料加工

工艺.

Email:gans uzzl@

V ol.31N o.11No v.2010铸造技术

F OU N DRY T ECH NO LO GY

离心铸造研究现状

张泽磊,杨 刚,杨 屹

(四川大学制造科学与工程学院,四川成都610065)

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

中图分类号:TG249.4 文献标识码:A 文章编号:1000 8365(2010)11 1517 05

Development Status of Centrifugal Casting

ZHANG Ze lei,YANG Gang,YANG Yi

(School of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

Abstract:Cen trifu gal castin g,as on e of the special casting,has occupied a very important position in the modern industry.This article summ arizes th e key tech nology of cen trifu gal castin g tech nology research and the application of centrifu gal castin g.

Key words:Centrifugal casting;Technology;R elated Products;Research situation

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表1中所列的6种方法[1]:

表1 离心铸造铸型转速计算公式及适用范围

T ab.1 Ca lculatio n fo rmula o f centr ifugal casting speed and its applied range

编号计算公式系数意义及其经验值

适用范围

(1)

n =

555200 R n 铸型转速(r/min );R 铸件内表面半径(m); 合金重度(N/m3); 调整系数:根据材料不同取0.9 1.6。

用于水平离心铸造,且铸件R 外/R 内比值应不大于1.5。

(2)

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

可用于绝大多数离心铸造。

(3)

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

用于铸件R 外/R 内比值应不大于1.15的情况。

(4)n =42.3P (R 2

外-R 2内)P 非金属铸型能承受的最大离心压力(M Pa)非金属铸型的离心铸造,并且铸型不因离心力而受损。(5)n =42.3h

D 2

-d 2h 铸件高度(m);D 、d 铸件内孔允许的最大半径和最小半径(m)。

用于立式离心铸造。

(6)

N =2k

Eh R 2

1+R 22

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。

需要掌握比较丰富的生产实践经验。

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S.A 、S.B 粘结剂及微量PVA 的新涂料。通过测定3

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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];针对中高合金钢铸件、碳钢钢管外表面易产生针孔、麻坑,内表面易产生花纹、夹杂、气孔、缩孔等铸造缺陷,辽宁工业大学贺奇等利用4因素3水平的正交实验配置出硅藻土10%,硅溶胶8%, CM C0.1%,膨润土5%的水基涂料。在叙述了涂料的制作工艺及其性能后,将新涂料用于浇铸模温200!, ZG45缸套中,结果发现铸管表面光滑、无疤结和表面气孔[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];新兴铸管股份有限公司研究表明,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。粘结剂发气量最低是聚合氯化铝,悬浮剂发气量最低是膨润土。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最好,羧甲基纤维素钠涂料次之,膨润土涂料最差[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];河南科技大学通过对水平离心铸造气孔形成机制的实验,推导出金属液中侵入气体的气泡半径:

r=2/(K!g R2∀2)

式中为液态金属的表面张力,N/m;r为气泡半径;K为反映金属落流表面形状效应的系数;!g为气体密度,kg/m3;R为铸型内气体的最大回转半径;∀为铸型旋转的角速度,rad/s;由于实际铸件中的气孔尺寸总是有限的,因此上式的临界值为:

(R∀)0=2/(K!g r0)

此式表明如果铸件半径与铸型角速度之积小于该临界值,气体运动边界层中气体就不会侵入金属液。如果忽略液态金属中的紊流,根据气泡上浮速度可得: v=82(!-!g)/(9K2!2g#R3∀2),

式中#为液态金属的动力学粘度,Pa s;!为液态金属的密度;此式表明在水平离心铸造中,铸件半径越大或铸型转速越高,浇铸过程中形成的气泡越难从金属液中逸出,并且铸件半径的影响比铸型转速更显著[8];大连机车车辆厂设计了一种在金属型周身设置排气孔的方法。通过生产表明,在离心铸造中,利用这种带排气孔的金属型可以使浇注产生的气体顺利排出,提高了气缸套的质量,降低了废品率,为企业年省开支74万元以上[9]。

1.4 细化晶粒及控制成分偏析的研究

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[10];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,混合稀土适宜加入量为0.5%[13];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

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