第1章离心铸造

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
最大重量 达几公斤
到十多吨
离心铸件最大直径可
达3米，最大长度8米
10
离心铸造双金属管
1.2 离心铸造原理（铸件成型特点）
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。
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 离心铸造设备 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
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＝mω2r
0cosα＝
立 式 卧 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
（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。
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 n 29 .9 r 0 （8-14）
若取式（8-14）中29.9
n C
＝C，则可得
r0 （8-15）
• 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。
第一章
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备—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。
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
总结
离心力场 g 重度： ' 2 r 有效重度： 2 G r/g 重力系数：
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→冷凝后最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？
•
PR就是旋转液体金属对铸型壁作用的离心压 力。
立式离心铸造时呢？ 离心压力与卧式有什么变化？ r0不一样！ 上部压力小，下部压力大
ω
O x2 x1 h y1 y2 K M mg mω2x
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：
y
mω2x
mω2r0sinα
ω
x y O α
mω2r0
Y＝mω2r0sinα＝ mω2y 由欧拉公式：
Xdx Ydy Zdz 0
mω2r0cosα x
m 2 xdx m 2 ydy 0
x 2 y 2 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。
立式离心铸造时的液体金属自由表面的形成
X m 2 x Y mg Z 0
h y1 y2
由水力学欧拉公式：
Xdx Ydy Zdz 0
ห้องสมุดไป่ตู้M mg
mω2x
m 2xdx mgdy 0
y
2
2g
O
x2 x1
K
x2
ω
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。
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？ • 自内表面向外壁凝固！ • 缩孔缩松增加。
高硅铝合金 铅青铜
• 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！
y
ω A
mω2r0sinα
mω2r0
x e y O O'
α
mω2r0cosα x x'
由于重力场的影响：
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→υ A与υ B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。最后，铸件的表面将不 会出现偏心。
y ω
dr m r ddrdz 2 2
dr F r ddrdz 2 2 2 2 dr dr r ddrdz 2 r 2 2 dp 2 dr 2 rdr rddz r pr r 2 pr dp rdr
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
dr dV r ddrdz 2
•
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值为最小，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 ' （8-13） n 29.9
p0 r0
O
x
Pr
2
2
(r 2 r02 )
2
2g
(r 2 r02 )
Pmax pR
2
2g
( R 2 r02 )
•
• •
图1-5所示为截取卧式离心铸造铸型中液体 金属的横断面，其外半径为R，内孔半径为r0，旋 转角速度为ω，则在r处的离心压力为
2 2 2 2 2 pr ( r r0 ) ( r r02 ) 2 2g
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！
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。
• 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。
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。
• 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：
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。
G＝γ'／γ＝ρ ω 2 r／ρg＝ ω 2 r／g
或 γ'＝Gρg＝Gγ
（1-1）
（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。
（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 为最大，即 • （1-9） 2 2 2
pR 2g ( R r0 )