離心鑄造原理分類及應(yīng)用

李積武，姜 飛

（1．嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001；2.嘉興鑄工智能設(shè)備有限公司，浙江 嘉興 314031）

離心鑄造是在旋轉(zhuǎn)的離心鑄型之中，注入待鑄造金屬液體，使金屬液體在離心力的作用下填充鑄型，并使金屬液體凝固成型的一種鑄造方法[1]。由于不使用型芯就可以成形管狀鑄件，所以對(duì)于管狀鑄件的大量生產(chǎn)來說，是非常經(jīng)濟(jì)且較好的鑄造法。離心鑄造的特征是通過離心力，因此，比重比金屬液體輕的氣體和雜質(zhì)被推向內(nèi)側(cè)，外側(cè)可以得到雜質(zhì)少致密度高的鑄件[2]。另外，在離心鑄造中，由于不需要澆冒口，因此成品質(zhì)量高，并且由于離心力的作用，比其他鑄造更容易實(shí)現(xiàn)薄壁件鑄造。

1 離心鑄造類型

1.1 按回轉(zhuǎn)軸分類

根據(jù)鑄型的回轉(zhuǎn)軸在空間中工作位置的不同，常用離心鑄造主要分為：臥式離心鑄造和立式離心鑄造2 種形式[3]。

臥式離心鑄造是將鑄型作為回轉(zhuǎn)軸水平旋轉(zhuǎn)的鑄造方法（圖1），可生產(chǎn)鑄鐵管、造紙輥等尺寸較長(zhǎng)的制品，是在工業(yè)生產(chǎn)中使用較多的鑄造方法。在生產(chǎn)的過程中，不僅對(duì)臥式離心鑄造設(shè)備有很高的要求，對(duì)轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)要求也很嚴(yán)格，如果轉(zhuǎn)速過低，將造成離心力不足，可導(dǎo)致鑄型充型不完全問題，如轉(zhuǎn)速過高會(huì)增加能耗。臥式離心鑄造機(jī)鑄型是繞水平軸回轉(zhuǎn)，可以制作出壁厚非常均勻的長(zhǎng)尺寸圓筒形工件，并且在鑄造過程中，鑄件冷卻條件差異不大，臥式離心鑄造機(jī)，還可以減少如裂紋、金屬液偏析等缺陷的產(chǎn)生。

圖1 臥式離心鑄造示意圖

立式離心鑄造是將圓筒狀的鑄型作為回轉(zhuǎn)軸垂直旋轉(zhuǎn)的鑄造方法（圖2）?？缮a(chǎn)如車輪、滑輪、鏈輪和軸承等尺寸較短的產(chǎn)品。立式離心鑄造機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，在鑄造上特點(diǎn)顯著，比如，可鑄造上薄下厚，內(nèi)表面呈拋物面形狀的鑄件，在盤環(huán)類的零件鑄件中，效果明顯。但在鑄造過程中會(huì)出現(xiàn)壁厚不均勻的問題，因此生產(chǎn)中一般要增加一道切削工序，切削加工后制作出質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的鑄件。

圖2 立式離心鑄造示意圖

1.2 按鑄型分類

離心鑄造根據(jù)鑄型的材質(zhì)可分為模具離心鑄造、砂型離心鑄造、特種離心鑄造[4]。其中模具離心鑄造是在圓筒狀鑄型模具內(nèi)表面噴涂易脫模涂覆材料的離心鑄造方法。模具材料除要具有高強(qiáng)度、耐熱性之外，還要具有可為提高使用壽命進(jìn)行焊接修補(bǔ)的特點(diǎn)，因此常用的材料有鉻鉬鋅合金、碳素鋼等。內(nèi)表面涂覆方法有將耐火粉末與水或酒精混合而成的糊狀物通過噴涂或刷涂涂在模具內(nèi)表面的濕噴涂法和將粉末直接噴涂在模具內(nèi)表面上的干涂法。模具離心鑄造具有鑄件冷卻速度快、晶粒細(xì)化、強(qiáng)度高和生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，但小批量生產(chǎn)受到模具制造成本的影響成本較高，生產(chǎn)薄壁長(zhǎng)尺寸工件時(shí)易產(chǎn)生廢品。

砂型離心鑄造是在圓筒狀的金屬容器中制作砂型造型的離心鑄造方法。該方法具有冷卻速度慢，與模具鑄造相比可進(jìn)行低溫鑄造，易實(shí)現(xiàn)厚壁、長(zhǎng)尺寸的產(chǎn)品鑄造等特點(diǎn)。由于冷卻較慢使鑄件晶粒粗大，與模具離心鑄造鑄件相比強(qiáng)度低，砂型造型工作量大，生產(chǎn)效率低。

特種離心鑄造包括使用石墨型的石墨型離心鑄造、使用耐火陶瓷的陶瓷型離心鑄造、使用水泥的水泥型離心鑄造等。

2 離心鑄造的原理

2.1 臥式離心鑄造

臥式離心鑄造中為了簡(jiǎn)化將金屬溶液的圓周運(yùn)動(dòng)作為質(zhì)點(diǎn)系問題考慮，旋轉(zhuǎn)鑄型中金屬溶液的截面如圖3 所示。假設(shè)在距離回轉(zhuǎn)中心O為r的半徑上，在OA和OP夾角θ 位置上的P點(diǎn)，圍繞P點(diǎn)，厚度為dr，中心角為dθ 的扇形弧以速度v做圓周運(yùn)動(dòng)。

圖3 臥式離心鑄造旋轉(zhuǎn)溶液截面

在公式（3）和（4）中，在OB方向（θ=0，h=2r）v和Fθ最小值為

式中：v=rω0，ω0為角速度，質(zhì)量m的質(zhì)點(diǎn)以半徑r回轉(zhuǎn)時(shí)的離心力為f=mrω2，假設(shè)離心力與重力之比為GNO，GNO=f/mg=rω2/g，臥式離心鑄造中通常以重力系數(shù)GNO為基礎(chǔ)確定適當(dāng)?shù)幕剞D(zhuǎn)速度。

2.2 立式離心鑄造

與臥式離心鑄造相同，金屬溶液的圓周運(yùn)動(dòng)作為質(zhì)點(diǎn)系問題考慮，旋轉(zhuǎn)鑄型中金屬溶液的截面如圖4所示。

圖4 立式離心鑄造旋轉(zhuǎn)溶液截面

P（x，y）點(diǎn)為以角速度ω 回轉(zhuǎn)的平衡質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)的重量為mg，法向力R與離心力平衡，如R與y軸夾角為θ，則x軸、y軸的平衡式為

立式離心鑄造過程中利用回轉(zhuǎn)曲面，圖4 中圍繞y軸的陰影部分回轉(zhuǎn)體可看成鑄件，鑄件的高度l為

回轉(zhuǎn)速度確定方法與臥式離心鑄造相同。

2.3 離心鑄造的轉(zhuǎn)速

鑄型轉(zhuǎn)速是離心鑄造時(shí)重要的工藝參數(shù)之一，臥式離心鑄造過程中轉(zhuǎn)速過低鑄件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)疏松、夾渣等缺陷，金屬液也會(huì)出現(xiàn)雨淋現(xiàn)象，不易形成圓柱形內(nèi)表面；轉(zhuǎn)速過高則會(huì)導(dǎo)致鑄件金屬元素偏析，易產(chǎn)生裂紋缺陷，加劇鑄造設(shè)備的振動(dòng)磨損及耗能。原則上應(yīng)在滿足鑄件合格質(zhì)量的前提下選取較小的轉(zhuǎn)速。確定離心鑄造的轉(zhuǎn)速方法很多，一般采用重力系數(shù)GNO法[5]，管狀鑄件的直徑為D（單位為cm），鑄型的轉(zhuǎn)速為n（單位為r/min），GNO如式（11）所示

表1 為重力系數(shù)選擇參考表。

表1 重力系數(shù)GNO 選用表

3 離心鑄造缺陷與不足

3.1 雨淋現(xiàn)象

臥式離心鑄造中雨淋現(xiàn)象是由鑄型回轉(zhuǎn)速度過低、離心力不足引起的，熔融金屬液像雨淋一樣從鑄型的頂部落到底部的現(xiàn)象。發(fā)生雨淋現(xiàn)象除了回轉(zhuǎn)速度不足之外，還與熔融金屬與鑄型的摩擦系數(shù)、熔融金屬的黏性、澆注溫度等有關(guān)。理論上如式（6）所示，如果Fmin=0，則

可見，當(dāng)GNO＜5 時(shí)，圖3 中P點(diǎn)扇形弧段無法做圓周運(yùn)動(dòng)。如圖5 所示，如果F=0 的位置為中心角（α）離底部hr1處，v=0 的位置為中心角（β）離底部hr2處，當(dāng)hr1＜hr2時(shí)，扇形弧段遠(yuǎn)離hr1位置形成拋物運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生雨淋現(xiàn)象；當(dāng)hr1≥hr2時(shí)，由于v=0，F(xiàn)＞0，將產(chǎn)生圓弧振動(dòng)。觀測(cè)這種現(xiàn)象可以通過金屬液澆注方向相反的一端進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)熔融金屬液旋轉(zhuǎn)速度還未達(dá)到鑄型的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，熔融金屬液與鑄型壁之間的摩擦系數(shù)較低，熔融金屬液達(dá)不到克服重力所需的旋轉(zhuǎn)速度，因此將會(huì)從鑄型的頂端掉落，產(chǎn)生雨淋現(xiàn)象。還有一種原因是澆注溫度選用不合理，如果熔融金屬液的溫度過高，黏度就會(huì)降低，熔融金屬液以旋轉(zhuǎn)速度克服重力就變得較為困難，這種情況可以通過適當(dāng)降低澆注速度，主要是降低澆鑄過程中后半段的金屬液的速度來實(shí)現(xiàn)。另外，鑄型涂料太光滑摩擦系數(shù)過低時(shí)也會(huì)產(chǎn)生雨淋現(xiàn)象，澆鑄過程中，金屬液體在鑄型表面很難捕獲黏結(jié)點(diǎn)與鑄型的旋轉(zhuǎn)速度同步，這種情況可以通過降低鑄型表面粗糙度或增加鑄型的旋轉(zhuǎn)速度，以增加鑄型和金屬液體之間的摩擦力。

圖5 臥式離心鑄造的雨淋現(xiàn)象

3.2 偏析現(xiàn)象

離心鑄造凝固時(shí)，從熔融金屬中結(jié)晶出的初晶的比重與金屬液存在比重差時(shí)，由于離心運(yùn)動(dòng)，金屬液在任意方位會(huì)產(chǎn)生一個(gè)鑄件外側(cè)的成分偏析。通常情況下，回轉(zhuǎn)速度高時(shí)，凝固較慢或黏度較小的金屬偏析程度越高。為了防止偏析，在不平衡的離心機(jī)系統(tǒng)中不受控制的振動(dòng)將會(huì)引起過高的旋轉(zhuǎn)速度，有必要采用降低旋轉(zhuǎn)速度、提高凝固速度、降低澆鑄溫度等方式減少偏析現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 內(nèi)表面裂紋

模具離心鑄造中，由于凝固是從外表面向內(nèi)表面定向凝固，可通過離心力作用擠壓效果，鑄件便不會(huì)存在鑄造裂紋問題。但在砂型離心鑄造中，由于外表面冷卻速度緩慢，所以從內(nèi)表面進(jìn)行冷卻，最終凝固部通過內(nèi)應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生裂紋，另外，鑄造中受到振動(dòng)時(shí)，有時(shí)也會(huì)在內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋。為了防止出現(xiàn)裂紋，采用鑄件內(nèi)表面注入金屬溶液同時(shí)注入保溫劑，降低澆鑄溫度的方法；還可通過鑄型和鑄造機(jī)的定期維護(hù)來防止振動(dòng)和采用減震裝置等防止裂紋產(chǎn)生。另外，通過改變回轉(zhuǎn)速度，即鑄造時(shí)凝固初期回轉(zhuǎn)速度高，凝固中后期回轉(zhuǎn)速度低的方式減少內(nèi)裂紋產(chǎn)生。

3.4 氣孔、氣眼

離心鑄造中，鑄件中的氣孔缺陷時(shí)有發(fā)生，當(dāng)鑄型里有潮氣，或者涂料選擇不恰當(dāng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生針尖狀氣眼或氣孔缺陷。離心鑄造中鑄型表面沒有讓氣體逃脫的孔隙存在，特別是在鑄造薄壁鑄件時(shí)金屬液體的凝固速度較快，就易產(chǎn)生氣孔。要避免氣孔缺陷產(chǎn)生，可通過預(yù)熱澆注前鑄型、鋼型鑄型代替鑄鐵型鑄型、不采用過高的澆注溫度和避免含有結(jié)晶水的涂料等措施。使用涂料過程中，如果膨潤(rùn)土與水混合不充分，在干燥的膨潤(rùn)土中有可能存在結(jié)晶水，澆鑄時(shí)金屬液的熱量會(huì)蒸發(fā)結(jié)晶水，從而產(chǎn)生氣孔缺陷。如果采用透氣性鑄型涂料，產(chǎn)生的氣體會(huì)在鑄型壁和金屬液之間傳播，氣體將被排除，可避免氣孔缺陷。

3.5 內(nèi)部縮松和夾渣缺陷

離心鑄造與普通鑄造的不同在于鑄件冷卻凝固的方式不同，離心鑄造凝固過程是從外至內(nèi)表面逐漸順序凝固，并且內(nèi)層液態(tài)金屬液對(duì)每層的凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)償。如果快速澆注，冷卻凝固過程在內(nèi)外表面幾乎同時(shí)發(fā)生，鑄件內(nèi)部凝固較慢，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生縮松。砂型鑄造過程中，由于外表面的冷卻速度較慢，冷卻幾乎同時(shí)從外表面和內(nèi)表面發(fā)生，因此，在內(nèi)外表面冷卻凝固相遇端產(chǎn)生縮孔。為了避免這種缺陷，定向凝固至關(guān)重要，讓內(nèi)表面保持足夠高的溫度，便于從外向內(nèi)的定向凝固。如果鑄型內(nèi)部有不規(guī)則面或干燥不均勻，澆注過程中熔融金屬液有可能侵蝕部分雜質(zhì)，產(chǎn)生夾渣。

4 離心鑄造應(yīng)用

4.1 鑄鐵管

目前，可以鑄造口徑為40~2 600 mm、長(zhǎng)度為3~9 m的鑄鐵管，其中大部分通過臥式離心鑄造生產(chǎn)。自來水用管道大部分是離心鑄造的球墨鑄鐵管，鑄鐵管具有對(duì)高壓的水密性，具有能夠承受一定程度的地基變動(dòng)變形等特點(diǎn)。鑄件模具采用金屬模具、樹脂砂型、濕噴涂型等，金屬模具離心鑄造冷卻速度快，效率高；樹脂砂型鑄造法在砂型內(nèi)表面燒結(jié)2~5 mm 厚的樹脂砂的鑄型，該方法通過內(nèi)襯樹脂砂的隔熱效果來保護(hù)鑄型，因此適用于熱容量大的大口徑鑄管的制造。近幾年，由于操作性及改善材質(zhì)等原因，多用水溶性的隔熱材料（硅藻土和黏合劑的漿料）在砂型內(nèi)襯噴涂0.5~2 mm的材料代替樹脂砂。

4.2 鑄鋼管

鑄鋼管的離心鑄造鑄型采用模具鑄型、砂型鑄型、樹脂砂型。鑄鋼與鑄鐵相比，對(duì)熱裂紋更加敏感，更容易產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，因此，要盡量防止鑄造機(jī)及模具的振動(dòng)。離心鑄鋼管具有耐熱、耐腐蝕等特性，在建筑、造船、造紙、機(jī)械和采礦等行業(yè)廣泛使用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，新材料和新鑄鋼技術(shù)得到了發(fā)展，如2 相不銹鋼系材料可替代13Cr 系材料，添加了Nb、Ti、W 和Mo 合金的新材料可替代HK40 材料，熔融狀態(tài)下2 種金屬黏接技術(shù)及雙不同金屬的鑄鋼管制造技術(shù)等。

4.3 復(fù)合軋輥

各類軋機(jī)上的軋輥，如板帶軋機(jī)的支承輥、帶軋機(jī)的熱軋板精軋工作輥、型線鋼管軋機(jī)的軋輥等采用離心鑄造制造而成。復(fù)合軋輥的外層和芯部采用不同材質(zhì)，外層和芯部材質(zhì)主要根據(jù)軋輥機(jī)械對(duì)所軋產(chǎn)品及其性能的具體要求選定。軋輥外殼層采用臥式離心鑄造，中空部的填充采用韌性材料，用普通鑄造方法或立式離心鑄造法完成，因此，復(fù)合軋輥既能滿足芯部具有較強(qiáng)韌性的需要，同時(shí)又能滿足外表面耐熱性、耐磨性、抗疲勞等性能要求。

5 結(jié)束語

離心鑄造工藝具有生產(chǎn)效率高、成品率高、鑄件組織晶粒細(xì)化和強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)產(chǎn)品中，其是一種特種鑄造。生產(chǎn)中，掌握離心鑄造的原理、方法，控制好回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、金屬液溫度、澆筑速度和冷卻速度等主要工藝參數(shù)，就能避免產(chǎn)品缺陷，生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。