第1章離心鑄造

1、編輯ppt第一章第一章離心鑄造編輯ppt1.1 概述概述定義：離心鑄造是將液體金屬澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型中(通常250-1500r/min)，在離心力的作用下，完成金屬 液的充填和凝固成形的一種鑄造方法。 離心鑄造必須在專門的設(shè)備離心鑄造機(jī)（使鑄型旋轉(zhuǎn)的機(jī)器）上完成。根據(jù)鑄型旋轉(zhuǎn)軸在空間位置的不同，離心鑄造機(jī)可分為臥式離心鑄造機(jī)和立式離心鑄造機(jī)兩種。 立立式式 臥臥式式編輯ppt主要用來生產(chǎn)主要用來生產(chǎn)高度小于直徑高度小于直徑的圓的圓環(huán)類鑄件，有時(shí)也可用此種離心環(huán)類鑄件，有時(shí)也可用此種離心鑄造機(jī)澆注異形鑄件。鑄造機(jī)澆注異形鑄件。由于在立式鑄造機(jī)上安裝及穩(wěn)固鑄型比較方便，因此，不僅可采用金屬型，也可采用

2、砂型、熔模型殼等非金屬型。臥式離心鑄造臥式離心鑄造主要用來生產(chǎn)主要用來生產(chǎn)長度大于直徑長度大于直徑的套筒類和管的套筒類和管類鑄件。類鑄件。立式離心鑄造立式離心鑄造編輯ppt編輯ppt 由于液體金屬是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)及離心力作用下完成充填、成形和凝固過程的，所以離心鑄造具有如下一些特點(diǎn)：（1） 鑄型中的液體金屬能形成中空?qǐng)A柱形自由表面，不用型芯就可形成中空的套筒和管類鑄件，因而可簡化管、筒類鑄件的生產(chǎn)工藝過程。（2） 離心力作用，顯著提高液體金屬的充填能力，改善充型條件，可用于澆注流動(dòng)性較差的合金和壁較薄的鑄件。（3） 有利于鑄件內(nèi)液體金屬中的氣體和夾雜物的排除，并能改善鑄件凝固的補(bǔ)縮條件。因此，鑄件

3、的組織致密，縮松及夾雜等缺陷較少，鑄件的力學(xué)性能好。 離心鑄造的特點(diǎn)離心鑄造的特點(diǎn)編輯ppt（4） 可減少甚至不用澆冒口系統(tǒng)，降低了金屬消耗。（5） 對(duì)于某些合金（如鉛青銅等）容易產(chǎn)生重度偏析。（6） 鑄件內(nèi)表面較粗糙，有氧化物和聚渣產(chǎn)生，且內(nèi)孔尺寸難以準(zhǔn)確控制。（7） 應(yīng)用面較窄，僅適合于外形簡單且具有旋轉(zhuǎn)軸線的鑄件如管、筒、套、輥、輪等的生產(chǎn)。部分簡單的小型異型鑄件也可生產(chǎn)。（8）可以實(shí)現(xiàn)雙金屬鑄造。編輯ppt離心鑄造的應(yīng)用 離心鑄造主要用來大量生產(chǎn)大量生產(chǎn)管筒類管筒類鑄件鑄件，如鐵管、銅套、缸套、雙金屬鋼背銅套、耐熱鋼輥道、無縫鋼管毛坯、造紙機(jī)干燥滾筒等，還可用來生產(chǎn)生產(chǎn)輪盤類輪盤類鑄件

4、鑄件，如泵輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子等。編輯ppt8編輯ppt編輯ppt10離心鑄件最大直徑可達(dá)3 3米，最大長度8 8米最大重量達(dá)幾公斤到十多噸編輯ppt編輯ppt編輯ppt離心鑄造雙金屬管離心鑄造雙金屬管編輯ppt編輯ppt編輯ppt1.2 離心鑄造原理（鑄件成型特點(diǎn)）1.2.1 離心力場 離心鑄造時(shí)，旋轉(zhuǎn)著的液體金屬占有一定的空間，若在這個(gè)空間中取液體金屬的任一質(zhì)點(diǎn)M，其質(zhì)量為m，旋轉(zhuǎn)半徑為r，旋轉(zhuǎn)角速度為，則在該質(zhì)點(diǎn)上作用著離心力 F=m 2 r 。 離心力的作用線通過旋轉(zhuǎn)中心O，指向離開中心的方向。它使金屬質(zhì)點(diǎn)做遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的徑向運(yùn)動(dòng)。 與地心引力場很相似！與地心引力場很相似！編輯ppt 在地心引

5、力場中，單位體積（V）物質(zhì)所受的重力（mg）稱為重度，并以mg/V=g表示；同樣，對(duì)于離心力場來說，作用于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)單位體積（V）物質(zhì)上的離心力m 2 r/V 2 r（其中為物質(zhì)的密度）。為了與地心引力場相區(qū)別，我們將稱為“有效重度”。 將離心力場與地心引力場的重度作一比較，并以下式表示：編輯ppt G 2 rg 2 rg （1-1） 或 GgG （1-2） 式（1-1）及式（1-2）中的比值G稱重力系數(shù)，它表示旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中物質(zhì)重度增大的倍數(shù)。顯然，離心鑄造時(shí)，在旋轉(zhuǎn)鑄型中的液體金屬的有效重度也將按G的倍數(shù)增大（通常為幾十倍乃至一百多倍），在液體金屬自由表面上的有效重度一般在（210）106N/m

6、3范圍內(nèi)。編輯ppt總結(jié)總結(jié)離心力場離心力場重度：有效重度：重力系數(shù)：gr2grG/2mgm2rrOM編輯ppt1.2.2 離心力場中液體金屬自由表面的形狀離心力的作用不用型芯即可獲得中空?qǐng)A柱形鑄件冷凝后最終就成為鑄件中空的內(nèi)表面為自由表面。液體金屬自由表面形狀是如何形成的？編輯ppt立式離心鑄造時(shí)的液體金屬自由表面的形成立式離心鑄造時(shí)的液體金屬自由表面的形成mgm2xx2Ky2y1hOx1MxmX2mgY 0Z由水力學(xué)歐拉公式：由水力學(xué)歐拉公式：0ZdzYdyXdx02mgdyxdxm222xgy 在立式離心鑄造的旋轉(zhuǎn)鑄型中，液體金屬的自在立式離心鑄造的旋轉(zhuǎn)鑄型中，液體金屬的自由表面是一個(gè)繞

7、垂直轉(zhuǎn)軸由表面是一個(gè)繞垂直轉(zhuǎn)軸y的回轉(zhuǎn)拋物面。的回轉(zhuǎn)拋物面。編輯ppt求鑄件高度和內(nèi)孔的半徑差：所以： 上式實(shí)際上就是一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面方程。上式實(shí)際上就是一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面方程。編輯ppt 在一般情況下，凝固后的立式離心鑄件上應(yīng)有一與液體金屬自由表面相似的內(nèi)表面，但鑄件內(nèi)表面的拋物面形狀常會(huì)被破壞，如右圖所示。為什么？為什么？編輯pptm2r0sinm2r0cosyroxOxy離心力離心力Fm2r0Xm2r0cos m2xYm2r0sin m2ym2r0由歐拉公式：由歐拉公式：0ZdzYdyXdx022ydymxdxm2022ryx 在臥式離心鑄造的旋轉(zhuǎn)鑄型中，若不考慮重在臥式離心鑄造的旋轉(zhuǎn)鑄型中，

8、若不考慮重力場影響，液體金屬的自由表面是一個(gè)繞水平轉(zhuǎn)力場影響，液體金屬的自由表面是一個(gè)繞水平轉(zhuǎn)軸軸x的圓柱面。的圓柱面。臥式離心鑄造時(shí)的液體金屬自由表面的形成臥式離心鑄造時(shí)的液體金屬自由表面的形成編輯ppt根據(jù)水力學(xué)的液體流動(dòng)的連續(xù)性原理： 從而出現(xiàn)圓柱形內(nèi)表面向下偏移的現(xiàn)象。由于重力場的影響：BAm2r0sinm2r0cosyeroxOxOxym2r0編輯ppt問題？但這種自由表面偏移的情況是不會(huì)在凝固后的鑄但這種自由表面偏移的情況是不會(huì)在凝固后的鑄件內(nèi)表面上遺留下來的：件內(nèi)表面上遺留下來的：1）由鑄件外壁向內(nèi)表面逐漸凝固液體層厚度逐漸減小偏心值e逐步減小2）液體金屬溫度不斷降低粘度增大液體

9、金屬由A斷面向B斷面(由B斷面向A斷面)的運(yùn)動(dòng)阻力增大A與B的差值減小偏心值e逐步減小 因此，在臥式離心鑄造時(shí)，液體金屬自由表面偏移的現(xiàn)象將隨著鑄件凝固過程而逐漸消失。最后，鑄件的表面將不最后，鑄件的表面將不會(huì)出現(xiàn)偏心。會(huì)出現(xiàn)偏心。編輯ppt為什么？編輯ppt1.2.3 1.2.3 離心壓力離心壓力 離心鑄造時(shí)，在離心力的作用下，液體金屬內(nèi)部和鑄型壁上與重力場一樣，也會(huì)受到液體金屬的壓力作用，這種壓力稱為離心壓力。離心壓力的大小及其分布情況有其本身的特點(diǎn)。編輯ppt圖1-5 臥式離心鑄造時(shí)離心壓力的計(jì)算編輯pptroOxyRrdadr)(2)(220222022rrgrrPr)(22022ma

10、xrRgpPR離心壓力離心壓力drdzddrrdV2?drdzddrrm2rrpprrdrdpprdrdrrdrrdzrddrdzddrrdpdrdzddrrFr0022222222222編輯ppt 圖1-5所示為截取臥式離心鑄造鑄型中液體金屬的橫斷面，其外半徑為R，內(nèi)孔半徑為r0，旋轉(zhuǎn)角速度為，則在r處的離心壓力為 （1-8） 式中 液體金屬的重度(N/m3)；g重力加速度 由式（1-8）可知，臥式離心鑄造時(shí)，液體金屬中的等壓面是以旋轉(zhuǎn)軸為軸線的圓柱面，旋轉(zhuǎn)半徑不同，離心壓力值也不同，從自由表面r起至外徑R處，壓力變化呈拋物線規(guī)律分布，在R處為最大，即 （1-9） PR就是旋轉(zhuǎn)液體金屬對(duì)鑄型

11、壁作用的離心壓力。)(2)(220222022rrgrrpr )(22022rRgpR 編輯ppt立式離心鑄造時(shí)呢？離心壓力與臥式有什么變化？mgm2xx2Ky2y1hOx1Mr0不一樣！上部壓力小，下部壓力大P1 P2=h 如何推導(dǎo)？作業(yè)題！編輯ppt1.2.4 液體金屬中異相質(zhì)點(diǎn)的徑向運(yùn)液體金屬中異相質(zhì)點(diǎn)的徑向運(yùn)動(dòng)動(dòng) 離心鑄造時(shí)，澆入鑄型的液體金屬并不是均勻單一的，往往會(huì)夾有一些異相質(zhì)點(diǎn)。主要包括：外來夾雜物或氣體；外來夾雜物或氣體；無法互溶的不同組元；無法互溶的不同組元；凝固析出的晶粒和氣體等。凝固析出的晶粒和氣體等。這些異相質(zhì)點(diǎn)與液體金屬的重度各不一樣。在重力場中它們的上浮或下沉的速度

12、重可根據(jù)斯托克斯公式確定：編輯ppt離心力場中： 編輯ppt 將兩式相除得： 由式上可知，離心鑄造時(shí)，液體金屬中異相質(zhì)點(diǎn)的浮沉速度比重力鑄造時(shí)大G倍。所以重度比液體金屬小的氣體或某些夾雜物就較容易浮至自由表面，這就是離心鑄件中氣孔、夾雜等缺陷可顯著減少的原因。當(dāng)然，在鑄件內(nèi)表面上會(huì)有較多的異相夾雜物存在。編輯ppt 在大多數(shù)情況下，凝固時(shí)析出的晶粒，其重度比液體金屬大。因此離心鑄造時(shí)，析出的晶粒有更大的趨勢(shì)向鑄件外表面或結(jié)晶前沿移動(dòng)。同樣，液體金屬中溫度較低的部分也較易向外表面集中。此外離心鑄造的散熱過程又是通過鑄型壁進(jìn)行的。所有這些，都為離心鑄件由外表向內(nèi)表的定向凝固創(chuàng)造了更有利的條件。這樣

13、，促使結(jié)晶層的成長速度增大，縮小了結(jié)晶的固、液相共存區(qū)，減少了鑄件中形成縮孔、縮松的傾向。所以，離心鑄件的組織比一般鑄件致密。編輯ppt編輯ppt徑向移動(dòng)將使： 有利于夾雜、渣滴和氣孔逸出； 補(bǔ)縮容易，有效重度大，不易形成縮孔、縮松的缺陷，組織致密度大； 易出現(xiàn)偏析和雙向凝固現(xiàn)象。編輯ppt 若金屬凝固時(shí)析出的晶粒，其重度比液體金屬小，會(huì)怎樣？ 自內(nèi)表面向外壁凝固！ 縮孔縮松增加。 避免方法：創(chuàng)造自外壁向內(nèi)表面順序凝固的有利條件，如加強(qiáng)鑄型冷卻！高硅鋁合金高硅鋁合金鉛青銅鉛青銅編輯ppt1.3 離心鑄件在液體金屬相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響 下的凝固特點(diǎn)編輯ppt編輯ppt1.3.1 離心鑄型橫斷面上液體金屬

14、的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 及其對(duì)鑄件結(jié)晶的影響1.3.1.1 離心鑄型橫斷面上液體金屬的相對(duì)運(yùn)動(dòng)1. 臥式離心鑄造時(shí)重力場所引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)2. 由慣性作用所引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不明顯編輯ppt1.3.1 離心鑄型橫斷面上液體金屬的相對(duì)流動(dòng) 及其對(duì)鑄件結(jié)晶的影響紊流阻止了異相質(zhì)點(diǎn)在金屬中的正常沉浮，液固共存區(qū)增厚，形成等軸晶區(qū)。層流使其生長成傾斜狀的柱狀晶。編輯ppt編輯ppt1.3.2 離心鑄型縱斷面上液體金屬的相對(duì)流動(dòng) 及其對(duì)鑄件結(jié)晶的影響編輯ppt不同液層間的層狀流動(dòng)層狀偏析組織如：金屬型離心鑄鐵管零件，鑄件斷面由白口與灰口、細(xì)小石墨與粗大石墨相互交替的層狀偏析組織。防治措施：（減弱層狀流動(dòng)為目的）1降低鑄型

15、冷卻作用；2提高澆注溫度；3增大澆注速度。編輯ppt1.4 離心鑄造設(shè)備1.4.1 立式離心鑄造機(jī)編輯ppt編輯ppt立式離心鑄造鑄鐵件立式離心鑄造鑄鐵件編輯ppt1.4.2 臥式離心鑄造機(jī)編輯ppt編輯ppt臥式懸臂離心鑄機(jī)臥式懸臂離心鑄機(jī)編輯ppt編輯ppt臥式滾筒離心鑄機(jī)臥式滾筒離心鑄機(jī)編輯ppt臥式滾筒離心鑄機(jī)臥式滾筒離心鑄機(jī)編輯ppt1.4.3多工位離心鑄造機(jī)編輯ppt多工位立式離心鑄機(jī)多工位立式離心鑄機(jī)編輯ppt1.5 1.5 離心鑄造工藝離心鑄造工藝編輯ppt1.5 1.5 離心鑄造工藝離心鑄造工藝離心鑄造的工藝要點(diǎn)主要有： 1） 首先根據(jù)鑄件要求確定鑄型轉(zhuǎn)速，這是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的

16、首要條件。澆注前調(diào)好轉(zhuǎn)速，澆注過程中嚴(yán)格控制變速范圍。 2）鑄型須經(jīng)過清理、預(yù)熱，再上涂料。上涂料時(shí)要嚴(yán)格控制鑄型溫度和涂料厚度。 3）澆注時(shí)嚴(yán)格掌握合金液的溫度，定量準(zhǔn)確，控制好澆注速度。 4）鑄件冷卻要嚴(yán)格掌握水冷時(shí)間和冷卻強(qiáng)度。編輯ppt1.5.1 鑄型的轉(zhuǎn)速鑄型的轉(zhuǎn)速 鑄型轉(zhuǎn)速是離心鑄造工藝的主要內(nèi)容。鑄型轉(zhuǎn)速是離心鑄造工藝的主要內(nèi)容。鑄型轉(zhuǎn)速的選擇主要應(yīng)考慮如下三方面的問題： （1） 保證液體金屬進(jìn)入鑄型后，能迅速充滿成形。 （2） 保證獲得良好的鑄件內(nèi)部質(zhì)量，避免出現(xiàn)縮孔、縮松、夾雜和氣孔等。 （3） 防止產(chǎn)生偏析、裂紋等缺陷。 編輯ppt編輯ppt編輯ppt 在實(shí)際生產(chǎn)中，為了獲

17、得組織致密的鑄件，可根據(jù)液體金屬自由表面（相應(yīng)為鑄件的內(nèi)表面）上的有效重度值或重力系數(shù)G值來確定鑄型的合適轉(zhuǎn)速。因?yàn)殍T件內(nèi)表面上的及G值為最小，若已能滿足質(zhì)量要求則在其它部位的質(zhì)量也能得到保證。編輯ppt 由前述可知，自由表面上的金屬質(zhì)點(diǎn)的有效重度為2r0，則 （8-13）式中 n鑄型的轉(zhuǎn)速（rmin-1）；、分別為液體金屬的有效重度和重度（Nm-3）r0鑄件內(nèi)表面的半徑(m)。因?yàn)?/ G，故式（8-13）可改寫成 （8-14） 09 .29rn 09 .29rGn 編輯ppt若取式（8-14）中29.9 C，則可得 （8-15）式（8-13）、式（8-14）及式（8-15）為實(shí)際生產(chǎn)和有關(guān)

18、文獻(xiàn)中常見的鑄型轉(zhuǎn)速計(jì)算公式。公式中的、G和C值根據(jù)所澆注的合金種類、鑄件的形狀特征和所采用的離心鑄造工藝而定，一般對(duì)一般對(duì)直徑較小的鑄件和采用金屬型時(shí)可取較大值；當(dāng)直徑較小的鑄件和采用金屬型時(shí)可取較大值；當(dāng)合金結(jié)晶區(qū)間較窄，或采用砂型立式離心鑄造時(shí)，合金結(jié)晶區(qū)間較窄，或采用砂型立式離心鑄造時(shí)，可取較小值可取較小值；、G和C值可查相關(guān)的文獻(xiàn)。0rCn 編輯ppt 前蘇聯(lián)康斯坦丁諾夫JI.C根據(jù)式（8-15），經(jīng)試驗(yàn)后提出：不論液體金屬的種類如何，只要在液體金屬自由表面上的有效重度3.33 106 N m-3 ，就能保證獲得組織致密的鑄件。據(jù)此可推導(dǎo)出鑄型轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式 （8-16） 式中 的單

19、位為Nm-3，r0的單位為m。 選擇鑄型轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)以保證液體金屬能充滿成形和獲得組織致密的優(yōu)質(zhì)鑄件為原則。過高的鑄型轉(zhuǎn)速將導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縱向裂紋和偏析，在采用砂型離心鑄造時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)脹砂、粘砂甚至跑火等缺陷，此外，也不利于安全生產(chǎn)。 055200rn編輯ppt1.5.2 離心鑄造用鑄型1.5.2.1 臥式懸臂離心鑄造機(jī)上的金屬鑄型編輯ppt膨脹系數(shù)不一致！編輯ppt編輯ppt1.5.2.2 滾筒式離心鑄造機(jī)上的金屬鑄型編輯ppt1.5.3 涂料涂料1）涂料的作用 使金屬液不直接接觸模具，改善鑄件的成形和凝固狀況，改善鑄件質(zhì)量。 保護(hù)模具，減緩對(duì)鑄型的沖擊和熱作用，延長模具使用壽命。 減少激冷，防

20、止鑄鐵件產(chǎn)生白口。 填鋪模具，使模具上存在的小孔、裂紋等填平，以免窩氣，防止鑄體產(chǎn)生氣孔。涂料層有利于氣體的排除。編輯ppt2）對(duì)涂料的要求 較好的保溫性，導(dǎo)熱性要低。 較高的耐火性，耐高溫而不熔化（也不產(chǎn)生氣體，一般不與合金起化學(xué)反應(yīng)）。 高溫強(qiáng)度好，能經(jīng)得起高溫合金的沖擊，容易脫模。 離心鑄造用涂料大多用水做載體，有時(shí)也用干態(tài)涂料如石墨粉等，以使鑄件更容易從型中取出。編輯ppt要注意涂料的烘干。編輯ppt1.5.4 離心澆注工藝1.5.4.1 液體金屬 的定量重量法容積法定自由表面高度法編輯ppt1.5.4.2 液體金屬進(jìn)入鑄型的方向編輯ppt金屬液的流動(dòng)方向最好與鑄型旋轉(zhuǎn)方向一致，并盡量靠近型壁表面。編輯ppt1.5.4.3 模具工作溫度（澆注時(shí)模溫） 模具在開始澆注之前要預(yù)熱，使其溫度逐漸提高，充分干燥，避免澆注時(shí)產(chǎn)生氣體，減少對(duì)合金的激冷作用，同時(shí)也