1、第第1313章章 离心铸造离心铸造Centrifugal Casting本章教学要点本章教学要点第第1313章离心铸造章离心铸造知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关知识相关知识 离心铸造的概离心铸造的概念及其特点念及其特点 了解离心铸造了解离心铸造技术的特点技术的特点 材料科学与工程，材料科学与工程，流体力学的基本知流体力学的基本知识识13.1 13.1 概述概述13.1 13.1 概述概述 概念概念 离心铸造离心铸造是将液体金属浇入旋转（通常为是将液体金属浇入旋转（通常为2502501500r/min1500r/min）的铸型中，使其在离心力作用下充填）的铸型中，使其在离心力作用下充填铸型和
2、凝固而形成铸件的一种铸造方法。铸型和凝固而形成铸件的一种铸造方法。13.1.113.1.1工艺特点工艺特点 （1 1）铸件组织致密）铸件组织致密。金属液在离心力作用下充。金属液在离心力作用下充填和凝固，气孔、缩松、夹渣等缺陷少，其力学填和凝固，气孔、缩松、夹渣等缺陷少，其力学性能高于砂型铸件。性能高于砂型铸件。（2 2）铸件具有自由表面。）铸件具有自由表面。金属液在铸型中能形金属液在铸型中能形成圆柱形或圆锥形自由表面。可不用型芯形成圆成圆柱形或圆锥形自由表面。可不用型芯形成圆筒类铸件，简化了铸造工艺。筒类铸件，简化了铸造工艺。（3 3）工艺出品率高）工艺出品率高。铸造中几乎没有浇注系统。铸造中
3、几乎没有浇注系统和冒口系统的金属消耗，工艺出品率可达和冒口系统的金属消耗，工艺出品率可达95%95%以以上。以离心球墨铸铁管为例，上。以离心球墨铸铁管为例，1t 1t 铸铁仅消耗铸铁仅消耗 1040kg 1040kg 铁液，即出品率超过了铁液，即出品率超过了 96%96%（包括废品（包括废品的损失在内）。的损失在内）。（4 4）提高了金属液充填能力）提高了金属液充填能力。对于流动性较差。对于流动性较差的合金或薄壁铸件用离心浇注，最小壁厚可到的合金或薄壁铸件用离心浇注，最小壁厚可到1mm1mm左右。左右。（5 5）便于铸造双金属铸件）便于铸造双金属铸件。可分层浇注，可铸。可分层浇注，可铸造液造液
4、-液、固液、固-液双金属铸件液双金属铸件 （6 6）浇注中异相质点可移动）浇注中异相质点可移动。由于金属液中不。由于金属液中不同重度质点在离心力作用下的移动，可铸造梯度同重度质点在离心力作用下的移动，可铸造梯度材料和复合材料。材料和复合材料。（7 7）加重了偏析）加重了偏析。易产生重力偏析的合金在离。易产生重力偏析的合金在离心浇注中，会使偏析加重。心浇注中，会使偏析加重。13.1.213.1.2离心铸造分类离心铸造分类立式离心铸造立式离心铸造（1 1）按铸型旋转轴位置分）按铸型旋转轴位置分卧式离心铸造卧式离心铸造 卧式离心铸造卧式离心铸造铸型绕铸型绕水平轴水平轴旋转，适用于旋转，适用于生产长度
5、大于直径的筒、管类铸件。生产长度大于直径的筒、管类铸件。卧式离心铸造机卧式离心铸造机卧式离心铸造机卧式离心铸造机 立式离心铸造立式离心铸造铸型绕铸型绕垂直轴垂直轴旋转，适用于旋转，适用于生产高度小于直径的圆环铸件，有时也生产异形生产高度小于直径的圆环铸件，有时也生产异形铸件。铸件。立式立式离心铸造机离心铸造机（2 2）按离心力应用情况分）按离心力应用情况分非真离心铸造非真离心铸造 真离心铸造真离心铸造半离心铸造半离心铸造 回转形铸件的轴线与铸型旋转轴重合，铸件内表回转形铸件的轴线与铸型旋转轴重合，铸件内表面借离心力形成（纯粹用旋转产生的离心力使金属面借离心力形成（纯粹用旋转产生的离心力使金属液
6、紧贴型壁而形成空腔铸件的方法）。液紧贴型壁而形成空腔铸件的方法）。（1 1）真离心铸造）真离心铸造真离心铸造真离心铸造 回转形铸回转形铸件的轴线与件的轴线与铸型旋转轴铸型旋转轴重合，铸件重合，铸件各表面全由各表面全由铸型壁形铸型壁形成。成。半半离离心心铸铸造造（2 2）半离心铸造）半离心铸造 其铸型形状仍是轴对称的，但较上述的管子与缸套等铸其铸型形状仍是轴对称的，但较上述的管子与缸套等铸件要复杂得多。中心孔可用砂芯做出。铸型旋转速度远比件要复杂得多。中心孔可用砂芯做出。铸型旋转速度远比前者要低，离心力有助于充型与凝固，但不起成形的作用。前者要低，离心力有助于充型与凝固，但不起成形的作用。铸件形
7、状不规则，成形时绕铸型轴线旋转，铸件轮铸件形状不规则，成形时绕铸型轴线旋转，铸件轮廓全由铸型壁形成。（廓全由铸型壁形成。（零件形状可随意，仅利用离心零件形状可随意，仅利用离心力增加金属液凝固时的压力，铸型旋转速度也更低，力增加金属液凝固时的压力，铸型旋转速度也更低，铸件中心线也不和旋转轴线重合）。铸件中心线也不和旋转轴线重合）。非非真真离离心心铸铸造造（3 3）非真离心铸造）非真离心铸造成形铸件采用离心铸造的目的是什么？成形铸件采用离心铸造的目的是什么？叠箱离心铸造磨球叠箱离心铸造磨球半真离心铸造半真离心铸造（4 4）按铸型温度分）按铸型温度分（3 3）按铸型材料分）按铸型材料分冷模离心铸造冷
8、模离心铸造冷模离心铸造冷模离心铸造衬耐火材料金属型离心铸造衬耐火材料金属型离心铸造金属型离心铸造金属型离心铸造砂型离心铸造砂型离心铸造其他材料铸型离心铸造其他材料铸型离心铸造13.1.313.1.3应用应用 离心铸造在机械、冶金、石化、交通及城建等离心铸造在机械、冶金、石化、交通及城建等行业均有应用。从铸件种类看可归类如下。行业均有应用。从铸件种类看可归类如下。1 1、铜套类、铜套类 如各种轴瓦、轴套、滚筒、轮缘如各种轴瓦、轴套、滚筒、轮缘及口环等。及口环等。2 2、铸铁管、筒类、铸铁管、筒类 如输水管、排水管、井壁如输水管、排水管、井壁管、煤气罐、化工用管、各种缸套等管、煤气罐、化工用管、各
9、种缸套等 3 3、钢管类、钢管类 如辐射管、炉底辊、滚道辊、炼如辐射管、炉底辊、滚道辊、炼镁罐及化工用管等。镁罐及化工用管等。4 4、双金属类、双金属类 如钢背铜合金轴瓦、钢背锡合如钢背铜合金轴瓦、钢背锡合金轴瓦、铸铁复合辊套、冶金实心复合轧辊及金轴瓦、铸铁复合辊套、冶金实心复合轧辊及铁铁-钢复合缸套等。钢复合缸套等。5 5、成形件类、成形件类 如铜合金叶轮、涡轮、螺旋如铜合金叶轮、涡轮、螺旋桨、钛合金叶轮及其他钛合金件等。桨、钛合金叶轮及其他钛合金件等。双金属机筒以普通中碳钢或中碳合金钢作为母材，内以普通中碳钢或中碳合金钢作为母材，内孔离心铸造一层厚度孔离心铸造一层厚度 2.0 mm 2.0
10、 mm 以上的硬度均匀的耐磨或以上的硬度均匀的耐磨或耐腐蚀特殊金属。耐腐蚀特殊金属。离心铸造双金属管离心铸造双金属管离心铸造轧辊离心铸造轧辊离心铸造球墨铸铁管离心铸造球墨铸铁管铝青铜离心铸件铝青铜离心铸件铜套铜套大型汽缸套离心铸造大型汽缸套离心铸造rm213.2 13.2 离心铸造原理离心铸造原理 作用在旋转体上的离心力与旋转半径成正比，与作用在旋转体上的离心力与旋转半径成正比，与角速度的平方成正比：角速度的平方成正比：rmF2 13.2.1 13.2.1 离心力场离心力场30/n201.0mrF 如旋转速度以如旋转速度以r/minr/min为单位，则为单位，则式中，式中，n-n-金属液质点的
11、旋转速度（金属液质点的旋转速度（r/minr/min）；）；r-r-液体金属任意点的旋转半径（液体金属任意点的旋转半径（cmcm）；）；g-g-重力加速度重力加速度(cm/s(cm/s2 2）；）；m-m-金属液质点的质量（金属液质点的质量（kgkg）。）。（1 1）离心力）离心力 离心铸造时，金属液随着铸型作绕中心离心铸造时，金属液随着铸型作绕中心O O的圆的圆周运动，如果把旋转的金属液所占的体积视为一周运动，如果把旋转的金属液所占的体积视为一个空间，其每一质点都产生如个空间，其每一质点都产生如 那样的离心那样的离心力，该空间就称为力，该空间就称为离心力场离心力场。2222)100(112.
12、0)30(nrgrnrgrfrm2离心力场示意图离心力场示意图单位体积金属质点单位体积金属质点所受离心力为：所受离心力为：（2 2）离心力场）离心力场 式中，式中，-金属的重度金属的重度（单位体积金属所受的重（单位体积金属所受的重力，单位：力，单位：N/mN/m2 2）该式表明旋转金属液的有效重度比在重力场中该式表明旋转金属液的有效重度比在重力场中的重度大的重度大 倍。倍。（3 3）有效重度）有效重度 离心力场中单位体积液体金属所产生的离心力离心力场中单位体积液体金属所产生的离心力称为称为有效重度：有效重度：grr/22gr/2222)100(112.0nrgrgrfG（4 4）重力倍数）重力
13、倍数（有效重度大于一般重度的倍数（有效重度大于一般重度的倍数G G）通常通常G G为几十到一百多。对某铸件来说，为几十到一百多。对某铸件来说，n n值值越高越高G G越大。对不同密度的合金来说，越大。对不同密度的合金来说，f f相同时，相同时，其密度越小其密度越小G G越大。越大。离心力场中单位体积金属所受的离心力场中单位体积金属所受的离心力离心力f f与重与重力之比称为力之比称为重力倍数重力倍数G G或或重力系数。重力系数。（自由表面：与大气接触的等压面）（自由表面：与大气接触的等压面）13.2.2 13.2.2 离心力场中液体金属自由表面的形状离心力场中液体金属自由表面的形状1 1、立式离
14、心铸造时液体金属自由表面的形状、立式离心铸造时液体金属自由表面的形状 设液体金属绕垂直轴设液体金属绕垂直轴Y-YY-Y旋转，其角速度为旋转，其角速度为，截取其轴向截面，如图所示。在自由表面，截取其轴向截面，如图所示。在自由表面取一质点取一质点M M（x,yx,y），其质量为），其质量为m m。在离心力的作。在离心力的作用下，此质点用下，此质点x x，y y，z z轴方向的质量力为：轴方向的质量力为：（1 1）立式离心铸造时金属液自由表面在径向）立式离心铸造时金属液自由表面在径向断面上的曲线方程断面上的曲线方程立式离心铸造自由表面形状立式离心铸造自由表面形状1-1-旋转轴；旋转轴；2-2-铸型；
15、铸型；3-3-金属液；金属液；4-4-自由表面自由表面 因自由表面上无压力差（为因自由表面上无压力差（为等压面等压面），），由水力由水力学中的学中的欧拉公式欧拉公式知知 将式（将式（1 1）、（）、（2 2）、（）、（3 3）代入式（）代入式（4 4），得：），得：02 gdyxdx)(0ZdzYdyXdxdP（4 4）z z轴方向单位质量力轴方向单位质量力（3 3）y y轴方向单位质量力轴方向单位质量力 （2 2）x x轴方向单位质量力轴方向单位质量力 （1 1）xrmX22gyY20Z 此方程为此方程为抛物线方程抛物线方程，顶点为坐标原点。据，顶点为坐标原点。据此可推断此可推断立式离心铸造
16、时，金属液自由面为一绕立式离心铸造时，金属液自由面为一绕垂直旋转轴垂直旋转轴y-yy-y的回转抛物面。的回转抛物面。在铸件顶部在铸件顶部x x1 1处的液体金属层的厚度较薄，而处的液体金属层的厚度较薄，而在铸件底部在铸件底部x x2 2处厚度层较大。处厚度层较大。gxy222（5 5）积分后，得如下方程式：积分后，得如下方程式：壁厚差壁厚差 （自由表面上的两点（自由表面上的两点（x x1 1，y y1 1),(x),(x2 2,y,y2 2）21xxKhgxgxyy2222221221）（2212/2ghxx)/2(2211ghxxK又又（铸件高度）（铸件高度）由由g=9.81m/sg=9.8
17、1m/s2 2，=n/30=n/30，代入式（，代入式（6 6）（6 6）（2 2）立式离心铸造时铸件上下端面的壁厚差及）立式离心铸造时铸件上下端面的壁厚差及及所需铸型转速及所需铸型转速 x x1 1最大值由铸型结构和浇注的金属液的量决定。最大值由铸型结构和浇注的金属液的量决定。则，可则，可提高转速提高转速n n，减小壁厚差；铸件越高，壁，减小壁厚差；铸件越高，壁厚越差也越大厚越差也越大。2211)100/(18.0nhxxK 生产中要控制壁厚差，则要控制铸型转速。生产中要控制壁厚差，则要控制铸型转速。由式由式gxgxh2222221230/n 及及转速转速 即可根据即可根据允许的铸件壁厚差允
18、许的铸件壁厚差及铸件的高度及铸件的高度h h及及x x1 1来估算所需铸型的转速来估算所需铸型的转速n n。)2(3.42)2(23011KxKhKxKghn （1 1）金属液在垂直于轴线的横断面上的曲线方程）金属液在垂直于轴线的横断面上的曲线方程 2 2、卧式离心铸造时金属液自由表面的形状、卧式离心铸造时金属液自由表面的形状 垂直于旋转轴截取金属液横截面，如图。垂直于旋转轴截取金属液横截面，如图。在旋转角速度为在旋转角速度为的金属液表面上，任取一质点的金属液表面上，任取一质点M(xM(x，y y），不考虑重力场的作用。），不考虑重力场的作用。卧式离心铸造自由表面形状卧式离心铸造自由表面形状
19、1-1-铸型内表面；铸型内表面；2-2-金属液；金属液；p-p-重力重力则由欧拉方程：则由欧拉方程：)(ZdzYdyXdxdP 在自由表面上为等压面，即在自由表面上为等压面，即 ，得：，得：0dP质点质点M M的单位质的单位质量力为量力为2 2r r0 0y y轴分量轴分量 x x轴分量轴分量 xrX202cosyrY202sinZ Z轴分量轴分量 0Z则则0sincos0202dyrdxr022ydyxdx移项后，积分得移项后，积分得2022ryx此此圆方程圆方程即为自由表面在横断面上的曲线方程。即为自由表面在横断面上的曲线方程。据此可推断，据此可推断，卧式离心铸造时卧式离心铸造时，若不考虑
20、重力，若不考虑重力场影响，场影响，金属液自由表面是以旋转轴为轴线的圆金属液自由表面是以旋转轴为轴线的圆柱面。柱面。若考虑重力场，卧式离心铸造时金属液自由表若考虑重力场，卧式离心铸造时金属液自由表面应为近圆柱形表面，会引起偏心。面应为近圆柱形表面，会引起偏心。（2 2）重力对自由表面的影响）重力对自由表面的影响结果：结果：仅考虑重力场的影响，自由表面的轴线仅考虑重力场的影响，自由表面的轴线将向下移动将向下移动e e的距离的距离。原因分析：原因分析：a.a.最高点最高点A A处金属液，向最低点处金属液，向最低点B B处移动，在重处移动，在重力场作用下，速度增加，即力场作用下，速度增加，即V VA
21、AV VB B；b.b.另，由等流量连续流动方程（将金属液的运动另，由等流量连续流动方程（将金属液的运动空间视为自由表面和铸型壁所组成的封闭环）。空间视为自由表面和铸型壁所组成的封闭环）。BBAAFVFV由由，得得BAFF 断面金属液流动的有效面积，即自断面金属液流动的有效面积，即自由表面将向下移动。由表面将向下移动。BAFF（3 3）金属凝固和黏性阻力对自由表面的影响）金属凝固和黏性阻力对自由表面的影响结果：结果：在凝固后的铸件上不会出现内表面的偏心在凝固后的铸件上不会出现内表面的偏心原因分析：原因分析：a.a.金属液由外壁向内表面等速凝固，则靠近内表金属液由外壁向内表面等速凝固，则靠近内表
22、面处的液体金属厚度减薄，（即面处的液体金属厚度减薄，（即F FA A接近接近F FB B），使），使e e减小。减小。b.b.凝固时，温度下降导致黏度增大，从而使凝固时，温度下降导致黏度增大，从而使V VA A与与V VB B差别减小，也即差别减小，也即F FA A与与F FB B差别减小，使差别减小，使e e减小。减小。13.2.3 13.2.3 离心压力离心压力（1 1）概念）概念 （在重力场中（在重力场中,由于液体重力的作用，在静止由于液体重力的作用，在静止液体的不同高度上，液体质点便会经受（或表现液体的不同高度上，液体质点便会经受（或表现出）一定的压力）。出）一定的压力）。离心铸造时，
23、旋转的液体在离心力的作用离心铸造时，旋转的液体在离心力的作用下，在其内部各点上也会产生压力，此种压力称下，在其内部各点上也会产生压力，此种压力称为为离心压力离心压力。（类似于重力场中，液体质点经受。（类似于重力场中，液体质点经受的压力）的压力）（2 2）离心压力表达式）离心压力表达式 结果：结果：推导：推导：截取卧式离心铸造时金属液的横断截取卧式离心铸造时金属液的横断面，如图所示（取面，如图所示（取r r处质点处质点M M），欧拉方程式：），欧拉方程式：2/)(2022rrPr)(ZdzYdyXdxdP卧式离心铸造时旋转液体中的单位离心质量力卧式离心铸造时旋转液体中的单位离心质量力对对r r处
24、质点处质点M M（x x，y)y)y y轴方向分量轴方向分量 x x轴方向分量轴方向分量 Xx 2Yy 2Z Z轴方向分量轴方向分量 0Z单位质量力单位质量力r2则则取取r=rr=r0 0至至r r处的定积分。处的定积分。)(2200ydyxdxPPrrrr自由表面离心压力自由表面离心压力 ，则，则00rP)(22)(220222222200rrdryxdPrrrrr 此即为旋转金属液中旋转半径为此即为旋转金属液中旋转半径为r r处的金属处的金属液中的离心压力计算公式。液中的离心压力计算公式。（7 7）)(22ydyxdxdP在在r=Rr=R处（铸件外表面），处（铸件外表面），)(22022r
25、RPR)(22022rrPR （3 3）立式离心铸造时，离心压力计算式与上）立式离心铸造时，离心压力计算式与上式相同。式相同。（8 8）在在立式离心铸造时立式离心铸造时，r r0 0并非定值，而随铸件高度变化而并非定值，而随铸件高度变化而变化，变化，在同一回转面上部在同一回转面上部，金属液离心压力较小（因，金属液离心压力较小（因r r0 0值值较大），在下部，离心压力较大。上、下两点离心压力差较大），在下部，离心压力较大。上、下两点离心压力差为（即重力场引起的压力差，如图所示）：为（即重力场引起的压力差，如图所示）：ghPP上下-式中，式中，P P上上同一回转面上上部某点处的离心压力同一回转面
26、上上部某点处的离心压力 P P下下同一回转面上上部某点处的离心压力同一回转面上上部某点处的离心压力 h h上、下两点的高度差上、下两点的高度差（9 9）立式离心铸造，同一回转面，上、下两点离心压力差立式离心铸造，同一回转面，上、下两点离心压力差式（式（9 9）可由：）可由：推导推导）下上下上20202(2-rrgyyh)(220202下上rrgh)(22022rrPrgxy2/22（1010）又又（同一回转面（同一回转面 ）下上xx(2-2022022）（）上上下下上下rxrxPP)220202下上（rr将式（将式（1010）代入式（）代入式（1111），得），得ghghPP2 2上下（111
27、1）与金属液主体不能溶合的另一种组成的金属与金属液主体不能溶合的另一种组成的金属液滴，包括气泡、夹杂物，不能互溶的合金组液滴，包括气泡、夹杂物，不能互溶的合金组元，凝固析出的晶粒等，称为元，凝固析出的晶粒等，称为异相质点异相质点。异相质。异相质点被金属液主体所包围。点被金属液主体所包围。13.2.4 13.2.4 液体金属中异相质点的径向运动液体金属中异相质点的径向运动（1 1）异相质点的概念）异相质点的概念 异相质点与金属液密度不同，它们会像在异相质点与金属液密度不同，它们会像在重力场中一样，出现沉、浮现象。重力场中一样，出现沉、浮现象。（2 2）异相质点径向运动）异相质点径向运动 由重力场
28、中，异相质点上浮、下沉速度由重力场中，异相质点上浮、下沉速度V V重重可由可由斯托克斯公式斯托克斯公式表示：表示：18)(212gd重 式中，式中，dd异相质点直径；异相质点直径；1 1，2 2异相质点与金属液主体的密度；异相质点与金属液主体的密度；金属液动力黏度系数。金属液动力黏度系数。上浮上浮下沉下沉（1212）2121 离心力场中，旋转液体金属中异相质点沿离心力场中，旋转液体金属中异相质点沿径向自由表面径向自由表面内浮内浮或向型壁处或向型壁处外沉外沉速度速度V V离离的的斯托斯托克斯公式克斯公式（将离心加速度代替重力加速度）：（将离心加速度代替重力加速度）：18)(2212rd离（131
29、3）2121向自由表面内浮向自由表面内浮向外表面外沉向外表面外沉 从式（从式（1414）可知，）可知，离心铸造时金属液中异相离心铸造时金属液中异相质点的沉浮速度比重力铸造时快质点的沉浮速度比重力铸造时快G G倍倍。另一方面，由于离心力的作用，合金的成分偏另一方面，由于离心力的作用，合金的成分偏析也会加剧。析也会加剧。Ggr2重离（1414）由式（由式（1212）、（）、（1313），得：），得：有利于夹杂、渣滴和气孔逸出有利于夹杂、渣滴和气孔逸出补缩容易，有效重度大，不易形成缩孔、缩松补缩容易，有效重度大，不易形成缩孔、缩松 缺陷，组织致密度大缺陷，组织致密度大易出现偏析和双向凝固现象易出现偏
30、析和双向凝固现象（3 3）由异相质点径向运动引起的铸件成形特点）由异相质点径向运动引起的铸件成形特点径向移动将使：径向移动将使：13.3.1 13.3.1 铸件凝固特点铸件凝固特点 在大多数情况下，凝固时析出的晶粒重度比液在大多数情况下，凝固时析出的晶粒重度比液体金属大。因此，离心铸造时，析出的晶粒有更体金属大。因此，离心铸造时，析出的晶粒有更大的趋势向外表面或晶粒前沿移动。同样，液体大的趋势向外表面或晶粒前沿移动。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型壁进行外，离心铸造的散热过程又是通过铸型型壁进行的
31、，所有这些都为离心铸件由外表面向内表面的的，所有这些都为离心铸件由外表面向内表面的顺序凝固顺序凝固创造了更有利的条件。创造了更有利的条件。13.3 13.3 离心力场中铸件凝固特点离心力场中铸件凝固特点（1 1）加强顺序凝固）加强顺序凝固 离心铸造时液体金属质点是按重力系数的倍数加离心铸造时液体金属质点是按重力系数的倍数加重的，其运动方向又指向凝固层，这就创造了较好重的，其运动方向又指向凝固层，这就创造了较好的补缩条件，使液体金属能通过枝晶间的细小缝隙，的补缩条件，使液体金属能通过枝晶间的细小缝隙，对凝固时在枝晶间形成的空穴进行补缩。同时，液对凝固时在枝晶间形成的空穴进行补缩。同时，液体金属在
32、细小缝隙沿径向向外进行补缩时，随着旋体金属在细小缝隙沿径向向外进行补缩时，随着旋转半径增大，质点所受的离心力越大，在补缩缝隙转半径增大，质点所受的离心力越大，在补缩缝隙中的移动速度也就越来越快，为随后进入缝隙的液中的移动速度也就越来越快，为随后进入缝隙的液体金属创造了更好的流动补缩条件，故离心铸造的体金属创造了更好的流动补缩条件，故离心铸造的组织较为致密。组织较为致密。（2 2）加强补缩）加强补缩 在离心铸件的断面上会出现两种独特的宏观组在离心铸件的断面上会出现两种独特的宏观组织，即织，即倾斜的柱状晶倾斜的柱状晶（倾斜方向与铸件成形时的（倾斜方向与铸件成形时的旋转方向一致）和旋转方向一致）和层
33、状偏析层状偏析（按同心圆的形式分（按同心圆的形式分层分布）。这两种现象都与离心铸造时液体金属层分布）。这两种现象都与离心铸造时液体金属相对运动有关。相对运动有关。由于铸型转速太低引起的相对运动由于铸型转速太低引起的相对运动由于重力场引起的液体金属脉动现象由于重力场引起的液体金属脉动现象由于惯性作用引起的相对运动由于惯性作用引起的相对运动 （3 3）结晶形态）结晶形态13.4 13.4 离心铸造机离心铸造机立式离心铸造机立式离心铸造机卧式离心铸造机卧式离心铸造机悬臂式悬臂式滚轮式滚轮式 离心铸造机离心铸造机13.4.113.4.1立式离心铸造机立式离心铸造机 一般立式离心铸造机主要用于生产直径大
34、于高一般立式离心铸造机主要用于生产直径大于高度的铸件，如轮缘、口环、叶轮和成形件等。度的铸件，如轮缘、口环、叶轮和成形件等。中型立式离心铸造机中型立式离心铸造机1-1-铸型套；铸型套；2-2-轴承；轴承；3-3-主轴；主轴；4-4-带轮；带轮；5-5-机座；机座；6 6、7-7-轴承；轴承；8-8-电动机电动机13.4.2 13.4.2 卧式离心铸造机卧式离心铸造机（1 1）卧式悬臂离心铸造机）卧式悬臂离心铸造机半自动卧式悬臂离心铸造机半自动卧式悬臂离心铸造机1-1-限位开关；限位开关；2-2-顶杆；顶杆；3-3-机座；机座；4-4-齿条；齿条；5-5-变速箱；变速箱；6-6-顶杆制动器；顶杆
35、制动器；7-7-电器箱；电器箱；8-8-后轴承架；后轴承架；9-9-电动机；电动机；10-10-主轴制动器；主轴制动器；11-11-主轴；主轴；12-12-前轴承架；前轴承架；13-13-喷水管；喷水管；14-14-防护罩；防护罩；15-15-铸型；铸型；16-16-浇注流槽；浇注流槽；17-17-定容浇包；定容浇包；18-18-浇注车浇注车 以中小功率内燃机气缸套为代表的套筒类铸件，以中小功率内燃机气缸套为代表的套筒类铸件，都使用卧式悬臂离心铸造机。其特点是铸件重量都使用卧式悬臂离心铸造机。其特点是铸件重量小，铸型在工作时不用任何下支撑，而直接连接小，铸型在工作时不用任何下支撑，而直接连接在
36、离心机主轴上，以悬臂的形式进行旋转。铸型在离心机主轴上，以悬臂的形式进行旋转。铸型清理、放石棉垫板、按卸前端盖以及浇注小车前清理、放石棉垫板、按卸前端盖以及浇注小车前进、后退还靠手工实现。进、后退还靠手工实现。卧式悬臂离心铸造机卧式悬臂离心铸造机 在大批量生产时，或使用多台单工位的离心铸造在大批量生产时，或使用多台单工位的离心铸造机。使用多台成线排列的机。使用多台成线排列的单工位离心铸造机单工位离心铸造机生产，生产，其优点是同时可生产不同规格、类型的产品，而且其优点是同时可生产不同规格、类型的产品，而且若在或二台离心铸造机因故障而停止运转时，不会若在或二台离心铸造机因故障而停止运转时，不会影响
37、到整个厂的金属液平衡与生产的正常进行。但影响到整个厂的金属液平衡与生产的正常进行。但单工位离心铸造机生产率偏低，采用台数多时要占单工位离心铸造机生产率偏低，采用台数多时要占用很大的生产面积，同时造成金属液分配运输及成用很大的生产面积，同时造成金属液分配运输及成品铸件输送的困难，而且工人劳动强大，难于自动品铸件输送的困难，而且工人劳动强大，难于自动化。为此对于气缸套等批量特别大的铸件生产时，化。为此对于气缸套等批量特别大的铸件生产时，很多企业采用很多企业采用多工位离心铸造机多工位离心铸造机。多工位卧式离心铸造机多工位卧式离心铸造机 多工位离心机也有不足之处，即：缸套品种不多工位离心机也有不足之处
38、，即：缸套品种不易更换；要求设备的可靠性高，否则会因停机而易更换；要求设备的可靠性高，否则会因停机而影响到整个生产任务的完成或金属液液的平衡；影响到整个生产任务的完成或金属液液的平衡；设备初始投资高，要求操作与维护人员有较高的设备初始投资高，要求操作与维护人员有较高的素质。素质。绕水平轴旋转的绕水平轴旋转的2020工位半自动离心铸造机工位半自动离心铸造机（2 2）滚轮式离心铸造机）滚轮式离心铸造机滚轮离心机主机滚轮离心机主机1-1-驱动电动机；驱动电动机；2-2-主动托轮；主动托轮；3-3-挡轮；挡轮；4-4-被动托轮；被动托轮；5-5-底座；底座；6-6-铸型铸型通轴同步托轮结构通轴同步托轮
39、结构1-1-电动机；电动机；2-2-轴；轴；3-3-托轮；托轮；4-4-铸型铸型转速选择转速选择 选择离心铸型转速时，主要考虑两点：选择离心铸型转速时，主要考虑两点：（1 1）离心铸型的转速应保证液体金属在进入）离心铸型的转速应保证液体金属在进入铸型后立刻能形成铸型后立刻能形成圆筒形圆筒形，绕轴线旋转。，绕轴线旋转。（2 2）充分利用）充分利用离心力离心力的作用，保证得到良好的作用，保证得到良好的铸件内部质量，避免铸件内产生缩孔、缩松、的铸件内部质量，避免铸件内产生缩孔、缩松、夹杂和气孔。夹杂和气孔。13.5 13.5 离心铸造工艺离心铸造工艺13.5.113.5.1铸型转速铸型转速 采用砂型
40、离心铸造时，也要注意忽使液体金属对型壁采用砂型离心铸造时，也要注意忽使液体金属对型壁具有太大的离心压力而引起铸件粘砂、胀砂等的缺陷。具有太大的离心压力而引起铸件粘砂、胀砂等的缺陷。转速高低意味着铸型中金属液所受转速高低意味着铸型中金属液所受离心力的大离心力的大小小或金属液所受或金属液所受重力倍数的大小重力倍数的大小。转速过低，铸件即使成形，其中也可能存在转速过低，铸件即使成形，其中也可能存在夹杂、组织不致密，甚至壁厚不均等现象。夹杂、组织不致密，甚至壁厚不均等现象。转速太高，铸件可能成分偏析加剧、结晶组织转速太高，铸件可能成分偏析加剧、结晶组织粗大、铸件出现裂纹等。此外转速过高，对铸型粗大、铸
41、件出现裂纹等。此外转速过高，对铸型与离心机的构造均提出更高的要求。与离心机的构造均提出更高的要求。（1 1）铸型转速高低的意义）铸型转速高低的意义（2 2）最低转速）最低转速 最低转速是指金属液浇入旋转的铸型后，能很最低转速是指金属液浇入旋转的铸型后，能很快随铸型甩动起来，快随铸型甩动起来，恰好克服重力恰好克服重力而形成环状截而形成环状截面，并沿着铸型的纵横方向很好地分布于型面。面，并沿着铸型的纵横方向很好地分布于型面。如果未达到最低转速，就会造如果未达到最低转速，就会造成成淋落现象淋落现象。有时金属液会溢。有时金属液会溢出型外造成飞溅形成离心火轮出型外造成飞溅形成离心火轮现象，很危险。现象，
42、很危险。金属液淋落现象金属液淋落现象对最低转速的认识对最低转速的认识 从理论上讲，金属液随铸型旋转产生的离心力从理论上讲，金属液随铸型旋转产生的离心力能克服重力，即重力倍数等于能克服重力，即重力倍数等于1 1时，金属液就不时，金属液就不会淋落。实际上会淋落。实际上由于金属液层不能及时随铸型同由于金属液层不能及时随铸型同步旋转步旋转，铸型的转速必须比理论最低转速高。，铸型的转速必须比理论最低转速高。影响最低转速的因素影响最低转速的因素 a.a.铸件直径铸件直径。直径越小，达到最低转速所需的。直径越小，达到最低转速所需的G G值值越大越大 b.b.铸件壁厚铸件壁厚。壁越厚金属液层之间相对滑动越大，
43、。壁越厚金属液层之间相对滑动越大，实际最低转速明显增高。实际最低转速明显增高。c.c.铸型内表面铸型内表面。铸型内表面粗糙，可增大对金属液。铸型内表面粗糙，可增大对金属液的摩擦带动作用，有助于金属液随铸型转动。的摩擦带动作用，有助于金属液随铸型转动。此外，铸型温度和浇注温度偏低时，使金属液黏度此外，铸型温度和浇注温度偏低时，使金属液黏度增加，减少金属液的滑动，有助于金属液随铸型转增加，减少金属液的滑动，有助于金属液随铸型转度。度。（3 3）卧式离心浇注铸型转速计算）卧式离心浇注铸型转速计算 生产中计算转速的方法很多，从计算转速的基生产中计算转速的方法很多，从计算转速的基础参数来看主要有三种：以
44、础参数来看主要有三种：以重力倍数为基础重力倍数为基础、以以离心力为基础离心力为基础以及以及以线速度为基础以线速度为基础。用重力倍数。用重力倍数为基础是较合适的方法，实际应用日趋增多。为基础是较合适的方法，实际应用日趋增多。计算方法选择计算方法选择 离心浇注转速实质上应是金属液的转速，但由离心浇注转速实质上应是金属液的转速，但由于金属液的实际转速不易观测，故以铸型转速来于金属液的实际转速不易观测，故以铸型转速来表示，见式：表示，见式：RGn299（1515）计算转速公式计算转速公式重力倍数的选择重力倍数的选择 以以重力倍数重力倍数为基础计算转速，其为基础计算转速，其G G值不必随合金的密度值不必
45、随合金的密度不同而变化。但对不同凝固特点的合金及不同尺寸的铸件，不同而变化。但对不同凝固特点的合金及不同尺寸的铸件，其其G G值应适当调整。对于凝固温度范围较宽的合金，如锡青值应适当调整。对于凝固温度范围较宽的合金，如锡青铜，铜，G G值应高些，利于穿过枝晶补缩。对于呈现体积凝固状值应高些，利于穿过枝晶补缩。对于呈现体积凝固状态的球墨铸铁，适当提高态的球墨铸铁，适当提高G G值有助于顺序凝固。对于偏析严值有助于顺序凝固。对于偏析严重的合金应取较低的重的合金应取较低的G G值，以减少偏析。对于口径较小的铸值，以减少偏析。对于口径较小的铸件，应取较大的件，应取较大的G G值，因为铸件值，因为铸件R
46、 R越小达到最低转速所需的越小达到最低转速所需的G G值本来就大，所以细管铸件增速应予重视。采用干粉料衬值本来就大，所以细管铸件增速应予重视。采用干粉料衬层的铸件，应取较高的层的铸件，应取较高的G G值，以利衬层牢固。值，以利衬层牢固。铸件的壁厚铸件的壁厚很厚时，按很厚时，按R R计算的转速可能铸件外层转速过高，所以当计算的转速可能铸件外层转速过高，所以当R R1 1/R/R2 2（R R1 1铸件外半径）时应变速浇注，在浇注中逐渐铸件外半径）时应变速浇注，在浇注中逐渐加速。加速。合金合金G G合金合金G G铜合金铜合金40407070球墨铸铁球墨铸铁50508080锡青铜锡青铜5050909
47、0铸钢铸钢40407070铅青铜铅青铜20205050铝合金铝合金40406060灰铸铁灰铸铁40407070锌铝合金锌铝合金30305050重力倍数重力倍数GG的选用的选用立式离心浇注铸型转速计算立式离心浇注铸型转速计算 a.a.按壁厚差计算转速按壁厚差计算转速 立式离心浇注由于存在壁厚差，计算转速时重立式离心浇注由于存在壁厚差，计算转速时重力倍数与壁厚差均应考虑，见式（力倍数与壁厚差均应考虑，见式（1616）。）。)2(422KRKhn（1616）2)299(nRG（1717）b.b.重力倍数重力倍数 按壁厚差计算出转速，最好再用下式核算按壁厚差计算出转速，最好再用下式核算G G值。值。1
48、3.5.2 13.5.2 铸型铸型 离心铸造可以使用离心铸造可以使用金属型金属型、砂型砂型、壳型壳型、熔模熔模型壳型壳、石膏型石膏型、石墨型石墨型等各种类型的铸型。但使等各种类型的铸型。但使用得最为普遍的是用得最为普遍的是金属型金属型。立式离心铸造用铸型立式离心铸造用铸型 （a a）单层结构；）单层结构；（b b）双层结构）双层结构1-1-金属型；金属型；2-2-端盖；端盖；3-3-销子；销子；4-4-外型；外型；5-5-内型；内型；6-6-底板底板（1 1）铸型结构）铸型结构 卧式离心铸造用铸型卧式离心铸造用铸型 （a a）单层结构；）单层结构；（b b）双层结构）双层结构 1-1-金属型；
49、金属型；2 2端盖；端盖；3-3-销子；销子；4-4-外型；外型；5-5-底板；底板；6-6-内型；内型；7-7-离心锤；离心锤；8-8-端盖端盖 滚筒式离心铸型滚筒式离心铸型 1-1-端盖；端盖；2-2-型体；型体；3-3-滚道；滚道；4-4-销子销子（2 2）铸型材质）铸型材质 水冷金属型生产铸管时无涂料保护金属型水冷金属型生产铸管时无涂料保护金属型，金属型工作条件恶劣，金属型一般由低合金钢铸金属型工作条件恶劣，金属型一般由低合金钢铸锭整体锻造而成。国内普遍采用的金属型材料是锭整体锻造而成。国内普遍采用的金属型材料是20CrMo20CrMo、30CrMo30CrMo和和21CrMo1021
50、CrMo10，国外是，国外是34CrMo34CrMo和和21CrMo1021CrMo10。其中。其中21CrMo1021CrMo10具有较好的韧性，能有具有较好的韧性，能有效阻止热裂纹形成，具有较长的只用寿命，为离效阻止热裂纹形成，具有较长的只用寿命，为离心铸管金属型的首选材料。心铸管金属型的首选材料。热模法离心铸管用铸热模法离心铸管用铸型，因有涂层保护型，因有涂层保护，金属型热负荷比较小，但多，金属型热负荷比较小，但多用于直径用于直径1m1m或或1.4m1.4m以上的大铸管，铸型重而尺寸以上的大铸管，铸型重而尺寸大，一般采用分体锻造以及铸造方法生产铸型毛大，一般采用分体锻造以及铸造方法生产铸
