Горизонтальное центробежное литье

Если браться за горизонтальное центробежное литье, думая что это просто 'залить металл во вращающуюся форму' - первый брак обеспечен. На деле тут каждый параметр цепляется за другой: скорость вращения, температура сплава, даже геометрия опорных роликов влияет на структуру отливки. Многие до сих пор путают центробежные силы с простым заполнением формы, а потом удивляются почему в чугунных валках появляются раковины именно со стороны наружного диаметра.

От теории к практике: где кроются подводные камни

Помню как на старте карьеры перечитал кучу ГОСТов по центробежному литью, но первый же реальный заказ на литые трубы из жаропрочного сплава поставил в тупик. В теории - выдерживай скорость вращения 800 об/мин для данной массы расплава. На практике - при такой скорости кромка отливки начинала 'рыхлиться' из-за неравномерного охлаждения. Пришлось эмпирически подбирать диапазон 750-780 об/мин с поправкой на температуру в цехе.

Особенно критичен момент сбалансированности формы. Однажды при литье биметаллических валков для прокатного стана недосмотрели разницу в толщине противоположных стенок формы - вибрация нарастала лавинообразно. В итоге получили не концентричную отливку с разнотолщинными стенками. Пришлось потом на токарном станке снимать лишний металл, хотя могли бы избежать этих потерь.

Сейчас для таких случаев у нас на производстве стоят системы динамической балансировки, но мелкие цеха до сих пор работают 'на глазок'. Видел как на одном уральском заводе мастер по старинке определял вибрацию - прикладывал монету к станине станка. Если монета падает - скорость надо менять. Архаично, но работает.

Температурные режимы: то что не измерить термопарой

С перегревом сплава в горизонтальном литье есть интересный парадокс: недостаточный перегрева - и не успеешь заполнить форму, перегрел всего на 50°C - и центробежные силы начинают 'отсекать' легкоплавкие составляющие к внутренней поверхности отливки. Для износостойких чугунов это вообще катастрофа - карбиды распределяются неравномерно.

Особенно сложно с биметаллическими отливками. Когда лили валки с наружным слоем из высокохромистого чугуна и сердцевиной из углеродистой стали, пришлось разрабатывать трехстадийный температурный protocol. Сначала разогрев формы до строго 280°C, затем заливка стали с перегревом на 120°C, и только через 45 секунд - заливка чугуна с перегревом на 80°C. Малейшее отклонение - и появлялись зоны непроплава.

Кстати про форму: многие экономят на ее подогреве, а потом получают отливки с холоднонеспаями. Идеальная температура формы должна быть такой чтобы на ее поверхности вода мгновенно испарялась, но не кипела. Проверяю всегда простым способом - брызгаю из пульверизатора. Если капли 'бегают' по поверхности - можно заливать.

Материаловедческие нюансы которые определяют результат

Работая с ООО Цзянсу Шэнчэнь Металлургическое Оборудование над проектом износостойких валков для конвейеров горячего агломерата, столкнулись с интересным эффектом. При центробежном литье высокохромистых чугунов с содержанием Cr 25-28% карбиды хрома выстраивались в радиальные цепочки - получалась анизотропная структура. Вдоль оси вращения износостойкость была в 1.8 раз выше чем поперек.

Это открытие позволило оптимизировать конструкцию валков - теперь мы ориентируем зону максимального износа именно вдоль направления 'выстроенных' карбидов. Ресурс увеличился с 6 до 11 месяцев в условиях транспортировки абразивных материалов на горно-обогатительных комбинатах.

На их сайте https://www.jsscyjsb.ru есть хорошие технические решения по термостойким сплавам, но в разделе про центробежное литье не хватает именно таких практических наблюдений. Хотя их разработки по коррозионно-стойким материалам для химической промышленности - это отдельный разговор, особенно сплавы на основе никеля с молибденом.

Оборудование: что действительно важно а на чем можно сэкономить

Главное в машинах горизонтального центробежного литья - не мощность привода, а плавность разгона. Резкий старт - гарантия того что расплав 'пойдет волной' по форме и захватит воздух. Видел как на старых советских машинах ставили дополнительный гидравлический демпфер - и получали качество не хуже чем на новых немецких установках.

Система охлаждения - еще один камень преткновения. Наружное охлаждение водой дает быстрое затвердевание, но увеличивает напряжения. Внутреннее охлаждение через оправку - медленнее, но структура получается более равномерной. Для ответственных отливок типа прокатных валков применяем комбинированный метод: сначала наружное воздушное охлаждение до 'схватывания' поверхности, затем водяное охлаждение оправки.

Кстати про оправки: многие производители экономят на их покрытии. А ведь именно от состояния рабочей поверхности оправки зависит качество внутренней поверхности отливки. После перехода на керамическое напыление вместо традиционного графитового покрытия брак по внутренним раковинам снизился на 40%.

Конкретные кейсы и уроки из практики

Самый показательный случай был при литье больших обечаек для химического реактора из сплава Хастеллой. Заказчик требовал идеальную внутреннюю поверхность без механической обработки. Сделали все по технологии - и получили брак в виде продольных 'морщин' на внутренней поверхности. Оказалось проблема в том что форма была слишком гладкой - расплав не 'зацеплялся' за стенки и проскальзывал.

После недели экспериментов нашли решение: пескоструйная обработка формы с шероховатостью Ra 6.3 мкм вместо полированной поверхности. И 'морщины' исчезли. Теперь этот параметр всегда прописываем в технологических картах.

Еще один урок преподнесли биметаллические валки для горячей прокатки. При использовании стали 35ХГС и наружного слоя из сплава 150ХНМФ столкнулись с проблемой расслоения. Анализ показал что при охлаждении возникали термические напряжения из-за разницы коэффициентов расширения. Помог промежуточный диффузионный слой из ферроникеля - теперь такие валки успешно работают на станах горячей прокатки.

Перспективы и что еще можно улучшить

Сейчас экспериментируем с магнитным полем при центробежном литье - предварительные результаты показывают что можно управлять распределением интерметаллидных фаз в алюминиевых сплавах. Но с черными металлами пока сложнее - плотность слишком высокая.

Интересное направление - комбинирование центробежного литья с поверхностным легированием. Когда во вращающуюся форму кроме основного расплава подаем порошковые модификаторы - получаем градиентные свойства по сечению отливки. Правда технология пока сырая, стабильности не хватает.

В целом горизонтальное центробежное литье - это не застывшая технология а живой процесс где еще много белых пятен. Каждый новый сплав, каждая новая конфигурация отливки требуют своего подхода. Главное - не бояться экспериментировать и внимательно анализировать каждый случай брака.