Отливки центробежным литьем: не только про трубы 

Когда говорят про отливок центробежным литьем, первое, что приходит в голову большинству — это трубы, гильзы, втулки. Классика, спору нет. Но если зацикливаться только на этом, можно упустить целый пласт возможностей, особенно в нашей сфере — износостойких материалов для тяжелых условий. Сам долгое время думал, что это узкоспециализированная штука, пока не столкнулся с необходимостью получить деталь с неравномерным распределением свойств по сечению. Вот тут-то центробежка и показала свой характер.

Где классика не работает, а центробежное литье — еще как

Возьмем, к примеру, била для дробилок или футеровочные плиты. Рабочая поверхность изнашивается в разы быстрее, чем тыльная часть или места креплений. Литье в статическую форму дает однородную структуру по всему объему. Это как заказать нож, где и лезвие, и рукоять сделаны из одной сверхтвердой, но хрупкой стали. Непрактично. А вот если раскрутить форму… Более тяжелые и тугоплавкие карбиды, те же карбиды вольфрама или хрома в композитном материале, под действием центробежных сил стремятся к внешнему радиусу — к той самой рабочей поверхности. Получаем градиент свойств: внешний слой — максимально твердый и износостойкий, сердцевина — более вязкая и прочная. Это не теория, мы такие вещи для горно-обогатительных комбинатов через ООО Чжучжоу Гэвэй Твердосплавные Инструменты поставляли. На их сайте www.jsscyjsb.ru концепция технологии создают будущее — это как раз про такие нестандартные инженерные решения в области транспортировки и переработки материалов.

Ключевое здесь — управление процессом. Скорость вращения, температура заливки, температура формы — все это влияет на толщину рабощего слоя и четкость границы раздела. Слишком медленно — карбиды не успеют полноценно мигрировать, смешение будет. Слишком быстро — могут пойти трещины из-за напряжений, да и пористость может повыситься у внутренней поверхности. Опытным путем для каждого сплава и геометрии приходится подбирать свой режим. Универсальных рецептов нет, что многих и отпугивает.

Запоминающийся случай был с одним заказом на сопла для гидроабразивной резки. Материал — основа на кобальте с карбидами. Нужна была высочайшая стойкость к эрозии внутреннего канала. Статическое литье или даже прессование и спекание давали равномерную стойкость, но ее не хватало. Решили попробовать центробежное, заливая расплав в форму, где стержень формировал этот самый канал. Идея была в том, чтобы карбиды сконцентрировались именно вокруг стержня, на внутренней поверхности будущего сопла. Получилось, но не с первого раза. Первая партия пошла в брак из-за неправильного охлаждения — возникли раковины от усадки именно в том самом критическом рабочем слое. Пришлось пересматривать конструкцию литниковой системы и температуру формы. В итоге стойкость повысили почти в два раза против серийных аналогов.

Оборудование: не обязательно гигантские машины

Многие представляют центробежное литье как огромные станки для отливки труб диаметром в метр. Да, такое есть. Но для наших, относительно небольших, но ответственных деталей из спецсплавов часто используются вертикальные или горизонтальные машины гораздо более скромных размеров. Иногда даже приходится адаптировать имеющееся оборудование, что-то додумывать своими силами. Например, систему подогрева формы газовыми горелками для сложноконфигурационных отливок, чтобы избежать преждевременного застывания расплава в дальних углах до завершения центрифугирования.

Здесь важна точность управления. Не просто включить и крутить, а плавный разгон до рабочей скорости, выдержка, потом определенный режим охлаждения под вращением. Современные ЧПУ-блоки это позволяют, но на старом парке часто работают на глазок и по тахометру, что, конечно, бьет по стабильности качества. Мы для своих нужд на ООО Цзянсу Шэнчэнь Металлургическое Оборудование как раз переходили на машины с программируемым циклом — разница в проценте брака сразу стала заметна, особенно для сложных сплавов на основе никеля.

Еще один нюанс — подготовка шихты. Поскольку мы часто работаем с переплавом собственных отходов (дорожка, брак, стружка) с добавкой новых компонентов, однородность исходного расплава критична. Если в статической форме неоднородность как-то размажется по объему, то в центробежной она может привести к полосчатости в распределении упрочняющих фаз. Поэтому плавку и доводку состава стараемся вести в индукционных печах с хорошим электромагнитным перемешиванием.

Типичные грабли и как на них не наступать

Помимо уже упомянутых трещин и пористости, есть еще одна частая проблема — ликвация нежелательных примесей. Все, что легче основного расплава, будет стремиться к внутренней поверхности отливки. Если в сплаве есть сера, фосфор, некоторые оксиды, они могут образовать там хрупкую и несплошную корку. Это убивает механические свойства, особенно под нагрузкой на растяжение или удар. Поэтому контроль сырья — на первом месте. Нельзя экономить на качественном шихтовом материале, надеясь, что центробежные силы все исправят. Они не исправят, а только вынесут проблему на поверхность — в буквальном смысле.

Еще один момент — крепление стержней. Если в отливке есть внутренние полости (как в том примере с соплом), песчаный или керамический стержень должен быть надежно зафиксирован в форме. Центробежная сила в сотни g запросто может его сместить или даже сломать. Получится брак по геометрии. Приходится делать сложные системы опор, а после литья — аккуратно выбивать остатки стержня, чтобы не повредить уже готовую, упрочненную поверхность.

И, конечно, усадка. Она в центробежном литье ведет себя иначе. Отливка свободно усаживается по направлению к центру вращения, но ее контакт с формой по внешней поверхности может создавать повышенные напряжения. Формулу чем быстрее охлаждение, тем мельче структура тут применяют с оглядкой. Иногда лучше замедлить охлаждение, особенно на финальной стадии, чтобы дать материалу отпустить напряжения, даже если это немного снизит твердость поверхностного слоя. Прочность целой детали важнее локальной твердости.

Когда оно того не стоит

Центробежное литье — не панацея. Для простых по форме, небольших и требующих массового производства деталей оно часто проигрывает в экономике литью под давлением или даже точному литью по выплавляемым моделям. Дорогое оборудование, более длительный цикл, выше энергозатраты. Если нет принципиальной необходимости в том самом градиенте свойств или в высокой плотности и отсутствии раковин в теле отливки (что, кстати, одно из больших преимуществ метода для ответственных деталей), то его применение может быть избыточным.

Также сложности возникают с деталями очень сложной конфигурации, с обратными уклонами, тонкими перегородками. Создать равномерное поле центробежных сил для такой геометрии почти невозможно, будут зоны с разным качеством. Иногда выход — разбивать деталь на более простые отливки, которые потом сваривают. Но это уже компромисс.

Поэтому, принимая решение в пользу отливок центробежным литьем, всегда нужно взвешивать: что мы выигрываем в эксплуатационных характеристиках и что проигрываем в себестоимости и технологической сложности. Для компании, которая, как Шэнчэнь, фокусируется на инженерных решениях для износостойких материалов, этот метод — мощный инструмент в арсенале, но инструмент для специфических задач, а не для повседневной работы.

Взгляд вперед: куда дует ветер

Сейчас вижу тенденцию к комбинированию методов. Например, центробежное литье заготовки с последующей механической обработкой на станках с ЧПУ — это стандарт. Но интереснее другое — использование центробежных сил для создания биметаллических отливок. Сначала заливается один сплав, формируется внутренний слой, потом, не останавливая вращения, заливается второй — для внешнего рабочего слоя. Технологически очень сложно, но для некоторых экстремальных условий (сочетание, скажем, коррозии и абразивного износа) это может быть единственным решением. Мы пока на стадии экспериментов с такими вещами.

Еще одно направление — более точное компьютерное моделирование процесса. Не просто гидродинамика растекания расплава, а моделирование затвердевания с учетом миграции различных фаз под действием центробежных сил. Это позволило бы сильно сократить количество дорогостоящих пробных отливок. Пока же многое держится на опыте и интуиции мастера, который чувствует металл.

В итоге, возвращаясь к началу: отливок центробежным литьем — это далеко не только трубы. Это целый класс возможностей для получения материалов с направленной структурой и заданным распределением свойств. Метод капризный, требующий глубокого понимания и металургии, и процессов литья, но когда он срабатывает, результат оправдывает все сложности. Особенно в нашей нише — создании решений, которые должны работать там, где обычные материалы быстро сдаются. Именно для таких задач, как те, что решает Шэнчэнь, предоставляя решения для транспортировки абразивных и горячих материалов по всему миру, такие технологии и оказываются востребованными. Не массово, но точечно и очень эффективно.