Литье крупных рабочих колес (обычно с внешним диаметром около 500 мм или представляющих собой крупные тонкостенные конструкции со сложными каналами для потока) является сложной задачей в литейной промышленности из-за их сложной структуры, неравномерной толщины стенок и чрезвычайно высоких требований к точности каналов для потока и качеству поверхности. Выбор наиболее распространенного технологического процесса и последующий контроль дефектов являются ключевыми факторами, определяющими успех или неудачу.
1. Выбор основных процессов литья.
В зависимости от используемых материалов и требований к точности, для изготовления больших листовых лопастных колес обычно применяются следующие три процесса:
Литье по выплавляемым моделям (метод восковых выплавляемых моделей): это основной процесс для изготовления рабочих колес из нержавеющей и легированной стали. Он позволяет воспроизводить сложные поверхности лопаток с высокой точностью размеров (CT4-CT6) и подходит для сложных рабочих колес малого и среднего размера. Однако для сверхбольших размеров (например, до 1 метра) восковые формы подвержены деформации, что затрудняет контроль прочности корпуса.
Литье в песчаные формы из смолы: подходит для крупных литых стальных и чугунных рабочих колес (например, рабочих колес вентиляторов электростанций диаметром в несколько метров). Низкая стоимость и высокая адаптивность, но поверхность отливки шероховатая, а точность размеров каналов несколько ниже, что потребует значительного времени на полировку в будущем.
Композитное литье (литье по выплавляемым моделям + песчаная форма): Для рабочих колес больших размеров со сложными лопастями обычно используют оболочки литьевых моделей для изготовления деталей лопастей и песчаные формы для ступицы и спиц, которые затем соединяются и заливаются. Это позволяет сбалансировать точность лопастей с реализацией крупномасштабных конструкций.
Литье под низким давлением/гравитационным методом: широко используется для изготовления крупных рабочих колес из алюминиевых и медных сплавов, обеспечивает гладкое заполнение и хороший эффект усадки, что позволяет эффективно снизить пористость.
2. Основные трудности процесса и меры по их преодолению
Наиболее проблемными аспектами литья больших листовых колес являются неполное заполнение, усадочная пористость и растрескивание при высоких температурах.
Система наполнения и разлива: Большие лопасти импеллера тонкие, канал потока узкий, и расплавленный металл склонен к преждевременному охлаждению, что приводит к недостаточному наливу. Для обеспечения плавного подъема расплавленного металла обычно используются нижний, щелевой или круговой налив; для импеллеров из тонкостенной нержавеющей стали иногда необходимо повысить температуру разлива и увеличить скорость разлива.
Контроль усадки и затвердевания: место соединения лопатки и ступицы (горячая точка) подвержено усадке и рыхлению. Процесс будет оптимизирован путем размещения стояков (открытых/темных) и холодного чугуна, а также с использованием компьютерного численного моделирования (CAE) для обеспечения направленного затвердевания отливки последовательности "bottom-up", гарантируя при этом пополнение жидкого металла на месте.
Предотвращение деформации и трещин: Крупногабаритные тонкостенные детали подвергаются неравномерному охлаждению и высоким напряжениям, что легко может привести к деформации в виде коробления или трещин. Помимо оптимизации литейной структуры (во избежание резких изменений толщины стенок), для формования часто используется холоднокатаный чугун, а также выбирается формовочный песок с хорошей текучестью; для деталей из нержавеющей стали необходимо уделять внимание скорости охлаждения, чтобы предотвратить образование трещин из-за осаждения хрупких фаз.
3. Распространенные дефекты и меры профилактики
Пористая структура: Из-за наличия газа в формовочном песке, плохого отвода газов или присутствия газа в расплавленном металле необходимо контролировать влажность формовочного песка, увеличить выходной патрубок для газа и установить фильтрующую сетку. Для важных компонентов может использоваться вакуумное литье или вакуумная дегазационная плавка.
Шлаковые включения/песчаные ямы: шлаковые включения, возникающие в результате отслаивания от системы заливки или окисления расплавленного металла. Необходимо усилить очистку полости формы, использовать огнестойкие фильтры, обеспечить герметичность системы заливки и гарантировать достаточное время отстаивания расплавленного металла.
Трещины: Горячие трещины часто возникают из-за затрудненной усадки. Необходимо оптимизировать положение стояка, чтобы избежать вытягивания, контролировать содержание серы и фосфора и обеспечить достаточную отдачу формы.
Перед отливкой современных больших листовых колес обычно используются такие программы, как ProCAST и AnyCasting, для моделирования процессов заполнения и затвердевания.