ZCuSn10P1澆鑄工藝

1、錫青銅ZCuSn10P1澆鑄工藝表1 ZQSn10-1的化學(xué)成分，（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）合金牌號(hào)錫磷銅ZQSn10-19-11.5余量1.熔煉工藝原材料和輔料都要進(jìn)行除銹、去油、烘干處理，加入前預(yù)熱至380。首先在電爐底部加入木炭，加入量為覆蓋住銅液為準(zhǔn)，通電預(yù)熱15min，然后加入純銅，通電熔煉，銅液升溫至11001200時(shí)，加入合金量的1.4%磷銅進(jìn)行預(yù)脫氧，然后加錫，最后加入合金量5.6%的磷銅進(jìn)行終脫氧，靜止35分鐘，扒渣后合金液出爐澆鑄。1.1鑄型準(zhǔn)備首先，在金屬型內(nèi)工作表面噴上一層涂料，可防止高溫金屬液對(duì)金屬型的直接沖擊和熱沖擊，減少型腔的內(nèi)應(yīng)力，涂料還可防止鑄管和型壁發(fā)生熔焊，從而有

2、效地延長(zhǎng)了金屬型的使用壽命。本試驗(yàn)涂料成分為：氧化鋅30%，水玻璃5%，熱水65%。 將涂料按比例分別稱好，將水玻璃溶解到高于60 的熱水中，把氧化鋅倒入水中攪拌均勻。將金屬模進(jìn)行預(yù)熱380左右，進(jìn)行涂料的噴覆，涂料使用氣體壓縮機(jī)進(jìn)行涂覆。涂料涂覆后，再將模具加熱至380保溫2小時(shí)，去除涂料中的水分。1.2澆鑄鑄件通過計(jì)算確定鑄型轉(zhuǎn)速，采用變頻器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)好變頻器頻率后，開機(jī)準(zhǔn)備澆鑄。合金的出爐溫度控制在1150，澆注溫度控制在960980，本實(shí)驗(yàn)中鑄件的質(zhì)量小，合金液的質(zhì)量少，因此采用大的澆注速度，澆注速度控制在35s。澆注后立即采用水冷，在鑄件顏色變?yōu)榘导t色時(shí)，即可停止轉(zhuǎn)動(dòng)，取出

3、鑄件。2離心鑄造工藝優(yōu)化方案2. 1鑄型轉(zhuǎn)速的確定鑄型轉(zhuǎn)速的確定主要應(yīng)考慮如下幾個(gè)方面的問題：保證液體金屬進(jìn)入鑄型后，能迅速充滿成型；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；防止產(chǎn)生偏析、裂紋等缺陷3。為了獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件必須嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)速。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式5，鑄型的轉(zhuǎn)速n值為： （1）式（1）中： n鑄型的轉(zhuǎn)速（r/min）；合金比重（g/cm3）；R鑄件內(nèi)徑（cm）；調(diào)整系數(shù)，在1.21.5經(jīng)計(jì)算得出n=1510r/min，此時(shí)取8.9 g/cm3；R 取2cm；為1.35。為了避免轉(zhuǎn)速太高會(huì)引起錫青銅的反偏析以及會(huì)產(chǎn)生重皮6，轉(zhuǎn)速應(yīng)在滿足要求的情況下盡量小。在計(jì)算結(jié)果151

4、0r/min以下取三個(gè)不同轉(zhuǎn)速1300 r/min，1400r/min，1500r/min進(jìn)行了試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)將測(cè)出鑄件的壁厚以及空心部分的深度。2.2 過濾網(wǎng)的選擇良好的澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件質(zhì)量有很大的影響，它不僅影響澆注速度的快慢，其預(yù)熱溫度也直接影響到鑄件的質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)采用石墨澆口杯做為澆注系統(tǒng)，石墨澆口杯的使用避免了涂料的噴涂以及合金液的粘掛。但是由于覆蓋、精煉過程中的合金液中存在大量的渣，本試驗(yàn)采用過濾網(wǎng)嵌到石墨澆口杯的上邊，在澆注過程中對(duì)合金液進(jìn)行過濾，過濾網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為1.5mm×1.5mm，并分別對(duì)使用和未使用過濾網(wǎng)的鑄件進(jìn)行表面質(zhì)量、金相等進(jìn)行對(duì)比分析。2.3 水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冷

5、卻速度對(duì)鑄件組織以及性能有很大的影響，為此設(shè)計(jì)了水冷系統(tǒng)。圖1為水冷系統(tǒng)的示意圖。水冷系統(tǒng)由水管接金屬噴水管，由于實(shí)驗(yàn)鑄型較長(zhǎng)，為使鑄件上下均勻冷卻，在豎直的金屬管上均勻的鉆上小孔，小孔要均勻，在澆鑄完畢后，打開水閥，水均勻的澆在鑄型上面，達(dá)到均勻冷卻的效果。1324為了確定冷卻系統(tǒng)的必要性，本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)水冷及未水冷鑄件的金相、硬度（布氏硬度）和拉伸性能進(jìn)行對(duì)比分析。1 鑄型 2 帶小孔的金屬管 3進(jìn)水口 4 法蘭盤圖1 水冷系統(tǒng)示意圖3組織性能分析方法3.1金相組織觀察金相組織采用OLYMPUS JX71-6230光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。3.2硬度測(cè)量在鑄件的底部截取10mm厚度的試樣，在距外表

6、面分別為1mm、4mm、8mm處取三點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試。硬度測(cè)試使用的儀器為573型布氏硬度測(cè)試機(jī)。由于試樣為有色金屬，選用壓頭直徑D為10mm，載荷P為250kgf，載荷保持時(shí)間為30s。3.3拉伸性能測(cè)試?yán)鞙y(cè)試使用的是Instron 1186 萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，分別測(cè)得試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率。拉伸試樣尺寸如圖2所示。拉伸試樣從鑄件本體取樣，取樣位置如圖3。陰影部分為拉伸試樣取樣區(qū)域，由外到內(nèi)分別取三個(gè)試樣。圖2 拉伸試樣尺寸結(jié)構(gòu)示意圖圖3拉伸試樣取樣示意圖4. 試驗(yàn)結(jié)果及分析4.1 轉(zhuǎn)速對(duì)鑄件成形性的影響表2為轉(zhuǎn)速與鑄件壁厚以及空心部分深度關(guān)系的測(cè)量結(jié)果，可見： 轉(zhuǎn)速為1300 r/min時(shí)鑄

7、件的壁厚只有5mm、內(nèi)徑22mm、深度124mm，無法加工出外徑32mm，毛坯內(nèi)徑為20mm，毛坯總長(zhǎng)為180mm的鑄件；1400 r/min時(shí)壁厚為8mm，內(nèi)徑為16mm，深度為156mm，可以加工成滿足要求的鑄件；1500 r/min時(shí)壁厚為10mm，內(nèi)徑為12mm，深度為184mm，可以加工成合格的鑄件。同時(shí)我們?yōu)榉乐硅T件產(chǎn)生反偏析缺陷，在獲得滿足要求的鑄件的前提下應(yīng)該盡量降低轉(zhuǎn)速，因此確定轉(zhuǎn)速為1400 r/min。表2 轉(zhuǎn)速與鑄件壁厚和深度的關(guān)系轉(zhuǎn)速 r/min壁厚（mm）內(nèi)徑（mm）深度（mm）13005221241400816156150010121844.2 過濾網(wǎng)對(duì)鑄件表面質(zhì)

8、量的影響圖4為未使用過濾網(wǎng)及使用過濾網(wǎng)澆鑄鑄件宏觀對(duì)比圖，可見：澆注時(shí)使用過濾網(wǎng)的鑄件表面質(zhì)量較好，沒有明顯的氣孔和夾渣缺陷，而未使用過濾網(wǎng)鑄件表面存在大量氣孔和夾渣缺陷，經(jīng)測(cè)量，個(gè)別氣孔的深度達(dá)到2mm，嚴(yán)重影響了鑄件表面質(zhì)量，對(duì)鑄件的加工及使用造成了極大的影響。其主要原因是，一方面使用過濾網(wǎng)的金屬液里面含有的雜質(zhì)少，不容易產(chǎn)生夾渣缺陷；另一方面，在澆注過程中，氣體進(jìn)入合金液的主要載體是夾渣，澆注時(shí)，夾渣進(jìn)入鑄件的同時(shí)伴隨著氣體混入，導(dǎo)致未采用過濾網(wǎng)澆鑄的鑄件表面氣孔增多。而過濾后的合金液由于夾渣的去除大大降低了氣體含量，所以采用過濾網(wǎng)的鑄件表面氣孔顯著減少，提高了表面質(zhì)量。ba 圖4未使用

9、過濾網(wǎng)與使用過濾網(wǎng)后鑄件宏觀圖(a) 無過濾網(wǎng)條件下成形的鑄件 (b)采用濾網(wǎng)條件下成形的鑄件4.3 水冷對(duì)鑄件組織的影響圖5為未水冷與水冷條件下得到的漲圈的顯微組織照片，試樣均取自鑄件的最外層。從圖4可見，離心澆鑄未水冷得到漲圈的顯微組織中枝晶尺寸較粗大，枝晶十分發(fā)達(dá)，而且大小不均勻，在大的枝狀晶間空隙較大，鑄件內(nèi)部沒有很好的補(bǔ)縮，存在有很多的縮松。而水冷鑄件的枝晶尺寸較細(xì)小，而且比較均勻，無縮松的存在。a)b)圖5 水冷與未水冷組織效果圖（a）未水冷鑄件的組織圖 （b）水冷后鑄件的組織圖液態(tài)金屬在水冷條件下凝固時(shí)，冷卻速度快，有利于晶粒細(xì)化，因而得到晶粒細(xì)小的顯微組織；而不采用水冷時(shí)，液態(tài)

10、金屬凝固時(shí)熱量散失得很慢，金屬結(jié)晶速度慢，靠近型壁的合金液結(jié)晶相對(duì)較快，內(nèi)部晶粒有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大，同時(shí)還限制了周圍枝晶的長(zhǎng)大，因此枝晶尺寸較大而且大小很不均勻。因此，液態(tài)金屬在凝固時(shí)要使用水冷系統(tǒng)，加快冷卻速度，才能得到細(xì)小的晶粒，從而獲得所需的組織和性能。產(chǎn)生縮松的主要原因?yàn)閆QSn10-1錫青銅的結(jié)晶范圍寬，趨于同時(shí)凝固方式，凝固區(qū)域很大，合金液流動(dòng)性差，補(bǔ)縮困難，當(dāng)液態(tài)金屬注入離心機(jī)金屬型內(nèi)時(shí)，靠近金屬型內(nèi)壁的液態(tài)金屬很快凝固先形成一層強(qiáng)度較低的薄殼，當(dāng)液態(tài)金屬充型完畢在金屬型內(nèi)冷卻凝固時(shí)，（錫溶于銅中的固溶體）枝晶首先形成并快速生長(zhǎng)，把正處在凝固過程中的液態(tài)金屬分割成許多彌散孤立的液態(tài)

11、區(qū)域，冷卻收縮時(shí)先凝固的枝晶阻塞了補(bǔ)縮通道，由于冷卻是從鑄件外部向中心發(fā)展，中心部位的液態(tài)金屬向冷卻快的外部補(bǔ)縮，使鑄件中心部位因得不到足夠的液態(tài)金屬補(bǔ)給而形成分散的顯微縮松即疏松缺陷7。4.4 水冷對(duì)鑄件硬度的影響圖6為水冷及未水冷鑄件的硬度分布圖，橫坐標(biāo)為測(cè)試點(diǎn)到鑄件外表面的距離，可見：水冷與未水冷鑄件的硬度隨著壁厚的增加都有所下降，但水冷鑄件硬度隨著壁厚的增加而降低的幅度小，下降幅度僅為HB7，說明水冷使鑄件硬度趨于均勻分布；未水冷鑄件的硬度下降幅度較大，鑄件硬度由HB111下降到HB93.9，下降幅度為HB16.1；同一位置取樣，經(jīng)水冷的鑄件硬度都比沒有水冷鑄件的硬度大幅度提高，其中距

12、離鑄件外表面8mm處最為明顯，水冷后硬度為HB119，未水冷鑄件硬度僅為HB93.9，提高了HB27.1。圖6 不同冷卻效果鑄件的硬度結(jié)果離心鑄造澆鑄出來的合金外層的硬度大于內(nèi)層的硬度，主要原因首先是離心力作用的大小差異。離心力越大使鑄造合金的晶粒尺寸越小，硬度越高8；其次，由于采用水冷系統(tǒng)，鑄件外層要比鑄件內(nèi)層的水冷速度快，使得外層的晶粒比內(nèi)層的細(xì)小，因此外層硬度要高些。然而沒有進(jìn)行水冷的鑄件，雖然外層凝固速度相對(duì)較快，但是由于冷卻速度慢，組織長(zhǎng)大的可能性仍然很大，進(jìn)而造成組織粗大，使鑄件的硬度下降。同時(shí)該合金的凝固方式為糊狀凝固，由外向內(nèi)逐步凝固，最終鑄件內(nèi)側(cè)凝固得不到好的補(bǔ)縮，因此在鑄件

13、最后凝固的內(nèi)層容易形成縮松及縮孔等缺陷，致使鑄件的內(nèi)部硬度下降幅度較大。此外由于內(nèi)部合金液同空氣接觸的時(shí)間長(zhǎng)，鑄件內(nèi)部氣體不易排出，極易吸氣，鑄件的內(nèi)側(cè)還會(huì)有氣孔產(chǎn)生，造成鑄件硬度的下降。4.5 水冷對(duì)鑄件抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響圖7為不同冷卻效果鑄件拉伸性能曲線，橫坐標(biāo)為拉伸試樣取樣點(diǎn)距外表面的距離?？梢钥闯觯航?jīng)水冷與不經(jīng)水冷的鑄件的抗拉強(qiáng)度及延伸率都隨著鑄件壁厚的增加而降低，水冷后鑄件抗拉強(qiáng)度和延伸率下降趨勢(shì)較為平緩，抗拉強(qiáng)度下降幅度為21 N/mm2，延伸率下降幅度為2.3%，而未水冷的鑄件抗拉強(qiáng)度及延伸率下降幅度較大，抗拉強(qiáng)度由340N/mm2下降到304 N/mm2，下降幅度為36 N

14、/mm2，延伸率由5%下降到2%，下降幅度為3%；在同一位置取樣，經(jīng)水冷的鑄件的抗拉強(qiáng)度和延伸率都比沒有水冷的鑄件大幅度提高，其中距離鑄件外表面8mm處最為明顯，水冷后抗拉強(qiáng)度為359 N/mm2，未水冷鑄件抗拉強(qiáng)度僅為304 N/mm2，提高了45 N/mm2，延伸率提高了13.4%。形成這個(gè)趨勢(shì)的原因主要有：鑄件成形時(shí)，外層金屬的冷卻速度比內(nèi)層金屬冷卻速度快，因而外側(cè)晶粒更細(xì)小，因而鑄件外層拉伸性能與延伸率好于內(nèi)層金屬；其次，金屬液在離心力作用下旋轉(zhuǎn)成型時(shí)，鑄件外側(cè)受到的離心力較大，使外側(cè)組織比內(nèi)側(cè)組織致密，而金屬液中的雜質(zhì)由于密度較小、質(zhì)量較輕，會(huì)停留在鑄件的內(nèi)側(cè)，因而金屬管狀鑄件靠近中心部位的力學(xué)性能要比鑄件的外表面差9；最后，不經(jīng)水冷的鑄件晶粒極易長(zhǎng)大，而且鑄件內(nèi)部容易形成縮松、縮孔，嚴(yán)重影響了鑄件的拉伸性能及延伸率。圖7 不同冷卻效果鑄件的拉伸性能結(jié)果結(jié)論： 1)合金的澆注溫度應(yīng)在980-1100左右，模