锡青铜铸件离心铸造的缺陷分析及预防措施

1、锡青铜铸件离心铸造的缺陷分析及预防措施苏义祥1 , 门志慧1 , 张子龙2 , 王维东2(11 甘肃工业大学合金材料总厂 , 甘肃兰州 730050 ; 21 甘肃白银供电局 , 甘肃白银 730900)摘要 : 叙述了锡青铜铸件离心铸造过程中的熔炼工艺控制要点以及反复出现的疏松 、热裂纹 、偏析 ( 锡汗) 、内壁凹 坑 、喇叭口等缺陷的主要原因 , 并提出预防措施 。关键词 : 锡青铜铸件 ; 离心铸造 ; 缺陷 ; 预防措施 ; 铸造工艺中图分类号 : T G24914 ; T G291文献标识码 : B文章编号 : 100124977 (2003) 1221189203Analysi

2、s and Co unt e rme a sure of Def e ct s of Tin Bro nze Ca stingin Ce ntrifugal Ca sting Pro c e s sSU Yi2xia ng1 , MEN Zhi2hui1 , ZHAN G Zi2lo ng2 , WAN G Wei2do ng2(11Allo y Mat e rial Wo rks , Ga nsu Unive r sity of Te chnolo gy , L a nzho u 730050 , Ga nsu , China ;21 Ga nsu Baiyin Supply Ele ctr

3、ic Dep a rtme nt , Baiyin 730900 , Ga nsu , China)铸造锡青铜是机械工业中常用的耐磨防腐材料 ,具有很好的干磨擦性能 , 称之为耐磨 “铜合金”, 通 常用来加工轴套 、轴瓦 、轴承 、齿轮 、蜗轮 、导板等 耐磨零件 。由于锡青铜的结晶温度范围很宽 , 铸件有糊状凝固特性 , 容易在铸件内部产生组织疏松 、晶粒粗大 、致密性差 、渗漏 、偏析 、热裂纹 、内壁凹坑 、 喇叭口等缺陷 , 从而降低材料的耐压性能 , 使铸件在 较大压力情况下发生渗漏现象 , 并 且 材 料 的 力 学 性能 、耐磨性能和耐腐蚀性能直线下降 。离心铸造虽能获得较致密

4、的铸件 , 但影响离心铸造的因素很多 , 若 控制不当就会反复产生某些很难防止的缺陷 , 必须采 取行之有效的工艺措施才能防止这些缺陷的产生 。本文根据多年的生产经验 , 介绍离心铸造锡青铜铸件时防止铸件产生缺陷的工艺措施 。炉料必须去油除锈保持干净 , 在电炉底部加入木炭或者自制覆盖剂 , 加入量以能 覆 盖 住 铜 液 表 面 为 宜 , 通电预热 1015 min , 然后一次性加入 95 %的电 解铜 (预留 5 %的电解铜待熔炼后期调节铜液温度) 通电熔炼 , 当铜液温度升至 11501200 时 , 用 2/ 3 磷铜 (加入总量占铜液总重量的 014 % 016 %) 合 金预脱

5、氧 , 此时用石墨棒或者涂有石墨涂料的铁棒搅 拌铜液 , 之后依次加入经过预热 ( 200 左右) 的纯锌板 、纯铅板和纯锡锭 , 充分搅拌后升温至 1250 左右 , 加入剩余的 1/ 3 磷铜合金进行终脱氧和精练处 理 , 此时静止 35 min 使合金液充分返渣 (这一过程 不可缺少) 。212 炉前检验炉前检验的方法很简单 , 但非常重要而有效 , 千 万不 可 省 略 。熔 炼 好 的 合 金 液 先 浇 注 含 气 量 试 样( 50 30 mm ×50 mm 倒圆台砂型试样或金属型试 样) , 用木板刮去试样表面的氧化皮 , 看其表面的变 化情况 , 若试样表面下凹 、

6、底部有轻微撕裂 , 表明脱 氧除气彻底 , 合金 液 合 格 ; 若 试 样 表 面 平 整 或 者 凸 起 , 表明脱氧除气不好 , 合金液不合格 , 必须重新加 入适量的磷铜脱氧除气或者清渣 。用脱氧除气合格后1 生产条件111铸造设备015t 单项电弧炉 ,215 15 k W 卧式离心机和立式离心机 , 镍铬2镍硅和铂铑2铂直插式测温仪和金属型表面测温仪 。112工艺方法金属型离心铸造 , 金属型2覆砂离心铸造 ,为 801100 ×120800 mm 金属型 。113原材料1 号 ( 99195 %Cu) 电解铜 , 1 号 ( 99190 % Sn) 纯 锡 锭 ,2 号

7、 ( 99196 % Zn) 纯 锌 板 , 3 号 ( 99198 Pb %) 纯 铅 锭 ,8 %12 %磷铜合金 ,木炭或自制覆盖剂 。2 铸造工艺过程控制要点211熔炼过程规格的合金液浇注弯角试样R 10 mm ×120 mm 的半圆长条型) , 试样冷却至 300 左右时 ( 试样表面刚变(黑) 淬火 , 然后敲断试样看其断口宏观组织 , 合格的断口平整呈土灰色 , 组织细密 , 无偏析和夹渣 , 折断 弯角在 30°75°之间 , 表明材料的力学性能合格 , 可 以浇注铸件 。若折断弯角过大可适量加入合金化元素( Sn 、P 等) 以提高合金的强度 ;

8、 若折断弯角过小可 适量补加电解铜或纯锌以提高合金的韧性 。若断口晶收稿日期 : 2003208207 。作者简介 : 苏义祥 ( 1956 - ) 男 , 甘肃兰州人 , 高级工程师 , 从事铸造合金材料研究及生产 。电话 : 093122757394Vol152 No112·1190 ·De c . 2003FOUNDRY粒粗大并略带有砖红色 , 表明脱氧不彻底 , 应补加磷系 。(表 3 数据仅供参考)铜彻底脱氧后重新进行炉前检验 ,件 。213浇注过程合格后才能浇注铸表 3铸件浇注完毕后离心机继续转动时间合金牌号铸件壁厚/ mm持续转动时间/ min30> 3

9、02348ZCuSn5 Zn5 Pb5浇注前在离心机金属型内刷上涂料 (氧化锌和滑石粉各半 , 外加 1 % 3 %松香调匀) 防止粘型 , 然 后将金属型预热至 300 350 后再缓慢冷却到工作温度 4080 准备浇注 。这时先使离心机转动平稳 ,采用先快后慢 、先大后小的浇注 方 式 比 较 快 速 的 浇 注 , 浇注温度根据合金牌号的不同而有所变化 , 应控制在 11001200 。若采用金属型2覆砂离心铸造工 艺 , 覆砂层应彻底烘干 , 浇注温度比金属型低 30 50 , 控制在 1050 1100 。若是浇 注 含 磷 较 高 的ZCuSn10 P1 合 金 材 料 时 , 浇

10、 注 温 度 更 应 严 格 控 制 在960980 , 否则铸件会产生严重偏析而报废 。表 1为常用锡青铜的铸件壁厚与离心浇注温度之间的对应 关系 , 表 2 为锡青铜铸件内径与离心机转速之间的对 应关系 。(表中数据为经验数据 , 仅供参考) 。表 1 浇注温度30> 3024410ZCuSn6 Zn6 Pb330> 3034415ZCuSn10 P13034ZCuSn10 Zn2 > 30 412 3 缺陷分析及预防措施311 疏松缺陷31111 产生原因由于锡青铜结晶温度范围很宽 , 趋于同时凝固方 式 , 凝固区域很大 , 合金液流动性差 , 补缩困难 , 当液态金

11、属注入离心机金属型内时 , 靠近金属型内壁的液态金属很快凝固先形成一层强度较低的薄壳 , 当液 态金属充型完毕在金属型内冷却凝固时 , ( 锡溶于铜中的固溶体) 枝晶首先形成并快速生长 , 把正处在凝固过程中的液态金属分割成许多弥散孤立的液态区 域 , 冷却 收 缩 时 先 凝 固 的 枝 晶 阻 塞 了 补 缩 通 道1,由于冷却是从铸件外部向中心发展 , 中心部位的液态 金属向冷却快的外部补缩 , 使铸件中心部位因得不到足够的液态金属补给而形成分散的显微缩松即疏松缺 陷 ; 铸件热节过于集中 ( 例如带法兰盘的套) 、金属型预热温度过高 、浇注温度过高 、浇注位置不合理也 是铸件产生疏松缺

12、陷的重要原因 。疏松缺陷的出现降低了锡青铜铸件的致密性和力学性能以及零件的耐磨性能和耐腐蚀能力 。31112预防措施 根据锡青铜本身的特性和离心铸件疏松缺陷产生的原因 , 采用离心浇注铸件时首先要严格控制浇注温 度 (见表 1) 和金属型的工作温度 (保持在 4080 范围之内) , 温度过高或过低都不利于形成致密的铸件 ; 其次是在保证力学性能的情况下 , 配料时尽量使 锡含量取下限 , 锌含量取上限 , 以降低锡当量 , 稍微调节合金的结晶温度范围和凝固方式 , 遏制疏松缺陷 的产生而有利于形成致密的铸件 ; 也可加入占铜液重量 013 %015 %的脱水硼砂 ( 现脱水现使用) , 微量

13、的硼元素能细化合金晶粒 , 获得较细小的等轴晶 ; 此 外 , 尽可能减少铸件外圆面的机械加工余量 , 加大铸件内孔的机械加工余量 , 使铸件疏松部位外移 。当采用金属型2覆砂离心铸造时 , 将覆砂套打结实并彻底 烘干 , 适当降低浇注温度 , 大流量快速浇注铸件 , 浇道与离心机转动顺向形成约 30°夹角 , 让金属液流自 然流下防止飞溅 ; 尽量分散铸件浇道部位的热量 , 采 用活动式浇道 , 减少由于局部过热而产生疏松缺陷 。合金牌号铸件壁厚/ mm浇注温度/ 30> 301160118011001150ZCuSn5 Zn5 Pb53011601200ZCuSn6 Zn6

14、 Pb3 > 30 11001160 30970990ZCuSn10 P1 > 30 960980 30> 301030108010001050ZCuSn10 Zn2表 2 离心机转速离心机转速/ ( r·min21)合金牌号铸件内径/ mm8030030060060090090012001350800800600600400400250ZCuSn5 Zn5 Pb58030030060060090090012001250750750500500350350200ZCuSn10 P1铸件浇注完毕后不能立刻停机 ,应继续转动离心机 , 转动时间依据铸件的壁厚而定 。根据

15、生产经验 ,锡青铜铸件浇注完毕后离心机继续转动时间与铸件壁 厚的关系的经验公式为 :t = ·式中t 持续转动时间 , 铸件壁厚 , mmmin 因数 , = 01150120金属型离心铸造时 取下限 , 金属型2覆砂离心 铸造时取上限 ; 铸件壁厚 < 20 mm 时 取上限 , 铸件壁厚 > 30 mm 时取下限 。表 3 为常用锡青铜的铸 件浇注完毕后离心机继续转动时间与铸件壁 厚 的 关铸造苏义祥等 : 锡青铜铸件离心铸造的缺陷分析及预防措施·1191 ·312热裂纹缺陷31211产生原因 锡青铜在凝固过程中树枝状晶体生长很快 ,铸件内壁凹坑缺

16、陷主要是铸件的结构不合理或者工艺方法不当造成的 , 多产生于卧式离心机铸造带法 兰盘的套类锡青铜铸件 , 往往在法兰盘的热节处或者 浇道处产生 。离心机金属型预热温度太高而不均匀 ; 浇注温度过高 ; 金属型2覆砂离心铸造时 , 砂套过厚 ,透气性差 , 冷却速度过慢等都会产生铸件内壁凹坑缺 陷 。31412 预防措施离心机金属型预热要均匀 , 工作温度严格控制在40 80 之间 ; 浇注温度按表 2 选取下限 ; 金属型2覆砂离心铸造时 , 砂套不能太厚 , 应在金属型上钻孔 加大透气性 ; 尽量采用金属型离心铸造 , 以便加快冷 却速度 , 生产致密合格的铸件 。315 喇叭口缺陷3151

17、1产生原因 立式离心机铸造 直 径 比 较 小 而 高 的 锡 青 铜 铸 件时 , 由于受液态金属重力和离心力的影响 , 靠近铸件 下部的部分加厚并逐渐向上减薄 , 形成上口大下口小的倒喇叭口形状 。另外铸件壁比较厚 、浇注温度比较 高 、离心机转速不合适 、金属型预热温度过高等因素 都会产生喇叭口缺陷 。31512预防措施 对于直径比较小而高的套类锡青铜铸件尽量采用过早形成骨架 , 靠近金属型内壁的液态金属过早开始固态收缩 , 并形成薄壳 , 这层过早形成的薄壳的高温强度 很低 , 不能抵抗铸件凝固收缩时的拉应力而形成微观热裂纹留在铸件内部 。其次是机械热裂纹 , 即铸件凝固后缓慢冷却过程

18、中由于过早用锤头等工具敲打震动 金属型促使铸件脱型而产生的裂纹缺陷 。金属型预热 温度不均匀 、离心机转动不稳定 、浇注过程中有颤抖现象 、铸件浇注完毕后过早停止离心机转动等 ,易使铸件产生热裂纹缺陷 。31212预防措施都容加入微量硼元素 适 当 调 节 锡 青 铜 的 结 晶 温 度 范围 ; 降低锡当量 ; 适量增加磷铜加入量 , 以便充分脱 氧和净化液态合金 , 提高合金液 的 流 动 性 和 补 缩 能力 ; 降低浇注温度 ; 锡青铜铸件在暗红色 ( 550 左右) 时性能特别脆 , 用锤头击打或者搬运震动铸件 , 很容易产生热裂纹缺陷 , 因此离心铸造锡青铜铸件不 能过早脱型 ,

19、必须在金属型内冷却至 300 以下 , 待铸件 完 全 发 黑 时 才 能 脱 型 ; 金 属 型 应 均 匀 预 热 至300 左右 后 , 再 缓 慢 冷 却 至 金 属 型 工 作 温 度 40 80 之间 ( 切 不 可 直 接 预 热 至 40 80 时 立 刻 浇 注) ; 调整离心机至匀速平稳转动 ; 浇注完毕后不能 过早停 机 , 离 心 机 继 续 转 动 的 时 间 应 按 经 验 公 式 t=·估算或按表 3 查取 。卧式而不采用立式离心铸造方法 ;度 (工艺卡头) 和机械加工余量 ;下限 ; 离心机转速按表 2 取上限 ;尽可能减小铸件高浇注温度按表 1 取

20、继续转动时间按表313偏析 ( 锡汗) 缺陷3 取上限 ; 金属型预热温度控制在 45 左右等 , 可使喇叭口缺陷降低到最小程度 。31311产生原因锡青 铜 铸 件 常 见 的 偏 析 为 反 偏 析 ,也 称 为 “锡结束语(1) 由于受锡青铜结晶温度范围宽 、流动性和 补缩能力差 、糊状凝固特性的影响 , 造成离心铸造中 反复出现的各种缺陷之间的关联性增强 , 铸造缺陷之 间的影响因素相互制约 , 绝非某个因素控制不当所造 成的 。其中 , 合金熔炼工艺 、金属型预热温度 、离心 机转速 、浇注温度 、铸件浇注完毕后离心机继续转动 时间等因素 , 都是造成锡青铜铸件离心铸造时产生缺 陷的主要原因 , 必须同时控