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船用承壓銅泵鑄件低壓鑄造技術(shù)研究

作者：管理員    發(fā)布于：2016-07-06 17:20:56    文字：【】【】【】

摘要：

　　銅泵類鑄件是艦船上應(yīng)用極為廣泛的一種水力機(jī)械，不僅要求有優(yōu)異的耐腐蝕性能，同時(shí)還要求具有良好的承壓能力。一次靜水壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)鑄件承壓能力的關(guān)鍵，重力鑄造承壓銅泵類鑄件的靜水壓試驗(yàn)合格率很低，其原因主要是因?yàn)殍T件中存在縮松、氣孔等缺陷。

　　目前國(guó)外低壓鑄造在銅合金上的應(yīng)用主要集中在小型銅合金鑄件上，如美國(guó)StarlineManufacturingCo.，Inc.、美國(guó)GlobleValve公司等采用金屬型低壓鑄造工藝生產(chǎn)管道接頭部件、水龍頭旋塞等銅鑄件，瑞士的KWC工程公司用金屬型低壓鑄造生產(chǎn)旋塞、水表、閥體等小型黃銅鑄件。在國(guó)內(nèi)，大連船用推進(jìn)器廠和蕪湖造船廠先后采用低壓鑄造成功生產(chǎn)出船用銅合金螺旋槳，國(guó)營(yíng)求新船廠用金屬型低壓鑄造鉬鐵青銅軸瓦，國(guó)營(yíng)西南高峰機(jī)械廠用砂型低壓鑄造生產(chǎn)硅黃銅曲柄箱，都取得了一定效果。

　　雖然國(guó)內(nèi)外都有廠家開始應(yīng)用低壓鑄造技術(shù)進(jìn)行銅合金鑄件研制和生產(chǎn)，但目前還沒有低壓鑄造技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)船用承壓銅合金鑄件的相關(guān)報(bào)道。本研究以承壓銅泵鑄件為研究對(duì)象，探討低壓鑄造技術(shù)在船用承壓銅泵鑄件中的應(yīng)用。

　　1銅泵鑄件結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求泵體和泵蓋的輪廓尺寸分別為402mmx 505mmx313mm、396mmx505mmx235mm，大部分壁厚1012mm，局部法蘭厚度30mm，局部熱節(jié)尺寸30mm34mm.該鑄件是船用組件，要求泵體和泵蓋一起作靜水壓試驗(yàn)，壓力為20MPa，持續(xù)時(shí)間15min不得有滲漏、冒汗等現(xiàn)象。因此對(duì)鑄件的內(nèi)部質(zhì)量要求極為嚴(yán)格，任何縮孔、縮松、夾渣等內(nèi)部缺陷都易使產(chǎn)品在耐壓力試驗(yàn)中出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

　　mi朵沐梟蓋幃|卞小2鑄造工藝設(shè)計(jì)21鑄造工藝方案選擇銅泵鑄件用材質(zhì)為硅黃銅ZCuZn16Si4，其固相線收稿曰期：2012-12-20收到初稿，2013-02-22收到修訂稿。

　　溫度為821C，液相線溫度為917c，結(jié)晶溫度范圍為96C，呈糊狀凝固方式，合金的密度為832g/cm3，鑄件線收縮率16%17%，鑄件內(nèi)部易形成技晶間分散型縮松。針對(duì)銅泵鑄件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)凝固特點(diǎn)，采用敞開式低壓鑄造工藝方案，即利用氣體壓力使液態(tài)金屬反重力方向平穩(wěn)充型，但凝固過(guò)程中無(wú)增壓補(bǔ)縮階段，只設(shè)置冒口對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。

　　22成分控制要求嚴(yán)格控制ZCuZn16Si4硅黃銅合金化學(xué)成分的波動(dòng)范圍，是保證鑄件符合力學(xué)性能和其他特性要求的關(guān)鍵之一�；瘜W(xué)成分的控制主要依據(jù)元素對(duì)合金性能的影響和銅泵鑄件的性能要求來(lái)確定，銅泵的具體成分要求如表1所示。

　　對(duì)ZCuZn16Si4硅黃銅合金而言，在硅黃銅合金中加入一定量的Si，對(duì)合金和鑄件會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

　　少量的Si會(huì)使低Zn的黃銅合金出現(xiàn)脆性y相（Cu5Si），使合金抗拉強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性降低；為保證塑性，Si的加入量應(yīng)小于4 5%，且Zn的含量也應(yīng)較低（一般小于17%），否則合金很脆。加入黃銅中的Si使鑄件表面形成一層致密的SiO2保護(hù)膜，顯著提高其在大氣和海水中的耐腐蝕性能。加Si的主要優(yōu)點(diǎn)還在于它能提高黃銅的鑄造性能：即降低液相線溫度（在20% Zn黃銅內(nèi)加入3 5%Si后，液相線從1 000C降至890C），縮小結(jié)晶范圍，故顯著提高了充型能力；因此，能夠降低鑄件的縮松傾向，提高鑄件的耐水壓性能。Sb、As、Sn、P是硅黃銅中有害雜質(zhì)，形成脆性化合物，分布在晶界上，顯著降低力學(xué)性能，并增加晶間縮松，降低氣密性。此外，對(duì)硅黃銅而言，F(xiàn)e可增加晶間縮松，A1會(huì)生成A12O3夾雜，Mn能明顯降低充型能力，影響合金的氣密性和力學(xué)性能，也應(yīng)加以限制。ZCuZn16Si4內(nèi)的Fe、Al、Sb、Sn、Pb、Mn雜質(zhì)總和應(yīng)控制在20%以內(nèi)。

　　23試驗(yàn)設(shè)備及工具研制承壓銅泵鑄件采用油爐或中頻爐、低壓鑄造設(shè)備以及相關(guān)輔助設(shè)備與工具。

　　24熔煉工藝銅泵用ZCuZn16Si4硅黃銅合金采用一次熔煉方法熔煉，工藝要點(diǎn)為：①加硅和陰極銅；②升溫熔化并表1鑄造銅合金化學(xué)成要求合金牌號(hào)雜質(zhì)總量余量過(guò)熱至1200C；③加回爐料和鋅；④升溫（1200-1 300C）沸騰12min；⑤爐前取樣和檢驗(yàn)（化學(xué)成分試樣、力學(xué)性能試樣、氣體含量檢驗(yàn)）；⑥撈渣，包內(nèi)調(diào)溫，在11301 25鑄造工藝設(shè)計(jì)根據(jù)泵體和泵蓋鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、合金凝固特性以及用戶技術(shù)要求設(shè)計(jì)了鑄造工藝，圖中泵體和泵蓋的內(nèi)腔和外表面部分冷鐵沒有顯示，激冷鑄型位于鑄件的內(nèi)外表面。如所示。

　　26低壓鑄造工藝2.6.1升液階段澆注溫度。根據(jù)合金液最佳澆注溫度范圍，確定澆注溫度為11301180C，鑄型溫度為室溫，升液管烘干溫度為850900°C.升液速度。中只給出薄壁砂型鑄件低壓鑄造升液速度范圍為510cm/s，沒有給出與銅合金有關(guān)的升液速度范圍參數(shù)。綜合考慮重力砂型鑄造中小型鑄銅件鑄型內(nèi)上升速度設(shè)計(jì)值、鑄件結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，并依照慢速流動(dòng)有利于減少金屬液二次氧化的原則，選擇鑄銅件升液速度為5cm/s.升液時(shí)間。根據(jù)所需的升液高度和升液速度計(jì)算，計(jì)算出升液時(shí)間。

　　升液壓力。升液壓力按下列公式計(jì)算。

　��；g為重力加速度，m/s2；為合金液面到內(nèi)澆口與鑄件接觸位置的高度，m. 2.6.2充型階段充型速度。因?yàn)楦叨确较蚪缑娼佑|擴(kuò)大，，充型速度較升液速度應(yīng)快些，但也要避免金屬液產(chǎn)生嚴(yán)重湍流，升液速度選擇方法，估算選擇充型速度充型時(shí)間。充型時(shí)間由充型高度和充型速度來(lái)計(jì)算得出。

　　充型壓力。充型壓力按下式計(jì)算。

　�。籶為合金液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h2為合金液面到鑄件頂面的高263保壓時(shí)間保壓時(shí)間由鑄件內(nèi)澆口凝固時(shí)間或鑄件需反重力方向補(bǔ)縮部位凝固時(shí)間決定。在工藝設(shè)計(jì)中，保壓時(shí)間由鑄件充型凝固過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果給出值。

　　264低壓鑄造工藝通過(guò)分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和計(jì)算各階段參數(shù)，所示。

　　27充型凝固過(guò)程數(shù)值模擬驗(yàn)證和工藝優(yōu)化充型凝固過(guò)程數(shù)值試驗(yàn)的目的是預(yù)測(cè)鑄件內(nèi)部是否產(chǎn)生卷氣、縮松、縮孔等缺陷，孩對(duì)和優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　-為銅泵鑄件鑄造工藝數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果。從泵體和泵蓋鑄件的充型過(guò)程模擬結(jié)果可以看出，充型過(guò)程是平穩(wěn)的，無(wú)湍流飛濺現(xiàn)象發(fā)生，工藝設(shè)計(jì)合理。

　　由于省略了部分低壓鑄造升液管，因此在金屬液入口速度的設(shè)置上不可能與實(shí)際情況芫全一致，計(jì)算充型時(shí)間可能小于實(shí)際充型時(shí)間，數(shù)值模擬中泵體和泵蓋芫成升液充型時(shí)間分別為20s和19.8s；從泵體和泵蓋鑄件的凝固過(guò)程模擬凝固時(shí)間場(chǎng)結(jié)果（、）可以看出，鑄件基本上是按照順序凝固的，但泵體鑄件存在個(gè)別熱節(jié)部分，這些部位容易出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，造型過(guò)程中應(yīng)在此處合理布置好表2低壓鑄造工藝參數(shù)澆注工藝參數(shù)鑄件名稱升液管溫度鑄型溫度合金溫度a最大升液壓升液時(shí)間最大充型壓力充型時(shí)間保壓壓力保壓時(shí)間泵體泵蓋圈（a）凝間時(shí)問大于I9.8s部分（b）凝同時(shí)間大于〖22.5s部分（c）凝鬧時(shí)間大干229 s部分低壓鑄造泵體鑄件凝罔過(guò)程模擬計(jì)艿結(jié)果低IK濤造泵蓋幬件充嗤過(guò)模擬計(jì)竹結(jié)果（a）凝W時(shí)問大于49，4s部分（b）凝間時(shí)間大丁148.2s部分閣7低m鑄造泵蓋鑄件凝間過(guò)程模擬計(jì)算結(jié)果冷鐵和其他激冷型材，防止縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生。

　　泵蓋凝固過(guò)程中沒有發(fā)現(xiàn)獨(dú)立的熱節(jié)部分，工藝設(shè)計(jì)合理。

　　28銅泵鑄件熱處理工藝對(duì)ZCuZn16Si4硅黃銅銅泵鑄件采用消除應(yīng)力熱處理，熱處理工藝如所示。

　　（C）凝間時(shí)問大于365AS部分3生產(chǎn)驗(yàn)證應(yīng)用優(yōu)化后的低壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)了8套銅泵鑄件，分別對(duì)鑄件進(jìn)行了化學(xué)分析、力學(xué)性能檢測(cè)、射線探傷以及靜水壓試驗(yàn)，結(jié)果表明此套技術(shù)能生產(chǎn)出滿足用戶要求的優(yōu)質(zhì)鑄件，產(chǎn)品合格率達(dá)到93.75%，可用于承壓銅泵類鑄件的生產(chǎn)。

　　31化學(xué)成分與力學(xué)性能承壓銅泵鑄件的化學(xué)成分和力學(xué)性能均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。詳見表3和表4. 32銅泵鑄件內(nèi)部質(zhì)量銅泵鑄件的內(nèi)部質(zhì)量按ASTME272驗(yàn)收，2級(jí)合格（包含2級(jí)）。對(duì)低壓鑄造研制出的8套承壓銅泵鑄件進(jìn)行100%的射線無(wú)損探傷，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表5.由表5中可見，生產(chǎn)的8套銅泵鑄件均未見3-5級(jí)缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量表3化學(xué)成分分析結(jié)果爐號(hào)鑄件編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)要求余量均符合驗(yàn)收要求。對(duì)不影響承壓內(nèi)腔和表面質(zhì)量的縮松表4力學(xué)性能試樣試驗(yàn)結(jié)果爐號(hào)狀態(tài)經(jīng)熱處理標(biāo)準(zhǔn)要求15 90缺陷不進(jìn)行補(bǔ)焊處理。銅泵鑄件的內(nèi)部質(zhì)量按astmE272驗(yàn)收，2級(jí)合格（包含2級(jí)）。

　　33銅泵鑄件靜水壓試驗(yàn)分別對(duì)8套泵體和泵蓋進(jìn)行壓力為20MPa，保壓15表5鑄件射線探傷結(jié)果工藝方法鑄件名稱鑄件編號(hào)縮松缺陷數(shù)量/處夾雜缺陷數(shù)量/處缺陷數(shù)量合計(jì)/處1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)5級(jí)1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)5級(jí)縮松夾雜泵體低壓鑄造泵蓋min的靜水壓試驗(yàn)，其中只有一套中單件產(chǎn)品靜水壓試驗(yàn)出現(xiàn)了滲漏問題。

　　4結(jié)論通過(guò)低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬優(yōu)化以及試驗(yàn)驗(yàn)證，形成了可用于生產(chǎn)船用承壓銅泵鑄件的低壓鑄造技術(shù)。

　　應(yīng)用此套技術(shù)成功地研制出船用承壓銅泵鑄件，與重力鑄造相比，低壓鑄造技術(shù)大大減少了鑄件內(nèi)部氣孔、氧化夾雜等鑄造缺陷產(chǎn)生的可能性，并提高了承壓銅泵鑄件的力學(xué)性能和成品率。

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