ZCuSn10P1澆鑄工藝

2023年12月29日發(作者：二月蘭季羨林)

錫青銅ZCuSn10P1澆鑄工藝

表1 ZQSn10-1的化學成分，（質量百分數，%）

合金牌號

ZQSn10-1

錫

9-11.5

磷

0.5-1.0

銅

余量

1.熔煉工藝

原材料和輔料都要進行除銹、去油、烘干處理，加入前預熱至380℃。首先在電爐底部加入木炭，加入量為覆蓋住銅液為準，通電預熱15min，然后加入純銅，通電熔煉，銅液升溫至1100~1200℃時，加入合金量的1.4%磷銅進行預脫氧，然后加錫，最后加入合金量5.6%的磷銅進行終脫氧，靜止3~5分鐘，扒渣后合金液出爐澆鑄。

1.1鑄型準備

首先，在金屬型內工作表面噴上一層涂料，可防止高溫金屬液對金屬型的直接沖擊和熱沖擊，減少型腔的內應力，涂料還可防止鑄管和型壁發生熔焊，從而有效地延長了金屬型的使用壽命。本試驗涂料成分為：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。將金屬模進行預熱380℃左右，進行涂料的噴覆，涂料使用氣體壓縮機進行涂覆。涂料涂覆后，再將模具加熱至380℃保溫2小時，去除涂料中的水分。

1.2澆鑄鑄件

通過計算確定鑄型轉速，采用變頻器對轉速進行控制，調節好變頻器頻率后，開機準備澆鑄。合金的出爐溫度控制在1150℃，澆注溫度控制在960℃~980℃，本實驗中鑄件的質量小，合金液的質量少，因此采用大的澆注速度，澆注速度控制在3~5s。澆注后立即采用水冷，在鑄件顏色變為暗紅色時，即可停止轉動，取出鑄件。

2離心鑄造工藝優化方案

2. 1鑄型轉速的確定

鑄型轉速的確定主要應考慮如下幾個方面的問題：保證液體金屬進入鑄型后，能迅速充滿成型；保證獲得良好的鑄件內部質量，避免出現縮孔、縮松、夾雜和氣孔等；防止產生偏析、裂紋等缺陷[3]。

為了獲得優質的鑄件必須嚴格控制轉速。根據經驗公式[5]，鑄型的轉速n值為：

n?5520?? （1）

?R式（1）中： n——鑄型的轉速（r/min）；γ——合金比重（g/cm3）；R——鑄件內徑（cm）；

β——調整系數，在1.2～1.5

經計算得出n=1510r/min，此時γ取8.9 g/cm3；R 取2cm；β為1.35。

為了避免轉速太高會引起錫青銅的反偏析以及會產生重皮[6]，轉速應在滿足要求的情況下盡量小。在計算結果1510r/min以下取三個不同轉速1300 r/min，1400r/min，1500r/min進行了試驗。實驗將測出鑄件的壁厚以及空心部分的深度。

2.2 過濾網的選擇

良好的澆注系統對鑄件質量有很大的影響，它不僅影響澆注速度的快慢，其預熱溫度也直接影響到鑄件的質量。本實驗采用石墨澆口杯做為澆注系統，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，本試驗采用過濾網嵌到石墨澆口杯的上邊，在澆注過程中對合金液進行過濾，過濾網網孔尺寸為1.5mm×1.5mm，并分別對使用和未使用過濾網的鑄件進行表面質量、金相等進行對比分析。

2.3 水冷系統的設計

冷卻速度對鑄件組織以及性能有很大的影響，為此設計了水冷系統。圖1為水冷系統的示意圖。

水冷系統由水管接金屬噴水管，由于實驗鑄型較長，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，達到均勻冷卻的效果。

為了確定冷卻系統的必要性，本實驗通過對水冷及未水冷鑄件的金相、硬度（布氏硬度）和拉伸性能進行對比分析。

1 鑄型 2 帶小孔的金屬管 3進水口 4 法蘭盤

圖1 水冷系統示意圖

1

2

3

4

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光學顯微鏡進行觀察。

3.2硬度測量

在鑄件的底部截取10mm厚度的試樣，在距外表面分別為1mm、4mm、8mm處取三點進行硬度測試。硬度測試使用的儀器為573型布氏硬度測試機。由于試樣為有色金屬，選用壓頭直徑D為10mm，載荷P為250kgf，載荷保持時間為30s。

3.3拉伸性能測試

拉伸測試使用的是Instron 1186 萬能拉伸試驗機，分別測得試樣的抗拉強度和延伸率。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域，由外到內分別取三個試樣。

圖2 拉伸試樣尺寸結構示意圖

圖3拉伸試樣取樣示意圖

4. 試驗結果及分析

4.1 轉速對鑄件成形性的影響

表2為轉速與鑄件壁厚以及空心部分深度關系的測量結果，可見： 轉速為1300 r/min時鑄件的壁厚只有5mm、內徑22mm、深度124mm，無法加工出外徑32mm，毛坯內徑為20mm，毛坯總長為180mm的鑄件；1400 r/min時壁厚為8mm，內徑為16mm，深度為156mm，可以加工成滿足要求的鑄件；1500 r/min時壁厚為10mm，內徑為12mm，深度為184mm，可以加工成合格的鑄件。同時我們為防止鑄件產生反偏

析缺陷，在獲得滿足要求的鑄件的前提下應該盡量降低轉速，因此確定轉速為1400 r/min。

表2 轉速與鑄件壁厚和深度的關系

轉速 r/min

1300

1400

1500

壁厚（mm）

5

8

10

內徑（mm）

22

16

12

深度（mm）

124

156

184

4.2 過濾網對鑄件表面質量的影響

圖4為未使用過濾網及使用過濾網澆鑄鑄件宏觀對比圖，可見：澆注時使用過濾網的鑄件表面質量較好，沒有明顯的氣孔和夾渣缺陷，而未使用過濾網鑄件表面存在大量氣孔和夾渣缺陷，經測量，個別氣孔的深度達到2mm，嚴重影響了鑄件表面質量，對鑄件的加工及使用造成了極大的影響。其主要原因是，一方面使用過濾網的金屬液里面含有的雜質少，不容易產生夾渣缺陷；另一方面，在澆注過程中，氣體進入合金液的主要載體是夾渣，澆注時，夾渣進入鑄件的同時伴隨著氣體混入，導致未采用過濾網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，所以采用過濾網的鑄件表面氣孔顯著減少，提高了表面質量。

a

b

圖4未使用過濾網與使用過濾網后鑄件宏觀圖

(a) 無過濾網條件下成形的鑄件 (b)采用濾網條件下成形的鑄件

4.3 水冷對鑄件組織的影響

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，枝晶十分發達，而且大小不均勻，在大的枝狀晶間空隙較大，鑄件內部沒有很好的補縮，存在有很多的縮松。而水冷鑄件的枝晶尺寸較細小，而且比較均勻，無縮松的存在。

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

液態金屬在水冷條件下凝固時，冷卻速度快，有利于晶粒細化，因而得到晶粒細小的顯微組織；而不采用水冷時，液態金屬凝固時熱量散失得很慢，金屬結晶速度慢，靠近型壁的合金液結晶相對較快，內部晶粒有足夠的時間長大，同時還限制了周圍枝晶的長大，因此枝晶尺寸較大而且大小很不均勻。因此，液態金屬在凝固時要使用水冷系統，加快冷卻速度，才能得到細小的晶粒，從而獲得所需的組織和性能。

產生縮松的主要原因為ZQSn10-1錫青銅的結晶范圍寬，趨于同時凝固方式，凝固區域很大，合金液流動性差，補縮困難，當液態金屬注入離心機金屬型內時，靠近金屬型內壁的液態金屬很快凝固先形成一層強度較低的薄殼，當液態金屬充型完畢在金屬型內冷卻凝固時，?（錫溶于銅中的固溶體）枝晶首先形a)

b)

成并快速生長，把正處在凝固過程中的液態金屬分割成許多彌散孤立的液態區域，冷卻收縮時先凝固的枝晶阻塞了補縮通道，由于冷卻是從鑄件外部向中心發展，中心部位的液態金屬向冷卻快的外部補縮，使鑄件中心部位因得不到足夠的液態金屬補給而形成分散的顯微縮松即疏松缺陷[7]。

4.4 水冷對鑄件硬度的影響

圖6為水冷及未水冷鑄件的硬度分布圖，橫坐標為測試點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。

148150100

水冷未水冷硬度(HB)400

距離(mm)圖6 不同冷卻效果鑄件的硬度結果

離心鑄造澆鑄出來的合金外層的硬度大于內層的硬度，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，鑄件外層要比鑄件內層的水冷速度快，使得外層的晶粒比內層的細小，因此外層硬度要高些。然而沒有進行水冷的鑄件，雖然外層凝固速度相對較快，但是由于冷卻速度慢，組織長大的可能性仍然很大，進而造成組織粗大，使鑄件的硬度下降。同時該合金的凝固方式為糊狀凝固，由外向內逐步凝固，最終鑄件內側凝固得不到好的補縮，因此在鑄件最后凝固的內層容易形成縮松及縮孔等缺陷，致使鑄件的內部硬度下降幅度較大。此外由于內部合金液同空氣接觸的時間長，鑄件內部氣體不易排出，極易吸氣，鑄件的內側還會有氣孔產生，造成鑄件硬度的下降。

4.5 水冷對鑄件抗拉強度和延伸率的影響

圖7為不同冷卻效果鑄件拉伸性能曲線，橫坐標為拉伸試樣取樣點距外表面的距離。可以看出：經水冷與不經水冷的鑄件的抗拉強度及延伸率都隨著鑄件壁厚的增加而降低，水冷后鑄件抗拉強度和延伸率下降趨勢較為平緩，抗拉強度下降幅度為21 N/mm2，延伸率下降幅度為2.3%，而未水冷的鑄件抗拉強度及延伸率下降幅度較大，抗拉強度由340N/mm2下降到304 N/mm2，下降幅度為36 N/mm2，延伸率由5%下降到2%，下降幅度為3%；在同一位置取樣，經水冷的鑄件的抗拉強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，水冷后抗拉強度為359 N/mm2，未水冷鑄件抗拉強度僅為304 N/mm2，提高了45 N/mm2，延伸率提高了13.4%。

形成這個趨勢的原因主要有：鑄件成形時，外層金屬的冷卻速度比內層金屬冷卻速度快，因而外側晶粒更細小，因而鑄件外層拉伸性能與延伸率好于內層金屬；其次，金屬液在離心力作用下旋轉成型時，鑄件外側受到的離心力較大，使外側組織比內側組織致密，而金屬液中的雜質由于密度較小、質量較輕，會停留在鑄件的內側，因而金屬管狀鑄件靠近中心部位的力學性能要比鑄件的外表面差[9]；最后，不經水冷的鑄件晶粒極易長大，而且鑄件內部容易形成縮松、縮孔，嚴重影響了鑄件的拉伸性能及延伸率。

水冷

未水冷2420

水冷

未水冷抗拉強度（N/mm2)

。

380360延伸率(%)161284

340320300

148148距離(mm)距離(mm)

圖7 不同冷卻效果鑄件的拉伸性能結果

結論：

1)．合金的澆注溫度應在980-1100℃左右，模具預熱溫度為380℃，模具的使用溫度為40-80℃，石墨澆口杯的預熱溫度為600℃，立式離心鑄造錫青銅ZQSn10-1鑄件轉速應在1400r/min左右。

2)．過濾網的使用能明顯減少鑄件的表面氣孔及夾渣的產生，顯著提高鑄件的表面質量。

3)．水冷能明顯細化鑄件的組織，減少縮松缺陷的產生，并能大幅度提高鑄件硬度，使鑄件內外層硬度趨于均勻。水冷顯著改善鑄件的抗拉強度和延伸率，經水冷鑄件抗拉強度提高了45N/mm2，延伸率提高了13.4%，并使鑄件內外層性能趨于均勻。