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作者：鄭曉敏    

冷卻器蓋鑄件選用錳黃銅，材質(zhì)為ZCuZn38Mn2Pb2，M n為減少金屬a相的元素，對(duì)黃銅有固溶強(qiáng)化作用，相比普通黃銅提高了硬度、強(qiáng)度和耐磨性能，尤其是具有良好的抗大氣腐蝕性能、對(duì)海水等的耐蝕性以及良好的切削性能[3-4] 。在冷卻器蓋鑄件的凝固過程中，由于凝固收縮，在鑄件熱節(jié)處形成集中的縮孔，嚴(yán)重影響鑄件的品質(zhì)。鑄件主要問題是在水壓試驗(yàn)中出現(xiàn)滲漏。本課題通過掃描電鏡分析冷卻器蓋鑄件的鑄造缺陷，針對(duì)缺陷產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)措施，優(yōu)化鑄造工藝。采用ProCAST軟件對(duì)冷卻器蓋鑄件的充型過程和凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并預(yù)測(cè)可能存在縮松、縮孔的位置[5~7]。根據(jù)模擬結(jié)果完善工藝方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，改進(jìn)后的工藝方案可避免鑄件縮孔缺陷的產(chǎn)生。

1  試驗(yàn)材料及鑄件缺陷分析

1.1試驗(yàn)材料及熔煉

    采用樹脂自硬砂型。型砂配料為75～150目原砂、樹脂、固化劑（相應(yīng)的配比為100：1.1：0. 37）。澆注前型腔內(nèi)均勻涂上透氣性強(qiáng)的鋯基涂料，在400℃下進(jìn)行烘干，并在4h內(nèi)進(jìn)行澆注[8]。采用50 kg中頻感應(yīng)爐內(nèi)襯石墨坩堝進(jìn)行熔煉。原材料采用99. 99%電解Cu、純Zn錠、純P b錠、純Al錠以及Cu- 30 M n中間合金，采用木炭作為覆蓋劑。熔煉過程為：預(yù)熱坩堝、原材料->電解銅->木炭覆蓋->磷銅脫氧->Cu-30Mn中間合金->-Al->Zn->P b->攪拌撈渣->出爐；熔化完成后要控制出爐溫度在1 100℃左右，保證澆注溫度為980℃，熔煉過程中盡量縮短熔煉時(shí)間，防止金屬液氧化吸氣[9] 。在鑄造過程中應(yīng)注意以下操作要點(diǎn)：采用低溫加Zn，高溫扒渣，以減少熔煉損耗。由于銅金屬液氧化傾向大，澆注系統(tǒng)采用水平分型底注開放式，金屬液流動(dòng)遠(yuǎn)端設(shè)有冒口。

1.2鑄件缺陷及分析

    冷卻器蓋材質(zhì)為ZCuZn38Mn2Pb2，加工后組裝需做水壓試驗(yàn)：試驗(yàn)壓力為o．5 M Pa，保壓30 min不得滲漏；鑄件不得補(bǔ)焊，內(nèi)外表面應(yīng)光潔。生產(chǎn)的鑄件在水壓試驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)滲漏。雖然在前期準(zhǔn)備工作中采用了預(yù)熱烘干、加強(qiáng)排氣等措施，但滲漏鑄件的數(shù)量沒有減少。為了找出鑄件滲漏的原因，對(duì)鑄件滲漏部位進(jìn)行了取樣，制成金相試樣，并利用掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行分析。

    圖1為原澆注系統(tǒng)及出現(xiàn)滲漏的位置�？梢钥闯�，滲漏部位位于冷卻器蓋鑄件厚大熱節(jié)處，導(dǎo)致無法達(dá)到水壓試驗(yàn)性能要求，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。圖2為滲漏位置的宏觀缺陷，可以看出，缺陷表面參差不齊，內(nèi)表面粗糙并帶有氧化色。通過掃描電鏡觀察缺陷內(nèi)部形貌可以看出，缺陷內(nèi)部表面凹凸不平、多帶棱角，見圖3。

    在滲漏區(qū)選擇缺陷點(diǎn)（點(diǎn)1和點(diǎn)2）及非滲漏區(qū)正常點(diǎn)（點(diǎn)3）進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，見圖4。從圖4可以看出，缺陷點(diǎn)1、2成分有輕微偏析，并含有少量氧化物，而正常點(diǎn)3幾乎不含氧，成分符合要求。通過觀察缺陷內(nèi)部形貌及能譜分析可以推斷，在凝固過程中，金屬液產(chǎn)生少量氧化夾渣，以及熔體不能完全補(bǔ)縮而產(chǎn)生的縮孔是導(dǎo)致鑄造缺陷的主要原因。

  2  鑄造工藝方案的數(shù)值模擬及分析

  2.1  冷卻器蓋的工藝優(yōu)化方案

    由缺陷分析判斷產(chǎn)生氧化夾渣及縮孔的原因可能是熔煉速度過慢、覆蓋劑不夠致密使金屬液氧化；澆注溫度過低；澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，冒口補(bǔ)縮作用不強(qiáng)，不利于順序凝固。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，遵循熱分布合理、對(duì)合金定向凝固有利的原則進(jìn)行澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用澆冒一體的頂注式澆注系統(tǒng)，見圖5。保證澆冒口處金屬液最后凝固，有利于順序凝固和補(bǔ)縮。

2.2  冷卻器蓋的數(shù)值模擬及分析

2. 2.1  充型過程的流場(chǎng)分析

    圖6為兩種工藝方案下金屬液充型過程中的流場(chǎng)分布。可以看出，原工藝方案金屬液充型液面上升不穩(wěn)定，可能會(huì)出現(xiàn)卷氣或沖砂現(xiàn)象，形成氣孔或夾渣缺陷。鑄件遠(yuǎn)端冒口中的金屬液最早進(jìn)入型腔，溫度較低，不利于補(bǔ)縮，影響鑄件質(zhì)量。新工藝方案中金屬液依靠澆口處的靜壓力，在短時(shí)間內(nèi)將型腔充滿，充型穩(wěn)定，金屬液由鑄型底部向四周環(huán)形引入，平穩(wěn)上升，直至充滿整個(gè)鑄型和澆冒口，減少了卷氣和沖砂。同時(shí)鑄件上部澆冒口處金屬液最后進(jìn)入型腔，溫度較高，有利于金屬液補(bǔ)縮。

2.2.2凝固過程的溫度場(chǎng)分析

    圖7為兩種工藝方案下鑄件在凝固階段的溫度場(chǎng)分布。可以看出，新工藝方案中鑄件溫度由外殼及薄壁處向內(nèi)部逐漸降低，澆冒口處金屬液形成環(huán)形補(bǔ)縮通道，同時(shí)鑄件的熱節(jié)處出現(xiàn)孤立的高溫液相區(qū)。在隨后的凝固過程中，這些孤立的高溫液相區(qū)可能被周圍先凝固的區(qū)域包圍，以致其在凝固時(shí)可能因?yàn)闊o法補(bǔ)縮完全而產(chǎn)生縮松或縮孔等鑄造缺陷，見圖7a。相比原工藝方案，新工藝方案溫度分布更均勻，更符合順序凝固要求。

2.2.3凝固過程的固相率分析

    圖8為兩種工藝方案下鑄件在凝固過程中的固相率分布。可以看出，原工藝方案中，在凝固過程中鑄件熱節(jié)處產(chǎn)生大量的孤立液相區(qū)，這些液相區(qū)在隨后的凝固過程中會(huì)因得不到金屬液的補(bǔ)縮而產(chǎn)生不同程度的縮松、縮孔缺陷。新工藝方案中，鑄件自下而上順序凝固，凝固更均衡。在鑄件凝固過程中，遠(yuǎn)端厚大熱節(jié)處及澆冒口區(qū)域出現(xiàn)孤立的高溫液相區(qū)，這些孤立的高溫液相區(qū)可能被周圍先凝固的區(qū)域包圍，以致其在凝固時(shí)可能因?yàn)闊o法補(bǔ)縮完全而產(chǎn)生縮松或縮孔等鑄造缺陷，而鑄件上部的澆冒口處金屬液最后凝固，對(duì)孤立液相區(qū)起到補(bǔ)縮作用，可消除這些孤立液相區(qū)，見圖8b。

2.2.4缺陷預(yù)測(cè)

    圖9為兩種工藝方案下鑄件在凝固過程中的縮松、縮孔傾向預(yù)測(cè)圖�？梢钥闯�，原工藝方案中鑄件的熱節(jié)處存在大量縮松、縮孔傾向，冷卻器出水管道的根部及鑄件與澆道接口處出現(xiàn)縮松、縮孔傾向正是鑄件滲漏區(qū)，實(shí)際鑄件情況與模擬結(jié)果基本一致。新工藝方案 中，在澆冒口中心偏下的位置及薄壁熱節(jié)處存在少量縮孔縮松傾向，而澆冒口將在后期切除，此處縮松、縮孔傾向?qū)﹁T件基本沒有影響。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，新工藝方案鑄件在熱節(jié)處存在較小程度的縮松、縮孔傾向，應(yīng)進(jìn)一步完善工藝，以消除縮松、縮孔傾向。

  3  鑄造工藝優(yōu)化及模擬

    根據(jù)技術(shù)要求，鑄件中不能有縮松、縮孔缺陷。原工藝方案生產(chǎn)鑄件中分布著大量的縮松、縮孔缺陷，根據(jù)兩種工藝方案的數(shù)值模擬對(duì)比結(jié)果分析，采用新工藝方案進(jìn)一步完善工藝。具體措施如下：①預(yù)熱溫度提升至200℃，加快熔煉速度，減少金屬液氧化損耗；②覆蓋劑改用致密性較好的鱗狀石墨，防止金屬液與外界接觸，減少金屬液氧化吸氣；③提高出爐和澆注溫度，采用1 000℃澆注；④在砂型上型的鑄件熱節(jié)及厚大處上方設(shè)暗出氣孔。改進(jìn)工藝措施后利用ProCAST進(jìn)行模擬后的鑄件缺陷預(yù)測(cè)情況見圖10。由圖10可以看出，改進(jìn)工藝后鑄件本體中無縮松、縮孔傾向，縮孔集中在澆冒口部位，對(duì)鑄件質(zhì)量基本沒有影響。圖11為根據(jù)改進(jìn)后的新工藝方案實(shí)際生產(chǎn)出的鑄件。經(jīng)質(zhì)量檢測(cè)表明鑄件基本符合技術(shù)要求和性能標(biāo)準(zhǔn)，消除了縮孔缺陷，冷卻器蓋的滲漏問題基本得到解決。

4  結(jié)  論

    (1)冷卻器蓋鑄件產(chǎn)生鑄造缺陷的主要原因是金屬液在凝固過程中產(chǎn)生少量氧化夾渣，以及熔體不能完全補(bǔ)縮，產(chǎn)生縮孔缺陷，從而導(dǎo)致滲漏。

    (2)通過完善熔煉工藝、加快熔煉速度、控制澆注 溫度、優(yōu)化澆注系統(tǒng)，確定新工藝方案。新工藝中頂注式澆冒一體澆注系統(tǒng)使鑄件凝固過程中金屬液熱分布均勻合理，充型平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)了順序凝固，澆冒口在鑄件內(nèi)部形成環(huán)形補(bǔ)縮且補(bǔ)縮完全。

(3)根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果一致，表明新工藝方案可避免縮孔缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

5摘要在銅合金冷卻器蓋生產(chǎn)過程中，主要問題是鑄造缺陷導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，無法滿足質(zhì)量要求。通過掃描電觀察冷卻器蓋鑄件鑄造缺陷的宏觀及微觀形貌，檢測(cè)其化學(xué)成分，探討其產(chǎn)生缺陷的原因。結(jié)果表明，金屬液產(chǎn)生少數(shù)化夾渣，以及鑄件不能完全補(bǔ)縮而產(chǎn)生的縮孔是導(dǎo)致鑄造缺陷的主要原因。通過加快熔煉速度、控制澆注溫度、優(yōu)化澆工藝，可避免縮孔缺陷產(chǎn)生，提高鑄件的質(zhì)量。采用ProCAST模擬軟件對(duì)新工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果致，鑄件滲漏缺陷問題得到解決。