張繼宏

摘 要：對銅閥門中的黃銅熱鍛工藝和青銅覆膜砂工藝的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析和解說。

關(guān)鍵詞：Cu、Zn、Pb三元合金；α+β雙相；脆性區(qū)溫度；覆膜砂

銅閥門多用在小口徑管道，由于其外觀美觀、工藝性佳、衛(wèi)生性能好，特別適合于常溫低壓的環(huán)境的管路。其始于八十年代初，開始改變了國內(nèi)長期使用鑄鐵閥門的歷史，在制造工藝上最初采用砂鑄成型工藝，后期改為鍛造工藝。隨著時代發(fā)展，銅閥門越來越應(yīng)用廣泛，在建筑給水、石油、化工、船舶、水電、醫(yī)療、燃?xì)獾雀餍懈鳂I(yè)。

現(xiàn)在小規(guī)格的黃銅閥門多采用熱鍛工藝，由于采用精密模具封閉式鍛造，其產(chǎn)品外觀簡潔、尺寸穩(wěn)定、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，已經(jīng)大部分替代了早期的砂鑄工藝。國內(nèi)的銅閥門材料多采用低鉛易切削黃銅，牌號如HPb59-1、HPb58-2、CW602N、DZR等，其材料溫擠流動性好，非常適合于熱鍛，成型后切削性能佳，切削銅沫為不連續(xù)狀，表面光潔，采用寶石級刀具車削，其平面的粗糙度可達(dá)到Ra0.8以上。

HPb59-1鉛黃銅是一種Cu、Zn、Pb三元合金，其含鉛量在0.8～1.9%，鉛在銅鋅合金中的固溶量是極微小的，一般在0.1%以下，鉛多以游離狀態(tài)分布于合金中，造成了基體金屬的不連續(xù)性，所以切削性能佳。HPb59-1是α+β雙相銅合金，α單相黃銅具有良好的塑性，能承受冷熱加工，但α單相黃銅在鍛造等熱加工時易出現(xiàn)中溫脆性，β相為體心立方晶格的電子化合物，從β相的結(jié)構(gòu)來看，是屬于原子堆垛較松散的體心立方點(diǎn)陣，中溫下的β相有極好的塑性，且β相愈多，合金的塑性就愈好，對變形就愈有利。

研究表明，β相的數(shù)量與銅含量有關(guān)。例如HPb59-1銅含量57～60%，β相在α相中所占比例為45-70%，CW602N銅含量61～63%，β相在α相中所占比例為8-12%。如果加熱溫度持續(xù)升高，此時界遷移速度很快，β晶粒迅速長大變得粗大，使合金塑性降低，鍛造中反而容易開裂、起皮。上述材料的鍛造溫度：如HPb59-1，在680oC～720oC之間合適，而CW602N由于含銅量高，溫度一般在700oC～750oC之間。

鉛黃銅有一個脆性區(qū)溫度在250～650℃之間，期間塑性顯著降低，很容易鍛造開裂，其原因是合金中有鉛、鉍等雜質(zhì)存在，它們在α固溶體中的溶解度極小，與銅形成Cu-Pb和Cu-Bi低熔點(diǎn)的共晶體，呈網(wǎng)狀分布于α固溶體的晶界上，從而削弱了α晶粒之間的聯(lián)系，當(dāng)加熱到600℃以上時，發(fā)生α向α+β轉(zhuǎn)變，鉛和鉍溶于β固溶體中，于是塑性提高。銅合金的α+β雙相區(qū)的塑性比α單相區(qū)的塑性高，因此，鍛造變形主要在α+β雙相區(qū)的溫度范圍進(jìn)行。

黃銅存在脫鋅腐蝕現(xiàn)象，如何抑制脫鋅腐蝕是提高產(chǎn)品壽命非常重要的問題，抗脫鋅的鉛黃銅有CW602N、DZR、CZ132等牌號。常規(guī)的做法是在熔煉中添加砷，砷含量經(jīng)大量研究結(jié)果表明0.02%～0.12%的砷就能有效地抑制黃銅的脫鋅，過量的砷反而會增加黃銅應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性。

熱鍛模具模框結(jié)構(gòu)可分為開模（HALF模）、平模（蓋頭模）、彈簧模、鐘罩模等，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀如開模又可分為方模和圓模，其設(shè)備一般選為曲柄壓力機(jī)，噸位的選擇如下公式：

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計算溫?zé)釘D變形力P：

P=1.1*KF

式中： K—系數(shù)， 根據(jù)閥門形狀給出（直通： 4.5～5；直角： 4.7～5.8；三通： 5～6.5； 四通： 5.5～7）或由解析法求出，kN/cm；

F—鍛件投影面積（包括飛邊面積） ，cm。

注：選擇時， 計算鍛造力應(yīng)小于或等于設(shè)備公稱力的85%為好。

黃銅的熱處理有再結(jié)晶退火和去應(yīng)力退火兩種，再結(jié)晶退火目的是消除加工硬化，恢復(fù)塑性和獲得細(xì)晶粒組織，再結(jié)晶退火選擇在550～650℃之間。去應(yīng)力退火目的是由于黃銅冷熱擠壓變形后，應(yīng)力腐蝕破裂傾向很嚴(yán)重，為消除變形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，防止自裂而采取的熱處理措施，去應(yīng)力退火溫度一般在350℃左右。

青銅閥門常用錫青銅牌號ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuSn10Pb1等，錫青銅在大氣、海水、淡水和蒸汽中十分耐蝕，由于含銅量一般在80%以上，且富含有錫、鉛等元素，所以不能采用鍛造工藝，只能采用鑄造成型。錫青銅的凝固范圍大，枝晶偏析嚴(yán)重，鑄錠中易出現(xiàn)錫的逆偏析，嚴(yán)重時鑄錠表面可見到白色斑點(diǎn)，一般稱為錫汗，改進(jìn)鑄造方法和工藝條件可減輕逆偏析程度。錫青銅鑄造后表面形成致密的氧化膜，所以表面硬度很高，HV550以上，但表面層去除后，其內(nèi)部由于含銅量高，硬度在HV80～110，且材質(zhì)疏松。

鑄造首先是砂型的制造，采用覆膜砂的工藝，分為冷砂和熱砂成型，冷砂一般作為砂芯，熱砂作為砂型。冷砂采用石英砂和鑄造樹脂混制，加入冷芯盒射芯盒內(nèi)，射砂壓力調(diào)定為0.3～0.6MPa，射砂時間2.5～6秒，并吹三乙胺，使得砂芯硬化，低壓（0.1～0.2MPa）吹三乙胺1～3秒，再高壓0.4～0.7MPa）吹三乙胺4～8秒，后吹空氣15～25秒，后取出砂芯。熱砂成型，將覆膜砂加入射芯機(jī)內(nèi)，射砂壓力調(diào)定為0.3～0.6MPa，芯盒加熱到220℃～270℃，射砂時間1～2.5秒，硬化時間根據(jù)砂芯截面大小而定，小砂芯25s，中砂芯50s，大砂芯110s，后取出砂芯。

熔煉時，檢查確認(rèn)爐內(nèi)無無裂紋或局部壁厚過薄等缺陷，爐料、工具必須充分預(yù)熱干燥。熔煉應(yīng)在弱氧化性氣氛中（覆蓋焦炭）進(jìn)行，防止熔煉過程中吸進(jìn)氧氣和氫氣而產(chǎn)生針孔和氣孔。熔煉過程中金屬按比例嚴(yán)格稱量投料，連續(xù)掏實(shí)，直至完全熔化，為凈化金屬，可將0.2%磷銅脫氧，脫氧反應(yīng)要求充分，扒渣干凈并及時合上爐蓋，不然脫氧產(chǎn)物容易污染銅液，凝固后會產(chǎn)生氣孔和夾渣。

青銅在熔煉中會脫鋅，應(yīng)補(bǔ)鋅，在全部爐料熔化后升溫至900～1050℃下加鋅，溫度過低加鋅會產(chǎn)生氧化鋅白煙，使得熔融狀態(tài)的塊料被其包圍而無法熔化，而過高溫度加鋅，則容易引起合金激烈沸騰和飛濺。加熱至1100±25℃后，把青銅液引入砂模（砂芯+砂型），成形為鑄件，澆冒口應(yīng)全部用銅水澆滿，澆注時候澆包高度不得超過澆包口24mm，澆鑄前需取樣并進(jìn)行光譜分析化驗(yàn)成份。鑄件經(jīng)去除飛邊及拋丸清理后才完成一個銅閥門毛坯工序。

銅閥門的成型工藝很多，上述只是典型的二種，隨著社會進(jìn)步，相信會有更多改革和創(chuàng)新包括更加精確控制工藝參數(shù)、提高效率的方式來發(fā)展閥門產(chǎn)業(yè)。