紫銅結(jié)晶器低壓鑄造缺陷原因分析與對(duì)策

夏 翔，高 芝，王俊龍，金 偉，謝世坤

(井岡山大學(xué)機(jī)電學(xué)院，343009，江西，吉安)

0 引言

如圖1為桶狀紫銅結(jié)晶器示意圖，頂部與圓形鋼板焊為一體。結(jié)晶器采用重力砂型鑄造，致密性差，易變形漏水，采用砂型低壓鑄造后，氣密性、防漏水和耐冷卻水壓力的能力均有所提高[1-2]，但在生產(chǎn)過(guò)程中如何防止缺陷的產(chǎn)生，對(duì)得到優(yōu)質(zhì)鑄件，提高鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本具有重要意義。鑄件質(zhì)量的好壞與材料的鑄造性能、升液管的形狀、鑄型工藝、各道工序的操作處理以及澆注工藝等因素有關(guān)。

本項(xiàng)目研究了紫銅結(jié)晶器砂型低壓鑄造生產(chǎn)中如何保證產(chǎn)品質(zhì)量，防止低壓鑄造后缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)一步提高鑄件氣密性、防漏能力和產(chǎn)品合格率，為低壓鑄造獲得品質(zhì)優(yōu)良的紫銅結(jié)晶器提供參考和技術(shù)支持，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有借鑒意義和指導(dǎo)價(jià)值。

圖1 桶狀紫銅結(jié)晶器

1 主要缺陷及防止

1.1 主要缺陷

1.1.1 氣孔 如果排氣速度大于充型速度則“反壓力”會(huì)產(chǎn)生在型腔中，迫使銅液以渦流狀態(tài)上升流動(dòng)，使得氣體來(lái)不及全部從型腔中排出，金屬液就包圍住余下的氣體而形成氣孔。一般情況下，氣孔會(huì)在鑄件澆注位置的頂部或排氣道旁邊出現(xiàn)，因此為了預(yù)防萬(wàn)一，可將一定的裕量加在鑄件的上部，即使出現(xiàn)氣孔缺陷，鑄件的氣密性仍能保持。防止措施：將充型速度進(jìn)行合理調(diào)控，范圍在70～80 mm/s，鑄型的排氣通道要布置開設(shè)合理，在鑄型的頂部和分型面上開設(shè)深0.5 mm，寬0.5～1 mm的排氣槽。

升液管氣密性差或焊接質(zhì)量不好也是產(chǎn)生氣孔的原因。若升液管受銅液嚴(yán)重侵蝕或升液管的焊接質(zhì)量不好，澆注時(shí)露出液面的升液管部分一旦發(fā)生漏氣，則銅液在進(jìn)入型腔時(shí)，氣體也會(huì)一同隨之進(jìn)入型腔。輕則在加工時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部有微型串狀氣孔，重則由于形成氣泡使鑄件無(wú)法成形。避免方法：對(duì)升液管的氣密性要嚴(yán)格要求，水壓試驗(yàn)用于所制做的升液管，壓力試驗(yàn)合格方可使用；多次反復(fù)使用的升液管，由于氣密性逐漸下降，所以多次使用前檢查氣密性都是很有必要，以免使用中出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，不要勉強(qiáng)使用腐蝕嚴(yán)重的升液管。

型芯如果透氣性差或內(nèi)部含有較多發(fā)氣性物質(zhì)則澆注時(shí)型芯遇熱后產(chǎn)生的氣體就會(huì)較多，加上鑄型的排氣是有限的從而也會(huì)形成氣孔。避免方法：型芯要烘干，最好使用時(shí)才出爐，使之保持一定溫度；制作型芯時(shí)要把通氣孔扎好，注意發(fā)氣性物質(zhì)不要混入其中，以減少產(chǎn)生氣孔的因素。

控制好適當(dāng)?shù)臐沧囟?，過(guò)低或過(guò)高都不好。澆注溫度太低時(shí)，則來(lái)不及排出金屬液中所卷入的氣體，則氣孔就容易產(chǎn)生于鑄件中。澆注溫度過(guò)高，冷卻后，鑄件的晶粒粗大，縮松易產(chǎn)生于鑄件中。

鑄件的外層邊緣更容易產(chǎn)生氣孔。邊緣氣孔(氣袋)產(chǎn)生的主要原因是：1)充型速度太快，會(huì)對(duì)型腔造成很大的沖擊，紊亂的銅液使型腔內(nèi)氣體來(lái)不及排除，而包在型腔內(nèi)所致；2)鑄型排氣不暢，型腔內(nèi)氣體來(lái)不及排除而造成極大反壓力形成氣袋，或以上兩者兼有，所以必須嚴(yán)格掌握充型工藝和搞好鑄型排氣[3]。內(nèi)表面的氣孔，特征是半圓形，內(nèi)部光亮，直徑2～4 mm。主要是由于型芯溫度太低或返潮，合型后鑄型的熱輻射使型芯表面的涂料產(chǎn)生少量蒸氣而小水珠得以形成，澆注時(shí)，由于溫度升高，小水珠轉(zhuǎn)化為蒸汽而形成小氣孔，因此澆注時(shí)要掌控型芯的溫度。

1.1.2 渣孔 通常稱為“夾雜”，在金屬充型時(shí)，由于升液管上的涂料、粘結(jié)物的脫落、坩堝上的熔渣、鑄型上的涂料脫落，以及砂芯上的砂塵等物會(huì)一起卷入型腔中從而使鑄件形成渣孔的缺陷。

氧化夾雜物是渣孔的主要來(lái)源。銅液在充型及澆注過(guò)程中產(chǎn)生氧化夾雜物是由于金屬液在充型流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生紊流、渦流，氧化膜往往被卷入銅液內(nèi)產(chǎn)生氧化夾雜。由于銅液充型時(shí)溫度快速下降，氧化夾雜物難以在凝固前聚集被排除掉而形成渣孔，常常出現(xiàn)在鑄件上表面或型芯下表面及死角處。

可采取以下辦法避免：采用合理的澆冒口系統(tǒng)及澆注工藝，澆注前要把升液管中的氧化渣扒除干凈，控制充型速度，保持銅液充型流動(dòng)平穩(wěn)；紫銅熔煉要嚴(yán)格執(zhí)行紫銅熔煉操作規(guī)則；鑄型水分含量要嚴(yán)格控制，采用涂料或加入煤粉等碳質(zhì)材料形成還原性氣氛以減少氧化夾雜物。

1.1.3 表面缺陷 一些細(xì)小的，很淺的麻點(diǎn)出現(xiàn)在鑄件表面稱為表面缺陷，此缺陷對(duì)鑄件影響不大，只是對(duì)鑄件表面光潔度和美觀度有影響。防止措施：將型芯烘烤透徹，鑄型的預(yù)熱溫度要嚴(yán)格控制。

與重力鑄造相同，當(dāng)澆注溫度過(guò)低以及鑄型預(yù)熱溫度過(guò)低時(shí)，液態(tài)金屬流動(dòng)性變差，冷隔缺陷就容易產(chǎn)生，甚至不能成形。此外由于本身鑄造特點(diǎn)不同，在低壓鑄造中經(jīng)常出現(xiàn)冰凍花紋和冷隔流痕。避免辦法：澆注溫度和鑄型溫度要合理掌控，鑄型排氣能力要提高，金屬液充型速度要合理控制。

1.1.4 表面氧化渣 鑄件表面和內(nèi)澆口兩側(cè)易出現(xiàn)氧化夾渣。根據(jù)鑄件氧化夾渣產(chǎn)生的原因可采取以下措施進(jìn)行避免：1)要將涂料徹底烘干；2)鑄型預(yù)熱溫度不能低于100 ℃；3)銅液充型開始時(shí)速度不能太快，否則會(huì)對(duì)型腔壁有較大沖擊力；4)升液管的上部要烘干，升液管中的氧化渣要扒除干凈。

1.1.5 澆不足 澆注時(shí)如果銅液溫度過(guò)低，則影響銅液流動(dòng)性，銅液未到型腔頂部就凝固，導(dǎo)致鑄件上部澆不足，甚至鑄件頂部一半不能充滿。此外，如果升液管溫度太低，則銅液上升時(shí)，溫度會(huì)急劇下降，因此澆注前應(yīng)將升液管加熱至見紅。另外澆注時(shí)如果鑄型溫度過(guò)低，銅液充型時(shí)溫度會(huì)急劇下降而喪失流動(dòng)性，為此必須嚴(yán)格控制鑄型溫度。

1.1.6 裂紋 裂紋主要產(chǎn)生于外層壁邊緣，裂紋位置不固定，呈縱向分布，不是因?yàn)槭湛s受阻而形成。主要有以下原因：1)鑄型涂料太薄，導(dǎo)致鑄型冷卻太快鑄型溫度過(guò)低；2)充型太快，使銅液在型腔內(nèi)上升時(shí)造成極紊亂狀態(tài)，充型液面不平穩(wěn)；由于銅液接觸金屬型先后不一，從而在同一平面上就出現(xiàn)溫差，促使在凝固過(guò)程中或剛凝固后即形成應(yīng)力而發(fā)生裂紋，同時(shí)其表面形成冰霜狀花紋；3)由于鑄型溫度不均勻(且偏低)，當(dāng)銅液接觸時(shí)局部立即凝固，造成應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，因而型溫均勻是很重要的；4)銅質(zhì)不良，如果銅的內(nèi)部有雜質(zhì)或氣體，則在凝固時(shí)在銅的內(nèi)造成局部熱脆從而易形成裂紋，因而要特別重視紫銅的精煉。至于由于工藝上壁厚不均勻，開箱過(guò)早等均可能造成裂紋，則應(yīng)注意操作規(guī)范即可[4-5]。

1.1.7 內(nèi)表面粗糙 內(nèi)表面粗糙會(huì)使電渣熔鑄鑄件表面質(zhì)量受到影響，主要是由于銅液充型速度太快，銅液以極高速度沖入型腔，在反壓力作用下，使型芯突然承受很大的壓力，銅液強(qiáng)力地?cái)D入砂粒之間，形成小凸點(diǎn)，即俗稱‘雞皮疙瘩’；另一方面是由于制芯緊實(shí)不夠而使銅液粘砂所致。

1.2 改進(jìn)措施

澆注前，扒除升液管中的氧化渣；在熔煉中須采用覆蓋劑，以防銅液氧化和吸氣，同時(shí)進(jìn)行快速熔煉，嚴(yán)格控制熔煉溫度(不允許超過(guò)1 220 ℃)；澆注溫度在1 100～1 200 ℃之間；攪拌銅液時(shí)不應(yīng)過(guò)激，也不宜倒換坩堝，以防氧化或氧化物混入銅液中。

必須使用徹底烘干的涂料，鑄型最好在200～250 ℃之間進(jìn)行預(yù)熱，鑄型的預(yù)熱溫度一定要大于100 ℃。銅液充型時(shí)一定要使得充型速度均勻，升液管刷涂料后要將升液管烘烤至紅色。

降低涂料導(dǎo)熱系數(shù)，涂料改為由水、過(guò)燒石棉粉、水玻璃、氧化鋅等配置組成的涂料，成分配制見表1。

表1 涂料成分表/%

可用以下方法進(jìn)行配置：水玻璃加入量為總量的5%，先將其倒入溫度不低于80 ℃的熱水中均勻攪拌，然后將石棉粉(過(guò)篩后)和氧化鋅倒入調(diào)制好的水玻璃水溶液內(nèi)并仔細(xì)均勻攪拌，這樣可以將涂料導(dǎo)熱系數(shù)降低，涂料的涂層厚度約1 mm，盡量涂厚一些，鑄型的預(yù)熱溫度盡量高一些。

2 遇到的問題及解決辦法

1)銅水壓不上去?？蛇x用內(nèi)徑較大的升液管，銅水的出爐溫度：1 140～1 160 ℃，升液管烤至暗紅色。

2)銅水噴射。當(dāng)發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，可將壓力降至充型壓力后再行增壓，在鑄型上方加防護(hù)罩。

3)鑄型內(nèi)銅水倒流。上方壓力冒口通氣過(guò)早，使上方壓力大于下方壓力而引起銅水倒流，可采用上方冒口不再通氣增壓的方法來(lái)預(yù)防。

3 結(jié)論

1)型芯要烘干，最好使用時(shí)才出爐，使之保持一定的溫度；制作型芯時(shí)通氣孔要扎好，以避免發(fā)氣性物質(zhì)混入其中，合理開設(shè)布置鑄型上的排氣通道，注意紫銅的精煉。

2)鑄型最好在200～250 ℃之間進(jìn)行預(yù)熱，鑄型的預(yù)熱溫度一定要大于100 ℃，要對(duì)熔渣處理干凈，認(rèn)真做好對(duì)鑄型的合箱、砂型的裝配以及對(duì)鑄型和升液管涂料的噴涂。

3)選用內(nèi)徑較大的升液管，所制做的升液管壓力試驗(yàn)合格后方可使用，不要勉強(qiáng)使用腐蝕嚴(yán)重的升液管；銅水的出爐溫度：1 140～1 160 ℃，噴刷涂料后的升液管要烤至暗紅色；合理掌握鑄型溫度及澆注溫度，提高鑄型的排氣能力，控制銅液充型速度，保證充型平穩(wěn)，澆注溫度控制，不可過(guò)高或過(guò)低。