船用承压铜泵铸件低压铸造技术研究

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船用承压铜泵铸件低压铸造技术研究

作者：管理员    发布于：2016-07-06 17:20:56    文字：【】【】【】

摘要：

　　铜泵类铸件是舰船上应用极为广泛的一种水力机械，不仅要求有优异的耐腐蚀性能，同时还要求具有良好的承压能力。一次静水压试验是检验铸件承压能力的关键，重力铸造承压铜泵类铸件的静水压试验合格率很低，其原因主要是因为铸件中存在缩松、气孔等缺陷。

　　目前国外低压铸造在铜合金上的应用主要集中在小型铜合金铸件上，如美国StarlineManufacturingCo.，Inc.、美国GlobleValve公司等采用金属型低压铸造工艺生产管道接头部件、水龙头旋塞等铜铸件，瑞士的KWC工程公司用金属型低压铸造生产旋塞、水表、阀体等小型黄铜铸件。在国内，大连船用推进器厂和芜湖造船厂先后采用低压铸造成功生产出船用铜合金螺旋桨，国营求新船厂用金属型低压铸造钼铁青铜轴瓦，国营西南高峰机械厂用砂型低压铸造生产硅黄铜曲柄箱，都取得了一定效果。

　　虽然国内外都有厂家开始应用低压铸造技术进行铜合金铸件研制和生产，但目前还没有低压铸造技术应用于生产船用承压铜合金铸件的相关报道。本研究以承压铜泵铸件为研究对象，探讨低压铸造技术在船用承压铜泵铸件中的应用。

　　1铜泵铸件结构和技术要求泵体和泵盖的轮廓尺寸分别为402mmx 505mmx313mm、396mmx505mmx235mm，大部分壁厚1012mm，局部法兰厚度30mm，局部热节尺寸30mm34mm.该铸件是船用组件，要求泵体和泵盖一起作静水压试验，压力为20MPa，持续时间15min不得有渗漏、冒汗等现象。因此对铸件的内部质量要求极为严格，任何缩孔、缩松、夹渣等内部缺陷都易使产品在耐压力试验中出现渗漏现象。

　　mi朵沐枭盖帏|卞小2铸造工艺设计21铸造工艺方案选择铜泵铸件用材质为硅黄铜ZCuZn16Si4，其固相线收稿曰期：2012-12-20收到初稿，2013-02-22收到修订稿。

　　温度为821C，液相线温度为917c，结晶温度范围为96C，呈糊状凝固方式，合金的密度为832g/cm3，铸件线收缩率16%17%，铸件内部易形成技晶间分散型缩松。针对铜泵铸件的结构和材质凝固特点，采用敞开式低压铸造工艺方案，即利用气体压力使液态金属反重力方向平稳充型，但凝固过程中无增压补缩阶段，只设置冒口对铸件进行补缩。

　　22成分控制要求严格控制ZCuZn16Si4硅黄铜合金化学成分的波动范围，是保证铸件符合力学性能和其他特性要求的关键之一。化学成分的控制主要依据元素对合金性能的影响和铜泵铸件的性能要求来确定，铜泵的具体成分要求如表1所示。

　　对ZCuZn16Si4硅黄铜合金而言，在硅黄铜合金中加入一定量的Si，对合金和铸件会产生一定的影响。

　　少量的Si会使低Zn的黄铜合金出现脆性y相（Cu5Si），使合金抗拉强度和硬度显著提高，塑性降低；为保证塑性，Si的加入量应小于4 5%，且Zn的含量也应较低（一般小于17%），否则合金很脆。加入黄铜中的Si使铸件表面形成一层致密的SiO2保护膜，显著提高其在大气和海水中的耐腐蚀性能。加Si的主要优点还在于它能提高黄铜的铸造性能：即降低液相线温度（在20% Zn黄铜内加入3 5%Si后，液相线从1 000C降至890C），缩小结晶范围，故显著提高了充型能力；因此，能够降低铸件的缩松倾向，提高铸件的耐水压性能。Sb、As、Sn、P是硅黄铜中有害杂质，形成脆性化合物，分布在晶界上，显著降低力学性能，并增加晶间缩松，降低气密性。此外，对硅黄铜而言，Fe可增加晶间缩松，A1会生成A12O3夹杂，Mn能明显降低充型能力，影响合金的气密性和力学性能，也应加以限制。ZCuZn16Si4内的Fe、Al、Sb、Sn、Pb、Mn杂质总和应控制在20%以内。

　　23试验设备及工具研制承压铜泵铸件采用油炉或中频炉、低压铸造设备以及相关辅助设备与工具。

　　24熔炼工艺铜泵用ZCuZn16Si4硅黄铜合金采用一次熔炼方法熔炼，工艺要点为：①加硅和阴极铜；②升温熔化并表1铸造铜合金化学成要求合金牌号杂质总量余量过热至1200C；③加回炉料和锌；④升温（1200-1 300C）沸腾12min；⑤炉前取样和检验（化学成分试样、力学性能试样、气体含量检验）；⑥捞渣，包内调温，在11301 25铸造工艺设计根据泵体和泵盖铸件结构特点、合金凝固特性以及用户技术要求设计了铸造工艺，图中泵体和泵盖的内腔和外表面部分冷铁没有显示，激冷铸型位于铸件的内外表面。如所示。

　　26低压铸造工艺2.6.1升液阶段浇注温度。根据合金液最佳浇注温度范围，确定浇注温度为11301180C，铸型温度为室温，升液管烘干温度为850900°C.升液速度。中只给出薄壁砂型铸件低压铸造升液速度范围为510cm/s，没有给出与铜合金有关的升液速度范围参数。综合考虑重力砂型铸造中小型铸铜件铸型内上升速度设计值、铸件结构和数值模拟计算结果，并依照慢速流动有利于减少金属液二次氧化的原则，选择铸铜件升液速度为5cm/s.升液时间。根据所需的升液高度和升液速度计算，计算出升液时间。

　　升液压力。升液压力按下列公式计算。

　　；g为重力加速度，m/s2；为合金液面到内浇口与铸件接触位置的高度，m. 2.6.2充型阶段充型速度。因为高度方向界面接触扩大，，充型速度较升液速度应快些，但也要避免金属液产生严重湍流，升液速度选择方法，估算选择充型速度充型时间。充型时间由充型高度和充型速度来计算得出。

　　充型压力。充型压力按下式计算。

　　；p为合金液密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h2为合金液面到铸件顶面的高263保压时间保压时间由铸件内浇口凝固时间或铸件需反重力方向补缩部位凝固时间决定。在工艺设计中，保压时间由铸件充型凝固过程数值模拟结果给出值。

　　264低压铸造工艺通过分析产品结构特点，设计和计算各阶段参数，所示。

　　27充型凝固过程数值模拟验证和工艺优化充型凝固过程数值试验的目的是预测铸件内部是否产生卷气、缩松、缩孔等缺陷，孩对和优化铸造工艺设计参数。

　　-为铜泵铸件铸造工艺数值试验结果。从泵体和泵盖铸件的充型过程模拟结果可以看出，充型过程是平稳的，无湍流飞溅现象发生，工艺设计合理。

　　由于省略了部分低压铸造升液管，因此在金属液入口速度的设置上不可能与实际情况芫全一致，计算充型时间可能小于实际充型时间，数值模拟中泵体和泵盖芫成升液充型时间分别为20s和19.8s；从泵体和泵盖铸件的凝固过程模拟凝固时间场结果（、）可以看出，铸件基本上是按照顺序凝固的，但泵体铸件存在个别热节部分，这些部位容易出现缩孔、缩松缺陷，造型过程中应在此处合理布置好表2低压铸造工艺参数浇注工艺参数铸件名称升液管温度铸型温度合金温度a最大升液压升液时间最大充型压力充型时间保压压力保压时间泵体泵盖圈（a）凝间时问大于I9.8s部分（b）凝同时间大于〖22.5s部分（c）凝闹时间大干229 s部分低压铸造泵体铸件凝罔过程模拟计艿结果低IK涛造泵盖帱件充嗤过模拟计竹结果（a）凝W时问大于49，4s部分（b）凝间时间大丁148.2s部分阁7低m铸造泵盖铸件凝间过程模拟计算结果冷铁和其他激冷型材，防止缩孔、缩松缺陷的产生。

　　泵盖凝固过程中没有发现独立的热节部分，工艺设计合理。

　　28铜泵铸件热处理工艺对ZCuZn16Si4硅黄铜铜泵铸件采用消除应力热处理，热处理工艺如所示。

　　（C）凝间时问大于365AS部分3生产验证应用优化后的低压铸造技术生产了8套铜泵铸件，分别对铸件进行了化学分析、力学性能检测、射线探伤以及静水压试验，结果表明此套技术能生产出满足用户要求的优质铸件，产品合格率达到93.75%，可用于承压铜泵类铸件的生产。

　　31化学成分与力学性能承压铜泵铸件的化学成分和力学性能均达到技术指标要求。详见表3和表4. 32铜泵铸件内部质量铜泵铸件的内部质量按ASTME272验收，2级合格（包含2级）。对低压铸造研制出的8套承压铜泵铸件进行100%的射线无损探伤，结果统计见表5.由表5中可见，生产的8套铜泵铸件均未见3-5级缺陷，产品质量表3化学成分分析结果炉号铸件编号标准要求余量均符合验收要求。对不影响承压内腔和表面质量的缩松表4力学性能试样试验结果炉号状态经热处理标准要求15 90缺陷不进行补焊处理。铜泵铸件的内部质量按astmE272验收，2级合格（包含2级）。

　　33铜泵铸件静水压试验分别对8套泵体和泵盖进行压力为20MPa，保压15表5铸件射线探伤结果工艺方法铸件名称铸件编号缩松缺陷数量/处夹杂缺陷数量/处缺陷数量合计/处1级2级3级4级5级1级2级3级4级5级缩松夹杂泵体低压铸造泵盖min的静水压试验，其中只有一套中单件产品静水压试验出现了渗漏问题。

　　4结论通过低压铸造工艺设计、数值模拟优化以及试验验证，形成了可用于生产船用承压铜泵铸件的低压铸造技术。

　　应用此套技术成功地研制出船用承压铜泵铸件，与重力铸造相比，低压铸造技术大大减少了铸件内部气孔、氧化夹杂等铸造缺陷产生的可能性，并提高了承压铜泵铸件的力学性能和成品率。

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