环保无铅硅黄铜水龙头低压铸造工艺研究

发布时间：2020-05-08 14:20

【摘要】：由于铅黄铜中的有毒元素铅对人体和环境的极大危害,GB18145-2014《陶瓷密封片水嘴标准》对水龙头的最高铅析出量做出了严格限定,这导致现用的水龙头铅黄铜HPb59-1难以满足该国标要求。为了解决这一问题,在广东省公益研究与能力建设专项资金项目“环保无铅易切削硅黄铜水龙头材料的研制”与广东省应用型科技研发专项重大项目“新一代环保黄铜水龙头关键技术开发与产业化应用”的支持下,课题组研发出了一种可用作水龙头材料的无铅易切削高强耐蚀硅黄铜合金。毋庸置疑,与铅黄铜相比,研发的环保无铅硅黄铜具有独特的密度、熔点、固液相线等物性参数,因而探究其复杂、薄壁水龙头零件的成形工艺尤为重要。有鉴于此,本论文以前期研发的环保无铅硅黄铜作为研究对象,以适合低成本大批量生产高质量、壁薄、形状复杂高性能铸件的低压铸造技术为成形手段,探索适合其产业化的低压铸造工艺,将打破目前环保黄铜仅仅停留于材料研发而未进入产品研制的研究现状。根据水龙头产业化制造的工艺流程,首先熔炼金属单质和中间合金获得成分均匀的合金熔体,通过研究有序编号合金棒的组织性能均匀性,以优化合金熔体的熔化工艺并为后续低压铸造提供组织性能均匀的合金棒料;随后,利用所测定的物性参数对该环保无铅硅黄铜水龙头产品的低压铸造过程进行数值模拟分析,探索各工艺参数对充型和凝固过程中流场和温度场的影响规律,得出较为合适的工艺参数;最后,采用模拟所得工艺参数进行低压铸造试验,探索工艺参数与铸件组织性能之间的相互关系,最终通过数值模拟和实验结果相结合确定最优的水龙头低压铸造工艺参数。得出的主要结论如下:(1)所用熔炼工艺下熔炼的合金熔体各部分组织性能与化学成分较为均匀,其微观组织以BCC结构的β相为基体,FCC结构的α相作为第二相均匀分布在β基体上,且α相以针状和颗粒状为主。与现用水龙头材料铅黄铜HPb59-1(抗拉强度420MPa,延伸率12%)相比,熔炼合金棒抗拉强度平均值为550.0MPa,较HPb59-1高30.9%;延伸率平均值为16.9%,较HPb59-1高40.7%;布氏硬度为157.9HB。另外,其平均脱锌层厚度为140.49μm,远小于HPb59-1的369.1μm;其金属污染物析出值均低于国标GB 18145-2014规定的限定值;其综合切削性能为115.23%,与HPb59-1综合切削性能的115%相近。以上结果表明该环保无铅硅黄铜材料能够满足水龙头的使役要求。(2)利用Anycasting数值模拟软件探究了加压速度和浇铸温度两个工艺参数下的充型和凝固规律,表明9000Pa/s是本研究中较为合适的加压速度,1000℃-1015℃是本研究中最为合适的浇铸温度。(3)通过控制变量法,研究了单个低压铸造工艺参数对环保无铅硅黄铜水龙头铸件微观组织演变和力学性能变化的影响规律。结果表明:a)随着浇铸温度从980℃升高到1015℃,将使相转变过程拥有更充足的时间,从而促使β相粗化以及促进针状或者板条状α相的形成,进而导致铸件塑性降低;b)当充型时间从4s增加到7s时,会导致模具散热过程减缓,从而使得相转变时间更加充裕,促使β相粗化以及促进针状或者板条状α相的形成,进而导致铸件塑性降低;c)增大保压压力,能够细化β相的晶粒尺寸,同时促进颗粒状α相的形成,从而能够使铸件获得更加优异的力学性能;d)增大保压时间,能够使β相晶粒尺寸更加细小,同时促进α相析出形成颗粒状或短棒状,从而提高铸件的抗拉强度和塑性。(4)针对本论文选用的水龙头模具和硅黄铜材料,结合数值模拟和实验结果表明,较为合适的低压铸造工艺参数为:浇铸温度1000℃,充型时间4s,保压压力0.0395MPa,保压时间13s;相应地,通过控制变量法得出的最优力学性能为:延伸率15.0%,屈服强度359.8MPa,抗拉强度598.9MPa,远远优于现用水龙头材料铅黄铜HPb59-1(GB/T4423-2007)。
【图文】：

示意图,低压铸造工艺,示意图,坩埚炉

华南理工大学工程硕士学位论文通常为 20~60kPa，因而称之为低压铸造[15]。其原理如图 1-1 所进坩埚炉中进行熔融并保温，，当进行低压铸造时，往坩埚炉中通压缩空气，利用气体对金属熔液的液面产生压力，在压力作用下液液面慢慢上升，并平稳地从下往上填充铸件型腔。当充型过

关系图,内容,关系图

各主要研究内容关系图
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG249.2;TS914.33

【参考文献】