ZCuSn10P1浇铸工艺

2023年12月29日发(作者：二月兰季羡林)

锡青铜ZCuSn10P1浇铸工艺

表1 ZQSn10-1的化学成分，（质量百分数，%）

合金牌号

ZQSn10-1

锡

9-11.5

磷

0.5-1.0

铜

余量

1.熔炼工艺

原材料和辅料都要进行除锈、去油、烘干处理，加入前预热至380℃。首先在电炉底部加入木炭，加入量为覆盖住铜液为准，通电预热15min，然后加入纯铜，通电熔炼，铜液升温至1100~1200℃时，加入合金量的1.4%磷铜进行预脱氧，然后加锡，最后加入合金量5.6%的磷铜进行终脱氧，静止3~5分钟，扒渣后合金液出炉浇铸。

1.1铸型准备

首先，在金属型内工作表面喷上一层涂料，可防止高温金属液对金属型的直接冲击和热冲击，减少型腔的内应力，涂料还可防止铸管和型壁发生熔焊，从而有效地延长了金属型的使用寿命。本试验涂料成分为：氧化锌30%，水玻璃5%，热水65%。 将涂料按比例分别称好，将水玻璃溶解到高于60℃ 的热水中，把氧化锌倒入水中搅拌均匀。将金属模进行预热380℃左右，进行涂料的喷覆，涂料使用气体压缩机进行涂覆。涂料涂覆后，再将模具加热至380℃保温2小时，去除涂料中的水分。

1.2浇铸铸件

通过计算确定铸型转速，采用变频器对转速进行控制，调节好变频器频率后，开机准备浇铸。合金的出炉温度控制在1150℃，浇注温度控制在960℃~980℃，本实验中铸件的质量小，合金液的质量少，因此采用大的浇注速度，浇注速度控制在3~5s。浇注后立即采用水冷，在铸件颜色变为暗红色时，即可停止转动，取出铸件。

2离心铸造工艺优化方案

2. 1铸型转速的确定

铸型转速的确定主要应考虑如下几个方面的问题：保证液体金属进入铸型后，能迅速充满成型；保证获得良好的铸件内部质量，避免出现缩孔、缩松、夹杂和气孔等；防止产生偏析、裂纹等缺陷[3]。

为了获得优质的铸件必须严格控制转速。根据经验公式[5]，铸型的转速n值为：

n5520 （1）

R式（1）中： n——铸型的转速（r/min）；γ——合金比重（g/cm3）；R——铸件内径（cm）；

β——调整系数，在1.2～1.5

经计算得出n=1510r/min，此时γ取8.9 g/cm3；R 取2cm；β为1.35。

为了避免转速太高会引起锡青铜的反偏析以及会产生重皮[6]，转速应在满足要求的情况下尽量小。在计算结果1510r/min以下取三个不同转速1300 r/min，1400r/min，1500r/min进行了试验。实验将测出铸件的壁厚以及空心部分的深度。

2.2 过滤网的选择

良好的浇注系统对铸件质量有很大的影响，它不仅影响浇注速度的快慢，其预热温度也直接影响到铸件的质量。本实验采用石墨浇口杯做为浇注系统，石墨浇口杯的使用避免了涂料的喷涂以及合金液的粘挂。但是由于覆盖、精炼过程中的合金液中存在大量的渣，本试验采用过滤网嵌到石墨浇口杯的上边，在浇注过程中对合金液进行过滤，过滤网网孔尺寸为1.5mm×1.5mm，并分别对使用和未使用过滤网的铸件进行表面质量、金相等进行对比分析。

2.3 水冷系统的设计

冷却速度对铸件组织以及性能有很大的影响，为此设计了水冷系统。图1为水冷系统的示意图。

水冷系统由水管接金属喷水管，由于实验铸型较长，为使铸件上下均匀冷却，在竖直的金属管上均匀

的钻上小孔，小孔要均匀，在浇铸完毕后，打开水阀，水均匀的浇在铸型上面，达到均匀冷却的效果。

为了确定冷却系统的必要性，本实验通过对水冷及未水冷铸件的金相、硬度（布氏硬度）和拉伸性能进行对比分析。

1 铸型 2 带小孔的金属管 3进水口 4 法兰盘

图1 水冷系统示意图

1

2

3

4

3组织性能分析方法

3.1金相组织观察

金相组织采用OLYMPUS JX71-6230光学显微镜进行观察。

3.2硬度测量

在铸件的底部截取10mm厚度的试样，在距外表面分别为1mm、4mm、8mm处取三点进行硬度测试。硬度测试使用的仪器为573型布氏硬度测试机。由于试样为有色金属，选用压头直径D为10mm，载荷P为250kgf，载荷保持时间为30s。

3.3拉伸性能测试

拉伸测试使用的是Instron 1186 万能拉伸试验机，分别测得试样的抗拉强度和延伸率。拉伸试样尺寸如图2所示。拉伸试样从铸件本体取样，取样位置如图3。阴影部分为拉伸试样取样区域，由外到内分别取三个试样。

图2 拉伸试样尺寸结构示意图

图3拉伸试样取样示意图

4. 试验结果及分析

4.1 转速对铸件成形性的影响

表2为转速与铸件壁厚以及空心部分深度关系的测量结果，可见： 转速为1300 r/min时铸件的壁厚只有5mm、内径22mm、深度124mm，无法加工出外径32mm，毛坯内径为20mm，毛坯总长为180mm的铸件；1400 r/min时壁厚为8mm，内径为16mm，深度为156mm，可以加工成满足要求的铸件；1500 r/min时壁厚为10mm，内径为12mm，深度为184mm，可以加工成合格的铸件。同时我们为防止铸件产生反偏

析缺陷，在获得满足要求的铸件的前提下应该尽量降低转速，因此确定转速为1400 r/min。

表2 转速与铸件壁厚和深度的关系

转速 r/min

1300

1400

1500

壁厚（mm）

5

8

10

内径（mm）

22

16

12

深度（mm）

124

156

184

4.2 过滤网对铸件表面质量的影响

图4为未使用过滤网及使用过滤网浇铸铸件宏观对比图，可见：浇注时使用过滤网的铸件表面质量较好，没有明显的气孔和夹渣缺陷，而未使用过滤网铸件表面存在大量气孔和夹渣缺陷，经测量，个别气孔的深度达到2mm，严重影响了铸件表面质量，对铸件的加工及使用造成了极大的影响。其主要原因是，一方面使用过滤网的金属液里面含有的杂质少，不容易产生夹渣缺陷；另一方面，在浇注过程中，气体进入合金液的主要载体是夹渣，浇注时，夹渣进入铸件的同时伴随着气体混入，导致未采用过滤网浇铸的铸件表面气孔增多。而过滤后的合金液由于夹渣的去除大大降低了气体含量，所以采用过滤网的铸件表面气孔显著减少，提高了表面质量。

a

b

图4未使用过滤网与使用过滤网后铸件宏观图

(a) 无过滤网条件下成形的铸件 (b)采用滤网条件下成形的铸件

4.3 水冷对铸件组织的影响

图5为未水冷与水冷条件下得到的涨圈的显微组织照片，试样均取自铸件的最外层。从图4可见，离心浇铸未水冷得到涨圈的显微组织中枝晶尺寸较粗大，枝晶十分发达，而且大小不均匀，在大的枝状晶间空隙较大，铸件内部没有很好的补缩，存在有很多的缩松。而水冷铸件的枝晶尺寸较细小，而且比较均匀，无缩松的存在。

图5 水冷与未水冷组织效果图

（a）未水冷铸件的组织图 （b）水冷后铸件的组织图

液态金属在水冷条件下凝固时，冷却速度快，有利于晶粒细化，因而得到晶粒细小的显微组织；而不采用水冷时，液态金属凝固时热量散失得很慢，金属结晶速度慢，靠近型壁的合金液结晶相对较快，内部晶粒有足够的时间长大，同时还限制了周围枝晶的长大，因此枝晶尺寸较大而且大小很不均匀。因此，液态金属在凝固时要使用水冷系统，加快冷却速度，才能得到细小的晶粒，从而获得所需的组织和性能。

产生缩松的主要原因为ZQSn10-1锡青铜的结晶范围宽，趋于同时凝固方式，凝固区域很大，合金液流动性差，补缩困难，当液态金属注入离心机金属型内时，靠近金属型内壁的液态金属很快凝固先形成一层强度较低的薄壳，当液态金属充型完毕在金属型内冷却凝固时，（锡溶于铜中的固溶体）枝晶首先形a)

b)

成并快速生长，把正处在凝固过程中的液态金属分割成许多弥散孤立的液态区域，冷却收缩时先凝固的枝晶阻塞了补缩通道，由于冷却是从铸件外部向中心发展，中心部位的液态金属向冷却快的外部补缩，使铸件中心部位因得不到足够的液态金属补给而形成分散的显微缩松即疏松缺陷[7]。

4.4 水冷对铸件硬度的影响

图6为水冷及未水冷铸件的硬度分布图，横坐标为测试点到铸件外表面的距离，可见：水冷与未水冷铸件的硬度随着壁厚的增加都有所下降，但水冷铸件硬度随着壁厚的增加而降低的幅度小，下降幅度仅为HB7，说明水冷使铸件硬度趋于均匀分布；未水冷铸件的硬度下降幅度较大，铸件硬度由HB111下降到HB93.9，下降幅度为HB16.1；同一位置取样，经水冷的铸件硬度都比没有水冷铸件的硬度大幅度提高，其中距离铸件外表面8mm处最为明显，水冷后硬度为HB119，未水冷铸件硬度仅为HB93.9，提高了HB27.1。

148150100

水冷未水冷硬度(HB)400

距离(mm)图6 不同冷却效果铸件的硬度结果

离心铸造浇铸出来的合金外层的硬度大于内层的硬度，主要原因首先是离心力作用的大小差异。离心力越大使铸造合金的晶粒尺寸越小，硬度越高[8]；其次，由于采用水冷系统，铸件外层要比铸件内层的水冷速度快，使得外层的晶粒比内层的细小，因此外层硬度要高些。然而没有进行水冷的铸件，虽然外层凝固速度相对较快，但是由于冷却速度慢，组织长大的可能性仍然很大，进而造成组织粗大，使铸件的硬度下降。同时该合金的凝固方式为糊状凝固，由外向内逐步凝固，最终铸件内侧凝固得不到好的补缩，因此在铸件最后凝固的内层容易形成缩松及缩孔等缺陷，致使铸件的内部硬度下降幅度较大。此外由于内部合金液同空气接触的时间长，铸件内部气体不易排出，极易吸气，铸件的内侧还会有气孔产生，造成铸件硬度的下降。

4.5 水冷对铸件抗拉强度和延伸率的影响

图7为不同冷却效果铸件拉伸性能曲线，横坐标为拉伸试样取样点距外表面的距离。可以看出：经水冷与不经水冷的铸件的抗拉强度及延伸率都随着铸件壁厚的增加而降低，水冷后铸件抗拉强度和延伸率下降趋势较为平缓，抗拉强度下降幅度为21 N/mm2，延伸率下降幅度为2.3%，而未水冷的铸件抗拉强度及延伸率下降幅度较大，抗拉强度由340N/mm2下降到304 N/mm2，下降幅度为36 N/mm2，延伸率由5%下降到2%，下降幅度为3%；在同一位置取样，经水冷的铸件的抗拉强度和延伸率都比没有水冷的铸件大幅度提高，其中距离铸件外表面8mm处最为明显，水冷后抗拉强度为359 N/mm2，未水冷铸件抗拉强度仅为304 N/mm2，提高了45 N/mm2，延伸率提高了13.4%。

形成这个趋势的原因主要有：铸件成形时，外层金属的冷却速度比内层金属冷却速度快，因而外侧晶粒更细小，因而铸件外层拉伸性能与延伸率好于内层金属；其次，金属液在离心力作用下旋转成型时，铸件外侧受到的离心力较大，使外侧组织比内侧组织致密，而金属液中的杂质由于密度较小、质量较轻，会停留在铸件的内侧，因而金属管状铸件靠近中心部位的力学性能要比铸件的外表面差[9]；最后，不经水冷的铸件晶粒极易长大，而且铸件内部容易形成缩松、缩孔，严重影响了铸件的拉伸性能及延伸率。

水冷

未水冷2420

水冷

未水冷抗拉强度（N/mm2)

。

380360延伸率(%)161284

340320300

148148距离(mm)距离(mm)

图7 不同冷却效果铸件的拉伸性能结果

结论：

1)．合金的浇注温度应在980-1100℃左右，模具预热温度为380℃，模具的使用温度为40-80℃，石墨浇口杯的预热温度为600℃，立式离心铸造锡青铜ZQSn10-1铸件转速应在1400r/min左右。

2)．过滤网的使用能明显减少铸件的表面气孔及夹渣的产生，显著提高铸件的表面质量。

3)．水冷能明显细化铸件的组织，减少缩松缺陷的产生，并能大幅度提高铸件硬度，使铸件内外层硬度趋于均匀。水冷显著改善铸件的抗拉强度和延伸率，经水冷铸件抗拉强度提高了45N/mm2，延伸率提高了13.4%，并使铸件内外层性能趋于均匀。