頂蓋厚壁銅鑄件鑄造工藝改進(jìn)

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 （黑龍江 150040） 王清宇

頂蓋鑄件是我公司大電機(jī)研究所系列試驗(yàn)機(jī)組的部件。在采購來的頂蓋鑄件加工過程中，發(fā)現(xiàn)鑄件上表面存在大面積夾雜、縮松和氣孔缺陷，嚴(yán)重影響我公司試驗(yàn)機(jī)組的制造周期和電站投標(biāo)工作。以往采購的頂蓋鑄件缺陷較多，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，為此我們?cè)诮酉聛淼淖灾祈斏w鑄件過程中積極進(jìn)行鑄造工藝攻關(guān)。

1.產(chǎn)品特點(diǎn)

以往公司的水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)輪部套鑄件一直采用錫青銅制造，雖制造難度低，但加工后的表面粗糙度和外觀不盡如人意，而表面粗糙度及葉型的低強(qiáng)度會(huì)直接影響轉(zhuǎn)輪的效率。

從提高公司在投標(biāo)過程的反應(yīng)速度和在市場中的競爭力，以及鑄件的制造難度來考慮，將鑄件材質(zhì)由錫青銅ZCuZn5Sn5Pb5改為硅黃銅ZCuZn16Si4。

鑄件毛坯外形尺寸一般在f600mm×120mm左右，毛重300kg左右。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頂蓋鑄件結(jié)構(gòu)

2.工藝性分析

（1）鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 此鑄件結(jié)構(gòu)屬于規(guī)范截面的厚壁鑄件，鑄件最厚為120mm。鑄造過程中可能出現(xiàn)的問題主要有兩類：一是鑄件需設(shè)置合理的補(bǔ)縮冒口和冷鐵，以防止縮松、縮孔缺陷。二是需合理設(shè)置澆注系統(tǒng)并擋渣處理，防止氧化夾渣進(jìn)入型腔產(chǎn)生夾雜、夾渣缺陷。

（2）鑄件材質(zhì)鑄造性能分析 硅使黃銅的抗拉強(qiáng)度、硬度顯著提高，塑性下降。硅在黃銅表面形成一層致密的SiO2保護(hù)膜，提高了在大氣和海水中的耐蝕性。硅還能提高鑄造性能，縮小結(jié)晶溫度范圍，提高流動(dòng)性，降低疏松傾向，使組織致密，從而提高合金的耐水壓性。常用的硅黃銅是ZCuZn16Si4，其力學(xué)性能中等，但超過錫青銅。在大氣、淡水和300℃以內(nèi)蒸汽、石油、酒精和其他有機(jī)介質(zhì)中耐蝕性良好。鑄造流動(dòng)性好，疏松傾向小，線收縮較小，鑄件氣密性好，可以砂型鑄造復(fù)雜鑄件，也適宜于金屬型和壓鑄。①此種材質(zhì)屬典型的層狀凝固，易于形成集中縮孔。②鑄件材質(zhì)中含鋅較高，澆注過程中極易氧化，易產(chǎn)生夾渣等缺陷。③鑄造性能較好，焊接性較好，缺陷較錫青銅更易于焊補(bǔ)。

（3）生產(chǎn)能力、設(shè)備條件的分析 該鑄件是我事業(yè)部生產(chǎn)的較大鑄銅件，毛坯重達(dá)300kg（銅液重量650kg左右）。要進(jìn)行兩爐合開，同時(shí)熔煉，合包澆注，這對(duì)控制各爐熔化溫度、熔化速度及化學(xué)成分的調(diào)整都增加了很多困難。

3.原鑄造工藝分析

方案一：如圖2所示，為底面、側(cè)面加冷鐵整體加高明澆。此方案工藝出品率低，加工困難。

方案二：如圖3所示，為粘土砂造型。底面冷鐵，上面冒口。此方案容易出現(xiàn)澆注沖砂、砂眼等缺陷。

圖2 原工藝方案一

圖3 原工藝方案二

鑒于以上情況，我們針對(duì)頂蓋原鑄造工藝方案二進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 縮松判據(jù)

圖5 X射線判據(jù)

4.鑄造工藝改進(jìn)

從上述結(jié)果看，鑄造工藝設(shè)計(jì)基本符合要求，結(jié)合鑄件缺陷來看主要是金屬液和澆注過程的影響。因此，在提高金屬液純凈度的同時(shí)，從澆注溫度、澆注系統(tǒng)設(shè)置、冒口補(bǔ)縮和保溫等方面進(jìn)行如下分析和改進(jìn)。

（1）鑄造工藝采用鉻鐵礦面砂，提高鑄型表面的強(qiáng)度，降低表面粗糙度值，同時(shí)提高砂型的激冷度，改善鑄件內(nèi)部質(zhì)量。

（2）在鑄件底面加冷鐵，提高激冷度，加強(qiáng)鑄件的順序凝固和補(bǔ)縮。

（3）使用醇基鋯英粉涂料，防止粘砂和砂眼缺陷。

（4）采用保溫冒口，提高冒口的補(bǔ)縮效率，并在澆注結(jié)束后采取補(bǔ)澆冒口、加保溫覆蓋劑等措施，進(jìn)行溫度場的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，加強(qiáng)補(bǔ)縮。

（5）提高金屬液的熔煉質(zhì)量，改善澆注系統(tǒng)，避免鑄件夾渣；在加強(qiáng)合金液精煉除氣、提高合金液純凈度的情況下，保證鑄件的內(nèi)部質(zhì)量，達(dá)到產(chǎn)品的要求。

5.熔煉、澆注工藝

鑄件的成分是性能的保證，為了精確控制鑄件成分，化驗(yàn)室使用直讀光譜儀進(jìn)行熔煉全程的配合，實(shí)時(shí)調(diào)整合金液的化學(xué)成分。根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，按照合金熔煉和澆注工藝規(guī)范選擇合理的工藝參數(shù)，并嚴(yán)格執(zhí)行。

（1）采用兩爐同時(shí)熔煉，合包澆注。

（2）出爐溫度1100～1150℃，出爐溫度取中高限，合包鎮(zhèn)靜。

（3）澆注溫度950～1050℃，澆注溫度取中下限，低溫快澆。

（4）熔煉應(yīng)與造型配合好，做到及時(shí)澆注，并酌情調(diào)整成分。

（5）澆注后進(jìn)行冒口補(bǔ)澆，并使用覆蓋劑進(jìn)行冒口覆蓋。

6.無損檢測

銅合金鑄件金屬原材料用量較大。鑄件的毛坯重量往往是產(chǎn)品零件加工后的兩倍或幾倍。同時(shí)鑄件產(chǎn)生廢品的原因反饋也不及時(shí)，影響了產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)和生產(chǎn)進(jìn)度，造成了大量的浪費(fèi)，使生產(chǎn)成本增高。

為解決問題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量問題，我們對(duì)頂蓋鑄件進(jìn)行粗加工和無損檢測。鑄件打磨后進(jìn)行PT、UT無損檢測，確保鑄件的表面和內(nèi)部質(zhì)量合格。

7.應(yīng)用效果

頂蓋鑄件粗加工后經(jīng)無損檢測合格交貨，通過頂蓋鑄件的成功生產(chǎn)，不僅保證了我公司的“牛欄江”項(xiàng)目的轉(zhuǎn)輪模型試驗(yàn)，而且對(duì)縮短轉(zhuǎn)輪的制造周期提供了前期保證。

通過頂蓋鑄件生產(chǎn)，為試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┝藘?yōu)質(zhì)合格的鑄件產(chǎn)品，達(dá)到了預(yù)期的攻關(guān)目標(biāo)，對(duì)后續(xù)項(xiàng)目提供了有力的支持和保證，對(duì)我公司以后的經(jīng)營、投標(biāo)等活動(dòng)提供了有力支持，其潛在的經(jīng)濟(jì)效益巨大。