不同鑄造方法對船用螺旋槳轂成型質(zhì)量的影響

曹志強，任相誠，陳 飛，接金川，王同敏，曹安琪，鄒龍江，李廷舉

(大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連，116024)

船用螺旋槳轂制備選用的是結(jié)晶范圍小的ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金材料，該材料由于鋁含量較高，凝固過程中極易生成Al2O3夾渣，且在吸收氣體(氫)后使槳轂形成氣孔及組織缺陷[1-7]，可見凝固過程對船用螺旋槳轂組織性能的影響非常大。離心鑄造和低壓鑄造是控制金屬凝固過程的一種有效手段，對提高鑄坯的等軸晶率、細化凝固組織、改善夾渣的形態(tài)分布和成分偏析具有重要作用[8-9]。本文在原有砂型鑄造的基礎(chǔ)上，分別就重力鑄造、離心鑄造和低壓鑄造3種鑄造方法對船用螺旋槳轂組織性能的影響進行研究。

1 試驗過程

1.1 重力鑄造

采用金屬型模具，用底注澆鑄方式。在模具芯管下端前后各開一個20 mm×30 mm的方孔，作為內(nèi)澆道，芯管作為直澆道。芯管上方用薄鐵板制成一個澆口杯。采用中頻爐(1000 Hz)和氧化鎂坩堝熔煉合金。每次熔煉35～45 kg，用草木灰除氣，同時增加攪拌。銅液出爐溫度為1200～1250 ℃，澆注前均扒渣。模具預(yù)熱溫度為100 ℃。

1.2 離心鑄造

采用立式離心鑄造方法[10-11]，離心轉(zhuǎn)速分別為150r/min、240 r/min,所用砂芯、澆道、金屬型、底模以及澆鑄溫度均與重力鑄造方法相同，不同之處是在底板下方增設(shè)一鍵槽(也可以在電機傳動軸上)，模具預(yù)熱溫度為400℃。

1.3 低壓鑄造

低壓鑄造的工藝裝備由壓力罐、導(dǎo)流、供氣和控制等系統(tǒng)組成。導(dǎo)流系統(tǒng)是引導(dǎo)合金液進入鑄型型腔的通道，由升液管、澆道以及固緊連接部分組成。升液管的長度取決于壓力罐中銅水包內(nèi)底面至罐蓋上平面的距離。本試驗確定升液管長度為40～50 mm，升液管內(nèi)徑設(shè)計為45 mm，升液管出口處做成上大下小的喇叭形狀。為防止升液管被合金液侵蝕及凝固堵塞，使用前將升液管刷清、預(yù)熱、涂料和烘烤。在芯管前后兩側(cè)各開兩個20 mm×30 mm的方孔，作為低壓鑄造的內(nèi)澆道，砂芯上部與密封蓋相接觸。經(jīng)計算確定，低壓鑄造升壓曲線如圖1所示。試驗中，將砂芯、鑄型、頂蓋、底板以及升液管組裝在一起，放于熱處理爐中烘干至600 ℃，再將升液管預(yù)熱至900 ℃。Cu液出爐溫度為1500 ℃，其他試驗過程與重力鑄造及離心鑄造相同。

圖1 低壓鑄造升壓曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 重力鑄造制備漿轂的效果

重力澆注的槳轂縱截面照片如圖2所示。從圖2中可以看出，槳轂斷面有大量的氣孔以及少量的縮松，窗口下方存在大量的氧化夾渣。表明砂型及金屬型模具組裝后預(yù)熱溫度較低，因含有較多的水汽而產(chǎn)生了大量的氣孔，澆注過程中產(chǎn)生的二次氧化夾渣在上升過程中被砂芯臂擋住，因而在窗口處產(chǎn)生了大量的夾渣。

圖2 重力澆注的槳轂縱截面照片

Fig.2Photoofsectionverticaltothesurfaceofpropellerhubfabricatedbygravitycasting

2.2 離心鑄造制備槳轂的效果

底注離心鑄造槳轂縱截面照片如圖3所示。從圖3中可以看出，槳轂斷面較為致密，僅有少量的縮孔缺陷，槳轂內(nèi)部的二次氧化夾渣數(shù)量明顯減少；與150 r/min離心鑄造相比，240 r/min離心鑄造下槳轂的縮孔數(shù)量較多。內(nèi)澆口附近的縮孔等缺陷是由于離心力的作用使液體金屬無法補縮引起。槳轂內(nèi)側(cè)出現(xiàn)的少量氧化夾渣是因為離心力的作用，使得Cu液內(nèi)部的渣向槳轂內(nèi)部聚集的結(jié)果。分別在150 r/min和240 r/min離心鑄造所制槳轂底端距中心30、65、100 mm處取樣，進行合金成分分析，槳轂徑向合金元素分布如圖4所示。由圖4中可看出，150 r/min和240 r/min離心鑄造條件下，槳轂同一高度不同徑向距離上的合金成分并未發(fā)生明顯改變，這表明槳轂未發(fā)生明顯的成分偏析。 分別在150 r/min和240 r/min離心鑄造所制槳轂距中心30、65、100 mm處取樣，用布氏硬度計(壓力250kg、壓頭直徑5mm)測量槳轂徑向距離上的硬度，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可看出，槳轂徑向上的布氏硬度無大的變化，無明顯宏觀偏析；240 r/min時離心鑄造所制槳轂的硬度值略低于150 r/min時相應(yīng)槳轂的硬度值。這表明槳轂徑向距離上的硬度變化與成分無關(guān)，主要受離心壓力及冷卻速度的影響。這是因為轉(zhuǎn)速越大，金屬液所受離心力越大，液體旋渦越深，由此引起槳轂的縮松也越多。

(a)150 r/min

(b)240 r/min

Fig.3Photoofsectionverticaltothesurfaceofpropellerhubfabricatedbycentrifugalcasting

(a) 150 r/min

(b) 240 r/min

Fig.4Alloycompositionsindifferentradialdistanceofpropellerhub

圖5 槳轂徑向距離上的布氏硬度

Fig.5Brinellhardnessindifferentradialdistanceofpropellerhub

2.3 低壓鑄造制造槳轂的效果

低壓鑄造槳轂縱截面照片如圖6所示。從圖中6可看出，槳轂非常致密，輪廓清晰，未見明顯氧化夾渣。上端出現(xiàn)的兩個縮孔是由于凝固收縮引起，不影響槳轂的加工使用，滿足其尺寸要求。從產(chǎn)品外觀形貌和內(nèi)部質(zhì)量看，低壓鑄造較離心鑄造和重力鑄造更容易獲得組織致密、性能優(yōu)良的槳轂，并且不易產(chǎn)生二次氧化夾渣和縮松等。

圖6 低壓鑄造槳轂縱截面照片

Fig.6Photoofsectionverticaltothesurfaceofpropellerhubfabricatedbylowpressurecasting

2.4 三種鑄造方法所制槳轂成型質(zhì)量

不同鑄造工藝下的槳轂微觀組織如圖7所示。從圖7中可以看出，底注重力鑄造所制槳轂組織最為細小，低壓凝固槳轂的組織最為粗大，與240r/min離心鑄造相比，150r/min離心鑄造所制槳轂組織較細小。重力鑄造時，砂型和金屬模預(yù)熱溫度(100 ℃)較低，故組織相對較細；低壓鑄造時，因其砂芯及鑄型的預(yù)熱溫度(600 ℃)較高，所得微觀組織較為粗大；離心轉(zhuǎn)速越高，金屬液受到的離心力越大，液體旋渦越深，其在鑄型內(nèi)的運動時間反而縮短，因而容易形成較大晶粒。

(a)底注重力鑄造

(b)底注離心鑄造(150 r/min)

(c)底注離心鑄造(240 r/min)

(d)低壓鑄造

Fig.7Microstructureofthepropellerhubfabricatedbydifferentcastingprocesses

設(shè)定離心鑄造和重力鑄造時砂芯和金屬模預(yù)熱溫度均為400 ℃，離心鑄造下的轉(zhuǎn)速為150 r/min，同時在澆注杯上端設(shè)置陶瓷過濾網(wǎng)，低壓鑄造下的預(yù)熱溫度仍選擇為600 ℃，壓力參數(shù)不變，重新進行工藝實驗。三種鑄造方法所制槳轂成型質(zhì)量如圖8所示。從圖8中可看出，所有槳轂無夾渣、氣孔和縮松。上述所有產(chǎn)品經(jīng)生產(chǎn)廠家加工均符合質(zhì)量要求。

(a)重力鑄造

(b)離心鑄造150 r/min

(c) 低壓鑄造

Fig.8Qualityofpropellerhubmanufacturedbythreekindsofcastingmethod

4 結(jié)語

重力鑄造槳轂窗口下方有大量氧化夾渣存在；低壓鑄造容易獲得組織致密、性能優(yōu)良的槳轂，但工序較多；離心鑄造可獲得較為致密的槳轂斷面組織，二次氧化夾渣狀況較重力鑄造得到明顯改善，但離心轉(zhuǎn)速超過150 r/min時，槳轂容易產(chǎn)生縮孔和縮松。

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