厚壁銅合金頂蓋鑄件氣孔缺陷失效分析

王清宇，陶韜

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司大電機(jī)研究所 黑龍江哈爾濱 150040

1 序言

1.1 鑄件材質(zhì)

頂蓋鑄件是哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司系列水輪機(jī)試驗(yàn)裝置的重要部件，鑄件材質(zhì)為硅黃銅ZCuZn16Si4。

硅黃銅在大氣、淡水和300℃以內(nèi)的蒸汽、石油、酒精和其他有機(jī)介質(zhì)中耐蝕性良好。鑄造性能優(yōu)良，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)雜的鑄件，也適宜于金屬型和壓鑄，切削性能和焊接性都較好，是比較理想的試驗(yàn)裝置用材料[1]。頂蓋鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頂蓋鑄件結(jié)構(gòu)

1.2 鑄造工藝

此頂蓋結(jié)構(gòu)屬于規(guī)范截面的厚壁鑄件，鑄件最厚在100mm以上。

鑄造工藝通常采用底面冷鐵以提高激冷度、頂面加冒口的補(bǔ)縮工藝設(shè)計(jì)，并采取補(bǔ)澆冒口、保溫覆蓋等措施加強(qiáng)溫度場(chǎng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固和加強(qiáng)補(bǔ)縮；面砂為樹脂砂，以提高鑄型表面的強(qiáng)度，降低表面粗糙度值[2]。使用醇基鋯石粉涂料，防止粘砂和砂眼缺陷；另外，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)品的質(zhì)量要求。

經(jīng)過多年的實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，此鑄造工藝過程已經(jīng)固化，頂蓋鑄件質(zhì)量良好且非常穩(wěn)定。

2 問題狀況

鑄件粗加工后頂面與底面均存在圓球形和不規(guī)則形狀的孔洞類缺陷，且加工過程中一直存在，無法通過去除加工余量的方式消除該類缺陷，如圖2所示。

圖2 頂蓋鑄件加工后缺陷

試驗(yàn)裝置頂蓋的作用是與底環(huán)一起構(gòu)成過流通道，防止水流上溢；支撐導(dǎo)葉、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及某些機(jī)組的操縱機(jī)構(gòu)；支撐導(dǎo)軸承以及其他附屬裝置。同時(shí)需要承受水壓力，但因該頂蓋鑄件存在孔洞類缺陷而報(bào)廢，無法使用。

3 失效分析

3.1 缺陷種類判定

根據(jù)缺陷的形態(tài)、分布情況以及缺陷的內(nèi)表面形貌，初步判斷是氣孔缺陷。氣孔缺陷通常分為三大類：析出性氣孔、侵入性氣孔和反應(yīng)性氣孔。

（1）析出性氣孔 液態(tài)金屬在冷卻凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體因來不及逸出而產(chǎn)生的氣孔稱為析出性氣孔。這類氣孔主要是氫氣孔和氮?dú)饪譡3]。

析出性氣孔通常分布在鑄件的整個(gè)斷面或冒口、熱節(jié)等溫度較高的區(qū)域。當(dāng)金屬含氣量較少時(shí)，呈裂紋多角形狀；當(dāng)含氣量較多時(shí)，氣孔較大，呈團(tuán)球形。

（2）侵入性氣孔 將液態(tài)金屬澆入砂型時(shí)，砂型或砂芯在金屬液的高溫作用下會(huì)產(chǎn)生大量氣體，隨著溫度的升高和氣體量的增加，金屬-鑄型界面處氣體的壓力不斷增大。當(dāng)界面上局部氣體的壓力高于外界阻力時(shí)，氣體就會(huì)侵入液態(tài)金屬，在型壁上形成氣泡。氣泡形成后將脫離型壁，浮入型腔液態(tài)金屬中。當(dāng)氣泡來不及上浮逸出時(shí)，就會(huì)在金屬中形成侵入性氣孔。

侵入性氣孔的特征是數(shù)量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現(xiàn)在鑄件表層或近表層。形狀多呈梨形、橢圓形或圓形，梨尖一般指向氣體侵入方向。侵入的氣體一般是水蒸汽、一氧化碳、二氧化碳、氫、氮和碳?xì)浠衔锏萚3]。

（3）反應(yīng)性氣孔 雖然主要是作為砂型黏結(jié)劑的呋喃樹脂熱分解產(chǎn)生的熱皮下氣孔，但呋喃樹脂黏結(jié)劑鑄型對(duì)澆注溫度很敏感，當(dāng)澆注溫度＜1350℃時(shí)，一般不會(huì)出現(xiàn)熱皮下氣孔[4]。銅合金鑄件澆注溫度一般在950～1100℃，因此基本不會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)性氣孔。

經(jīng)觀察問題鑄件的冒口發(fā)現(xiàn)，澆注結(jié)束后冒口收縮量較??；打箱清理后，切割冒口時(shí)根部出現(xiàn)孔洞，如圖3所示。初步判定為析出性氣孔。

圖3 頂蓋鑄件冒口

3.2 氣體來源的判定

鑄件中的氣體可能來自于金屬的熔煉過程，也可能來自澆注過程和砂型。為進(jìn)一步確定缺陷的類型和氣體的來源，我們對(duì)報(bào)廢的鑄件進(jìn)行了實(shí)物解剖，如圖4所示。

圖4 鑄件解剖斷面

通過解剖鑄件和冒口發(fā)現(xiàn)：鑄件整個(gè)斷面存在彌散性氣孔，同時(shí)冒口根部有氣孔，大部分冒口頂面液面有上漲現(xiàn)象。判斷氣體來自熔煉過程，因此以下從熔煉、澆注過程進(jìn)行分析。

（1）原材料 鑄件材質(zhì)為硅黃銅ZCuZn16Si4。原材料組成為純銅、鋅錠、銅硅合金和部分回爐料，原材料符合標(biāo)準(zhǔn)，無油、無銹且干燥預(yù)熱后入爐，應(yīng)不是產(chǎn)生氣孔的原因。

（2）熔煉與澆注過程 熔煉過程按固化的工藝過程執(zhí)行，且ZCuZn16Si4硅黃銅中含鋅量較高，本身具有脫氧、除氣的作用，且該牌號(hào)銅合金為常用材料，無熔煉難度。

后經(jīng)生產(chǎn)車間實(shí)地調(diào)查，由于頂蓋鑄件較以往生產(chǎn)的鑄件噸位大，因此采用的是合爐澆注工藝，即前一爐銅液熔煉好后，進(jìn)入保溫爐保溫，再熔煉一爐銅液合包，除氣后澆注。

問題出在保溫及合包澆注過程中，銅液保溫時(shí)間過長(zhǎng)、溫度下降較多、過程中吸氣，同時(shí)合包后進(jìn)行除氣，由于銅液溫度下降較多，除氣反應(yīng)不完全，氣體不能及時(shí)、完全上浮，導(dǎo)致澆注后氣體繼續(xù)析出，但此時(shí)溫度較低，不能完全逸出到鑄件之外，進(jìn)而加劇了鑄件的氣孔缺陷。

4 改進(jìn)措施

通過以上的分析、驗(yàn)證，找到了鑄件產(chǎn)生氣孔而報(bào)廢的原因，根據(jù)生產(chǎn)廠家的實(shí)際情況，對(duì)下一步頂蓋的生產(chǎn)提出了建議。

4.1 熔煉與澆注

多爐合澆的工藝方案，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大，建議不采用。建議仍使用單爐熔煉、澆注，采用加鋅精煉取代六氯乙烷精煉；熔煉溫度、澆注溫度嚴(yán)格按我公司工藝要求執(zhí)行；采用側(cè)面切向澆道以提高澆注速度；澆注時(shí)采用一澆到頂?shù)姆绞?，澆注后及時(shí)補(bǔ)澆冒口。

4.2 鑄造工藝

根據(jù)冒口和冷鐵方案，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，采用底面冷鐵，取消內(nèi)圓冷鐵，同時(shí)調(diào)整冒口的大小、數(shù)量和位置。鑄件補(bǔ)縮方案及模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 鑄件補(bǔ)縮方案及模擬結(jié)果

4.3 改進(jìn)后的生產(chǎn)

通過鑄造工藝模擬、優(yōu)化，先進(jìn)行熔煉、澆注工藝的調(diào)整，再進(jìn)行鑄件生產(chǎn)。從造型（見圖6）、熔煉、澆注、清理，直至粗加工、精加工、裝配結(jié)束，全過程鑄件“零缺陷”，一次制造完成。

圖6 改進(jìn)后的造型

5 結(jié)束語

經(jīng)過分析和驗(yàn)證，此鑄件出現(xiàn)的缺陷是熔煉過程中產(chǎn)生的氣體并在冷卻、凝固過程中形成的析出性氣孔。金屬液在保溫、合包，以及后期除氣、精煉時(shí)的溫度過低、等待澆注的時(shí)間過長(zhǎng)是產(chǎn)生氣孔缺陷的直接原因。經(jīng)過改進(jìn)工藝和生產(chǎn)過程控制，此問題得到解決，生產(chǎn)出了優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。