高性能錫青銅葉輪鑄件的研制

陳瑞峰，張 磊，常 磊

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450000）

隨著我國造船工業(yè)的快速發(fā)展，各種船用泵的品種和數(shù)量也不斷增加。與此同時，長期以來在艦船動力泵主要零部件制造和應用中，存在的問題日趨突出地暴露出來[1]。葉輪鑄件結構復雜，內腔形狀復雜多變，尺寸精度要求高，而且不可能靠機械加工的方法來達到最終的要求，因而對鑄造工藝提出了更高的要求[2]。ZCuSn3Zn8Pb6Ni1錫青銅合金具有良好的流動性，并且收縮率小，不易形成集中縮孔，因此特別適合鑄造厚薄不均勻或結構較為復雜的零件。但是因為該合金結晶溫度區(qū)間大，易產生糊狀凝固，ZCuSn3Zn8Pb6Ni1鑄件的組織較為疏松，強度和硬度偏低，延伸率不大[3]。在高壓情況下容易產生滲水現(xiàn)象，只能用于制作壓力較低的鑄件。

王強松等人[4]在ZCuSn3Zn8Pb6Ni1鑄造錫青銅的基礎上加入了適量的鈷和鐵元素，研制了ZCuSn3Zn8Pb6NilFeCo合金。結果表明：添加l%～2%鐵和0.5%～1.5%鈷后，鑄造組織明顯得到細化，枝晶偏析得以消除，獲得了細小的等軸晶，晶粒平均直徑由3 mm以上細化到20μm-40μm，晶粒細化到l%以下；抗拉強度由210 MPa～240 MPa提高到400 MPa～460 MPa，而伸長率仍保持在20%以上；消除了錫的宏觀偏析。

由于葉輪鑄件結構復雜，表面粗糙度要求高，因此對鑄造工藝也提出了更高的要求。從提高材料本身的強度和采用合適的鑄造工藝兩個方面入手，采用王強松等人研制的新型錫青銅合金ZCuSn3Zn8Pb6Nil FeCo，同時采用熔模制備殼型、真空熔煉、離心澆注等手段研制了尺寸精度高、性能優(yōu)良的合格泵用葉輪鑄件。

1 實驗設備及工藝

實驗設備采用115kW真空感應熔煉爐和50kW保溫爐，實驗所需的原材料：標準陰極銅（純度99.9%），鋅（純度 99.95%），錫（純度 99.95%），電解鎳（純度99.95%），鉛（純度99.99%），鐵（純度99.95%），鈷（純度99.95%）。材料表面使用砂紙進行去油、除銹處理，之后放入保溫爐中進行烘干。

新合金ZCuSn3Zn8Pb6Ni1FeCo是在國標GB1176-1987鑄造銅合金技術條件所規(guī)定的ZCuSn3Zn8Pb6Ni1化學成分的基礎上添加鐵和鈷，其他合金元素的含量不變，見表1.

表1 ZCuSn3Zn8Pb6Ni1FeCo的化學成分（質量分數(shù)，%）

制備的葉輪鑄件壁厚不均、內部形狀復雜，其最大輪廓尺寸為190 mm，里面有6片大弧度的葉片，要求制備的葉輪具有高的力學性能，尺寸精度、內部組織致密和低的表面粗糙度，表面無氣孔，內部縮松達到國家GB1176-87二級標準。工藝路線為：準備所需金屬材料（純銅和合金）→熔模制備（包括模具的設計制作、蠟模的制備及模殼的制備、模殼的焙燒）→錫青銅真空感應熔煉→離心澆鑄→鑄件冷卻及清理。

2 熔模制殼、真空熔煉及離心澆注

澆冒系統(tǒng)的設計以及澆注方式的選取，對鑄件的質量極為關鍵，在之前的實驗中，將葉輪的澆注系統(tǒng)設置在外圓處，每個葉片處對應設置一個冒口，由于鑄件中心部位較厚，外圓處冒口難以對其補縮，使得鑄件中心產生縮孔，導致鑄件報廢；之后改進了澆冒系統(tǒng)，在葉輪的中心處設置大冒口，直接澆注，徹底解決了葉輪中心縮孔的問題[5]。

由于鑄件高度不高，采用頂注并將冒口兼作澆口使用。葉輪的澆注系統(tǒng)如圖1所示，以鑄件中心軸為離心軸，澆注系統(tǒng)僅由一個上細下粗的直澆道組成。在離心澆注過程中，依靠離心力的作用，鑄件充型效果好。將設計好的澆注系統(tǒng)與制備的蠟模連接起來，經過掛涂料撒砂、型殼干燥硬化、脫蠟、焙燒等工序制備熔模模殼，如圖2所示。

圖1 葉輪的澆注系統(tǒng)

圖2 制備的澆口熔模模殼

銅合金的鑄造收縮率定為1.5%，對于有加工精度要求的地方，根據(jù)線尺寸的大小，留1 mm～3 mm的加工余量。為了防止氣孔的產生，采用木炭作為覆蓋劑。干燥的木炭是銅合金中應用最為普遍的一種覆蓋劑，木炭的主要作用是防止氧化，脫氧保溫，但是木炭很容易吸附水分，必須在高溫下除水。

熔煉設備為50 kg真空感應爐，真空度可達10-3數(shù)量級。將熔模模殼放在保溫桶里放入電阻爐預熱至一定溫度，保溫2 h.將配好的銅、錫、鉛、鎳、鐵、鈷以及木炭放在坩堝中，考慮到鋅易揮發(fā)，所以采用二次加料機構加鋅。完成以上的步驟后，關閉爐蓋和爐門，進行合金的熔煉及澆注。

工藝過程為：銅+合金熔煉——（充氬）加鋅靜止——澆注。具體工藝為：抽真空到5 Pa后開始升溫，升溫到1 300℃保溫20 min，然后降溫至1 200℃充氬氣加鋅，保溫5 min左右待金屬液面平靜后，開始進行澆注，澆注溫度約1 150℃～1 250℃.離心機轉速＞180 r/min.

3 結果與分析

實驗研究中采用了新型合金ZCuSn3Zn8Pb6NilFeCo及熔模制殼、真空熔煉、離心澆注工藝制備的葉輪鑄件如圖3所示，實驗參數(shù)如表2所示，表3為改進后的工藝參數(shù)。

表2 實驗的工藝參數(shù)

圖3 葉輪鑄件圖

圖4 葉輪局部放大圖

表3 改進后的工藝參數(shù)

切斷澆道后的鑄件如圖3所示，澆道中心存在一個大的中心孔穴，這是離心鑄造的特點，孔穴旁邊有一個大的氣孔，將葉輪加工完成后，發(fā)現(xiàn)了縮孔缺陷如圖4所示，分析缺陷產生的原因，一方面由于鑄型的溫度過高，在金屬液澆入鑄型后，凝固的過程持續(xù)的時間太長，導致了壁厚部位凝固的時間太長，得不到金屬液的補縮，形成了縮孔。鑒于葉輪沒有出現(xiàn)澆不足、冷隔等缺陷，所以將鑄型的溫度由800℃降為300℃，另一方面還可能是由于離心的轉數(shù)低，所產生的離心壓力也小，金屬液在補縮的過程中克服阻力的能力也小，冒口不能很好地起到補縮作用，從而產生了縮孔缺陷，因此將離心轉數(shù)由240 r·min-1提高至300 r·min-1.按照上述工藝制備的鑄件如圖5所示。

通過圖5可以看出葉輪鑄件表面質量光滑，充型完整，尺寸經測量符合圖紙的要求。從圖6的剖開圖可以看到鑄件內部無氣孔、縮孔等宏觀性缺陷，經高能探傷檢測無貫通性缺陷的存在。

圖5 葉輪鑄件圖

圖6 葉輪鑄件剖開圖

4 結束語

研究制備的形狀復雜船用通海泵的錫青銅葉輪鑄件，由于采用了新型銅合金ZCuSn3Zn8Pb6Nil-FeCo，使合金材料的抗拉強度由180 MPa～230 MPa提高到400 MPa～450 MPa，而伸長率仍保持在20%以上，從成分上有效地控制了鑄造后的組織；同時采用熔模造型、真空熔煉、離心澆注等相關的工藝及改進措施保證了制備出組織致密、性能優(yōu)良的鑄件。

［1］吳仁榮.艦船動力泵材料選用問題的討論［J］.艦船科學技術，2001（1）：52-53.

［2］沈紅衛(wèi)，繆啟才，壽洪苗.600MW汽輪機錫青銅主油泵葉輪的鑄造［J］.鑄造工程造型材料，2003，27（3）.

［3］陸樹蓀.有色鑄造合金及熔煉［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1993.

［4］王強松，王自東，朱軍軍，等.鐵和鈷對ZCuSn3Zn8Pb6Ni1合金組織及性能的影響［J］.鑄造，2008，57（12）:1251-1254.

［5］劉紅蘭.高鉻鑄鐵窄流道葉輪的鑄造工藝［J］.鑄造技術，2008，29（8）:1140-1141.