顶盖厚壁铜铸件铸造工艺改进

哈尔滨电机厂有限责任公司 （黑龙江 150040） 王清宇

顶盖铸件是我公司大电机研究所系列试验机组的部件。在采购来的顶盖铸件加工过程中，发现铸件上表面存在大面积夹杂、缩松和气孔缺陷，严重影响我公司试验机组的制造周期和电站投标工作。以往采购的顶盖铸件缺陷较多，产品质量难以保证，为此我们在接下来的自制顶盖铸件过程中积极进行铸造工艺攻关。

1.产品特点

以往公司的水轮机组的转轮部套铸件一直采用锡青铜制造，虽制造难度低，但加工后的表面粗糙度和外观不尽如人意，而表面粗糙度及叶型的低强度会直接影响转轮的效率。

从提高公司在投标过程的反应速度和在市场中的竞争力，以及铸件的制造难度来考虑，将铸件材质由锡青铜ZCuZn5Sn5Pb5改为硅黄铜ZCuZn16Si4。

铸件毛坯外形尺寸一般在f600mm×120mm左右，毛重300kg左右。其结构如图1所示。

图1 顶盖铸件结构

2.工艺性分析

（1）铸件结构特点分析 此铸件结构属于规范截面的厚壁铸件，铸件最厚为120mm。铸造过程中可能出现的问题主要有两类：一是铸件需设置合理的补缩冒口和冷铁，以防止缩松、缩孔缺陷。二是需合理设置浇注系统并挡渣处理，防止氧化夹渣进入型腔产生夹杂、夹渣缺陷。

（2）铸件材质铸造性能分析 硅使黄铜的抗拉强度、硬度显著提高，塑性下降。硅在黄铜表面形成一层致密的SiO2保护膜，提高了在大气和海水中的耐蚀性。硅还能提高铸造性能，缩小结晶温度范围，提高流动性，降低疏松倾向，使组织致密，从而提高合金的耐水压性。常用的硅黄铜是ZCuZn16Si4，其力学性能中等，但超过锡青铜。在大气、淡水和300℃以内蒸汽、石油、酒精和其他有机介质中耐蚀性良好。铸造流动性好，疏松倾向小，线收缩较小，铸件气密性好，可以砂型铸造复杂铸件，也适宜于金属型和压铸。①此种材质属典型的层状凝固，易于形成集中缩孔。②铸件材质中含锌较高，浇注过程中极易氧化，易产生夹渣等缺陷。③铸造性能较好，焊接性较好，缺陷较锡青铜更易于焊补。

（3）生产能力、设备条件的分析 该铸件是我事业部生产的较大铸铜件，毛坯重达300kg（铜液重量650kg左右）。要进行两炉合开，同时熔炼，合包浇注，这对控制各炉熔化温度、熔化速度及化学成分的调整都增加了很多困难。

3.原铸造工艺分析

方案一：如图2所示，为底面、侧面加冷铁整体加高明浇。此方案工艺出品率低，加工困难。

方案二：如图3所示，为粘土砂造型。底面冷铁，上面冒口。此方案容易出现浇注冲砂、砂眼等缺陷。

图2 原工艺方案一

图3 原工艺方案二

鉴于以上情况，我们针对顶盖原铸造工艺方案二进行计算机仿真模拟，结果如图4、图5所示。

图4 缩松判据

图5 X射线判据

4.铸造工艺改进

从上述结果看，铸造工艺设计基本符合要求，结合铸件缺陷来看主要是金属液和浇注过程的影响。因此，在提高金属液纯净度的同时，从浇注温度、浇注系统设置、冒口补缩和保温等方面进行如下分析和改进。

（1）铸造工艺采用铬铁矿面砂，提高铸型表面的强度，降低表面粗糙度值，同时提高砂型的激冷度，改善铸件内部质量。

（2）在铸件底面加冷铁，提高激冷度，加强铸件的顺序凝固和补缩。

（3）使用醇基锆英粉涂料，防止粘砂和砂眼缺陷。

（4）采用保温冒口，提高冒口的补缩效率，并在浇注结束后采取补浇冒口、加保温覆盖剂等措施，进行温度场的调整，实现铸件的顺序凝固，加强补缩。

（5）提高金属液的熔炼质量，改善浇注系统，避免铸件夹渣；在加强合金液精炼除气、提高合金液纯净度的情况下，保证铸件的内部质量，达到产品的要求。

5.熔炼、浇注工艺

铸件的成分是性能的保证，为了精确控制铸件成分，化验室使用直读光谱仪进行熔炼全程的配合，实时调整合金液的化学成分。根据生产的实际情况，按照合金熔炼和浇注工艺规范选择合理的工艺参数，并严格执行。

（1）采用两炉同时熔炼，合包浇注。

（2）出炉温度1100～1150℃，出炉温度取中高限，合包镇静。

（3）浇注温度950～1050℃，浇注温度取中下限，低温快浇。

（4）熔炼应与造型配合好，做到及时浇注，并酌情调整成分。

（5）浇注后进行冒口补浇，并使用覆盖剂进行冒口覆盖。

6.无损检测

铜合金铸件金属原材料用量较大。铸件的毛坯重量往往是产品零件加工后的两倍或几倍。同时铸件产生废品的原因反馈也不及时，影响了产品质量的改进和生产进度，造成了大量的浪费，使生产成本增高。

为解决问题，及时发现产品的质量问题，我们对顶盖铸件进行粗加工和无损检测。铸件打磨后进行PT、UT无损检测，确保铸件的表面和内部质量合格。

7.应用效果

顶盖铸件粗加工后经无损检测合格交货，通过顶盖铸件的成功生产，不仅保证了我公司的“牛栏江”项目的转轮模型试验，而且对缩短转轮的制造周期提供了前期保证。

通过顶盖铸件生产，为试验模型提供了优质合格的铸件产品，达到了预期的攻关目标，对后续项目提供了有力的支持和保证，对我公司以后的经营、投标等活动提供了有力支持，其潜在的经济效益巨大。