铝铁青铜衬套铸造工艺改进

■■王清宇

铝铁青铜衬套铸造工艺改进

■■王清宇

1. 产品概述

铝青铜由于具有极高的耐蚀性能和可与钢相媲美的强度和韧性，且致密性高，因而得到了迅速的发展，常用于铸造在高压、重载条件下工作的重要阀门、铜瓦、轴套等零件，现在已成为应用极广泛的铜合金。

衬套是球阀机构的关键部件，加工后为典型的细长圆筒件，内径140mm，外径165mm，带夹头外径175mm，主要壁厚为12.5mm，长度为492mm，如图1所示。

2. 铸件问题及工艺分析

衬套铸件材质为铝铁青铜ZCuAl10Fe3，第一批生产的铸件精加工后内圆出现夹渣、缩松等缺陷。铸件为底返雨淋式浇注系统砂型铸造，初步分析为轴线缩松和金属液夹渣。铸造工艺模拟和缺陷产生位置如图2、图3所示。

为解决此类问题，需增大冒口及向下延伸的冒口补贴或将内孔铸死，但此方法使金属增加量和机械加工量过大，影响零件生产周期，增加生产成本。

图1　衬套

图2　衬套铸造模拟结果

经过铸件缺陷和铸造工艺分析，决定改用离心铸造工艺生产衬套铸件。

3. 熔炼、浇注工艺

铸件成分是性能的保证，为了控制铸件成分，实时进行炉前的检测，根据检测结果，及时调整合金液的化学成分。

（1）熔炉、工具要求 采用坩埚炉进行熔炼合金液，新坩埚用前必须经过严格烘烤。熔炼过其他铜合金的熔炉一般不得使用，必要时经过洗炉后方可使用。熔炼工具使用前应刷专用涂料预热烘干后方可使用。修砌好的浇包，必须经过700℃以上的烘烤、预热。

（2）熔炼过程控制 将铜（T2）、回炉料同时装入炉中，快速熔化，严防吸气。铜液温度达1150～1200℃时，加入预热好的铝铁中间合金。加入时应把铝铁中间合金压入铜液内，进行搅拌助熔，防止表面熔化吸气和拖长处理时间。然后加入铝，压入铜液内仔细上下搅拌防止偏析。用钟罩压入脱水ZnCl2除气精炼。仔细搅拌。炉前检验合格后，除净浮渣，出炉浇注。

4. 离心浇注

离心浇注工艺可以提高铸件的冷却速度和金属的利用率。在加强合金液精炼除气、提高合金液纯净度的情况下，离心铸造可以加强合金液的冷却，同时在离心力场的作用下，使合金液中的氧化夹渣浮于铸件的内表面，实现铸件定向凝固控制。通过加大内圆的加工余量的方法可以去除浮于铸件内表面的氧化夹渣，保证铸件的内部质量，到达产品的要求。

（1）离心铸造模具设计 根据现有的离心浇注机进行模具设计，由于本产品为细长筒形铸件，零件本身长度加上加工时的工艺夹头，铸件长度达到550mm左右。需加长原有离心浇注机外模长度，同时设计专用的模具外端盖。

为了提高模具的通用性和系列模块化，模具采用了通用外模加专用内模的设计思想，在保证模具的激冷能力、蓄热能力的前提下，使模具又有足够的强度和刚度，以保证模具的寿命和正常使用过程的防变形能力。因此，在模具的结构设计上，采用整体减重和局部加强的设计，减轻了模具的总重量，降低了主轴的总负载。

（2）离心浇注工艺 按照工艺要求进行模具的组装、调试和预热。熔炼应与离心机配合好，做到及时浇注，并酌情调整成分。浇注原则本着先快后慢的方式。浇注终了到停机是铸件的冷却过程，为防止早脱模造成变形，要冷却到铸件表面呈暗黑红色（600℃左右）才能停机、脱模。

对于衬套铸件要想获得良好的铸件质量，在选择合适浇注工具的同时，选择合适的浇注温度、浇注速度、离心转速和模具温度至关重要。浇注初期模具温度低、浇注速度慢、离心转速高，易产生外圆冷隔、夹渣、重皮缺陷；浇注过程中浇注速度慢、离心转速低，易产生内圆夹渣、气孔缺陷。

5. 粗加工工艺

为及时发现产品的质量问题，验证工艺的可行性，我们对衬套铸件进行粗加工。粗加工时，圆筒单面留量3mm；长度方向留量30mm（带加工夹头）。

由于是细长筒形铸件，因此内孔加工较为困难，一般车刀无法胜任，刀杆短无法加工到铸件内部，刀杆长则发颤，加工表面质量不佳。为此专门制作了加工内孔使用的专用刀杆，在保证刀杆长度的同时保证刀杆的强度和刚度，以保证铸件内孔的加工质量，以便及时、准确发现和判断内孔的铸造质量。

6. 应用效果

应用离心铸造工艺生产了10件衬套，经过粗加工后，转下序精加工、装机，效果良好，成功克服了原来存在的铸造缺陷。

图3　衬套精加工缺陷位置

王清宇，哈尔滨电机厂有限责任公司，高级工程师，从事有色合金与特种铸造工艺设计、研究及实体设计、铸造计算机模拟工作。