青銅保持架離心鑄造裂紋原因分析及解決方法

姜永君，解明鈺，盧紅英，陶學(xué)剛，李圣軍

(大連瑞谷科技有限公司,遼寧 瓦房店 116300)

某型青銅保持架的牌號(hào)為CuAl10Fe3Mn2，該保持架通常采用離心鑄造管料作為毛坯料，鑄造冶煉設(shè)備為中頻感應(yīng)電爐。對(duì)毛坯料的材料控制非常嚴(yán)格，化學(xué)成分控制范圍為：Al，7%～10%；Fe，2%～4%；Mn，1%～2%；其余為Cu。力學(xué)性能要求：抗拉強(qiáng)度大于520 MPa，延伸率大于20%，硬度為130～170 HB。鑄造中嚴(yán)格控制各項(xiàng)指標(biāo)，嚴(yán)防所有可能出現(xiàn)的鑄造缺陷，特別是不能出現(xiàn)任何形式的表面裂紋。但實(shí)際鑄造過程中，卻經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鑄造管料的表面裂紋現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下會(huì)出現(xiàn)多處裂紋，造成廢品率增加，成本加大，損失嚴(yán)重。

通過分析認(rèn)為，鑄銅形成裂紋的主要影響因素有：材料成分、熔煉溫度、澆注溫度、離心速度、鑄型涂料、冷卻方式和冷卻溫度等鑄造參數(shù)。針對(duì)可能產(chǎn)生鑄銅裂紋的原因，改變影響因素、調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，逐一進(jìn)行試驗(yàn)，大量的數(shù)據(jù)表明：化學(xué)成分和冷卻溫度與鑄造管料裂紋有密切關(guān)系。

1 材料化學(xué)成分改變

Fe，Mn的含量是影響鑄銅件是否產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵因素。查閱歷年出現(xiàn)裂紋材料的檢驗(yàn)分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：Fe含量均在限定要求的下限1.9%～2.3%；Mn含量在中限或中上限1.5%～1.8，部分為中下限或下限1.0%～1.3%。

從理論上分析，F(xiàn)e在鋁青銅中能降低三相共析轉(zhuǎn)變(β-α-γ)溫度并擴(kuò)大α相區(qū)，從而減弱“暖冷脆性”的影響。Fe形成的K相質(zhì)點(diǎn)，共析體包圍其生長(zhǎng)，使共析體由粗大網(wǎng)狀變?yōu)榉稚⒘疃?xì)化晶粒，可顯著提高鋁青銅的強(qiáng)度和塑性。組織中的K相質(zhì)點(diǎn)還有利于鋁青銅耐磨性的提高。但若Fe含量過高，不僅會(huì)使銅合金變脆，而且會(huì)降低銅合金的耐蝕性能，因此要求Fe含量不超過5%，鋁青銅中Fe含量一般控制為2%～4%為宜。

Mn加入鋁青銅中雖然能縮小α單相區(qū)域，但顯著降低β相共析轉(zhuǎn)變溫度，使β相的穩(wěn)定性提高，從而大大減弱“暖冷脆性”。隨著Mn含量的增加，β相的穩(wěn)定性增高，可以減少或避免γ相的出現(xiàn)。同時(shí)，由于Mn能溶解于α固溶體中起到固溶強(qiáng)化作用，提高合金的力學(xué)性能，所以加入Mn后，材料強(qiáng)度得到增加，塑性卻降低不多。

根據(jù)Fe，Mn在鋁青銅中的作用，增加Fe，Mn含量，不但可減少或避免鑄銅件裂紋，還可以提高其使用性能，因此，將Fe含量由2%提高到3%左右，Mn含量由1%提高到1.5%～2%。

2 冷卻方式改進(jìn)

大量的試驗(yàn)表明，離心鑄造模具冷卻方式不合理，導(dǎo)致鑄件冷卻溫度不均勻，使管料內(nèi)部組織不均勻，也是造成產(chǎn)品裂紋的主要原因。因此，設(shè)計(jì)出一種大型離心鑄造模具冷卻裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由大型離心澆注模具和模具冷卻裝置2部分組成。

1—澆注模具上止口；2—澆注模具下止口；3—大型離心澆注模具；4—冷卻水循環(huán)腔；5—上端面固定螺栓孔；6—下端面固定螺栓孔；7—冷卻水進(jìn)出口；8—模具冷卻裝置

該離心澆注模具冷卻裝置設(shè)置有2個(gè)定位止口，分別與澆注模具的上、下止口配合，連接為一體，冷卻裝置內(nèi)腔與澆注模具之間的空隙構(gòu)成冷卻水循環(huán)腔。冷卻裝置通過螺栓固定在離心機(jī)上，隨離心機(jī)旋轉(zhuǎn)，冷卻水從進(jìn)出口進(jìn)入水循環(huán)腔，循環(huán)后又從冷卻水進(jìn)出口流出。冷卻裝置可以保證模具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)水不會(huì)泄漏到工作現(xiàn)場(chǎng)。采用冷卻裝置后，可以保持離心澆注模具在工作時(shí)始終處在均勻冷卻環(huán)境中，使鑄件各部位的冷卻溫度一致，內(nèi)部組織均勻一致。

針對(duì)不同規(guī)格的保持架鑄銅件，只要模具外形有2個(gè)止口與冷卻水循環(huán)腔的2個(gè)止口配合，就可以實(shí)現(xiàn)通用互換，擴(kuò)大產(chǎn)品尺寸段的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

通過對(duì)青銅保持架鑄件Fe，Mn含量的調(diào)整，使鑄件的塑性得到明顯的改善；使用模具冷卻裝置，使鑄件的冷卻更加均勻，組織一致性更好，從而有效解決了鑄件的表面裂紋缺陷，提高了保持架的質(zhì)量，降低了制造成本。