紫铜结晶器低压铸造缺陷原因分析与对策

紫铜结晶器低压铸造缺陷原因分析与对策

范广

中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江 齐齐哈尔 161002

摘要：低压铸造是重力铸造和压力铸造之间的铸造方法。在重力铸造中，底部填充平稳，吸收压铸凝固的优点，避免重力作用下杯状金属液的弯曲和飞溅，避免填充过程中液面上升速度不稳定的缺点。该方法能生产高质量薄壁复杂铸件，因此在生产中受到广泛关注和应用。

关键词：紫铜结晶器；低压铸造；缺陷原因；对策

引言

结晶器采用重力砂型铸造，致密性差，易变形漏水，采用砂型低压铸造后，气密性、防漏水和耐冷却水压力的能力均有所提高，但在生产过程中如何防止缺陷的产生，对得到优质铸件，提高铸件质量，降低生产成本具有重要意义。铸件质量的好坏与材料的铸造性能、升液管的形状、铸型工艺、各道工序的操作处理以及浇注工艺等因素有关。了紫铜结晶器砂型低压铸造生产中如何保证产品质量，防止低压铸造后缺陷的产生，进一步提高铸件气密性、防漏能力和产品合格率，为低压铸造获得品质优良的紫铜结晶器提供参考和技术支持，对实际生产具有借鉴意义和指导价值。

1低压铸造

(1)低压铸造的概念。铸造是指将金属用作加工材料，并在熔化后倒入铸模以形成所需铸造的加工工艺。一般来说，根据造型方法，铸造可分为特殊铸造和普通砂型铸造。根据铸造材料，特殊铸件可分为不同类型。选择金属作为铸造材料，可细分为注射成型、离心注射成型、注射成型和低压铸造。其中，低压铸造应用广泛。在实际应用中，根据铸件功能、尺寸等参数，按加工工艺完成生产加工，成本低、控制简单，已成为铸件不可或缺的加工工艺。(2)低压铸造技术。低压铸造工艺是在低压环境下加工固体金属，形成液态金属，填充铸模。冷却后，对外观进行精细处理，使其符合生产加工标准。气压控制范围一般为0.6 ~ 1.5帕，铸造过程如下:①将液态金属倒入炉模中进行密封。②向坩埚中加入压缩干气。③观察液管中液态金属液面的变化，等待气体充满空隙，形成加工所需的气压环境。④对金属溶液施加压力，使其固化，最终形成铸件。整个过程看起来很简单，但是每个环节都受到外部因素的影响，或者生产模具的指标不符合，例如，生产加工的要求。这将对铸件质量产生重大影响。

2低压铸造的优点

低压铸造吸收了重力铸造中底注平稳充型和压力铸造中铸件在压力下结晶凝固的优点巧妙地利用坩埚内气压将金属液由下而上填充铸型在低气压下保持浇道与补缩通道合二为一与普通铸造相比有以下特点：（1）低压铸造的金属液是在压力下充型相对提高了合金的流动性因此铸件轮廓清晰表面质量好属精确成型范畴；（2）低压铸造是在压力下充型结晶、凝固并且其铸型材料无严格限制其冷却收缩过程可以得到有效的控制使其收缩应力无阻碍释放因此采用低压铸造紫铜结晶器的内在质量好从而克服了重力砂型铸造紫铜结晶器易产生气孔、缩孔缩松等铸造缺陷并且组织疏松、成品率很低等缺陷；（3）低压铸造浇注系统简单金属利用率在90％以上；（4）劳动条件好生产效率高占地面积小设备投资少；（5）易实现机械化、自动化。

3主要缺陷及防止

3.1气孔

如果排气速度大于充型速度则“反压力”会产生在型腔中，迫使铜液以涡流状态上升流动，使得气体来不及全部从型腔中排出，金属液就包围住余下的气体而形成气孔。一般情况下，气孔会在铸件浇注位置的顶部或排气道旁边出现，因此为了预防万一，可将一定的裕量加在铸件的上部，即使出现气孔缺陷，铸件的气密性仍能保持。防止措施:将充型速度进行合理调控，范围在70～80mm/s，铸型的排气通道要布置开设合理，在铸型的顶部和分型面上开设深0．5mm，宽0．5～1mm的排气槽。升液管气密性差或焊接质量不好也是产生气孔的原因。若升液管受铜液严重侵蚀或升液管的焊接质量不好，浇注时露出液面的升液管部分一旦发生漏气，则铜液在进入型腔时，气体也会一同随之进入型腔。轻则在加工时会发现铸件内部有微型串状气孔，重则由于形成气泡使铸件无法成形。避免方法:对升液管的气密性要严格要求，水压试验用于所制做的升液管，压力试验合格方可使用;多次反复使用的升液管，由于气密性逐渐下降，所以多次使用前检查气密性都是很有必要，以免使用中出现泄漏现象，不要勉强使用腐蚀严重的升液管。型芯如果透气性差或内部含有较多发气性物质则浇注时型芯遇热后产生的气体就会较多，加上铸型的排气是有限的从而也会形成气孔。避免方法:型芯要烘干，最好使用时才出炉，使之保持一定温度;制作型芯时要把通气孔扎好，注意发气性物质不要混入其中，以减少产生气孔的因素。控制好适当的浇注温度，过低或过高都不好。浇注温度太低时，则来不及排出金属液中所卷入的气体，则气孔就容易产生于铸件中。浇注温度过高，冷却后，铸件的晶粒粗大，缩松易产生于铸件中。铸件的外层边缘更容易产生气孔。边缘气孔(气袋)产生的主要原因是:1)充型速度太快，会对型腔造成很大的冲击，紊乱的铜液使型腔内气体来不及排除，而包在型腔内所致;2)铸型排气不畅，型腔内气体来不及排除而造成极大反压力形成气袋，或以上两者兼有，所以必须严格掌握充型工艺和搞好铸型排气。内表面的气孔，特征是半圆形，内部光亮，直径2～4mm。主要是由于型芯温度太低或返潮，合型后铸型的热辐射使型芯表面的涂料产生少量蒸气而小水珠得以形成，浇注时，由于温度升高，小水珠转化为蒸汽而形成小气孔，因此浇注时要掌控型芯的温度。

3.2表面缺陷

一些细小的，很浅的麻点出现在铸件表面称为表面缺陷，此缺陷对铸件影响不大，只是对铸件表面光洁度和美观度有影响。防止措施:将型芯烘烤透彻，铸型的预热温度要严格控制。与重力铸造相同，当浇注温度过低以及铸型预热温度过低时，液态金属流动性变差，冷隔缺陷就容易产生，甚至不能成形。此外由于本身铸造特点不同，在低压铸造中经常出现冰冻花纹和冷隔流痕。避免办法:浇注温度和铸型温度要合理掌控，铸型排气能力要提高，金属液充型速度要合理控制。

3.3裂纹

裂纹主要产生于外层壁边缘，裂纹位置不固定，呈纵向分布，不是因为收缩受阻而形成。主要有以下原因:1)铸型涂料太薄，导致铸型冷却太快铸型温度过低;2)充型太快，使铜液在型腔内上升时造成极紊乱状态，充型液面不平稳;由于铜液接触金属型先后不一，从而在同一平面上就出现温差，促使在凝固过程中或刚凝固后即形成应力而发生裂纹，同时其表面形成冰霜状花纹;3)由于铸型温度不均匀(且偏低)，当铜液接触时局部立即凝固，造成应力而产生裂纹，因而型温均匀是很重要的;4)铜质不良，如果铜的内部有杂质或气体，则在凝固时在铜的内造成局部热脆从而易形成裂纹，因而要特别重视紫铜的精炼。至于由于工艺上壁厚不均匀，开箱过早等均可能造成裂纹，则应注意操作规范即可。

4遇到的问题及解决办法

4.1气孔措施

⑴严防排气孔、排气塞、排气槽等产生堵塞。⑵选择合适的充型速度，力求合金液平稳充型，避免卷气，在保证不产生冷隔和浇不足的前提下，充型速度尽量慢点。⑶对有窝气部位的铸型，其浇注温度应高些。⑷改善铸型、型芯排气条件。⑸分流锥表面不得有烧损，一定要光滑，以防止产生紊流裹带气体。

4.2表面缺陷措施

⑴适当提高浇注温度。⑵改善排气、填充条件。⑶正确选用合金，提高合金流动性。⑷设计合适的铸件壁厚。⑸铸件棱边尖角处倒铸造圆角。⑹铸造模具镶块开设排气槽。

4.3裂纹缺陷措施

⑴坩埚及熔炼工具要涂好涂料。⑵正确控制合金成分，在某些情况下，可在合金中加纯铝锭以降低合金中含镁量，或在合金中加铝硅中间合金，以提高含硅量。⑶提高浇注温度来提高模具温度。⑷改变铸件结构，注意壁厚不均部位及凸台部位的圆滑过渡。⑸调整推杆受力使之均匀。

结束语

1)型芯要烘干，最好使用时才出炉，使之保持一定的温度;制作型芯时通气孔要扎好，以避免发气性物质混入其中，合理开设布置铸型上的排气通道，注意紫铜的精炼。2)铸型最好在200～250℃之间进行预热，铸型的预热温度一定要大于100℃，要对熔渣处理干净，认真做好对铸型的合箱、砂型的装配以及对铸型和升液管涂料的喷涂。3)选用内径较大的升液管，所制做的升液管压力试验合格后方可使用，不要勉强使用腐蚀严重的升液管;铜水的出炉温度:1140～1160℃，喷刷涂料后的升液管要烤至暗红色;合理掌握铸型温度及浇注温度，提高铸型的排气能力，控制铜液充型速度，保证充型平稳，浇注温度控制，不可过高或过低。

参考文献

[1]夏翔,周燕辉,金曼曼,谢世坤.树脂砂型低压铸造紫铜结晶器工艺研究[J].特种铸造及有色合金,2020,40(03):275-277.

[2]夏翔,周燕辉,金曼曼,谢世坤.紫铜结晶器低压铸造充型与凝固过程的数值模拟[J].热加工工艺,2019,43(21):58-59+64.

[3]夏翔,金伟,高芝,金曼曼.低压铸造紫铜结晶器[J].特种铸造及有色合金,2019,33(07):640-642.

[4]夏翔,谢世坤,金曼曼,周太平.紫铜结晶器低压铸造工艺规程的设计[J].特种铸造及有色合金,2018,30(11):1027-1029+976.

[5]夏翔,谢世坤,周太平.低压铸造紫铜结晶器的研究与探索[J].煤矿机械,2018(12):101-103.