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，鑄造冶煉設備為中頻感應電爐。對毛坯料的材料控制非常嚴格，化學成分控制范圍為：Al，7%～10%；Fe，2%～4%；Mn，1%～2%；其余為Cu。力學性能要求：抗拉強度大于520 MPa，延伸率大于20%，硬度為130～170 HB。鑄造中嚴格控制各項指標，嚴防所有可能出現的鑄造缺陷，特別是不能出現任何形式的表面裂紋。但實際鑄造過程中，卻經常會出現鑄造管料的表面裂紋現象，嚴重情況下會出現多處裂紋，造成廢品率增加，成本加大，損失嚴重。

通過分析認為，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。針對可能產生鑄銅裂紋的原因，改變影響因素、調整各項參數，逐一進行試驗，大量的數據表明：化學成分和冷卻溫度與鑄造管料裂紋有密切關系。

1 材料化學成分改變

Fe，Mn的含量是影響鑄銅件是否產生裂紋的關鍵因素。查閱歷年出現裂紋材料的檢驗分析結果，統計分析發現：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，Fe在鋁青銅中能降低三相共析轉變(β-α-γ)溫度并擴大α相區，從而減弱“暖冷脆性”的影響。Fe形成的K相質點，共析體包圍其生長，使共析體由粗大網狀變為分散粒狀而細化晶粒，可顯著提高鋁青銅的強度和塑性。組織中的K相質點還有利于鋁青銅耐磨性的提高。但若Fe含量過高，不僅會使銅合金變脆，而且會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單相區域，但顯著降低β相共析轉變溫度，使β相的穩定性提高，從而大大減弱“暖冷脆性”。隨著Mn含量的增加，β相的穩定性增高，可以減少或避免γ相的出現。同時，由于Mn能溶解于α固溶體中起到固溶強化作用，提高合金的力學性能，所以加入Mn后，材料強度得到增加，塑性卻降低不多。

根據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

大量的試驗表明，離心鑄造模具冷卻方式不合理，導致鑄件冷卻溫度不均勻，使管料內部組織不均勻，也是造成產品裂紋的主要原因。因此，設計出一種大型離心鑄造模具冷卻裝置，其結構如圖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—冷卻水循環腔；5—上端面固定螺栓孔；6—下端面固定螺栓孔；7—冷卻水進出口；8—模具冷卻裝置

該離心澆注模具冷卻裝置設置有2個定位止口，分別與澆注模具的上、下止口配合，連接為一體，冷卻裝置內腔與澆注模具之間的空隙構成冷卻水循環腔。冷卻裝置通過螺栓固定在離心機上，隨離心機旋轉，冷卻水從進出口進入水循環腔，循環后又從冷卻水進出口流出。冷卻裝置可以保證模具在高速旋轉時水不會泄漏到工作現場。采用冷卻裝置后，可以保持離心澆注模具在工作時始終處在均勻冷卻環境中，使鑄件各部位的冷卻溫度一致，內部組織均勻一致。

針對不同規格的保持架鑄銅件，只要模具外形有2個止口與冷卻水循環腔的2個止口配合，就可以實現通用互換，擴大產品尺寸段的應用。

3 結束語

通過對青銅保持架鑄件Fe，Mn含量的調整，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，提高了保持架的質量，降低了制造成本。