銅閥門的成型

張繼宏

摘 要：對銅閥門中的黃銅熱鍛工藝和青銅覆膜砂工藝的技術要點進行分析和解說。

關鍵詞：Cu、Zn、Pb三元合金；α+β雙相；脆性區溫度；覆膜砂

銅閥門多用在小口徑管道，由于其外觀美觀、工藝性佳、衛生性能好，特別適合于常溫低壓的環境的管路。其始于八十年代初，開始改變了國內長期使用鑄鐵閥門的歷史，在制造工藝上最初采用砂鑄成型工藝，后期改為鍛造工藝。隨著時代發展，銅閥門越來越應用廣泛，在建筑給水、石油、化工、船舶、水電、醫療、燃氣等各行各業。

現在小規格的黃銅閥門多采用熱鍛工藝，由于采用精密模具封閉式鍛造，其產品外觀簡潔、尺寸穩定、強度高等特點，已經大部分替代了早期的砂鑄工藝。國內的銅閥門材料多采用低鉛易切削黃銅，牌號如HPb59-1、HPb58-2、CW602N、DZR等，其材料溫擠流動性好，非常適合于熱鍛，成型后切削性能佳，切削銅沫為不連續狀，表面光潔，采用寶石級刀具車削，其平面的粗糙度可達到Ra0.8以上。

HPb59-1鉛黃銅是一種Cu、Zn、Pb三元合金，其含鉛量在0.8～1.9%，鉛在銅鋅合金中的固溶量是極微小的，一般在0.1%以下，鉛多以游離狀態分布于合金中，造成了基體金屬的不連續性，所以切削性能佳。HPb59-1是α+β雙相銅合金，α單相黃銅具有良好的塑性，能承受冷熱加工，但α單相黃銅在鍛造等熱加工時易出現中溫脆性，β相為體心立方晶格的電子化合物，從β相的結構來看，是屬于原子堆垛較松散的體心立方點陣，中溫下的β相有極好的塑性，且β相愈多，合金的塑性就愈好，對變形就愈有利。

研究表明，β相的數量與銅含量有關。例如HPb59-1銅含量57～60%，β相在α相中所占比例為45-70%，CW602N銅含量61～63%，β相在α相中所占比例為8-12%。如果加熱溫度持續升高，此時界遷移速度很快，β晶粒迅速長大變得粗大，使合金塑性降低，鍛造中反而容易開裂、起皮。上述材料的鍛造溫度：如HPb59-1，在680oC～720oC之間合適，而CW602N由于含銅量高，溫度一般在700oC～750oC之間。

鉛黃銅有一個脆性區溫度在250～650℃之間，期間塑性顯著降低，很容易鍛造開裂，其原因是合金中有鉛、鉍等雜質存在，它們在α固溶體中的溶解度極小，與銅形成Cu-Pb和Cu-Bi低熔點的共晶體，呈網狀分布于α固溶體的晶界上，從而削弱了α晶粒之間的聯系，當加熱到600℃以上時，發生α向α+β轉變，鉛和鉍溶于β固溶體中，于是塑性提高。銅合金的α+β雙相區的塑性比α單相區的塑性高，因此，鍛造變形主要在α+β雙相區的溫度范圍進行。

黃銅存在脫鋅腐蝕現象，如何抑制脫鋅腐蝕是提高產品壽命非常重要的問題，抗脫鋅的鉛黃銅有CW602N、DZR、CZ132等牌號。常規的做法是在熔煉中添加砷，砷含量經大量研究結果表明0.02%～0.12%的砷就能有效地抑制黃銅的脫鋅，過量的砷反而會增加黃銅應力腐蝕破裂的敏感性。

熱鍛模具模框結構可分為開模（HALF模）、平模（蓋頭模）、彈簧模、鐘罩模等，根據產品結構形狀如開模又可分為方模和圓模，其設備一般選為曲柄壓力機，噸位的選擇如下公式：

依據經驗公式計算溫熱擠變形力P：

P=1.1*KF

式中： K—系數， 根據閥門形狀給出（直通： 4.5～5；直角： 4.7～5.8；三通： 5～6.5； 四通： 5.5～7）或由解析法求出，kN/cm；

F—鍛件投影面積（包括飛邊面積） ，cm。

注：選擇時， 計算鍛造力應小于或等于設備公稱力的85%為好。

黃銅的熱處理有再結晶退火和去應力退火兩種，再結晶退火目的是消除加工硬化，恢復塑性和獲得細晶粒組織，再結晶退火選擇在550～650℃之間。去應力退火目的是由于黃銅冷熱擠壓變形后，應力腐蝕破裂傾向很嚴重，為消除變形過程中產生的殘余應力，防止自裂而采取的熱處理措施，去應力退火溫度一般在350℃左右。

青銅閥門常用錫青銅牌號ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuSn10Pb1等，錫青銅在大氣、海水、淡水和蒸汽中十分耐蝕，由于含銅量一般在80%以上，且富含有錫、鉛等元素，所以不能采用鍛造工藝，只能采用鑄造成型。錫青銅的凝固范圍大，枝晶偏析嚴重，鑄錠中易出現錫的逆偏析，嚴重時鑄錠表面可見到白色斑點，一般稱為錫汗，改進鑄造方法和工藝條件可減輕逆偏析程度。錫青銅鑄造后表面形成致密的氧化膜，所以表面硬度很高，HV550以上，但表面層去除后，其內部由于含銅量高，硬度在HV80～110，且材質疏松。

鑄造首先是砂型的制造，采用覆膜砂的工藝，分為冷砂和熱砂成型，冷砂一般作為砂芯，熱砂作為砂型。冷砂采用石英砂和鑄造樹脂混制，加入冷芯盒射芯盒內，射砂壓力調定為0.3～0.6MPa，射砂時間2.5～6秒，并吹三乙胺，使得砂芯硬化，低壓（0.1～0.2MPa）吹三乙胺1～3秒，再高壓0.4～0.7MPa）吹三乙胺4～8秒，后吹空氣15～25秒，后取出砂芯。熱砂成型，將覆膜砂加入射芯機內，射砂壓力調定為0.3～0.6MPa，芯盒加熱到220℃～270℃，射砂時間1～2.5秒，硬化時間根據砂芯截面大小而定，小砂芯25s，中砂芯50s，大砂芯110s，后取出砂芯。

熔煉時，檢查確認爐內無無裂紋或局部壁厚過薄等缺陷，爐料、工具必須充分預熱干燥。熔煉應在弱氧化性氣氛中（覆蓋焦炭）進行，防止熔煉過程中吸進氧氣和氫氣而產生針孔和氣孔。熔煉過程中金屬按比例嚴格稱量投料，連續掏實，直至完全熔化，為凈化金屬，可將0.2%磷銅脫氧，脫氧反應要求充分，扒渣干凈并及時合上爐蓋，不然脫氧產物容易污染銅液，凝固后會產生氣孔和夾渣。

青銅在熔煉中會脫鋅，應補鋅，在全部爐料熔化后升溫至900～1050℃下加鋅，溫度過低加鋅會產生氧化鋅白煙，使得熔融狀態的塊料被其包圍而無法熔化，而過高溫度加鋅，則容易引起合金激烈沸騰和飛濺。加熱至1100±25℃后，把青銅液引入砂模（砂芯+砂型），成形為鑄件，澆冒口應全部用銅水澆滿，澆注時候澆包高度不得超過澆包口24mm，澆鑄前需取樣并進行光譜分析化驗成份。鑄件經去除飛邊及拋丸清理后才完成一個銅閥門毛坯工序。

銅閥門的成型工藝很多，上述只是典型的二種，隨著社會進步，相信會有更多改革和創新包括更加精確控制工藝參數、提高效率的方式來發展閥門產業。