厚壁銅合金頂蓋鑄件氣孔缺陷失效分析

王清宇，陶韜

哈爾濱電機廠有限責任公司大電機研究所 黑龍江哈爾濱 150040

1 序言

1.1 鑄件材質

頂蓋鑄件是哈爾濱電機廠有限責任公司系列水輪機試驗裝置的重要部件，鑄件材質為硅黃銅ZCuZn16Si4。

硅黃銅在大氣、淡水和300℃以內的蒸汽、石油、酒精和其他有機介質中耐蝕性良好。鑄造性能優良，流動性好，疏松傾向小，線收縮較小，鑄件氣密性好，可以砂型鑄造復雜的鑄件，也適宜于金屬型和壓鑄，切削性能和焊接性都較好，是比較理想的試驗裝置用材料[1]。頂蓋鑄件結構如圖1所示。

圖1 頂蓋鑄件結構

1.2 鑄造工藝

此頂蓋結構屬于規范截面的厚壁鑄件，鑄件最厚在100mm以上。

鑄造工藝通常采用底面冷鐵以提高激冷度、頂面加冒口的補縮工藝設計，并采取補澆冒口、保溫覆蓋等措施加強溫度場的調整，實現鑄件的順序凝固和加強補縮；面砂為樹脂砂，以提高鑄型表面的強度，降低表面粗糙度值[2]。使用醇基鋯石粉涂料，防止粘砂和砂眼缺陷；另外，在加強合金液精煉除氣、提高合金液純凈度的情況下，保證鑄件的內部質量，達到產品的質量要求。

經過多年的實際生產驗證，此鑄造工藝過程已經固化，頂蓋鑄件質量良好且非常穩定。

2 問題狀況

鑄件粗加工后頂面與底面均存在圓球形和不規則形狀的孔洞類缺陷，且加工過程中一直存在，無法通過去除加工余量的方式消除該類缺陷，如圖2所示。

圖2 頂蓋鑄件加工后缺陷

試驗裝置頂蓋的作用是與底環一起構成過流通道，防止水流上溢；支撐導葉、傳動機構以及某些機組的操縱機構；支撐導軸承以及其他附屬裝置。同時需要承受水壓力，但因該頂蓋鑄件存在孔洞類缺陷而報廢，無法使用。

3 失效分析

3.1 缺陷種類判定

根據缺陷的形態、分布情況以及缺陷的內表面形貌，初步判斷是氣孔缺陷。氣孔缺陷通常分為三大類：析出性氣孔、侵入性氣孔和反應性氣孔。

（1）析出性氣孔 液態金屬在冷卻凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體因來不及逸出而產生的氣孔稱為析出性氣孔。這類氣孔主要是氫氣孔和氮氣孔[3]。

析出性氣孔通常分布在鑄件的整個斷面或冒口、熱節等溫度較高的區域。當金屬含氣量較少時，呈裂紋多角形狀；當含氣量較多時，氣孔較大，呈團球形。

（2）侵入性氣孔 將液態金屬澆入砂型時，砂型或砂芯在金屬液的高溫作用下會產生大量氣體，隨著溫度的升高和氣體量的增加，金屬-鑄型界面處氣體的壓力不斷增大。當界面上局部氣體的壓力高于外界阻力時，氣體就會侵入液態金屬，在型壁上形成氣泡。氣泡形成后將脫離型壁，浮入型腔液態金屬中。當氣泡來不及上浮逸出時，就會在金屬中形成侵入性氣孔。

侵入性氣孔的特征是數量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現在鑄件表層或近表層。形狀多呈梨形、橢圓形或圓形，梨尖一般指向氣體侵入方向。侵入的氣體一般是水蒸汽、一氧化碳、二氧化碳、氫、氮和碳氫化合物等[3]。

（3）反應性氣孔 雖然主要是作為砂型黏結劑的呋喃樹脂熱分解產生的熱皮下氣孔，但呋喃樹脂黏結劑鑄型對澆注溫度很敏感，當澆注溫度＜1350℃時，一般不會出現熱皮下氣孔[4]。銅合金鑄件澆注溫度一般在950～1100℃，因此基本不會出現反應性氣孔。

經觀察問題鑄件的冒口發現，澆注結束后冒口收縮量較小；打箱清理后，切割冒口時根部出現孔洞，如圖3所示。初步判定為析出性氣孔。

圖3 頂蓋鑄件冒口

3.2 氣體來源的判定

鑄件中的氣體可能來自于金屬的熔煉過程，也可能來自澆注過程和砂型。為進一步確定缺陷的類型和氣體的來源，我們對報廢的鑄件進行了實物解剖，如圖4所示。

圖4 鑄件解剖斷面

通過解剖鑄件和冒口發現：鑄件整個斷面存在彌散性氣孔，同時冒口根部有氣孔，大部分冒口頂面液面有上漲現象。判斷氣體來自熔煉過程，因此以下從熔煉、澆注過程進行分析。

（1）原材料 鑄件材質為硅黃銅ZCuZn16Si4。原材料組成為純銅、鋅錠、銅硅合金和部分回爐料，原材料符合標準，無油、無銹且干燥預熱后入爐，應不是產生氣孔的原因。

（2）熔煉與澆注過程 熔煉過程按固化的工藝過程執行，且ZCuZn16Si4硅黃銅中含鋅量較高，本身具有脫氧、除氣的作用，且該牌號銅合金為常用材料，無熔煉難度。

后經生產車間實地調查，由于頂蓋鑄件較以往生產的鑄件噸位大，因此采用的是合爐澆注工藝，即前一爐銅液熔煉好后，進入保溫爐保溫，再熔煉一爐銅液合包，除氣后澆注。

問題出在保溫及合包澆注過程中，銅液保溫時間過長、溫度下降較多、過程中吸氣，同時合包后進行除氣，由于銅液溫度下降較多，除氣反應不完全，氣體不能及時、完全上浮，導致澆注后氣體繼續析出，但此時溫度較低，不能完全逸出到鑄件之外，進而加劇了鑄件的氣孔缺陷。

4 改進措施

通過以上的分析、驗證，找到了鑄件產生氣孔而報廢的原因，根據生產廠家的實際情況，對下一步頂蓋的生產提出了建議。

4.1 熔煉與澆注

多爐合澆的工藝方案，質量風險大，建議不采用。建議仍使用單爐熔煉、澆注，采用加鋅精煉取代六氯乙烷精煉；熔煉溫度、澆注溫度嚴格按我公司工藝要求執行；采用側面切向澆道以提高澆注速度；澆注時采用一澆到頂的方式，澆注后及時補澆冒口。

4.2 鑄造工藝

根據冒口和冷鐵方案，進行計算機模擬，采用底面冷鐵，取消內圓冷鐵，同時調整冒口的大小、數量和位置。鑄件補縮方案及模擬結果如圖5所示。

圖5 鑄件補縮方案及模擬結果

4.3 改進后的生產

通過鑄造工藝模擬、優化，先進行熔煉、澆注工藝的調整，再進行鑄件生產。從造型（見圖6）、熔煉、澆注、清理，直至粗加工、精加工、裝配結束，全過程鑄件“零缺陷”，一次制造完成。

圖6 改進后的造型

5 結束語

經過分析和驗證，此鑄件出現的缺陷是熔煉過程中產生的氣體并在冷卻、凝固過程中形成的析出性氣孔。金屬液在保溫、合包，以及后期除氣、精煉時的溫度過低、等待澆注的時間過長是產生氣孔缺陷的直接原因。經過改進工藝和生產過程控制，此問題得到解決，生產出了優質的產品。