紫銅結晶器低壓鑄造缺陷原因分析與對策

夏 翔，高 芝，王俊龍，金 偉，謝世坤

(井岡山大學機電學院，343009，江西，吉安)

0 引言

如圖1為桶狀紫銅結晶器示意圖，頂部與圓形鋼板焊為一體。結晶器采用重力砂型鑄造，致密性差，易變形漏水，采用砂型低壓鑄造后，氣密性、防漏水和耐冷卻水壓力的能力均有所提高[1-2]，但在生產過程中如何防止缺陷的產生，對得到優質鑄件，提高鑄件質量，降低生產成本具有重要意義。鑄件質量的好壞與材料的鑄造性能、升液管的形狀、鑄型工藝、各道工序的操作處理以及澆注工藝等因素有關。

本項目研究了紫銅結晶器砂型低壓鑄造生產中如何保證產品質量，防止低壓鑄造后缺陷的產生，進一步提高鑄件氣密性、防漏能力和產品合格率，為低壓鑄造獲得品質優良的紫銅結晶器提供參考和技術支持，對實際生產具有借鑒意義和指導價值。

圖1 桶狀紫銅結晶器

1 主要缺陷及防止

1.1 主要缺陷

1.1.1 氣孔 如果排氣速度大于充型速度則“反壓力”會產生在型腔中，迫使銅液以渦流狀態上升流動，使得氣體來不及全部從型腔中排出，金屬液就包圍住余下的氣體而形成氣孔。一般情況下，氣孔會在鑄件澆注位置的頂部或排氣道旁邊出現，因此為了預防萬一，可將一定的裕量加在鑄件的上部，即使出現氣孔缺陷，鑄件的氣密性仍能保持。防止措施：將充型速度進行合理調控，范圍在70～80 mm/s，鑄型的排氣通道要布置開設合理，在鑄型的頂部和分型面上開設深0.5 mm，寬0.5～1 mm的排氣槽。

升液管氣密性差或焊接質量不好也是產生氣孔的原因。若升液管受銅液嚴重侵蝕或升液管的焊接質量不好，澆注時露出液面的升液管部分一旦發生漏氣，則銅液在進入型腔時，氣體也會一同隨之進入型腔。輕則在加工時會發現鑄件內部有微型串狀氣孔，重則由于形成氣泡使鑄件無法成形。避免方法：對升液管的氣密性要嚴格要求，水壓試驗用于所制做的升液管，壓力試驗合格方可使用；多次反復使用的升液管，由于氣密性逐漸下降，所以多次使用前檢查氣密性都是很有必要，以免使用中出現泄漏現象，不要勉強使用腐蝕嚴重的升液管。

型芯如果透氣性差或內部含有較多發氣性物質則澆注時型芯遇熱后產生的氣體就會較多，加上鑄型的排氣是有限的從而也會形成氣孔。避免方法：型芯要烘干，最好使用時才出爐，使之保持一定溫度；制作型芯時要把通氣孔扎好，注意發氣性物質不要混入其中，以減少產生氣孔的因素。

控制好適當的澆注溫度，過低或過高都不好。澆注溫度太低時，則來不及排出金屬液中所卷入的氣體，則氣孔就容易產生于鑄件中。澆注溫度過高，冷卻后，鑄件的晶粒粗大，縮松易產生于鑄件中。

鑄件的外層邊緣更容易產生氣孔。邊緣氣孔(氣袋)產生的主要原因是：1)充型速度太快，會對型腔造成很大的沖擊，紊亂的銅液使型腔內氣體來不及排除，而包在型腔內所致；2)鑄型排氣不暢，型腔內氣體來不及排除而造成極大反壓力形成氣袋，或以上兩者兼有，所以必須嚴格掌握充型工藝和搞好鑄型排氣[3]。內表面的氣孔，特征是半圓形，內部光亮，直徑2～4 mm。主要是由于型芯溫度太低或返潮，合型后鑄型的熱輻射使型芯表面的涂料產生少量蒸氣而小水珠得以形成，澆注時，由于溫度升高，小水珠轉化為蒸汽而形成小氣孔，因此澆注時要掌控型芯的溫度。

1.1.2 渣孔 通常稱為“夾雜”，在金屬充型時，由于升液管上的涂料、粘結物的脫落、坩堝上的熔渣、鑄型上的涂料脫落，以及砂芯上的砂塵等物會一起卷入型腔中從而使鑄件形成渣孔的缺陷。

氧化夾雜物是渣孔的主要來源。銅液在充型及澆注過程中產生氧化夾雜物是由于金屬液在充型流動過程中產生紊流、渦流，氧化膜往往被卷入銅液內產生氧化夾雜。由于銅液充型時溫度快速下降，氧化夾雜物難以在凝固前聚集被排除掉而形成渣孔，常常出現在鑄件上表面或型芯下表面及死角處。

可采取以下辦法避免：采用合理的澆冒口系統及澆注工藝，澆注前要把升液管中的氧化渣扒除干凈，控制充型速度，保持銅液充型流動平穩；紫銅熔煉要嚴格執行紫銅熔煉操作規則；鑄型水分含量要嚴格控制，采用涂料或加入煤粉等碳質材料形成還原性氣氛以減少氧化夾雜物。

1.1.3 表面缺陷 一些細小的，很淺的麻點出現在鑄件表面稱為表面缺陷，此缺陷對鑄件影響不大，只是對鑄件表面光潔度和美觀度有影響。防止措施：將型芯烘烤透徹，鑄型的預熱溫度要嚴格控制。

與重力鑄造相同，當澆注溫度過低以及鑄型預熱溫度過低時，液態金屬流動性變差，冷隔缺陷就容易產生，甚至不能成形。此外由于本身鑄造特點不同，在低壓鑄造中經常出現冰凍花紋和冷隔流痕。避免辦法：澆注溫度和鑄型溫度要合理掌控，鑄型排氣能力要提高，金屬液充型速度要合理控制。

1.1.4 表面氧化渣 鑄件表面和內澆口兩側易出現氧化夾渣。根據鑄件氧化夾渣產生的原因可采取以下措施進行避免：1)要將涂料徹底烘干；2)鑄型預熱溫度不能低于100 ℃；3)銅液充型開始時速度不能太快，否則會對型腔壁有較大沖擊力；4)升液管的上部要烘干，升液管中的氧化渣要扒除干凈。

1.1.5 澆不足 澆注時如果銅液溫度過低，則影響銅液流動性，銅液未到型腔頂部就凝固，導致鑄件上部澆不足，甚至鑄件頂部一半不能充滿。此外，如果升液管溫度太低，則銅液上升時，溫度會急劇下降，因此澆注前應將升液管加熱至見紅。另外澆注時如果鑄型溫度過低，銅液充型時溫度會急劇下降而喪失流動性，為此必須嚴格控制鑄型溫度。

1.1.6 裂紋 裂紋主要產生于外層壁邊緣，裂紋位置不固定，呈縱向分布，不是因為收縮受阻而形成。主要有以下原因：1)鑄型涂料太薄，導致鑄型冷卻太快鑄型溫度過低；2)充型太快，使銅液在型腔內上升時造成極紊亂狀態，充型液面不平穩；由于銅液接觸金屬型先后不一，從而在同一平面上就出現溫差，促使在凝固過程中或剛凝固后即形成應力而發生裂紋，同時其表面形成冰霜狀花紋；3)由于鑄型溫度不均勻(且偏低)，當銅液接觸時局部立即凝固，造成應力而產生裂紋，因而型溫均勻是很重要的；4)銅質不良，如果銅的內部有雜質或氣體，則在凝固時在銅的內造成局部熱脆從而易形成裂紋，因而要特別重視紫銅的精煉。至于由于工藝上壁厚不均勻，開箱過早等均可能造成裂紋，則應注意操作規范即可[4-5]。

1.1.7 內表面粗糙 內表面粗糙會使電渣熔鑄鑄件表面質量受到影響，主要是由于銅液充型速度太快，銅液以極高速度沖入型腔，在反壓力作用下，使型芯突然承受很大的壓力，銅液強力地擠入砂粒之間，形成小凸點，即俗稱‘雞皮疙瘩’；另一方面是由于制芯緊實不夠而使銅液粘砂所致。

1.2 改進措施

澆注前，扒除升液管中的氧化渣；在熔煉中須采用覆蓋劑，以防銅液氧化和吸氣，同時進行快速熔煉，嚴格控制熔煉溫度(不允許超過1 220 ℃)；澆注溫度在1 100～1 200 ℃之間；攪拌銅液時不應過激，也不宜倒換坩堝，以防氧化或氧化物混入銅液中。

必須使用徹底烘干的涂料，鑄型最好在200～250 ℃之間進行預熱，鑄型的預熱溫度一定要大于100 ℃。銅液充型時一定要使得充型速度均勻，升液管刷涂料后要將升液管烘烤至紅色。

降低涂料導熱系數，涂料改為由水、過燒石棉粉、水玻璃、氧化鋅等配置組成的涂料，成分配制見表1。

表1 涂料成分表/%

可用以下方法進行配置：水玻璃加入量為總量的5%，先將其倒入溫度不低于80 ℃的熱水中均勻攪拌，然后將石棉粉(過篩后)和氧化鋅倒入調制好的水玻璃水溶液內并仔細均勻攪拌，這樣可以將涂料導熱系數降低，涂料的涂層厚度約1 mm，盡量涂厚一些，鑄型的預熱溫度盡量高一些。

2 遇到的問題及解決辦法

1)銅水壓不上去。可選用內徑較大的升液管，銅水的出爐溫度：1 140～1 160 ℃，升液管烤至暗紅色。

2)銅水噴射。當發生這種現象時，可將壓力降至充型壓力后再行增壓，在鑄型上方加防護罩。

3)鑄型內銅水倒流。上方壓力冒口通氣過早，使上方壓力大于下方壓力而引起銅水倒流，可采用上方冒口不再通氣增壓的方法來預防。

3 結論

1)型芯要烘干，最好使用時才出爐，使之保持一定的溫度；制作型芯時通氣孔要扎好，以避免發氣性物質混入其中，合理開設布置鑄型上的排氣通道，注意紫銅的精煉。

2)鑄型最好在200～250 ℃之間進行預熱，鑄型的預熱溫度一定要大于100 ℃，要對熔渣處理干凈，認真做好對鑄型的合箱、砂型的裝配以及對鑄型和升液管涂料的噴涂。

3)選用內徑較大的升液管，所制做的升液管壓力試驗合格后方可使用，不要勉強使用腐蝕嚴重的升液管；銅水的出爐溫度：1 140～1 160 ℃，噴刷涂料后的升液管要烤至暗紅色；合理掌握鑄型溫度及澆注溫度，提高鑄型的排氣能力，控制銅液充型速度，保證充型平穩，澆注溫度控制，不可過高或過低。