离心铸造锡青铜小口径涨圈.pdf

重有色合金一特种铸造及有色合金 2 0 0 9 年第2 9 卷第4 期 离心铸造锡青铜小口径涨圈 郭二军厉彦斌李艳春 哈尔 宾理工大学材料科学与工程学院 擒耍采用立式离 0 铸造工艺生产锡青铜小口径涨圈 确定了离心铸造的模具预热温度 转速 浇注温度 浇注速度等参 数 制定了Z Q S n l O 1 合金的熔炼工艺并浇注出小口径涨圈 利用金相 力学性能分析手段对小口径涨圈的组织和性能进 行研究 探讨了合金液过滤 铸型水冷工艺对铸件表面质量 组织和性能的影响规律 结果表明 采用过滤技术显著减少了 铸件表面气孔及夹渣l 铸型水冷工艺可以显著细化涨圈的晶粒 并使涨圈的硬度和抗拉强度显著提高 关键词锡青铜 离心铸造I 水冷 中圈分类号T G 2 4 9 4 I T G 2 9 1文献标志码A 文章编号1 0 0 1 2 2 4 9 2 0 0 9 0 4 一0 3 8 7 一0 4 D O I 1 0 3 8 7 0 t z z z 2 0 0 9 0 4 0 3 3 金属弹性涨圈密封作为一种端面接触密封形式在 某些飞机发动机油 气综合密封中得到广泛的应用 涨 圈的性能对现代飞机的发展有着重要的影响 1 目前 国内外学者对涨圈旋转密封工艺做了一些研究 z 主要 集中在涨圈密封结构及涨圈材料方面 古乐 3 3 等人在 涨圈表面刷镀合金元素 提高了涨圈的耐磨性 而对于 有色金属 如锡青铜材料涨圈的研究则较少 Z Q S n l 0 1 锡青铜材料具有良好的导热性 铸造应力小 有较好的 耐磨性 是一种很好的涨圈材料 但是由于材料本身凝 固特性的原因 很难消除某些铸造缺陷如缩松 气孔 本课题根据涨圈尺寸 采用立式离心铸造工艺来生产锡 青铜涨圈 通过对工艺的一系列改进 优化出最佳离心 铸造工艺参数 涨圈材料及熔铸过程 1 1 涨圈材料 根据涨圈的使用性能要求 涨圈材料选择Z Q S n l O I 合金 其主要化学成分见表 寰lZ Q S n l O I 的化学成分 1 2 熔炼工艺 原材料和辅料都要进行除锈 去油 烘干处理 并预 热至3 8 0 首先在电炉底部加入木炭 加入量以覆盖 住铜液为准 通电预热1 5r a i n 然后加人纯铜 铜液升温 至11 0 0 I2 0 0 时 加入1 4 质量分数 下同 的 磷铜进行预脱氧 然后加锡 最后加入5 6 的磷铜进 行终脱氧 静置3 一5r n i n 扒渣后出炉浇注 1 3 铸造工艺 1 3 1 铸造方法的确定 零件结构示意图见图1 由于铸件的内径只有2 0 m l T I 但零件要求硬度 H B 为9 0 抗拉强度为2 4 0 收稿1 3 期 2 0 0 8 1 0 0 7 I 修改穑收到日期 2 0 0 8 1 2 1 5 第一作者简介 韩二军 男 1 9 6 3 年出生 教授 哈尔滨理工大学材料科学与工程学院 哈尔滨 1 5 0 0 4 0 电话 0 4 5 1 8 6 3 9 2 5 2 2 E m a i l g u o e r j u n 1 2 6 c o m 刘楚明 刘子娟 朱秀荣 等 镁及锾合金动态再结晶研究进展 J 1 中国有色金属学报 2 0 0 6 1 6 1 I 卜1 2 曹韩学 龙思远 多场交互作用下钱合金塑性变形研究 J 中国机 镶工程 2 0 0 7 1 8 3 3 6 1 3 6 4 余琨 黎文献 王日初 等 变形镁合金的研究 开发及应用 J 中国 有色金属学报 2 0 0 3 1 3 2 2 7 7 2 8 6 李远发 苏平线 液态压锝锻造双控成形技术研究 J 特种铸造及 有色台金 2 0 0 6 2 6 9 1 5 6 8 5 7 1 张漳 章宗和 铁合金及应用 M 北京 化学工业出版社 2 0 0 4 膏韩学 龙思远 廖慧敏 等 温度对镁合金铸健压缩变形行为的影 响 J 重庆大学学报 2 0 0 5 2 8 1 2 t 9 1 1 陈振华 严红革 陈吉华 等 铰合金 M 北京t 化学工业出版社 2 0 0 4 陈维平 詹关燕 陈宛德 等 变形镘合金的塑性加工技术研究及展 望 J 特种铸造及有色合金 2 0 0 7 2 7 1 4 0 4 3 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 张少明 杨必成 英中运 等 镁合金A Z 6 1 的流变挤压工艺和组织 特征 刀 中国有色金属学报 2 0 0 7 1 7 9 t l4 2 3 14 2 8 在凌云 黄光胜 范永革 等 变形A Z 3 1 镁合金的晶粒细化口 中 国有色金属学报 2 0 0 3 1 3 3 t 5 9 4 5 9 7 崔忠圻 金属学与热处理 M 北京t 机饭工业出版社 2 0 0 0 曲家惠 李四军 王福 A Z 3 1 锾合金挤出棒锻造变形时的组织与 织构的变化 J 材料与冶金学报 2 0 0 6 5 t 2 2 1 2 3 0 W A T A N A B EH T S U T S U IH M U K A IT na 1 D e f o r m a t i o n m e c h a n i s mi nac o a r s e g r a i n e dM g A l Z na l l o ya te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fP l a s t i c i t y 2 0 0 1 1 7 3 8 7 3 9 7 I o NSE H U N P H R E Y SFJ W H I T ESH D y n a m i cr e c r y s u d l i z a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fm a c r o s t r u c t u r ed u r i n gt h eh i g ht a r f l p e r e t u r ed e f o r m a t i o no fm a g n e s i u m J A c t aM a t e r 1 9 8 2 3 0 l 编辑 袁振国l 3 8 7 乜 0 口 口口 口 D 万方数据万方数据 一特种铸造及有色合金2009年第29卷第4期 M P a 伸长率为5 然而卧式离心铸造生产的锡青铜 铸件内层缩松不可避免 引 这就造成铸件的加工量很 大 加工费用高 原材料浪费大 因此采用金属型立式离 心铸造工艺 图1 摹件结构示意图 1 3 2 铸型准备 在金属型内工作表面喷上一层涂料 可防止高温金 属液对金属型的直接冲击和热冲击 减少型腔的内应 力 涂料还可防止铸管和型壁发生熔焊 试验涂料成分 为 氧化锌3 0 水玻璃5 热水6 5 将涂料按比例 分别称好 将水玻璃溶解到高于6 0 的热水中 把氧 化锌倒入水中搅拌均匀 将金属型预热至3 8 0 左右 喷覆涂料 再将模具加热至3 8 0 保温2h 去除涂料中 的水分 1 3 3 浇注 通过计算确定铸型转速 采用变频器对转速进行控 制 合金的出炉温度控制在11 5 0 浇注温度控制在 9 6 0 9 8 0 试验中采用大的浇注速度 浇注时间控制 在3 5s 范围内 浇注后立即水冷 在铸件颜色变为 暗红色时 即可停止转动 取出铸件 2 离心铸造工艺优化方案 2 1 铸型转速的确定 为了获得优质的铸件 必须严格控制转速 根据经 验公式 5 铸型的转速挖为 一3 0 2 吐 n2i 蔽瓦商 式中 K 为铸件的壁厚 m z t 为铸件的内孔半径 m h 为铸件的高度 m 经计算得出咒 15 3 4r m i n 其中 K 为0 0 0 6m z 1 为0 0 1m h 为0 1 8m 为了避免转速太高引起锡青铜的反偏析以及重 皮 6 1 转速应在满足要求的情况下尽量小 在理论转速 15 3 4r m i n 以下取3 个不同转速 13 0 0 14 0 0 15 0 0 r m i n 进行试验 试验将测出铸件的上端口处壁厚以 及空心部分的深度 同时分别从距铸件外壁8m m 处 取样对其抗拉强度及伸长率进行测量 2 2 过滤网的选择 合理的浇注系统对铸件质量有很大的影响 它不仅 影响浇注速度的快慢 其预热温度也直接影响到铸件的 质量 试验采用石墨浇口杯 避免了涂料的喷涂以及合 3 8 8 金液的粘挂 由于在覆盖 精炼过程中的合金液中存在 大量的渣 试验采用过滤网嵌到石墨浇口杯的上边 在 浇注过程中对合金液进行过滤 过滤网网孔尺寸为1 5 m m 1 5m m 并分别对使用和未使用过滤网的铸件进 行表面质量 金相组织对比观察分析 2 3 水冷系统的设计 冷却速度对铸件组织以及性能有很大的影响 为此 设计了水冷系统 图2 为水冷系统的示意图 圈2 水冷系统示需图 1 饽型2 帚小孔的金属f3 进水口I 法兰盘 水冷系统由水管接金属喷水管 由于铸型较长 为 使铸件上下均匀冷却 在竖直的金属管上均匀的钻上小 孔 小孔要均匀 待浇注完毕后 打开水阀 水均匀地浇 在铸型上面 达到均匀冷却的效果 试验对水冷及未水 冷铸件的金相 硬度和拉伸性能进行对比分析 3 组织和性能测试 金相组织采用O L Y M P U SJ X 7 1 6 2 3 0 光学显微镜 进行观察 在铸件的底部截取1 0m m 厚度的试样 采 用5 7 3 型布氏硬度测试机在距外表面分别为1 4 8 m m 处取3 点进行硬度测试 采用I n s t r o n1 1 8 6 万能 拉伸试验机测试试样的抗拉强度和伸长率 拉伸试样见 图3 拉伸试样从铸件本体取样 取样位置见图4 阴 影部分为拉伸试样取样区域 由外到内分别取3 个 试样 图3 拉伸试样尺寸结构示意田 4 试验结果及分析 4 1 转速对铸件性能的影响 表2 为转速与铸件上端口处壁厚 空心部分深度 硬度及拉伸性能关系的测量结果 从表2 可以看出 转 速为13 0 0r r a i n 时 铸件的壁厚只有5m m 内径为2 2 m m 深度为1 2 4m m 内径大了 无法加工出毛坯内径 万方数据万方数据 A Z 6 1 镁合金挤锻复合成形技术研究李亚宁等 2 2 铸态显微组织 根据M g A I 二元合金相图可知 M g A I 共晶温度 为4 3 7 在该温度下 A l 的最大溶解度为1 2 7 溶 解度随温度的降低而降低 在室温下 镁合金A Z 6 1 的 主要组织为a M g 相和p M g A I 2 相 M g A I 2 相为体 心立方晶体结构 其点阵常数a 1 0 5 43 81 1 m 本试 验A Z 6 1 镁合金中的铝含量为6 1 1 p 相的数量随A l 含量的增加而增多 图2 为A Z 6 1 镁合金的铸态显微组织 由图2 可 见 初生的a M g 固溶体 灰白色 呈块状分布 晶粒大 小不等 晶体取向没有明显方向性 a M g 固溶体的晶 界上呈网状分布的灰黑色组织为离异共晶体a M g p M g A I m 即共晶a M g 依附于初生的a M g 基体相 伊M g A I z 则以大小不等的不规则颗粒状分布于共晶 体内 而a M g 基体存在大量不同位向的细小亚晶 a 低倍 b 而倍 圉2A Z 6 1 镁合金铸态显微组织 2 3 挤压成形分析 镁合金在室温下发生塑性变形时 只有基面滑移系 能够开动 不能满足V o nM i s e s 准则 因此 镁合金被 认为是难变形材料 在高温条件下 原子振幅增大 从 而使锥面滑移和柱面滑移等非基面滑移系的临界剪切 应力大幅下降 这些滑移系参与到塑性变形中来 使得 镁合金的变形加工能力得到明显改善n 叫 因此镁及镁 合金的挤压加工 通常都是在高温下进行的 特别是 在动态再结晶温度以上进行 A Z 6 1 镁合金在3 8 5 挤压时金相显微组织见图3 由图3 可以看出 A Z 6 1 镁合金挤压后在大的原始 晶粒周围出现了均匀细小的等轴晶粒 属于典型的再结 晶组织 在平行于挤压方向的纵断面组织中 能观察到 未发生再结晶而被拉长的纤维组织 属于混晶组织 A Z 6 1 挤压态镁合金呈现共晶组织形貌 其中大块灰白 色晶粒是先共晶a M g 固溶体 在先共晶a M g 固溶体 晶界上的灰黑色相是p M g tA I 离异共晶体 这种组织 上的不均匀性通常会造成材料性能的不均匀 a 横 面组织 b 纵断面组奴 图3A Z 6 1 馒舍金挤压态显微组织 动态再结晶通常开始于旧晶界处 新的晶粒又在正 在长大的再结晶晶粒边界形核长大 这样就形成了再 结晶晶粒的增厚带 1 由于大量的塑性变形造成金属 晶体结构的严重畸变 为再结晶发生提供了有利的条 件 加上挤压热的作用 很容易发生动态再结晶 再结 晶时从晶格严重畸变的高能位区域产生大量的晶核 从 而使晶粒细化 而晶粒细化是改善多晶镁变形结构特 征 提高镁合金性能的重要途径之一 多晶体在外力作用下发生塑性变形时 晶体内的位 错不断滑移或者晶体内出现机械孪生 同时晶体的取向 也会随之作相应的转动 理论和实际都表明 当变形量 很大时 多晶体中原为任意取向的各个晶粒往往会逐渐 调整其取向而彼此趋于一致 从而使晶粒形成具有择优 取向的组织 即形成了变形织构 同一种材料随加工方 式的不同 可能出现不同类型的织构 在挤压变形方式 下 金属产生丝织构 其特征是各晶粒的某一晶向与拉 拔方向平行或接近平行O z 1 3 2 4 等温锻造 镁合金导热系数为1 5 7W m 1 K 几乎为铸 钢的2 倍 接触模具后降温很快 变形抗力增大 塑性降 低 充填性能下降 再加上锻造温度范围窄 因此应采用 等温锻造方法成形 镁合金的锻造温度比固相线低5 5 左右 本试验 在4 0 0 温度下进行锻造 锻造采用A Z 6 1 镁合金挤 压态预成形坯料 获得的均匀组织有利于进一步的塑性 变形 同时减小力学性能的各向异性 试验结果表明 挤压态A Z 6 1 镁合金等温锻造试样充型饱满 表面质 量好 晶粒度尺寸细小均匀 流线分布合理 无紊乱流 线 涡流和穿流现象 A Z 6 1 挤压态镁合金锻后显微组 织见图4 由图4 a 可以看出 锻后晶粒进一步细化 仅能观察 到少许分布散乱的原始粗大晶粒 材料组织几乎完全 由细小的再结晶晶粒构成 由于锻造过程中只允许试 3 8 5 万方数据万方数据 一特种铸造及有色合金2009年第29卷第4期 图5 不同冷却方式谤件的硬度 因是离心力的作用 离心力越大使铸造合金的晶粒尺 寸越小 硬度越高 朝 其次 由于采用水冷系统 铸件外 层要比铸件内层的水冷速度快 使得外层的晶粒比内层 的细小 因此外层硬度高 同时该合金的凝固方式为糊 状凝固 由外向内逐步凝固 最终铸件内侧凝固得不到 好的补缩 因此在铸件最后凝固的内层容易形成缩松及 缩孔等缺陷 致使铸件的内部硬度下降幅度较大 此外 由于内部合金液同空气接触的时间长 铸件内部气体不 易排出 极易吸气 铸件的内侧还会有气孔产生 也会造 成铸件硬度的下降 4 5 水冷对铸件抗拉强度和伸长率的影响 图6 为不同冷却条件下 铸件力学性能曲线 可以 看出 经水冷与空冷的铸件的抗拉强度及伸长率都随着 铸件壁厚的增加而降低 水冷后铸件抗拉强度和伸长率 下降趋势较为平缓 在同一位置取样 经水冷的铸件的 抗拉强度和伸长率都比空冷的铸件大幅度提高 砸外裹面距离 m 田6 不同冷却条件对铸件力学性能的影响 铸件成形时 外层金属的冷却速度比内层金属冷却 速度快 外侧晶粒更细小 因而铸件外层拉伸性能与伸 长率好于内层金属 其次 金属液在离心力作用下旋转 成型时 铸件外侧受到的离心力较大 使外侧组织比内 侧组织致密 而金属液中的杂质质量较小 会停留在铸 件的内侧 因而金属管状铸件靠近中心部位的力学性能 要比铸件的外表面差 8 3 最后 空冷的铸件晶粒极易长 大 而且铸件内部容易形成缩松 缩孔 严重影响了铸件 的抗拉强度及伸长率 5结论 1 锡青铜小口径涨圈合理的工艺为浇注温度应在 3 9 0 9 8 0 I1 0 0 之间 模具预热温度为3 8 0 模具的使 用温度为4 0 8 0 石墨浇口杯的预热温度为6 0 0 立式离心铸造锡青铜Z Q S n l O 1 铸件转速应在14 0 0 r r a i n 左右 2 过滤网的使用能明显减少铸件的表面气孔及夹 渣缺陷 显著提高铸件的表面质量 3 水冷能明显细化铸件的组织 减少缩松缺陷的 产生 并能大幅度提高铸件的硬度 使铸件内外层硬度 趋于均匀 且能显著提高铸件的抗拉强度和伸长率 考文献 1 韩囊 郭二军 涨圈材料弹性模量及横向断裂韧性的研究 刀 黑龙 江冶金 2 0 0 7 1 I 3 E 2 3L E E F ESE H O B S O NRM N A UBS A ne x p e r i m e n t a ls t u d yo f h i g hs p e e dm e c h a n i c a ls e a ls t a b i l i t y J L u b r i c a t i o nE n g i n e e r i n g 1 9 9 4 2 5 0 5 2 3 3 古乐 王黎钦 齐敏霁 等 涨圈高速旋转密封失效及涨 的表面处 理 J 润滑与密封 2 0 0 0 3 2 8 2 9 4 期克林 锡青铜厚壁套筒件内壁皮下缩松原因的分析 J 机车车辆 工艺 1 9 8 4 1 1 1 7 1 8 5 曾昭昭 特种铸造 M 杭州 浙江大学出版社 1 9 9 0 6 铸造有色合金及其熔炼编写组 铸造有色合金及其熔炼 M 北京t 国防工业出版社 1 9 8 0 7 司乃潮 傅明喜 有色金属材料及制备 M 北京 机械工业出版 社 2 0 0 6 8 3 苏义祥 门志慧 张子龙 等 铬青铜铸件离心铸造的缺陷分析及预 防措施 J 铸造 2 0 0 3 5 2 1 2 I1 8 9 11 9 1 编辑 刘卫 国内最大的复合铸钢支承辊 在中钢邢机浇注成功 近日 历时近两个小时浇注 直径l8 0 0m m 总长84 6 0m m 毛重1 0 9 吨 国内吨位最重 规格 最大的复合铸钢支承辊浇注成功 此次成功浇注的大型复合铸钢支承辊 生产工 艺采用目前国内最先进的铸造 冶炼及浇注技术 生产组织 流程控制上更加严格 科学 为确保该 轧辊产品毛坯浇注成功 公司从工艺工装及生产工 具准备 各工序岗位定员定责 到梳理整个生产流 程 建立完善体系 为该产品的整个生产过程的顺 利进行提供了有力保障 此次大型复合铸钢支承辊浇注成功 不仅刷新 了企业复合铸钢支承辊生产的多项纪录 达到国内 先进水平 同时为企业生产大型中厚板支承辊积累 了宝贵经验 中钢邢机报道 万方数据万方数据 离心铸造锡青铜小口径涨圈离心铸造锡青铜小口径涨圈 作者 郭二军 厉彦斌 李艳春 作者单位 哈尔滨理工大学材料科学与工程学院 刊名 特种铸造及有色合金 英文刊名 SPECIAL CASTING NONFERROUS ALLOYS 年 卷 期 2009 29 4 参考文献 8条 参考文献 8条 1 韩鹏 郭二军 涨圈材