紫铜结晶器低压铸造缺陷原因分析与对策

夏 翔，高 芝，王俊龙，金 伟，谢世坤

(井冈山大学机电学院，343009，江西，吉安)

0 引言

如图1为桶状紫铜结晶器示意图，顶部与圆形钢板焊为一体。结晶器采用重力砂型铸造，致密性差，易变形漏水，采用砂型低压铸造后，气密性、防漏水和耐冷却水压力的能力均有所提高[1-2]，但在生产过程中如何防止缺陷的产生，对得到优质铸件，提高铸件质量，降低生产成本具有重要意义。铸件质量的好坏与材料的铸造性能、升液管的形状、铸型工艺、各道工序的操作处理以及浇注工艺等因素有关。

本项目研究了紫铜结晶器砂型低压铸造生产中如何保证产品质量，防止低压铸造后缺陷的产生，进一步提高铸件气密性、防漏能力和产品合格率，为低压铸造获得品质优良的紫铜结晶器提供参考和技术支持，对实际生产具有借鉴意义和指导价值。

图1 桶状紫铜结晶器

1 主要缺陷及防止

1.1 主要缺陷

1.1.1 气孔 如果排气速度大于充型速度则“反压力”会产生在型腔中，迫使铜液以涡流状态上升流动，使得气体来不及全部从型腔中排出，金属液就包围住余下的气体而形成气孔。一般情况下，气孔会在铸件浇注位置的顶部或排气道旁边出现，因此为了预防万一，可将一定的裕量加在铸件的上部，即使出现气孔缺陷，铸件的气密性仍能保持。防止措施：将充型速度进行合理调控，范围在70～80 mm/s，铸型的排气通道要布置开设合理，在铸型的顶部和分型面上开设深0.5 mm，宽0.5～1 mm的排气槽。

升液管气密性差或焊接质量不好也是产生气孔的原因。若升液管受铜液严重侵蚀或升液管的焊接质量不好，浇注时露出液面的升液管部分一旦发生漏气，则铜液在进入型腔时，气体也会一同随之进入型腔。轻则在加工时会发现铸件内部有微型串状气孔，重则由于形成气泡使铸件无法成形。避免方法：对升液管的气密性要严格要求，水压试验用于所制做的升液管，压力试验合格方可使用；多次反复使用的升液管，由于气密性逐渐下降，所以多次使用前检查气密性都是很有必要，以免使用中出现泄漏现象，不要勉强使用腐蚀严重的升液管。

型芯如果透气性差或内部含有较多发气性物质则浇注时型芯遇热后产生的气体就会较多，加上铸型的排气是有限的从而也会形成气孔。避免方法：型芯要烘干，最好使用时才出炉，使之保持一定温度；制作型芯时要把通气孔扎好，注意发气性物质不要混入其中，以减少产生气孔的因素。

控制好适当的浇注温度，过低或过高都不好。浇注温度太低时，则来不及排出金属液中所卷入的气体，则气孔就容易产生于铸件中。浇注温度过高，冷却后，铸件的晶粒粗大，缩松易产生于铸件中。

铸件的外层边缘更容易产生气孔。边缘气孔(气袋)产生的主要原因是：1)充型速度太快，会对型腔造成很大的冲击，紊乱的铜液使型腔内气体来不及排除，而包在型腔内所致；2)铸型排气不畅，型腔内气体来不及排除而造成极大反压力形成气袋，或以上两者兼有，所以必须严格掌握充型工艺和搞好铸型排气[3]。内表面的气孔，特征是半圆形，内部光亮，直径2～4 mm。主要是由于型芯温度太低或返潮，合型后铸型的热辐射使型芯表面的涂料产生少量蒸气而小水珠得以形成，浇注时，由于温度升高，小水珠转化为蒸汽而形成小气孔，因此浇注时要掌控型芯的温度。

1.1.2 渣孔 通常称为“夹杂”，在金属充型时，由于升液管上的涂料、粘结物的脱落、坩埚上的熔渣、铸型上的涂料脱落，以及砂芯上的砂尘等物会一起卷入型腔中从而使铸件形成渣孔的缺陷。

氧化夹杂物是渣孔的主要来源。铜液在充型及浇注过程中产生氧化夹杂物是由于金属液在充型流动过程中产生紊流、涡流，氧化膜往往被卷入铜液内产生氧化夹杂。由于铜液充型时温度快速下降，氧化夹杂物难以在凝固前聚集被排除掉而形成渣孔，常常出现在铸件上表面或型芯下表面及死角处。

可采取以下办法避免：采用合理的浇冒口系统及浇注工艺，浇注前要把升液管中的氧化渣扒除干净，控制充型速度，保持铜液充型流动平稳；紫铜熔炼要严格执行紫铜熔炼操作规则；铸型水分含量要严格控制，采用涂料或加入煤粉等碳质材料形成还原性气氛以减少氧化夹杂物。

1.1.3 表面缺陷 一些细小的，很浅的麻点出现在铸件表面称为表面缺陷，此缺陷对铸件影响不大，只是对铸件表面光洁度和美观度有影响。防止措施：将型芯烘烤透彻，铸型的预热温度要严格控制。

与重力铸造相同，当浇注温度过低以及铸型预热温度过低时，液态金属流动性变差，冷隔缺陷就容易产生，甚至不能成形。此外由于本身铸造特点不同，在低压铸造中经常出现冰冻花纹和冷隔流痕。避免办法：浇注温度和铸型温度要合理掌控，铸型排气能力要提高，金属液充型速度要合理控制。

1.1.4 表面氧化渣 铸件表面和内浇口两侧易出现氧化夹渣。根据铸件氧化夹渣产生的原因可采取以下措施进行避免：1)要将涂料彻底烘干；2)铸型预热温度不能低于100 ℃；3)铜液充型开始时速度不能太快，否则会对型腔壁有较大冲击力；4)升液管的上部要烘干，升液管中的氧化渣要扒除干净。

1.1.5 浇不足 浇注时如果铜液温度过低，则影响铜液流动性，铜液未到型腔顶部就凝固，导致铸件上部浇不足，甚至铸件顶部一半不能充满。此外，如果升液管温度太低，则铜液上升时，温度会急剧下降，因此浇注前应将升液管加热至见红。另外浇注时如果铸型温度过低，铜液充型时温度会急剧下降而丧失流动性，为此必须严格控制铸型温度。

1.1.6 裂纹 裂纹主要产生于外层壁边缘，裂纹位置不固定，呈纵向分布，不是因为收缩受阻而形成。主要有以下原因：1)铸型涂料太薄，导致铸型冷却太快铸型温度过低；2)充型太快，使铜液在型腔内上升时造成极紊乱状态，充型液面不平稳；由于铜液接触金属型先后不一，从而在同一平面上就出现温差，促使在凝固过程中或刚凝固后即形成应力而发生裂纹，同时其表面形成冰霜状花纹；3)由于铸型温度不均匀(且偏低)，当铜液接触时局部立即凝固，造成应力而产生裂纹，因而型温均匀是很重要的；4)铜质不良，如果铜的内部有杂质或气体，则在凝固时在铜的内造成局部热脆从而易形成裂纹，因而要特别重视紫铜的精炼。至于由于工艺上壁厚不均匀，开箱过早等均可能造成裂纹，则应注意操作规范即可[4-5]。

1.1.7 内表面粗糙 内表面粗糙会使电渣熔铸铸件表面质量受到影响，主要是由于铜液充型速度太快，铜液以极高速度冲入型腔，在反压力作用下，使型芯突然承受很大的压力，铜液强力地挤入砂粒之间，形成小凸点，即俗称‘鸡皮疙瘩’；另一方面是由于制芯紧实不够而使铜液粘砂所致。

1.2 改进措施

浇注前，扒除升液管中的氧化渣；在熔炼中须采用覆盖剂，以防铜液氧化和吸气，同时进行快速熔炼，严格控制熔炼温度(不允许超过1 220 ℃)；浇注温度在1 100～1 200 ℃之间；搅拌铜液时不应过激，也不宜倒换坩埚，以防氧化或氧化物混入铜液中。

必须使用彻底烘干的涂料，铸型最好在200～250 ℃之间进行预热，铸型的预热温度一定要大于100 ℃。铜液充型时一定要使得充型速度均匀，升液管刷涂料后要将升液管烘烤至红色。

降低涂料导热系数，涂料改为由水、过烧石棉粉、水玻璃、氧化锌等配置组成的涂料，成分配制见表1。

表1 涂料成分表/%

可用以下方法进行配置：水玻璃加入量为总量的5%，先将其倒入温度不低于80 ℃的热水中均匀搅拌，然后将石棉粉(过筛后)和氧化锌倒入调制好的水玻璃水溶液内并仔细均匀搅拌，这样可以将涂料导热系数降低，涂料的涂层厚度约1 mm，尽量涂厚一些，铸型的预热温度尽量高一些。

2 遇到的问题及解决办法

1)铜水压不上去。可选用内径较大的升液管，铜水的出炉温度：1 140～1 160 ℃，升液管烤至暗红色。

2)铜水喷射。当发生这种现象时，可将压力降至充型压力后再行增压，在铸型上方加防护罩。

3)铸型内铜水倒流。上方压力冒口通气过早，使上方压力大于下方压力而引起铜水倒流，可采用上方冒口不再通气增压的方法来预防。

3 结论

1)型芯要烘干，最好使用时才出炉，使之保持一定的温度；制作型芯时通气孔要扎好，以避免发气性物质混入其中，合理开设布置铸型上的排气通道，注意紫铜的精炼。

2)铸型最好在200～250 ℃之间进行预热，铸型的预热温度一定要大于100 ℃，要对熔渣处理干净，认真做好对铸型的合箱、砂型的装配以及对铸型和升液管涂料的喷涂。

3)选用内径较大的升液管，所制做的升液管压力试验合格后方可使用，不要勉强使用腐蚀严重的升液管；铜水的出炉温度：1 140～1 160 ℃，喷刷涂料后的升液管要烤至暗红色；合理掌握铸型温度及浇注温度，提高铸型的排气能力，控制铜液充型速度，保证充型平稳，浇注温度控制，不可过高或过低。