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- ZCuSn10P1锡青铜推力瓦铸件的质量改进研究
- 作者：德阳东汽铸锻事业部 王鹏坤 徐俊洪 方铭 郭春林 张昊伟 类别：技术交流 日期：2018/1/15 15:10:30 访问：2774
ZCuSn10P1锡青铜推力瓦铸件的质量改进研究
德阳东汽铸锻事业部 王鹏坤 徐俊洪 方铭 郭春林 张昊伟
摘要：正/反向推力瓦广泛应用于我公司各型汽轮机组上，主要承担着轴向定位和轴向推力的作用，是重要的静止部件，其耐磨性要求较高，常用的材质为ZCuSn10P1锡青铜。以往生产的推力瓦铸件，常有气孔、偏析等缺陷，本文通过对铸造、熔炼和浇注等工艺进行一系列的改进研究，大大降低了缺陷率，改进了铸件质量。
关键词：推力瓦；锡青铜；缺陷；改进
1 前言
推力瓦，也称推力轴承，分为正向推力瓦和反向推力瓦，主要承担着轴向定位和轴向推力的作用，是重要的静止部件，在我公司D350A、D660P、D1000A等各型汽轮机组上均有应用。推力瓦的工作条件要求其具有极高的耐磨性，常选用锡青铜、钢坯+巴氏合金、钢坯+氟塑料等材质，我公司主要采用锡青铜材质，材料牌号为ZCuSn10P1，该材质具有较高的强度和伸长率，良好的耐磨性和抗腐蚀性能。ZCuSn10P1属无铅锡青铜材质，其吸气倾向大，极易产生气孔缺陷，同时，铸造过程中极易出现锡偏析，产生铸件缺陷。本文主要从ZCuSn10P1材质的铸造性能特征着手，通过对锡青铜推力瓦铸件的熔炼工艺、铸造工艺等进行一系列的优化研究，有效避免了上述缺陷的产生，改进了铸件的质量。
2 缺陷现状
由于锡青铜的结晶温度范围很宽，铸件有糊状凝固特性，容易在铸件内部产生组织疏松、晶粒粗大、致密性差、渗漏、偏析、热裂纹、内壁凹坑、喇叭口等缺陷[1]，从而降低材料的耐压性能，使铸件在较大压力情况下发生渗漏现象，并且材料的力学性能、耐磨性能和耐腐蚀性能直线下降。我厂生产的锡青铜推力瓦铸件主要存在如下几种缺陷：
2.1偏析缺陷
ZCuSn10P1材质中，锡是主要的合金元素，其密度比铜小，且在铜中的最大溶解度只有6%左右，扩散速度较慢，容易在冷却凝固过程中形成密度偏析，主要表现在：铜水浇注完毕后，凝固过程中，出现反锡（上表面冒“锡汗”）。锡汗是锡青铜铸件生产过程中，常出现的缺陷之一，严重降低铸件的机械性能，恶化切削加工性，严重时将造成铸件的报废。
2.2 气孔缺陷
铸造铜合金普遍具有易吸气的特点，相比纯铜，锡青铜的吸气倾向更大[2]。此前生产的锡青铜推力瓦铸件，气孔缺陷出现率高，主要表现在：铸件精加工后，显露出大小不一、分布不规则的气孔。
2.3 夹杂缺陷
夹杂缺陷主要源于铜水中的夹杂物，以及浇注过程中产生的的氧化物夹杂，主要表现在：铸件精加工后，夹杂物掉落，内部出现尺寸较大的夹杂型气孔。
上述三种缺陷出现次数较多，铸件在精加工工序的缺陷发生率为29.5%左右，造成铸件的大量报废，大大增加了生产成本，同时影响了铸件的产出周期。
3 熔炼工艺改进
生产制造锡青铜铸件，熔炼工艺对其质量有着十分重要的影响，需控制各主要元素及有害杂质的含量，分别从原材料、熔炼工艺等角度展开分析。
ZCuSn10P1材质的主要元素化学成分要求见表3-1：
3.1原材料
推力瓦铸件中的夹杂物，大多来源于铜水，而铜水质量的好坏，很大程度上取决于原材料的质量，故应加强对熔炼原材料的管控，采取进厂复验成分等措施，以降低原材料的杂质带入，提高铜液纯净度，从源头上避免夹杂缺陷的产生[3]。主要原材料为：阴极铜、锡锭和磷铜，进厂抽样复验成分含量分别为Cu 99.95%， Sn 99.95%，P 14.0%，符合采购规范。
3.2熔炼工艺
锡青铜的熔炼采用1t中频感应炉，熔炼流程如下：
坩埚预热→Cu→化清→1/5磷铜＋Sn送电搅拌→4/5磷铜→调温→出炉浇注 中频感应炉适合快速熔炼，且具有电磁搅拌作用，有助于抑制偏析，但中频炉熔炼易引入较多气体，造成气孔缺陷。生产中采取如下改进措施，加以避免：
（1）每次加入合金元素后以及在浇注之前，合金液必须适当加以搅拌，以免产生成分偏析。
（2）出炉前，加入冰晶石除渣，并做好炉内、包内的扒渣，避免产生夹杂缺陷。
（3）在出炉前加入0.05%～0.15%CuO，加强除氢；并在出铜水后，用除气机进行包内吹氩精炼和除气，氩气压力控制在0.5MPa～0.8MPa之间，时间控制在60s～100s之间。
4 铸造工艺改进
推力瓦铸件为圆环形结构，如图4-1所示：
对于此类圆环形结构铸铜件的生产，常采用金属型-重力铸造、金属型-离心铸造等方式，分别进行分析。
4.1 金属型-重力铸造
该种铸造工艺采用金属型作为外模，内模采用金属型或树脂砂型（含浇道），采用该铸造方式，容易产生缩松和偏析，主要是由于金属型预热温度较低、预热不均匀导致，浇注完毕后，若冷却较慢，锡凝固之前极易上浮，产生偏析，故应加快冷却速度，加速凝固。生产中采取如下措施，以避免缺陷的产生：
1）将铁平板、金属型表面进行打磨、加工，清除氧化渣和锈蚀，避免带入杂质。
2）金属型和铁平板的预热烘烤需达到以下标准：烘烤温度150℃~200℃，工作温度100℃~150℃。
3）铜液浇注完毕后，观察表面，发现反锡，立马对铸件进行冲水冷却。
4.2 金属型-离心铸造
该种铸造工艺仅需金属型作为外模，在离心机带动下高速旋转，将铜液注入其中做离心运动，形成圆环铸件，该工艺有助于液体金属中气体和夹杂物的排除，获得较致密的铸件，但影响离心铸造的因素很多，若控制不当极易产生疏松、偏析、热裂等缺陷，必须采取应对措施进行预防[4]。生产中采取如下措施，以避免缺陷的产生：
1）浇注温度、铸型厚度对离心铸造锡青铜气孔问题有很大影响，离心机浇注温度较砂型铸造略低5℃～10℃，根据壁厚选择适当的浇注温度，见表4-1：
2）控制离心机转速尤为重要，通过多次试验、对比，确定了最优的离心机转速，见表4-2：
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3）对于卧式离心机，浇注完后应立即抽出浇注槽，随后马上打开冷却水对模套进行冷却，防止出现反锡。
4）浇注完毕后，应保持离心机继续运转3min~5min，方可关闭电机，可以使夹杂物充分析出，同时保证铸件的致密性。
5 改进效果
通过实施上述工艺改进措施，2016年推力瓦铸件质量得到明显好转，气孔、夹渣等缺陷大幅减少。共生产正向、反向推力瓦铸件48件，仅2件产生气孔、夹渣缺陷，缺陷发生率为4.2%。
6 结束语
通过对ZCuSn10P1锡青铜推力瓦铸件缺陷产生原因的分析，在熔炼工艺方面，采取了加冰晶石、加CuO、吹氩精炼等措施，在铸造工艺方面，采取了金属型打磨、烘烤预热、冲水冷却、控制离心机转速、浇注温度等措施。改进后，推力瓦铸件缺陷得到有效控制，缺陷率由29.5%降低到4.2%，降低了生产成本，保证了制造周期，取得了良好的效果。
7 参考文献
[1]陆文华，李隆盛，黄良余.铸造合金及其熔炼[M].北京：机械工业出版社，1996：347-348. [2]聂小武.锡青铜的熔炼工艺及铸造缺陷防止[J].中国铸造装备与技术，2010（5）：24-25. [3]宋伟，张蕾蕾，宋鹏，李黎忱.从熔炼工艺提高锡青铜铸件质量的试验研究[J].铸造设备与工艺，2013（06）：74. [4]苏义祥.锡青铜铸件离心铸造的缺陷分析及预防措施[J].铸造，2003（22）：1189-1191.
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