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硅黄铜铸件的渗漏缺陷分析
范晓明1，李卓球1，谭志强2，肖洪亮2，谢森林2，刘亚龙2
(1.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉430070；2.湘潭电机力源铸造有限公司，湖南湘潭411101)
摘
要：为了满足耐海水腐蚀、高导热率和承压能力要求，冷却器盖均采用硅黄铜制造。某厂在冷却器盖的生产过程中，铸件废品率高达60%，主要问题是铸件在水压测试中出现渗漏。分析了冷却器盖铸件的渗漏缺陷。结果表明：硅的加入量和浇注温度偏高，硅熔化不完全是导致此类铸件产生渗漏的主要原因。针对性地采取措施后，冷却器盖铸件的成品率大幅提高，达到了90%以上。
关键词：冷却器盖；硅黄铜；渗漏；铸造工艺
冷却器盖是冷却器中比较重要的部件，必须具有良好的耐海水腐蚀能力和具有很高的密封性，尤其是在高压力下的气密性和水密性。硅黄铜ZCuZn16Si4的主要特点是在大气、海水中有较高的抗腐蚀能力，比一般黄铜抗应力腐蚀性好，具有较高的硬度和优良的铸造性能，因此，成为冷却器盖材质的首选。长期以来，某厂生产的冷却器盖铸件总是存在渗漏、渣气孔等铸造缺陷，大部分铸件难以满足压力性能检测要求，废品率高达60%左右，导致总装工期滞后，生产成本增大。本文旨在分析冷却器盖铸件产生渗漏的原因，为实际生产的改进提供依据，以提高冷却器盖铸件的成品率。
1
冷却器盖铸件的生产概况及性能要求
1.1
生产概况
铸型：粘土砂干型。造型完成后需在600℃下进行烘干，在烘干后4h内必须进行浇注。型砂配比为：旧砂60%，锯木屑0.5%，粘土6%，余为新砂(20～40目天然石英砂)。
熔炼：采用0.5t中频感应电炉内衬石墨坩埚进行熔炼。配料化学成分为：3.5%Si，16.5%Zn，余为铜。回炉料≤40%。原材料铜为标准阴极铜或含铜量不低于99.5%的紫铜类报废铸件及其浇冒口；锌为纯锌锭；硅为结晶硅。
采用水平分型浇注系统，浇注系统增设过滤网和集渣包。砂型上扎暗出气孔。在热节及重要加工面处放置冷铁。根据冷却器盖铸件的质量和尺寸大小[1]，确定铸件最小铸出壁厚、最小铸出孔、尺寸公差和机械加工余量、铸造收缩率、铸件的开箱时间。
1.2
主要性能要求
力学性能达到ZCuZn16Si4材质要求。加工好的铸件需做水压试验：0.8MPa，1h或1.0MPa，15min。铸件不许补焊。铸件表面和机加工面出现渣、气孔或显微疏松，一律报废。
2
主要铸件缺陷及分析
冷却器盖铸件的废品主要来自于压力测试中发生的渗漏，其数量接近该类铸件总产量的60%，严重影响了冷却器的生产进度和厂方的经济效益。尽管采取了干型、增强型砂的透气性、加强排气、浇注系统中加SiC陶瓷过滤网片等工艺措施，化学成分分析和力学性能测试均满足国家标准要求，但仍然不能使产生渗漏的铸件数量降低。因此，在铸件的渗漏部位进行了取样，制成金相试样，利用日本进口电子探针对试样进行了分析。
图1(a)是发生渗漏部位试样的金相全貌图，其中清楚地显示了渗漏通道的存在，有孔洞和显微缩松，构成了空间渗漏网络。图1(b)为渗漏部位局部放大图，从中可以发现基体上分布有块状和颗粒状的物质。
(a)
全貌图
(b)
局部放大图
图1
渗漏部位金相图(未腐蚀)
为了比较分析，在渗漏区域，见图1(b)，选择杂质点1和正常点2，在试样的非渗漏区域选择点3进行了电子探针分析，1、2和3点的电子探针图谱分别如图2(a)～(c)，探针分析结果见表1。
从图2和表1可以清楚地发现，杂质点1的颗粒中含有较高的硅、氧量，而正常点2处几乎不含氧，硅的含量也较低，与非渗漏区域点3的电子探针图谱和分析结果接近，在材质要求的正常范围内。因此可以推断，这一现象的形成与熔炼时添加的结晶硅没有完全熔化及其偏析有关。渗漏处含氧量较高，SiO2含量较高，说明结晶硅被氧化成氧化夹渣。其他金属亦有氧化物存在。氧化物夹杂导致该处组织显微缩松，极易形成渗漏通道而使铸件渗漏。这是该类冷却器盖在水压试验中产生渗漏的主要原因。
黄铜中由于含锌量不同，力学性能也不一样，图3是黄铜的力学性能随含锌量不同而变化的曲线[2]。对于α黄铜，随着含锌量的增多，σb和δ均不断增高。对于(α+β)黄铜，当含锌量增加到约为45%之前，室温强度不断提高。若再进一步增加含锌量，则由于合金组织中出现了脆性更大的γ相(以Cu5Zn8化合物为基的固溶体)，强度急剧降低。(α+β)黄铜的室温塑性则始终随含锌量的增加而降低。铸造黄铜基本上都是α+β组织，可根据不同需要选择不同的α/β比例，确定最佳含锌量。
图2
1～3点电子探针图谱
图3
铸态黄铜的力学性能与含锌量及组织的关系
复杂黄铜的组织根据黄铜中加入元素的“锌当量系数”来推算。通常生产中ZCuZn16Si4硅黄铜的锌当量应在33%～42%。硅的“锌当量系数”为10～12。某厂的硅黄铜ZCuZn16Si4配料锌当量理论计算值为40%，很接近45%的危险线。由于配料时加入40%左右的回炉料，考虑到锌的烧损和加入锌时具有一定的除气效果，适当补加了一定量的锌。按照探针分析结果，点2和点3的锌当量分别为37.3%和38.5%，锌当量及元素成分均在铸件材质要求的范围内，说明配料成分正确。而点1的硅含量远远超出了标准的成分范围。事实上，由于熔炼条件所限，铸件容易在一定的小范围内产生锌和硅的富集，使该处锌当量过高从而产生γ相(以Cu5Zn8化合物为基的固溶体)，强度急剧降低，使力学性能不合格，难以承受要求的压力。所以仅凭平均化学成分的分析和试棒力学性能的测试并不能判定铸件是否渗漏。图4为渗漏部位(图1)的元素面扫描分析，其结果证明了上述分析的正确性。
图4
渗漏部位面扫描元素分布图
为了验证上述结论的普遍性，从另一报废的冷却器盖铸件的渗漏处取样分析，如图5所示。图中“+”处的成分分析探针图谱如图6所示，图7为渗漏处的面扫描分析元素分布图。
 
图5
另一冷却器盖铸件的渗漏处
图6
图5
中“+”处的成分分析探针图谱
图7
另一冷却器盖铸件的渗漏处的面扫描元素分布图
该冷却器盖铸件的渗漏处也存在显微缩松，Si、O元素含量较高，与前面铸件取样分析的结果完全一致。至此，可以明确断定硅对导致冷却器盖铸件的渗漏产生了极其重要的影响。上述分析结果完全排除了铸件渗漏由有害杂质元素引起的可能性。
虽然硅高可提高硅黄铜强度，但是，渗漏处探针分析结果表明，硅是导致显微缩松缺陷而使铸件产生渗漏的重要原因。因此，在保证铸件获得满足标准要求的力学性能的同时，适当降低硅的含量是十分必要的。由于铸件凝固温度越高，铸件产生显微缩松的机率越大。因此，在保证铸件充型完好的情况下，应尽量降低铸件的浇注温度[3]。
3
改进措施及其效果
在保证冷却器盖铸件铸造工艺设计、配砂及造型等方面基本正确并实施到位的前提下，主要在以下两方面进行了改进：一是配料时适当降低了硅的含量，由原来的3.5%降为3.0%左右；二是加强了ZCuZn16Si4的一次熔炼法的熔炼控制。铜与硅全部熔化后，升温至1120～1150℃，仔细搅拌。在1100～1150℃时逐块加入经预热的锌锭，边加边搅拌。在锌全部加完后，将合金迅速加热至锌沸腾。一次熔炼的合金容易造成偏析，应注意充分搅拌。硅全部熔化后再搅拌，如有硅上浮应压下。做到高温快速熔化，低温快速浇注。
在采取上述措施后，冷却器盖铸件渗漏问题基本解决，力学性能完全符合国家标准要求。改进后累计生产冷却器盖铸件246件，不合格件数为22件，铸件成品率达到90%以上。
4
结论
在冷却器盖的生产中适当降低硅的含量，并做到使结晶硅完全熔化，高温快速熔化，低温快速浇注是解决冷却器盖铸件渗漏问题的有效方法，值得推广。
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