铜合金铸件铸造缺陷及防止对策

铜合金铸件铸造缺陷及防止对策清华大学曾大本1、铜合金铸件缺陷及其主要原因2、艺术铸造铜合金的冶金特性3、铜合金的熔炼原理及工艺铜合金铸造缺陷的大分类编号特征简图1000多肉铸件表面出现厚度不规则的多余金属，有时多肉中含有金属或非金属杂物2000孔洞发生在铸件内部的孔或在表面出现的坑洼3000裂纹贯穿整个铸件断面的裂纹或未贯穿的裂纹，发生部位不定4000铸件表面粗糙仅指表面凹凸不平5000浇不到金属液充型不足，铸件缺一部分表1铜合金铸造缺陷的大分类（续）编号特征简图6000尺寸或形状有误尺寸误写或与图纸不符7000夹杂物与金属组织不匀含有砂粒、氧化物，在表面也有显露；经落砂、酸洗或切削加工后，表面的夹杂可除去，虽留有孔的痕迹，但不同于编2000的孔8000变形和弯曲形状、尺寸虽都无误，但局部或整体有变形翘曲9000肉眼看不到的缺陷铸件看似健全，但用特殊检查方法发现的缺陷表1续铸造缺陷和熔化、浇注、凝固的基本性质生成气孔的气体*凝固机制形成的缺陷化合物气体氧化物夹杂的产生凝固方式收缩缺陷偏析铜铸件H2H2O，SO2，（CO）逐层凝固大收缩孔青铜铸件H2H2O，SO2（含Zn5%时，无）容积凝固细小收缩孔多易反偏析铅青铜铸件H2H2O，SO2容积凝固细小收缩孔多易反偏析磷青铜铸件H2无容积凝固细小收缩孔多易反偏析黄铜铸件H2无含Al合金铸造时产生AI2O3逐层凝固大收缩孔高强度黄铜H2无熔化、铸造时产生AI2O3逐层凝固大收缩孔铝青铜铸件H2无熔化、铸造时特别容易产生AI2O3逐层凝固大收缩孔表2气孔、针孔缺陷示意图气孔：a、b、c针孔：d、eabcde图1缩孔、缩松缺陷示意图外缩孔内缩孔缩松图2铜合金铸件铸造缺陷分类及其主要原因主要原因铸造缺陷模型装置砂箱装置砂的性质的有机材料造型材料中制芯作业造型作业合箱金属液铸件设计(浇冒口系统)铸造工艺方案浇注温度浇注技术不注意1、错箱○○○2、浇不到○○○○○○3、冷隔○○○○○○4、（砂型）压崩○○○5、胀箱○○○6、壁厚尺寸偏差○○7、冲砂○○○○8、夹砂○○○表3铜合金铸件铸造缺陷分类及其主要原因（续）主要原因铸造缺陷模型装置砂箱装置砂的性质的有机材料造型材料中制芯作业造型作业合箱金属液铸件设计(浇冒口系统)铸造工艺方案浇注温度浇注技术不注意9、表面气坑○○○10、烧结粘砂、机械粘砂○○○○11、内侧面包芯砂○12、表面不完整13、虫眼表面○○○14、表面锈迹○15、锡汗、铅汗○○16、表面粗糙○○○○表3续铜合金铸件铸造缺陷分类及其主要原因（续）主要原因铸造缺陷模型装置砂箱装置砂的性质的有机材料造型材料中制芯作业造型作业合箱金属液铸件设计(浇冒口系统)铸造工艺方案浇注温度浇注技术不注意17、表面麻点○18、褪色（A1青铜）○19、固体夹杂○○○20、缩孔○○○21、热裂○○○○22、粗晶组织○○○23、气孔○○○○○24、铸件清理缺陷○1112177211310653表3续2、艺术铸造铜合金的冶金特性艺术铸造铜合金的独特要求：①合金应满足艺术铸品的使用要求——耐蚀性、色泽、声学特性和机械性能②合金应满足各种工艺要求——铸造成形性能、可焊接性能、可打磨加工性能和表面着色性能2.1青铜锡青铜——历史悠久的一种艺术铸造合金无锡青铜——近代发展起来的新型青铜2.1.1锡青铜（1）锡青铜的组织和性能铸态：α固溶体和（α+δ）共析体α相——锡溶于纯铜中的置换型固溶体，塑性良好δ相——以金属间化合物（Cu31Sn8）为基的固溶体，硬而脆耐磨性好（δ相硬质点镶嵌于软基体中）耐蚀性高（在蒸汽、海水和碱溶液中）铜—锡二元相图图3含锡量对青铜机械性能的影响含锡量对青铜机械性能的影响图4锡青铜的结晶温度范围很宽，凝固速度较慢时，容易形成缩松，这是导致锡青铜铸件渗漏的主要原因。进行均匀化退火后，α枝晶消失，能防止铸件渗漏。但是分布均匀的显微缩松能储存润滑油，对于耐磨零件是有利的。锡青铜呈糊状凝固，枝晶发达，很快就在铸件内形成晶体骨架，开始了线收缩，此时凝固层较薄，高温强度又低，因此铸件容易发生热裂。反偏析是锡青铜铸件中常见的缺陷，铸件表面会渗出灰白色颗粒状的富锡分泌物，俗称“冒锡汗”。“锡汗”中富集δ相，造成铸件内外成分不均匀，降低合金力学性能，而且使组织更加疏松，引起渗漏，同时，表面富集坚硬的δ相，恶化切削加工性能，加工后的表面会出现灰白色斑点，影响表面质量。反偏析层一般有5mm左右，严重时可深入表皮下25～30mm。凝固速度越慢，反偏析越严重。出现反偏析的原因是锡青铜的结晶温度范围宽，枝晶发达，低熔点的富锡δ相被包围在α枝晶间隙中，此时氢的溶解度因温度下降而急剧降低，呈气泡形成析出，产生背压，把富锡熔体推向枝晶间隙中心。而在凝固后期，铸件从内到外仍存在着大量的显微通道，在氢气泡形成的背压和固态收缩力内外夹攻下，迫使富锡溶体沿α枝晶间的显微通道向铸件表面渗出，堆积在铸件表面。防止反偏析的工艺措施有：放置冷铁，提高冷却速度，出现层状凝固。调整化学成分，如加入锌，缩小结晶温度范围。采取有效的精炼除气措施，减少合金中的含气量。锡青铜中合金元素的作用①锌锡青铜中加入锌可缩小锡青铜的结晶温度范围，提高合金的流动性，减小产生缩松的倾向。且熔炼时锌的蒸汽压较高，所形成锌蒸汽可防止铜和锡元素氧化，净化合金，降低产生气孔的倾向。锌对锡青铜的组织和性能的影响与锡相似，但加2%锌只相当1%锡的作用。而锌的价格只有锡的1/5，故用锌代锡还可降低成本。锌含量超过5%，易使纹饰不清晰，易受腐蚀，难以生成文雅的绿色外膜。现代室外艺术铸件常选用含锌的锡青铜，俗称炮铜。锡青铜中合金元素的作用②铅铅的硬度很低，在锡青铜中以质点状分布，提高合金的耐磨性能，也给青铜的加工带来方便。同时铅的熔点低，提高了锡青铜的流动性。凝固时铅富集在枝晶间的孔隙中，减少缩松，防止渗漏，一般铅含量在5%左右防渗漏效果最好。青铜中铅比重较大，过量的铅会引起重力偏析，所以含铅锡青铜浇注前须注意搅拌，采用水冷或金属型来加快冷却，防止偏析。锡青铜中合金元素的作用CuSnPb系合金在室温状态下金相与颜色以及合金成分与强度、延伸率的关系。图5Cu-Sn-Pb系合金在室温状态下金相与颜色的关系图6Cu-Sn-Pb系合金的抗拉强度σb/（kg·mm-1）图7Cu-Sn-Pb系合金的延伸率锡青铜中合金元素的作用③镍青铜中镍无限地溶于α固溶体内，促使α树枝状晶体发达，因而加入微量的镍可以减轻锡铅的偏析。加入1%～2%的镍，便能使晶粒细化，提高机械性能、耐腐蚀性能和热稳定性，改善青铜的铸造性能。较多的镍会使青铜颜色变白。④铁铁的主要作用与镍相似，可以细化晶粒，提高强度，改善着色性能。但含量必须控制在5%以下，否则使青铜发脆，同时降低耐腐蚀性能。锡青铜中合金元素的作用⑤铝在锡青铜中铝是有害杂质，它使着色困难。只要含铝0.5%，表面便从暗红色转为金黄色，进而成银白色。但在无锡铝青铜中，铝能提高强度、耐腐蚀性和铸造性能。⑥磷在锡青铜中必须加0.03%～0.06%的磷来脱氧，以改善铸造性能，过量易产生脆性相Cu3P，且降低着色效果。⑦硅青铜中加入硅，便会使其机械性能及铸造性能恶化，但能增加耐腐蚀性能，硅使表面呈暗赤色到茶色，有时呈葡萄色，因表面覆有一层很致密的SiO2膜，使着色困难。艺术铸造用的锡青铜主要化学成分/%杂质/%≯备注名称、牌号SnZnPbAlCuSbFeAl总和ZCuSn2Zn31.8～2.22.5～3.5余量金黄色ZCuSn3Al22.5～3.51.～3.5余量金黄色ZCuSn12Mn110～1.50.1～0.250.2～0.3Mn1.0～1.25余量金黄色，可室外用ZCuSn5Zn5Pb54.0～6.04.0～6.04.0～6.0余量金黄色，可室外用，炮铜ZCuSn10Zn29.0～11.01.0～2.0余量金黄色，可室外用，炮铜бX5.0～7.05.0～7.01.0～4.0余量0.50.50.1原苏联艺术铸造专用，可室外用BC12.0～4.08.0～12.03.0～7.079.0～83.02.0日本标准JISH5111—79BC64.0～6.04.0～6.04.0～6.082.0～87.02.0日本标准JISH5111—79BC75.0～7.03.0～5.01.0～3.086.0～90.01.5日本标准JISH5111—79，可室外用4.51.55余量日本东京艺术大美术铸物用G-CuSn5ZnPb4.0～6.04.0～6.04.0～6.084.0～86.00.30.3P0.05S0.10德国标准，炮铜C903007.5～9.03.0～7.086.0～89.00.20.150.005Si0.0051.76美国标准ASTMB584，可室外用容器类礼器12.0～18.01.0～5.0余量商晚期青铜器统计成分表4（1）铸造响铜是一种锡青铜或硅青铜，含锡量一般较高，由图4可知，这种锡青铜具有高的强度和低的塑性。表5为部分响铜的化学成分。响铜的铸造性能很好，可浇出各种精巧艺术品，但是含锡量过高易碎，并且硬度高，加工也困难。2.1.2响铜和镜铜部分响铜的化学成分化学成分/%品种、牌号CuSnPbZnFeSi备注曾侯乙编种（甬钟）85.0813.761.31＜0.01＜0.1战国曾侯乙编种（甬钟）78.2514.601.77＜0.01—战国曾侯乙编种（钮钟）77.5414.463.190.02—战国铃80.6216.880.040.930.11西周梵钟80.014.01.3甘肃武威,唐朝梵钟70.010.016.0江苏丹阳，唐朝永乐大钟80.5416.41.12北京，明代沙皇钟（钟王）84.51.2513.9俄罗斯，1735年铜鼓72.49.613.4算术平均值，隋、唐、宋时代铜鼓73.910.510.1算术平均值，明、清时代C9130079.0～82.018.0～20.0≯0.25≯0.25≯0.25≯0.005美国标准ASTMB22，铸钟、铃用C87300≮94.0Mn0.8～1.5≯0.20≯0.25≯0.023.5～4.5美国标准ASTMB584，硅青铜，铸钟、铃用C87610≮90.0Mn≯0.25≯0.203.0～5.0≯0.203.0～5.0美国标准ASTMB584，硅青铜，铸钟、铃用表5（2）铜镜问世于玻璃镜之前，人们以锡青铜经研磨抛光后制成燧（聚光镜，取火用）和鉴（镜子）。表6为部分战国、汉、唐铜镜的化学成分。由图5、图7可见，铜镜的含锡量很高，故色白，硬而脆，磨抛后镜面既白且亮，反光性能好，利于映像，但易碎。唐以后，铜镜中锡量渐少，锌量增多，颜色变黄，映像效果变差。化学成分/%年代CuSnPb战国66～7119～251～3.5西汉（17面镜平均成分）67.8224.625.73东汉（17面镜平均成分）68.5023.755.55唐69～7022.5～255～6表6部分战国、汉、唐铜镜的化学成分2.1.3铝青铜铝青铜是含8%～12%Al的铜铝合金，色泽金黄，大气中变色缓慢，也可作为艺术铸件用铜。图8Cu-Al二元相图α相为铝溶于铜的固溶体；β相是以电子化合物Cu3Al为基的固溶体，强度高，塑性好；γ2相是以电子化合物Cu32Al19为基的固溶体，性硬而脆。因此，合金中γ2相含量过多会使合金变脆。在缓慢冷却条件下，β相发生共析转变2C5652C5652C565形成的γ2相使合金变脆——称“缓冷脆性”。快冷时，β相来不及共析转变，合金组织为α+β相，强度高，塑性好。所以，铸件可在750℃左右空冷或水冷，以防缓冷脆性。加入合金元素，如Mn、Ni等可抑制缓冷脆性。铝青铜是工业中最常用的一种无锡青铜，其强度、塑性、化学稳定性及致密性均由于锡青铜，且铝青铜中不含锡，成本也较低，可用来代替锡青铜浇注艺术铸品。但铝青铜熔炼浇注时极易氧化吸气，且收缩大，铸件易产生气孔、缩孔，表面夹渣和裂纹。2.2黄铜黄铜有普通黄铜和特殊黄铜之分，普通黄铜为铜锌二元合金，若加入少量其他元素