高铝青铜合金叶轮的应用及工艺改进

【摘要】灰铸铁耐腐蚀性能差，为增强水泵的可靠性需要换材质为高铝青铜。本文对高铝青铜的铸造性能进行了研究。

我公司的产品是以井用潜水电泵为主，叶轮的材质一般为灰铸铁，但应根据输送的介质及客户要求来确定，如在海洋环境下使用，由于海水的腐蚀性大，导致水泵用不了多长时间，流量下降，效率降低，因此更换叶轮材质是当务之急。我公司最终选择的材质是高铝青铜。高铝青铜是以铜、铝为基，添加Mn、Fe、Ni等合金元素的多元铜基合金，因其具有优良的力学性能、耐磨和减磨性能等而被广泛应川，经济效益十分显著。

但是，由于多元高铝青铜在熔炼过程中吸气严重，且危害很大，如氧主要以氧化亚铜的形式分布在晶粒边界上，会降低铜合金的塑性，使铸件报废。目前，由于我公司没有在真空状态下熔炼的条件，因此掌握并总结防止叶轮产生气孔缺陷的工艺措施和方法具有重要的现实意义。

一、气体来源及其气孔特征

1.气体来源

高销青铜合金液中的气体来源主要有两种途径：一是合金在熔炼中吸气；二足合金在浇注过程中吸气，包括由于浇注系统设计不合理、浇注速度控制不当等原因引起的裹气，以及铸型未烘干、透气性差等原因产生的气体。

2.气孔特征

高铝青铜合金的吸气量很大，若在熔炼过程中除气不彻底，则在凝固时随温度的下降，溶解在合金中的饱和状态的氢将析出并形成气泡，实际浇注时液面呈现明显上涨，产品断面上均匀分布着细小的孔眼，多数呈针孔状，有少数呈多角形或断续裂纹状，是典型的析出型气孔特征。

二、试验工艺方案

根据气体来源、气孔特性和铝青铜的熔炼特点，我们有针对性地设计了一些工艺方案，以探索高铝青铜的成形工艺方案和消除铸件气孑L缺陷的有效措施。

1.熔炼工艺方案

采用石墨坩埚、中频感应电炉。原材料为纯铜(wcu＞99.7％)，铝锭(wAI=99.7％)、纯镍(wNi=99.5％)、纯锰(wMn =99.5％)、纯锌(wZn=99.7％)、铁(洁净度好并去油污)、纯钴(wco=99.5％)、RE和六氯乙烷，用稻草灰集渣覆盖。操作方法为：先将电石放入炉底，然后依次装入用铜块两面包住铝块一起压入熔炉的深处，再将Co、Ni、h、Mn等少量或微量合金的金属碎块夹存其中，尽量装实，剩余少量的铝板和锌作调节温度和预脱氖之用。装料后将炉体连同合金料一起小功率预热5～8min，然后加大功率快速熔化，待所有炉料化清后，用石墨棒充分搅拌，使熔体内各种合金元素混合均匀并吹气精炼后，压入剩余的铜板和铝板，保温至1250℃，预脱氧后进入合金的精炼阶段。

2.除气工艺方案

清除气孔缺陷，一般都是从“放”、“熔”和“排”三方面着手。具体采取如下方法：

(1)吹氮(氩)联合化学精炼除气。全部合金熔炼后，在浇注之前先吹氮(氩)对合金进行物理净化，待吹气5～8min、静置2～3min后，用钟罩压入六氯乙烷进行深层净化处理，取样进行观察后，在合金液面覆盖草木灰，静置3～5min后，扒开渣子，在1160～1200℃进行浇注。此方法可使氢气和氧化物夹渣被氮气或氩气泡吸附而逸出合金液面。

(2)预脱氧与稀土终脱氧。吹氮(氩)结束后，先向合金液中加人预留的Cu和Al，以调整温度和预脱氧，然后加稀土进行终脱氧。稀土能与氢结合生成密度小的氢化物，并上浮至铜液表面，在高温下重新分解，排出氧气，或被氧化进入渣相而被去除。

3.浇注系统

高铝青铜合金在铸造过程中易氧化，因此在浇注系统设计时应特别注意其撇渣效果，不但要求对二次氧化渣有挡渣作用，而且还要求在浇注过程中合金液流动平稳，不产生涡流和飞溅现象，使合金液表面的AI2O3，保护膜不至于破碎而卷入合金形成二次氧化渣。另外，采用半封闭、半开放式浇注系统，各组元截而积之比为F直：F横：F内=1：1.7：1.2，它具有封闭开放式的优点，浇注初期平稳，不冲刷铸型，也不会产生涡流和飞溅现象，避免了气体的卷入。

三、结语

高铝青铜合金叶轮在浇注后的凝幽过程中容易产生析出性气孔缺陷，气泡的形成与熔炼和浇注工艺有密切的关系。采用共装法一次快速熔炼，结合吹氮(氩)气和六氯乙烷化学精炼除气，以及预脱氧和稀土终脱氧联合工艺措施，并设汁应用半封闭底注式浇注系统，减少了熔炼过程中高销青铜合金的吸气及排出合金液已吸入气体的问题，取得了较好的效果，消除了高铝青铜合金叶轮气孔的缺陷，材质力学性能大幅提高，增强了水泵的可靠性，满足了用户的需要，使我公司的潜水电泵产品具有了更强的竞争力。