戴斌煜，陸 磊，吁安山，商景利，王薇薇

(1.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，330063，南昌；2.江西省科學(xué)院，330029，南昌)

銅合金熔體泡沫陶瓷離心過濾技術(shù)研究

戴斌煜1,2，陸 磊2，吁安山1，商景利1，王薇薇1

(1.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，330063，南昌；2.江西省科學(xué)院，330029，南昌)

提出通過用離心加壓使銅合金通過高密度、大厚度泡沫陶瓷從而強(qiáng)化過濾效果的新方法，研究了過濾工藝參數(shù)對(duì)銅合金過濾效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫陶瓷孔徑與厚度、熔體溫度、旋轉(zhuǎn)速度等對(duì)銅合金的潔凈度及力學(xué)性能有重要影響。采用該方法過濾銅合金熔體，抗拉強(qiáng)度比未過濾的提高10.8%，延伸率提高27.2%。金相觀察表明，這種強(qiáng)化過濾對(duì)合金中15 μm以上夾雜物有顯著濾除效果。

泡沫陶瓷；離心力；銅合金；過濾

0 引言

銅及其合金被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的許多領(lǐng)域，成為除鋼鐵、鋁以外的第3大金屬[1]。然而銅及其合金在熔鑄時(shí)，伴隨著嚴(yán)重的氧化和吸氣現(xiàn)象[2]，在鑄件中易形成氧化夾渣和氣孔缺陷，對(duì)鑄件的性能和可靠性產(chǎn)生較大損害。國內(nèi)外研究者針對(duì)銅及銅合金熔體凈化技術(shù)作了許多研究[3-5]。泡沫陶瓷過濾器是目前公認(rèn)最好的合金熔體凈化過濾介質(zhì)[6-7]，它可有效去除銅合金熔體中的夾雜物及氣體，減少疏松和氣孔，細(xì)化晶粒，提高銅合金鑄件的力學(xué)性能和氣密性[8]。泡沫陶瓷過濾器的過濾效果與過濾器結(jié)構(gòu)參數(shù)(如孔徑、厚度等)、合金熔體流動(dòng)狀態(tài)、夾雜與熔體的物理化學(xué)性質(zhì)等有關(guān)。對(duì)于同一合金熔體，過濾器孔徑越小，厚度越大，過濾效果越好，反之則越低。采用孔徑小，厚度大的泡沫陶瓷，雖然可達(dá)到更好的過濾效果，但過濾速率慢，滿足不了過濾流量要求。本文采用泡沫陶瓷離心過濾技術(shù)，將合金熔體置于離心力場中，獲得比重力場更強(qiáng)的過濾推動(dòng)力，使合金通過孔徑更小、厚度更大的泡沫陶瓷過濾器，達(dá)到更好的過濾效果。本文系統(tǒng)地研究了合金熔體的溫度、旋轉(zhuǎn)速度及泡沫陶瓷孔徑及其厚度對(duì)銅合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率的影響，用金相顯微鏡觀察試樣中夾雜物分布，并對(duì)其機(jī)制進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)

采用自行設(shè)計(jì)制作的泡沫陶瓷離心過濾試驗(yàn)裝置(見圖1)進(jìn)行銅合金過濾試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)澆道的橫截面尺寸為70 mm×70 mm。在旋轉(zhuǎn)澆道兩側(cè)(距中心距離為120 mm)放置外形尺寸為70 mm×70 mm、不同孔徑(孔徑單位PPI：Pores Per Inch)和不同厚度的泡沫陶瓷過濾片。

試驗(yàn)合金為ZHSi80-3硅黃銅，其化學(xué)成分(Wt%)：Cu 80，Si 3.5，其余為Zn。將澆口、含泡沫陶瓷的旋轉(zhuǎn)澆道及金屬型預(yù)熱到400 ℃，待銅合金在坩堝電阻爐內(nèi)熔化后，澆入到離心過濾裝置進(jìn)行過濾，凈化后的銅合金液在金屬型內(nèi)冷卻成形，然后將銅棒加工成如圖2所示的抗拉試樣。利用WDW-50型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試抗拉強(qiáng)度；運(yùn)用XSP-4SB型金相光學(xué)顯微鏡觀察試樣中夾雜物的數(shù)量及其大小。

2 結(jié)果與討論

2.1泡沫陶瓷離心過濾對(duì)銅合金中夾雜物的影響

圖2為采用泡沫陶瓷過濾和未過濾試樣的抗拉強(qiáng)度及延伸率直方圖。圖3為過濾和未過濾試樣夾雜物分布圖。試驗(yàn)條件：熔體溫度1 100 ℃、旋轉(zhuǎn)速度170 r/min。過濾采用孔徑30 PPI，厚度60 mm的泡沫陶瓷，不過濾試驗(yàn)是指合金在離心力作用下經(jīng)旋轉(zhuǎn)澆道直接進(jìn)入金屬型冷卻成形。由圖2可看出，過濾后試樣抗拉強(qiáng)度及延伸率分別由未過濾的332 Mpa和15.1%提高到368 MPa和19.2%，提高幅度分別為10.84%和27.2%。由圖3可看出，泡沫陶瓷過濾基本上濾除了15 μm以上的夾雜物，很大程度上提高銅合金熔體的潔凈度。

圖1 泡沫陶瓷離心過濾原理示意圖

圖2 抗拉試樣圖

2.2泡沫陶瓷孔徑及厚度對(duì)銅合金過濾效果的影響

圖4為用不同孔徑泡沫陶瓷過濾后試樣的抗拉強(qiáng)度及延伸率。試驗(yàn)條件：熔體溫度1 100 ℃、旋轉(zhuǎn)速度170 r/min，泡沫陶瓷厚度40 mm。由圖4可看出，隨著泡沫陶瓷孔徑由10 PPI減小到30PPI，抗拉強(qiáng)度由340.1 MPa增加到360 MPa，延伸率由15.5%增加到18.6%。這是由于泡沫陶瓷孔徑越小(PPI數(shù)越大)，泡沫陶瓷的比表面積也越大，夾雜物與泡沫陶瓷表面的碰撞幾率越大，從而被吸附捕捉的幾率也越大，合金熔體越潔凈(見圖5)，力學(xué)性能就越高。

圖3 過濾與未過濾試樣夾雜物分布

圖4 泡沫陶瓷孔徑對(duì)過濾試樣力學(xué)性能影響

圖6為用不同厚度泡沫陶瓷過濾后試樣的抗拉強(qiáng)度及延伸率。試驗(yàn)條件：熔體溫度1 100 ℃、旋轉(zhuǎn)速度170 r/min，泡沫陶瓷孔徑30 PPI。由圖6可看出，隨著泡沫陶瓷厚度由20 mm變到60 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度由352 MPa增加到368 MPa，延伸率由17.1%升高到19.2%。泡沫陶瓷的厚度的增加，過濾通道越長，銅合金液中的夾雜運(yùn)動(dòng)到過濾器內(nèi)表面的可能性就越大，夾雜被過濾器捕捉的幾率越高，合金潔凈度越高(見圖7)。

圖5 不同孔徑泡沫陶瓷過濾試樣夾雜物分布

圖6 泡沫陶瓷厚度對(duì)過濾試樣力學(xué)性能的影響

2.3旋轉(zhuǎn)速度對(duì)過濾效果的影響

圖8為不同旋轉(zhuǎn)速度下過濾試樣的抗拉強(qiáng)度與延伸率。試驗(yàn)條件：熔體溫度1 100 ℃、泡沫陶瓷孔徑30 PPI，厚度40 mm。由圖8可看出，隨轉(zhuǎn)速提高，試樣的抗拉強(qiáng)度及延伸率亦增加，達(dá)到某一值后，抗拉強(qiáng)度及延伸率隨轉(zhuǎn)速的提高而逐漸下降。轉(zhuǎn)速對(duì)合金熔體過濾效果有兩方面的影響，一方面轉(zhuǎn)速越大，離心力越大，過濾的推動(dòng)力也越大，有利于合金熔體通過泡沫陶瓷的細(xì)小孔隙，提高過濾效果，此外，轉(zhuǎn)速越高所引起的振動(dòng)越強(qiáng)，有利于凝固期間樹枝晶破碎，從而細(xì)化晶粒，同時(shí)也有利于補(bǔ)縮；另一方面轉(zhuǎn)速過高，合金熔體流速過大，熔體將沖刷已吸附在泡沫陶瓷表面的夾雜物并將其帶入金屬液，引起過濾效果下降。因此，旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)控制在一個(gè)合理范圍，以獲得良好的過濾效果。

圖7 不同厚度泡沫陶瓷過濾試樣夾雜物分布

圖8 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)過濾試樣力學(xué)性能的影響

2.4熔體溫度對(duì)過濾效果的影響

圖9為不同熔體溫度下過濾試樣的抗拉強(qiáng)度與延伸率。試驗(yàn)條件：旋轉(zhuǎn)速度170 r/min，泡沫陶瓷孔徑30 PPI，厚度40 mm。由圖9可看出，試樣抗拉強(qiáng)度及延伸率均隨熔體溫度的提高而提高。適當(dāng)提高合金熔體的溫度，可降低熔體的粘度，有利于夾雜物與熔體分離；熔體溫度高有利于提高熔體的流動(dòng)性，增強(qiáng)補(bǔ)縮效果，使晶粒組織更加致密(見圖10)，提高材料的力學(xué)性能。但熔體溫度過高會(huì)增加合金熔體的吸氣傾向。

圖9 熔體溫度對(duì)過濾試樣力學(xué)性能的影響

圖10 不同溫度過濾試樣金相組織

3 結(jié)論

1)所研制的銅合金泡沫陶瓷離心過濾技術(shù)可以對(duì)銅合金實(shí)現(xiàn)高度凈化，與未過濾試樣相比，過濾后抗拉強(qiáng)度可提高10.84%，延伸率提高27.2%；合金中尺寸大于15 μm的夾雜物明顯減少。

2)泡沫陶瓷孔徑與厚度、熔體溫度、旋轉(zhuǎn)速度等對(duì)銅合金的潔凈度及力學(xué)性能有重要影響。采用孔徑為30 PPI、厚度為40 mm的泡沫陶瓷，熔體溫度為1 150 ℃，旋轉(zhuǎn)速度為170 r/min過濾工藝，可獲得高潔凈度的銅合金，提高材料的抗拉強(qiáng)度與延伸率。

[1] 婁花芬,黃亞飛,馬可定.銅及銅合金熔煉與鑄造[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2010.

[2]鑄造有色金屬及其熔煉聯(lián)合編寫組.鑄造有色金屬及其熔煉[M].北京:國防工業(yè)出版社,1980.

[3]高海燕,倪紅軍,孫寶德.電解銅熔體凈化技術(shù)[J].鑄造技術(shù),2005,25(4):233-236.

[4]Masaki Miyata,Masam Ichi Sano,Masahiro Hirasawa.De-oxidation of molten copper with a rotating graphite cylinder[J].Metallurgical and Materials Transactions B,1998:29B(8):739-747.

[5]Dion J L,Fasoyinu F A.Permanent mold casting of high-conductivity copper[J].AFS Transactions,1996,191:405- 414.

[6]Emi T.Improving Steel Making and Steel Properties,Fundamentals of Metallurgy[M].Ed S Seetharaman,Woodhead Publishing,Cambridge,UK,Inst of Mater,Minerals &Mining,2005.

[7]Showman R E.Choosing the best ceramic filter to improve aluminum casting properties[J].Transactions of the American Foundry Society,2007,115:199-206.

[8]葉榮茂,常慶明,王惠光.銅合金過濾技術(shù)的探討[J].熱加工工藝,1991(2):32-36.

StudyonCeramicFoamCentrifugalFiltrationCopperAlloyMelt

DAI Binyu1,2,LU Lei2,YU Anshan1,SHANG Jingli1,WANG Weiwei1

(1.School of Aeronautical Manufacturing and Engineering,Nanchang Hangkong University,330063,Nanchang,PRC;2.Jiangxi Academy of Sciences,330029,Nanchang,PRC)

A new technique was put forward to strengthening filtration effects through centrifugal force pressed copper alloy melt flow through ceramic foam with high density and large thickness.The influence of filtering process parameters on filtering effects of copper alloy was investigated.Results show that ceramic foam pore size and thickness,melt temperature,rotational speed had important effects on the cleanliness of copper alloy and mechanical properties.The tensile strength and elongation of the copper alloy whose melt is filtered by the method proposed are improved by 10.8%and by 27.2%,respectively,compared with those of the alloy without filtration treatment.The structure of the alloy filtered was investigated by OM (optical microscope).The results indicate that inclusion with more than 15 μm in size can be effectively removed from the alloy by strengthening filtration.

ceramic foam;centrifugal force;Copper alloy;filtration

2014-08-28;

2014-11-17

戴斌煜(1958-)，男，江西余干人，副教授，研究方向：合金熔體物理凈化。

江西省科學(xué)院省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(2012-KLP-2)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.009

TG146.1;TG249.4

A

1001-3679(2014)06-0785-04