沈韶峰，陳忠平，趙棟楠，童維玉

(1.中鋁華中銅業(yè)有限公司，湖北 黃石 435004；2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，江蘇 蘇州 215027，3.湖北理工學(xué)院，湖北 黃石 435003)

銅合金是現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料之一，具有較高的力學(xué)性能和耐磨性能，很高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，在大氣、海水、鹽酸、磷酸溶液中均有良好的抗腐蝕性，因此常用作船艦、化工機(jī)械、電工儀表中的重要零件及換熱器材料[1-2]。然而銅合金常因鑄造工藝控制不合理，使得鑄造組織存在缺陷，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)成本增加，成品率降低。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

本文生產(chǎn)的銅合金材料的制備工藝為，熔煉→保溫→鑄造→熱軋→雙面銑→初軋→切邊→退火→酸洗→中軋→退火清洗→終軋→矯直→剪切。銅合金鑄錠的組織包括晶粒的形狀、大小、取向、分布、完整性、各種缺陷以及合金元素的分布等。組織對(duì)鑄錠的熱加工性能及制品的性能，尤其是力學(xué)性能都有著重大影響[3-4]，鑄錠組織的好壞直接影響后續(xù)加工制品的質(zhì)量。鑄錠的宏觀組織一般可由3個(gè)區(qū)域組成：細(xì)晶區(qū)，緊靠模壁的一個(gè)外殼層，由無(wú)規(guī)則細(xì)小等軸晶組成；柱狀晶區(qū)，垂直于模壁，由彼此平行的柱狀晶粒組成；等軸晶區(qū)，位于鑄錠中心區(qū)域，由比較粗大的等軸晶組成[5]。企業(yè)在銅合金生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常存在鑄錠組織三晶區(qū)不夠明顯，柱狀晶區(qū)相對(duì)分布較廣，呈現(xiàn)粗大狀等問題。圖1為扁錠(鑄坯尺寸230mm×640mm)橫截面截取約1/2的宏觀低倍組織。通過(guò)掃描電鏡分析鑄錠組織，鑄錠缺陷明顯，存在氣泡、疏松、夾渣等缺陷(圖2)，由能譜結(jié)果可知，鑄造組織缺陷處有C、Si、Al等雜質(zhì)。

為改善銅合金鑄錠組織、減少夾渣與氣孔，提高產(chǎn)品成材率，本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)銅合金鑄造過(guò)程澆注管結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，獲得液穴深度、流場(chǎng)分布情況，對(duì)制定合理的澆注管結(jié)構(gòu)具有較好的參考價(jià)值。

2 研究方法

2.1 有限元幾何模型

本文根據(jù)結(jié)晶器和澆注管的實(shí)際尺寸，通過(guò)鑄造模擬軟件Pro-cast建立三維模型，結(jié)晶器尺寸為230mm×640mm。澆注管形式主要有上傾、下傾、平澆和橫管4種形式，其幾何模型(外徑60mm，內(nèi)徑22mm)如圖3所示。主要模擬分析不同澆注管的液穴深度、凝殼位置、流場(chǎng)分布，在4種形式中選出最優(yōu)的澆注管形式，進(jìn)一步模擬優(yōu)化橫向長(zhǎng)度，其工藝方案如表1所示。

表1 不同橫向長(zhǎng)度鑄造模擬試驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)方法

鑄錠宏觀組織采用YS/T 448-2002《銅及銅合金鑄造和加工制品宏觀組織檢驗(yàn)方法》來(lái)進(jìn)行制備，所用的侵蝕劑為50% HNO3水溶液，并在照相機(jī)下觀察與分析，在帶有美國(guó)EDAX 公司能譜儀的SM6480型掃描電鏡下進(jìn)行形貌、EDS微區(qū)成分分析。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 澆注管模擬結(jié)果

圖4為4種不同澆注管分流方式鑄造模擬結(jié)果。分析澆注管分流方式對(duì)鑄錠液穴深度、凝殼位置、銅液流速、渦流大小及位置的影響，可知，與其他分流形式相比，采用橫澆注管進(jìn)行熔體分配，銅液流動(dòng)更為平緩，對(duì)降低鑄錠液穴深度、減少夾渣與含氣量更有利。在鑄造過(guò)程中，液穴深度對(duì)鑄件的質(zhì)量影響很大[6-8]。液穴深度的大小決定液穴形狀特征。液穴深度較大時(shí)，液穴近似漏斗狀；深度較小時(shí)，液穴近似碗碟狀。眾所周知，液穴中結(jié)晶面是沿其法線方向向前推進(jìn)的，結(jié)晶是從外圍最先開始的，中心則是最后結(jié)晶。

液穴很深時(shí)，最后結(jié)晶區(qū)形成管狀區(qū)間。在這個(gè)管狀區(qū)間里，新的晶核生成，由于偶然性的干擾，在核心的晶面上可能長(zhǎng)出凸緣，凸緣生長(zhǎng)成為晶體主干，然后在主干上長(zhǎng)出枝晶，繼而在枝晶上長(zhǎng)出新的枝晶。不同晶粒生長(zhǎng)的枝晶互相接觸或交叉，形成一些狹窄的彎曲通道。熔體很難通過(guò)這樣的通道進(jìn)行補(bǔ)充，而凝固后由于相變和冷縮的作用，使得固體體積減小，于是在最后凝固部位留下一些不規(guī)則的微小間隙，形成縮孔和疏松。若熔體含氣量高，結(jié)晶后滯留在固體中的過(guò)飽和氣體很容易通過(guò)擴(kuò)散充斥其間，最終形成氣孔。若熔體內(nèi)含雜質(zhì)比較多，雜質(zhì)顆粒因液穴過(guò)深來(lái)不及浮出，或者銅液流動(dòng)又重新卷入，在鑄錠內(nèi)形成夾雜。

3.2 不同澆注管試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量直接下傾式澆注管的液穴深度達(dá)到980mm，而采用橫澆管分流形式的低液穴深度為760mm，液穴深度降低。鑄錠晶粒相對(duì)細(xì)小均勻，氣泡個(gè)數(shù)減少，氣泡尺寸減小。圖5是采用不同澆注形式的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，分析200多批次銅合金鑄錠出現(xiàn)氣泡的情況，可知，橫向澆注口降低氣泡缺陷效果比其它形式更好。

3.3 不同橫向長(zhǎng)度模擬結(jié)果

在確定了橫澆注管作為最優(yōu)的澆注管形式后，其不同橫向長(zhǎng)度的模擬結(jié)果見圖6；其對(duì)應(yīng)的不同橫向長(zhǎng)度下銅合金鑄錠凝殼位置及液穴深度見表2。結(jié)合圖6和表2的鑄造模擬結(jié)果可知，隨著橫澆注管長(zhǎng)度的增加，凝殼下降，但凝殼位置都在結(jié)晶器內(nèi)，且具有安全的凝殼厚度；液穴深度減少，但隨著長(zhǎng)度的增加，澆口位置離結(jié)晶器內(nèi)壁距離減少，銅水沖刷產(chǎn)生紊流。綜合比較分析可知，采用200mm長(zhǎng)橫澆注管，銅液流速及渦流大小分布更均勻，利于減小鑄錠含氣量與夾雜。

表2 澆注管形式對(duì)銅合金液穴深度、凝殼位置的影響

3.4 不同橫澆管長(zhǎng)度試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

在鑄造模擬的基礎(chǔ)上，將200mm橫澆注管進(jìn)行鑄造試驗(yàn)驗(yàn)證，圖7為試驗(yàn)驗(yàn)證后銅合金鑄錠的低倍組織。由圖可知，經(jīng)過(guò)澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，鑄錠組織三晶區(qū)分布明顯且更為合理，粗大的等軸晶幾乎沒有，細(xì)小等軸晶分布較廣，跟蹤后發(fā)現(xiàn)鑄錠缺陷較少，氣泡量降低，成材率提高，成品率較優(yōu)化前提高3%。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)鑄造模擬對(duì)比不同澆注系統(tǒng)，水平橫向澆注管是4種澆管類型中最優(yōu)的澆注系統(tǒng)，凝殼位置下降，液穴深度明顯降低，凝固組織較采用下傾澆注管得到很大改善，鑄錠氣泡發(fā)生率顯著下降；

(2)通過(guò)鑄造模擬對(duì)比不同橫向澆注管長(zhǎng)度，200mm長(zhǎng)度的橫澆管其銅液流速及渦流大小分布更均勻，鑄坯組織由粗大柱狀晶向細(xì)小等軸晶轉(zhuǎn)變，組織缺陷降低，最終成品率提高3%。