作者：郑晓敏
冷却器盖铸件选用锰黄铜，材质为ZCuZn38Mn2Pb2，M n为减少金属a相的元素，对黄铜有固溶强化作用，相比普通黄铜提高了硬度、强度和耐磨性能，尤其是具有良好的抗大气腐蚀性能、对海水等的耐蚀性以及良好的切削性能[3-4] 。在冷却器盖铸件的凝固过程中，由于凝固收缩，在铸件热节处形成集中的缩孔，严重影响铸件的品质。铸件主要问题是在水压试验中出现渗漏。本课题通过扫描电镜分析冷却器盖铸件的铸造缺陷，针对缺陷产生的原因，采取相应措施，优化铸造工艺。采用ProCAST软件对冷却器盖铸件的充型过程和凝固过程进行数值模拟，并预测可能存在缩松、缩孔的位置[5~7]。根据模拟结果完善工艺方案，并进行试验验证。结果表明，改进后的工艺方案可避免铸件缩孔缺陷的产生。
1 试验材料及铸件缺陷分析
1.1试验材料及熔炼
采用树脂自硬砂型。型砂配料为75～150目原砂、树脂、固化剂（相应的配比为100：1.1：0. 37）。浇注前型腔内均匀涂上透气性强的锆基涂料，在400℃下进行烘干，并在4h内进行浇注[8]。采用50 kg中频感应炉内衬石墨坩埚进行熔炼。原材料采用99. 99%电解Cu、纯Zn锭、纯P b锭、纯Al锭以及Cu- 30 M n中间合金，采用木炭作为覆盖剂。熔炼过程为：预热坩埚、原材料->电解铜->木炭覆盖->磷铜脱氧->Cu-30Mn中间合金->-Al->Zn->P b->搅拌捞渣->出炉；熔化完成后要控制出炉温度在1 100℃左右，保证浇注温度为980℃，熔炼过程中尽量缩短熔炼时间，防止金属液氧化吸气[9] 。在铸造过程中应注意以下操作要点：采用低温加Zn，高温扒渣，以减少熔炼损耗。由于铜金属液氧化倾向大，浇注系统采用水平分型底注开放式，金属液流动远端设有冒口。
1.2铸件缺陷及分析
冷却器盖材质为ZCuZn38Mn2Pb2，加工后组装需做水压试验：试验压力为o．5 M Pa，保压30 min不得渗漏；铸件不得补焊，内外表面应光洁。生产的铸件在水压试验中经常出现渗漏。虽然在前期准备工作中采用了预热烘干、加强排气等措施，但渗漏铸件的数量没有减少。为了找出铸件渗漏的原因，对铸件渗漏部位进行了取样，制成金相试样，并利用扫描电镜对试样进行分析。
图1为原浇注系统及出现渗漏的位置。可以看出，渗漏部位位于冷却器盖铸件厚大热节处，导致无法达到水压试验性能要求，影响产品的质量。图2为渗漏位置的宏观缺陷，可以看出，缺陷表面参差不齐，内表面粗糙并带有氧化色。通过扫描电镜观察缺陷内部形貌可以看出，缺陷内部表面凹凸不平、多带棱角，见图3。
在渗漏区选择缺陷点（点1和点2）及非渗漏区正常点（点3）进行扫描电镜能谱分析，见图4。从图4可以看出，缺陷点1、2成分有轻微偏析，并含有少量氧化物，而正常点3几乎不含氧，成分符合要求。通过观察缺陷内部形貌及能谱分析可以推断，在凝固过程中，金属液产生少量氧化夹渣，以及熔体不能完全补缩而产生的缩孔是导致铸造缺陷的主要原因。
2 铸造工艺方案的数值模拟及分析
2.1 冷却器盖的工艺优化方案
由缺陷分析判断产生氧化夹渣及缩孔的原因可能是熔炼速度过慢、覆盖剂不够致密使金属液氧化；浇注温度过低；浇注系统设计不合理，冒口补缩作用不强，不利于顺序凝固。根据铸件结构特点，遵循热分布合理、对合金定向凝固有利的原则进行浇注系统优化设计，采用浇冒一体的顶注式浇注系统，见图5。保证浇冒口处金属液最后凝固，有利于顺序凝固和补缩。
2.2 冷却器盖的数值模拟及分析
2. 2.1 充型过程的流场分析
图6为两种工艺方案下金属液充型过程中的流场分布。可以看出，原工艺方案金属液充型液面上升不稳定，可能会出现卷气或冲砂现象，形成气孔或夹渣缺陷。铸件远端冒口中的金属液最早进入型腔，温度较低，不利于补缩，影响铸件质量。新工艺方案中金属液依靠浇口处的静压力，在短时间内将型腔充满，充型稳定，金属液由铸型底部向四周环形引入，平稳上升，直至充满整个铸型和浇冒口，减少了卷气和冲砂。同时铸件上部浇冒口处金属液最后进入型腔，温度较高，有利于金属液补缩。
2.2.2凝固过程的温度场分析
图7为两种工艺方案下铸件在凝固阶段的温度场分布。可以看出，新工艺方案中铸件温度由外壳及薄壁处向内部逐渐降低，浇冒口处金属液形成环形补缩通道，同时铸件的热节处出现孤立的高温液相区。在随后的凝固过程中，这些孤立的高温液相区可能被周围先凝固的区域包围，以致其在凝固时可能因为无法补缩完全而产生缩松或缩孔等铸造缺陷，见图7a。相比原工艺方案，新工艺方案温度分布更均匀，更符合顺序凝固要求。
2.2.3凝固过程的固相率分析
图8为两种工艺方案下铸件在凝固过程中的固相率分布。可以看出，原工艺方案中，在凝固过程中铸件热节处产生大量的孤立液相区，这些液相区在随后的凝固过程中会因得不到金属液的补缩而产生不同程度的缩松、缩孔缺陷。新工艺方案中，铸件自下而上顺序凝固，凝固更均衡。在铸件凝固过程中，远端厚大热节处及浇冒口区域出现孤立的高温液相区，这些孤立的高温液相区可能被周围先凝固的区域包围，以致其在凝固时可能因为无法补缩完全而产生缩松或缩孔等铸造缺陷，而铸件上部的浇冒口处金属液最后凝固，对孤立液相区起到补缩作用，可消除这些孤立液相区，见图8b。
2.2.4缺陷预测
图9为两种工艺方案下铸件在凝固过程中的缩松、缩孔倾向预测图。可以看出，原工艺方案中铸件的热节处存在大量缩松、缩孔倾向，冷却器出水管道的根部及铸件与浇道接口处出现缩松、缩孔倾向正是铸件渗漏区，实际铸件情况与模拟结果基本一致。新工艺方案 中，在浇冒口中心偏下的位置及薄壁热节处存在少量缩孔缩松倾向，而浇冒口将在后期切除，此处缩松、缩孔倾向对铸件基本没有影响。预测结果表明，新工艺方案铸件在热节处存在较小程度的缩松、缩孔倾向，应进一步完善工艺，以消除缩松、缩孔倾向。
3 铸造工艺优化及模拟
根据技术要求，铸件中不能有缩松、缩孔缺陷。原工艺方案生产铸件中分布着大量的缩松、缩孔缺陷，根据两种工艺方案的数值模拟对比结果分析，采用新工艺方案进一步完善工艺。具体措施如下：①预热温度提升至200℃，加快熔炼速度，减少金属液氧化损耗；②覆盖剂改用致密性较好的鳞状石墨，防止金属液与外界接触，减少金属液氧化吸气；③提高出炉和浇注温度，采用1 000℃浇注；④在砂型上型的铸件热节及厚大处上方设暗出气孔。改进工艺措施后利用ProCAST进行模拟后的铸件缺陷预测情况见图10。由图10可以看出，改进工艺后铸件本体中无缩松、缩孔倾向，缩孔集中在浇冒口部位，对铸件质量基本没有影响。图11为根据改进后的新工艺方案实际生产出的铸件。经质量检测表明铸件基本符合技术要求和性能标准，消除了缩孔缺陷，冷却器盖的渗漏问题基本得到解决。
4 结 论
(1)冷却器盖铸件产生铸造缺陷的主要原因是金属液在凝固过程中产生少量氧化夹渣，以及熔体不能完全补缩，产生缩孔缺陷，从而导致渗漏。
(2)通过完善熔炼工艺、加快熔炼速度、控制浇注 温度、优化浇注系统，确定新工艺方案。新工艺中顶注式浇冒一体浇注系统使铸件凝固过程中金属液热分布均匀合理，充型平稳实现了顺序凝固，浇冒口在铸件内部形成环形补缩且补缩完全。
(3)根据模拟结果进行试验验证，试验结果与模拟结果一致，表明新工艺方案可避免缩孔缺陷的产生，提高产品的质量。
5摘要在铜合金冷却器盖生产过程中，主要问题是铸造缺陷导致铸件出现渗漏现象，无法满足质量要求。通过扫描电观察冷却器盖铸件铸造缺陷的宏观及微观形貌，检测其化学成分，探讨其产生缺陷的原因。结果表明，金属液产生少数化夹渣，以及铸件不能完全补缩而产生的缩孔是导致铸造缺陷的主要原因。通过加快熔炼速度、控制浇注温度、优化浇工艺，可避免缩孔缺陷产生，提高铸件的质量。采用ProCAST模拟软件对新工艺进行了数值模拟，试验结果与模拟结果致，铸件渗漏缺陷问题得到解决。
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