CN107130137A - 一种环保硅黄铜水龙头的低压铸造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铜合金成型技术领域，公开了一种环保硅黄铜水龙头的低压铸造工艺。按质量百分比59‑61％Cu，36‑39％Zn，0.5‑0.7％Si，0.4‑0.5％Al，0.003‑0.01％B，0.03‑0.06％Ti的元素比配料，在熔炉中熔炼浇铸铜锭，将其加入到低压铸造保温炉中熔化，并升温至980‑1050℃的浇注温度，以8000‑9000Pa/s的加压速度进行充型，充型完成后以10000Pa/s的加压速度将压力增大至0.032‑0.039MPa，并保压10‑15s，卸压脱模，即得所述环保硅黄铜水龙头。本发明工艺具有效率高、流程短、成本低的优点，所得水龙头铸件组织均匀、力学性能优异。
Description
技术领域
本发明属于铜合金成型技术领域，具体涉及一种环保硅黄铜水龙头的低压铸造工艺。
背景技术
低压铸造是一种介于重力铸造和压力铸造之间的铸造方法，是吸收了重力铸造中底注平稳充型和压力铸造中铸件在压力下结晶凝固的优点，避免了重力浇注时浇口杯中金属液的翻腾、飞溅及充型过程中液面上升速度不稳定等缺点。该方法可以生产高质量、壁薄、形状复杂的高性能铸件，因而受到科研界与工业界的广泛关注，并大量应用于生产各种铝合金、镁合金等零件。
由于铝、镁合金具有密度低、熔点低等特点，且低压铸造工艺具有自动化程度高、产品表面质量良好、铸件性能优异等优点，因而基于铝、镁合金及其零件的低压铸造工艺研究广受关注。低压铸造技术是帕斯卡原理的一种运用，其充型压力可以采用公式P＝ρ×g×h进行计算。因此，针对不同的合金材料、不同尺寸和形状的铸件，其材料密度不同，相应的充型高度也不同。因而，不同形状的铸件，其低压铸造工艺亦大不相同。专利CN 105081277A公开了一种金属铝环的低压铸造工艺，其基本工艺参数为浇注温度：725℃-735℃，充型速度：5-20cm/s，充型时间：30-40s，增压压力：1-1.2kPa，保压压力：0.8kPa，保压时间：450-520s；专利CN 105522136 A公开了一种铝镍合金汽车车轮的低压铸造工艺，其基本工艺为模具预热温度：250士20℃，充型压力：0.01-0.02MPa，充填时间：8-12s，增压压力：0.04-0.05MPa，保压时间2-3min；CN 105369086 A公开了一种镁铝合金汽车轮毂低压铸造工艺，其具体参数为：模具温度：400-450℃，浇注温度650士20℃，充型时间12-15s，充型压力0.015-0.05MPa，保压压力0.03-0.05MPa，保压时间3-5min。同时，需要强调的是，通过对镁合金汽车轮毂低压铸造工艺研究表明，不同的低压铸造工艺参数对轮毂铸件的力学性能有着极其重要的影响(Fu P,Luo A A,Jiang H,et al.Low-pressure die casting ofmagnesium alloy AM50:Response to process parameters[J].Journal of MaterialsProcessing Technology,2008,205(1–3):224-234.)。因此，针对各种具体的合金材料及其对应形状和结构的零件，其低压铸造工艺是特定的，确定其低压铸造工艺是保证零件组织性能和工程应用的重要前提。
特别地，对于卫浴产品水龙头用的黄铜合金来说，目前使用的材料主要为HPb59-1铅黄铜，其水龙头零件的成形工艺主要为重力铸造。然而，由于有毒元素铅是该类黄铜的主要合金元素，始终存在于黄铜中，因而铅黄铜水龙头具有一定的毒副作用，对人体危害极大，难以满足GB18145-2014《陶瓷密封片水嘴标准》铅析出量的最低限值。有鉴于此，课题组前期已研发出新型的铜合金水龙头替代材料无铅硅黄铜，其重力铸造出的特定成分已获得国家授权发明专利(一种无铅易切削高强耐蚀硅黄铜合金及制备方法与应用。发明专利，ZL201510714013.X)。但是，相较于镁、铝等合金，铜合金具有更高的密度、更高的熔点、较差的液体流动性，且充型铸造时需引入更大的气体压力，因此，要使低压铸造的复杂薄壁铜合金铸件各个部位具有均匀的显微组织与力学性能，工艺参数的控制难度极大。特别地，由于硅黄铜的密度、熔点、固液相线等物性参数与铅黄铜相差很大，因此铅黄铜的重力铸造参数不能指导硅黄铜的低压铸造工艺，其他合金零件的低压铸造工艺更不能指导硅黄铜水龙头的低压铸造工艺。有鉴于此，针对课题组研发的新型环保硅黄铜合金，探索其复杂、薄壁水龙头零件的低压铸造工艺，以获得各个部位显微组织与力学性能均匀且优异的水龙头产品，具有重要的科学和工程意义。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种环保硅黄铜水龙头的低压铸造工艺。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种环保硅黄铜水龙头的低压铸造工艺，包括如下步骤：
(1)铜锭制备：按59-61wt％Cu，36-39wt％Zn，0.5-0.7wt％Si，0.4-0.5wt％Al，0.003-0.01wt％B，0.03-0.06wt％Ti的元素比配料，在熔炉中熔炼浇铸铜锭；
(2)低压铸造成形：将所制备铜锭加入到低压铸造保温炉中熔化，并升温至980℃-1050℃的浇注温度，以8000Pa/s-9000Pa/s的加压速度进行充型，根据计算其充型压力为0.029MPa，充型完成后以10000Pa/s的加压速度将压力增大至0.032MPa-0.039MPa，并保压10-15s，保压完成后卸压脱模，即获得所述环保硅黄铜水龙头。
进一步地，步骤(1)中所述熔炼浇铸铜锭的过程为：先将铜硅中间合金、纯铜和覆盖剂一同加入到电炉中，将炉温保持在1050℃并保温20min，再将炉温降低至900℃，然后加入纯铝，待铝完全熔化后静置5min再加入纯锌，保温静置20min后将炉温升高到950℃，然后加入铜钛中间合金以及纯硼，保温静置20min后再将炉温升高至1000℃，投入除杂精炼剂对金属熔液进行除杂精炼，完成后将炉温降低至950℃，保温静置30min，最后在950-1000℃之间浇铸铜锭。
进一步地，步骤(2)中所述充型前先在模具型腔内壁喷涂油墨涂层，并将模具预热到120℃-150℃。
本发明原理为：针对特定的无铅黄铜材料，首先对其进行全面的物性参数分析，包括对其在不同温度下的密度以及固相线液相线(固相线为870℃，液相线为920℃)等进行测定，然后根据帕斯卡原理P＝λρgh(λ为空气阻力系数，ρ为金属液密度，g为重力加速度，取9.8m/s2，g为充型高度)，通过计算确定充型压力、保压压力；同时，结合铸造模拟分析技术对无铅黄铜的充型和凝固过程进行数值模拟分析，确定合适的充型加压速度以及保压时间。因此，该发明是在结合黄铜合金材料物性参数与计算机模拟技术的基础上，在进行低压铸造合金材料显微组织与力学性能的深入分析，从而获得的新型工艺。
本发明的工艺具有如下优点及有益效果：
本发明的工艺具有效率高、流程短、成本低的优点，所得水龙头零件各部位显微组织均匀、力学性能优异。
附图说明
图1为实施例1所得环保硅黄铜水龙头铸件的外观形貌图；
图2为实施例1～3所得环保硅黄铜水龙头铸件的拉伸力学性能曲线图；
图3为实施例1～3所得环保硅黄铜水龙头铸件的XRD谱图；
图4为实施例1所得环保硅黄铜水龙头铸件的微观组织金相图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)铜锭制备：采用工频有芯熔铜感应电炉，先将铜硅中间合金、纯铜和覆盖剂一同加入到电炉中，将炉温保持在1050℃下熔化材料并保温20min后，将炉温降低至900℃，然后加入纯铝，待铝完全溶化后静置5min后加入纯锌，保温静置20min后将炉温升高到950℃，然后加入铜钛中间合金以及纯硼，保温静置20min后将炉温升高至1000℃，投入除杂精炼剂对金属熔液进行除杂精炼，完成后将炉温降低至950℃，保温静置30min，最后在950℃进行浇铸铜锭。所制备无铅硅黄铜合金的成分及各元素质量配比为：59wt％Cu，36wt％Zn，0.5wt％Si，0.4wt％Al，0.003wt％B，0.03wt％Ti。
(2)模具预处理：先在模具型腔内壁喷涂一定厚度的油墨涂层，以在阻止铸件黏壁、保证铸件顺利脱模的同时，还能保护型腔内壁，提高模具使用寿命；再将模具加热到120℃，以克服在充型过程中金属熔液不会冷却过快而导致充型困难等问题。
(3)模具装配：待模具预热完成后，将准备好的砂芯放置到模具中的固定位置，并将砂芯固定好，保证在充型过程中金属液不会将其破坏，装配完成后用喷气设备将模具型腔及砂芯吹干净、合模，将模具放置到升液管浇口位置并将模具浇口跟升液管配合好并固定。
(4)低压铸造成形：所使用低压铸造设备为伊姆乐上海机械有限公司所产低压铸造设备BPC155V380HZ50。先将步骤(1)所制备铜锭加入到低压铸造保温炉中熔化，并升温至浇铸温度1000℃，以8000Pa/s的加压速度进行充型，根据计算其充型压力为0.029MPa，充型完成后以10000Pa/s的加压速度0.032MPa，并保压12s。
(5)卸压脱模：铸件成型并且保压一定时间后卸压，取下模具，将模具浸泡在油墨池中2s，待模具冷却至120℃范围时取出，即获得环保硅黄铜水龙头铸件。
本实施例所制备的水龙头铸件的外观形貌图见图1，铸件外形完整，无缺陷，表面无裂纹等。其拉伸力学性能曲线如图2，由图2可知其抗拉强度为585.4MPa、塑性为15.2％，均高于目前卫浴行业中使用最广的HPb59-1(强度为420MPa，延伸率为12％)。其XRD图谱和微观组织金相图分别如图3和图4所示，其微观组织由α和β两相组成，其中以等轴状的β相为基体，在β相晶界和晶粒内分布着颗粒状的α相。由于基体是β相，相比于α相更加硬脆，使得所制备的铸件强度远远高于HPb59-1，同时，由于在β相基体中分布着数量较大的α相，使得铸件相比于纯β相黄铜有着更优异的塑性，超过卫浴行业要求的12％。另外，基于GB18145-2014《陶瓷密封片水嘴标准》测得的铅析出量值为0.355μg，远低于其5μg的限值规定。
实施例2
(1)铜锭制备：采用工频有芯熔铜感应电炉，先将铜硅中间合金、纯铜和覆盖剂一同加入到电炉中，将炉温保持在1050℃下熔化材料并保温20min后，将炉温降低至900℃，然后加入纯铝，待铝完全溶化后静置5min后加入纯锌，保温静置20min后将炉温升高到950℃，然后加入铜钛中间合金以及纯硼，保温静置20min后将炉温升高至1000℃，投入除杂精炼剂对金属熔液进行除杂精炼，完成后将炉温降低至950℃，保温静置30min，最后在975℃之间进行浇铸铜锭。所制备无铅硅黄铜合金的成分及各元素质量配比为：60wt％Cu，37.5wt％Zn，0.6wt％Si，0.45wt％Al，0.007wt％B，0.045wt％Ti。
(2)模具预处理：先在模具型腔内壁喷涂一定厚度的油墨涂层，以在阻止铸件黏壁、保证铸件顺利脱模的同时，还能保护型腔内壁，提高模具使用寿命；再将模具加热到135℃，以克服在充型过程中金属熔液不会冷却过快而导致充型困难等问题。
(3)模具装配：待模具预热完成后，将准备好的砂芯放置到模具中的固定位置，并将砂芯固定好，保证在充型过程中金属液不会将其破坏，装配完成后用喷气设备将模具型腔及砂芯吹干净、合模，将模具放置到升液管浇口位置并将模具浇口跟升液管配合好并固定。
(4)低压铸造成形：所使用低压铸造设备为伊姆乐上海机械有限公司所产低压铸造设备BPC155V380HZ50。先将步骤(1)所制备铜锭加入到低压铸造保温炉中熔化，并升温至浇铸温度1000℃，以9000Pa/s的加压速度进行充型，根据计算其充型压力为0.029MPa，充型完成后以10000Pa/s的加压速度至0.38MPa，并保压13.5s。
(5)卸压脱模：铸件成型并且保压一定时间后卸压，取下模具，将模具浸泡在油墨池中2.5s，待模具冷却至135℃范围时取出，即获得环保硅黄铜水龙头铸件。
本实施例所制备的水龙头铸件力学性能如图2，其强度为598.9MPa，塑性为13.6％。结合其微观组织及XRD图谱(如图3)，其微观组织由α和β两相组成，其中以等轴状的β相为基体，在β相晶界和晶粒内分布着颗粒状的α相。由于基体是β相，相比于α相更加硬脆，使得所制备的铸件强度远远高于HPb59-1，同时，由于在β相基体中分布着数量较大的α相，使得铸件相比于纯β相黄铜有着更优异的塑性，超过卫浴行业要求的12％。而相比于实施例1，可以发现由于保压压力的增加使本实施例所得铸件的抗拉强度得到了提升，而塑性略微降低。从其微观组织及XRD图谱可知，本实施例中α相更少，同时由于压力的增大使得β相变得更加细小，从而导致其强度的提高和塑性的降低。另外，基于GB18145-2014《陶瓷密封片水嘴标准》测得的铅析出量值为0.5μg，远低于其5μg的限值规定。
实施例3
(1)铜锭制备：采用工频有芯熔铜感应电炉，先将铜硅中间合金、纯铜和覆盖剂一同加入到电炉中，将炉温保持在1050℃下熔化材料并保温20min后，将炉温降低至900℃，然后加入纯铝，待铝完全溶化后静置5min后加入纯锌，保温静置20min后将炉温升高到950℃，然后加入铜钛中间合金以及纯硼，保温静置20min后将炉温升高至1000℃，投入除杂精炼剂对金属熔液进行除杂精炼，完成后将炉温降低至950℃，保温静置30min，最后在1000℃之间进行浇铸铜锭。所制备无铅硅黄铜合金的成分及各元素质量配比为：61wt％Cu，39wt％Zn，0.7wt％Si，0.5wt％Al，0.01wt％B，0.06wt％Ti。
(2)模具预处理：先在模具型腔内壁喷涂一定厚度的油墨涂层，以在阻止铸件黏壁、保证铸件顺利脱模的同时，还能保护型腔内壁，提高模具使用寿命；再将模具加热到150℃，以克服在充型过程中金属熔液不会冷却过快而导致充型困难等问题。
(3)模具装配：待模具预热完成后，将准备好的砂芯放置到模具中的固定位置，并将砂芯固定好，保证在充型过程中金属液不会将其破坏，装配完成后用喷气设备将模具型腔及砂芯吹干净、合模，将模具放置到升液管浇口位置并将模具浇口跟升液管配合好并固定。
(4)低压铸造成形：所使用低压铸造设备为伊姆乐上海机械有限公司所产低压铸造设备BPC155V380HZ50。先将步骤(1)所制备铜锭加入到低压铸造保温炉中熔化，并升温至浇铸温度1020℃，以9000Pa/s的加压速度进行充型，根据计算其充型压力为0.029MPa，充型完成后以10000Pa/s的加压速度加压至0.395MPa，并保压15s。
(5)卸压脱模：铸件成型并且保压一定时间后卸压，取下模具，将模具浸泡在油墨池中3s，待模具冷却至150℃范围时取出，即获得环保硅黄铜水龙头铸件。
本实施例所制备的水龙头铸件力学性能如图2所示，其强度为565.7MPa，延伸率为13.5％。从其XRD图谱(图3所示)显示铸件主要由α和β两相组成，结合其微观组织可知铸件以等轴状β相为基体，同时在基体β相的晶内和晶界上分布着颗粒状的α相。相比于实施例2，由于浇铸温度的提高，使得冷却过程更加缓慢，从而导致β相的长大以及α相的析出，因此从金相照片可以看出，本实施例中的α相明显要比实施例2多，同时晶粒更加粗大，从而导致其强度相比实施例2更低。另外，基于GB18145-2014《陶瓷密封片水嘴标准》测得的铅析出量值为0.25μg，远低于其5μg的限值规定。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种环保硅黄铜水龙头的低压铸造工艺，其特征在于包括如下步骤：
(1)铜锭制备：按59-61wt％Cu，36-39wt％Zn，0.5-0.7wt％Si，0.4-0.5wt％Al，0.003-0.01wt％B，0.03-0.06wt％Ti的元素比配料，在熔炉中熔炼浇铸铜锭；
(2)低压铸造成形：将所制备铜锭加入到低压铸造保温炉中熔化，并升温至980℃-1050℃的浇注温度，以8000Pa/s-9000Pa/s的加压速度进行充型，根据计算其充型压力为0.029MPa，充型完成后以10000Pa/s的加压速度将压力增大至0.032MPa-0.039MPa，并保压10-15s，保压完成后卸压脱模，即获得所述环保硅黄铜水龙头。
2.根据权利要求1所述的一种环保硅黄铜水龙头的低压铸造工艺，其特征在于步骤(1)中所述熔炼浇铸铜锭的过程为：先将铜硅中间合金、纯铜和覆盖剂一同加入到电炉中，将炉温保持在1050℃并保温20min，再将炉温降低至900℃，然后加入纯铝，待铝完全熔化后静置5min再加入纯锌，保温静置20min后将炉温升高到950℃，然后加入铜钛中间合金以及纯硼，保温静置20min后再将炉温升高至1000℃，投入除杂精炼剂对金属熔液进行除杂精炼，完成后将炉温降低至950℃，保温静置30min，最后在950-1000℃之间浇铸铜锭。
3.根据权利要求1所述的一种环保硅黄铜水龙头的低压铸造工艺，其特征在于：步骤(2)中所述充型前先在模具型腔内壁喷涂油墨涂层，并将模具预热到120℃-150℃。
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