CN114042869A - 一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法 - Google Patents

一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，包括以下步骤：S1、根据铸件尺寸，采用3D打印制作模型A；S2、制作浇铸模壳A；S3、焙烧浇铸模壳A，并进行浇铸，得到铸件A；S4、对得到的铸件A进行质量检测；S5、根据步骤S4验证合格后的铸造工艺及尺寸，设计金属铝模具；S6、制造蜡型B，制作浇铸模壳B；S7、焙烧浇铸模壳B，并进行浇铸，得到铸件B；S8、抽样检测，成品加工，尺寸检验，超声波探伤，合格入库。本发明所制备的铜合金精密铸件表面外观好，材料组织及成分均匀，无疏松、缩孔等内部铸造缺陷，致密度好，气体、夹杂物少，且制备低成本、效率高。

Description

一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法
技术领域
本发明涉及工程机械用铜合金零件制备技术领域，具体是涉及一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法。
背景技术
铜合金用于工程机械类零件，主要用于导向作用，铜合金材料要具有高强、耐磨、耐腐蚀及长寿命等优点，伴随经济大发展，工程机械本着长寿命，高效率的设计理念在不断进步和创新，对比之前工程机械使用材料ZHPb59-1铅黄铜，目前ZCuAl10Fe4Ni4铝青铜材料具有更高的强度、硬度及抗冲击性，产品的使用寿命及工程机械功率都有大幅提高，对于传统锻造工艺，性能满足要求，但是价格非常昂贵，加工量特别大，材料利用率只要百分之十不到，交货周期特别长，目前跟本无法满足交期需求，因此需要开发一种新技术来制备生产周期短，高质量低成本的铜合金铸件，目前低温蜡真空精密制壳加上真空熔炼、浇铸工艺方法可以制备出高质量低成本工程机械用铜合金铸件的方法；
锻造方法是制备铜合金工程机械用零件的传统方法，该工艺制备出产品性能满足使用要求，但是锻造出毛坯为板料状，零件上很多孔、凸台特征都需要通过后续机床加工的方式成型，效率非常低，加工一件零件用时很长，锻造过程会有很大应力产生，在加工中需要经过多次去应力退火工序，更加加长了产品加工时间，并且工程机械用铜合金零件为损耗品，在一定时间内需要更换，目前锻造方式不光加工周期长，且成本非常高，产品单价很高，从交期及经济性方面已经无法满足使用要求，所以需要开发新工艺方法进行批量制备生产。该低温蜡精密铸造加真空铸造方法应运而生。
目前，国内对于ZCuAl10Fe4Ni4铜合金工程机械用零件的制备方法主要有以下两种方法：
1)砂型铸造：一般使用树脂砂先制作砂型，固化后进行烘烤，然后上、下模组型完成，最后感应炉进行合金材料熔炼，非真空浇铸成型，这种工艺方法浇铸出保持架夹杂及气孔较多，合格率很低，产品使用寿命较短；
2)锻造工艺：先熔炼出铜合金铸锭，后续通过锻造成板坯后再进行全加工成型方式，该工艺方法产品质量高，主要缺点为加工量大，周期长且成本高等缺点。
发明内容
本发明针对现有技术中ZCuAl10Fe4Ni4铜合金零件的制备方法所存在的上述不足之处，提供了一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，包括以下步骤：
S1、根据铸件尺寸，采用3D打印制作模型A；
S2、根据步骤S1所制作的模型A制作浇铸模壳A；
S3、焙烧所述浇铸模壳A，并进行浇铸，得到铸件A；
S4、对所得到的铸件A进行质量检测，以实现对铸造工艺、铸件尺寸及铸件成分的验证，若铸件A的尺寸及成分合格，则进行下一步；若不合格，则返回步骤S1进行尺寸的调整以及返回步骤S3进行铸造工艺的调整；
S5、根据步骤S4验证合格后的铸造工艺及尺寸，设计金属铝模具；
S6、根据步骤S5所设计的金属铝模具，制造蜡型B，并根据所述蜡型B制作浇铸模壳B；
S7、焙烧所述浇铸模壳B，并进行浇铸，得到铸件B；
S8、抽样检测，成品加工，尺寸检验，超声波探伤，合格入库。
说明：3D打印速度很快，一般两三个小时可以打印较复杂零件，很复杂的一个工作日可完成，对于新品研发可缩短工期。后面用的蜡型时工艺定型后设计制作的精铸铝模具，可以达到批量生产的目的。成本较3D打印低很多。
进一步地，在上述方案中，所述步骤S1具体为：
根据铸件尺寸，按照1.8％的铸造收缩率，使用3D打印机打印光敏树脂材料， 3D打印制作模型A，同时打印浇铸系统。
进一步地，在上述方案中，所述步骤S2具体为：
在所述模型A上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8 层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过700-800℃保温5-7h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固。
进一步地，在上述方案中，所述步骤S3具体为：
S3-1、焙烧：
在900-950℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳A，焙烧时间为3-4.5h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳A，得到铸件A。
真空熔炼具体为：抽真空，然后进行升功率加热，先加到60KW，保持3分钟，再加120KW保持5分钟，后加到180KW保持5分钟，最后加到200KW直至金属全部熔化，保证真空度在30Pa以内,关掉加热开始充入氩气，待炉内真空度到0.08MPa以内后再加功率到180KW开始加热精炼15～20分钟，精炼后功率降为0开始降温，降温20分钟后进行加工率50KW加热，加热后进行坩埚倾斜均匀化处理3次后进行浇铸。
更进一步地，所述步骤S3还包括步骤S3-4、清理模壳：使用水压力机去除表面残留模壳。
进一步地，在上述方案中，所述步骤S4中，质量检测包括：(1)检测铸件 A的尺寸；(2)取样并检测铸件A的材料化学成分，满足成分要求：Al：9.5～ 11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％， As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％，Pb≤0.05％，Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量，解剖检测铸件内部质量；(3)检测铸件A的外观。
说明：铸件内部质量因为无法通过设备无损探伤，因此需要解剖后，无可见疏松、缩孔、夹杂及气孔等铸造缺陷判定为合格。
铸件的外观一般依据标准GBT 1176-2013铸造铜及铜合金，TB/T 147593 铁道机车车辆用铜合金铸件通用技术条件执行，对于有异议的地方按照客户提供样品为准。
进一步地，在上述方案中，所述步骤S5中，根据蜡型收缩率计算出实际整体收缩率2.6％，设计金属铝模具。
进一步地，在上述方案中，所述步骤S6具体包括：
S6-1、制造蜡型B：
使用步骤S5所设计的金属铝模具，用射蜡机制造蜡型B，压射蜡温：50℃, 压力0.5MPa，保压时间200-300s，充分冷却1.5h后取出蜡型B放入15±5℃水中冷却1h；
S6-2、组型：
将蜡型B、浇道进行拼接粘合起来；
S6-3、制作浇铸模壳B：
在蜡型B上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过700-800℃保温5-7h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固，得到浇铸模壳B。
进一步地，在上述方案中，所述步骤S7具体包括：
S7-1、焙烧：
在900-950℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳B，焙烧时间为3-4.5h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳B，得到铸件B。
真空熔炼具体为：先抽真空，然后进行升功率加热，先加到60KW，保持3 分钟，再加120KW保持5分钟，后加到180KW保持5分钟，最后加到200KW 直至金属全部熔化，保证真空度在30Pa以内,关掉加热开始充入氩气，待炉内真空度到0.08MPa以内后再加功率到180KW开始加热精炼15～20分钟，精炼后功率降为0开始降温，降温20分钟后进行加工率50KW加热,加热后进行坩埚倾斜均匀化处理3次后进行浇铸。
进一步地，在上述方案中，所述步骤S8中，抽样检测的成分要求为：Al： 9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％， P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％，Pb≤0.05％，Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％， Cu：余量。
进一步地，在上述方案中，所述步骤S8中，成品加工之前对所述铸件B进行热处理：200℃保温4h退火处理，去除铸造应力；热处理之后取样检测铸件B 的机械性能，要求：抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥250MPa，延伸率≥10％，硬度HB≥170；冲击功≥12J。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几点：
第一，本发明的制备方法首先采用3D打印的模型进行铸造工艺及尺寸验证，再通过铸造工艺验证后制备蜡型进行制壳，由于3D打印速度很快，一般两三个小时可以打印较复杂零件，很复杂的一个工作日可完成，对于新品研发可缩短工期。后面用的蜡型时工艺定型后设计制作的精铸铝模具，可以达到批量生产的目的，且成本较3D打印低很多。
第二，本发明通过采用低温蜡熔模铸造方法制造模壳，然后采用真空感应熔炼炉真空浇铸模壳来生产铜合金精密铸件，合金组织中Al、Fe、Ni合金相成分均匀、微观偏析、气体含量小、铸件无气孔、夹杂，缩孔、疏松、组织致密、无宏观铸造缺陷。
第三，本发明制备的ZCuAl10Fe4Ni4铜合金铸件：抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥250MPa，延伸率≥10％，硬度HB≥170，冲击功≥12J，性能优越，可用于高质量的工程机械用铜合金精密铸件。
附图说明
图1为本发明实施例2所制备的ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的50倍未腐蚀金相组织图。
图2为本发明实施例2所制备的ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的50倍腐蚀金相组织图。
图3为本发明实施例2所制备的ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的100倍未腐蚀金相组织图。
图4为本发明实施例2所制备的ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的100倍腐蚀金相组织图。
图5为本发明实施例2所制备的ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的500倍未腐蚀金相组织图。
图6为本发明实施例2所制备的ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的500倍腐蚀金相组织图。
具体实施方式
实施例1
一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，包括以下步骤：
S1、根据铸件尺寸，采用3D打印制作模型A：
根据铸件尺寸，按照1.8％的铸造收缩率，使用3D打印机打印光敏树脂材料， 3D打印制作模型A，同时打印浇铸系统；
S2、根据步骤S1所制作的模型A制作浇铸模壳A：
在所述模型A上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8 层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过700℃保温 5h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固；
S3、焙烧所述浇铸模壳A，并进行浇铸，得到铸件A：
S3-1、焙烧：
在900℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳A，焙烧时间为3h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳A，得到铸件A；
真空熔炼具体为：抽真空，然后进行升功率加热，先加到60KW，保持3分钟，再加120KW保持5分钟，后加到180KW保持5分钟，最后加到200KW直至金属全部熔化，保证真空度在10Pa，关掉加热开始充入氩气，待炉内真空度到0.08MPa以内后再加功率到180KW开始加热精炼15分钟，精炼后功率降为0 开始降温，降温20分钟后进行加工率50KW加热，加热后进行坩埚倾斜均匀化处理3次后进行浇铸；
S3-4、清理模壳：
使用水压力机去除表面残留模壳；
S4、对所得到的铸件A进行质量检测，以实现对铸造工艺、铸件尺寸及铸件成分的验证，若铸件A的尺寸及成分合格，则进行下一步；若不合格，则返回步骤S1进行尺寸的调整以及返回步骤S3进行铸造工艺的调整；
其中，质量检测包括：(1)检测铸件A的尺寸；(2)取样并检测铸件A 的材料化学成分，满足成分要求：Al：9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％，Pb≤0.05％， Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量，解剖检测铸件内部质量；(3)检测铸件 A的外观。
铸件内部质量因为无法通过设备无损探伤，因此需要解剖后，无可见疏松、缩孔、夹杂及气孔等铸造缺陷判定为合格；
铸件的外观一般依据标准GBT 1176-2013铸造铜及铜合金，TB/T 147593 铁道机车车辆用铜合金铸件通用技术条件执行，对于有异议的地方按照客户提供样品为准。
S5、根据步骤S4验证合格后的铸造工艺及尺寸，根据蜡型收缩率计算出实际整体收缩率2.6％，设计金属铝模具；
S6、根据步骤S5所设计的金属铝模具，制造蜡型B，并根据所述蜡型B制作浇铸模壳B：
S6-1、制造蜡型B：
使用步骤S5所设计的金属铝模具，用射蜡机制造蜡型B，压射蜡温：50℃, 压力0.5MPa，保压时间200s，充分冷却1.5h后取出蜡型B放入10℃水中冷却 1h；
S6-2、组型：
将蜡型B、浇道进行拼接粘合起来；
S6-3、制作浇铸模壳B：
在蜡型B上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过700℃保温5h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固，得到浇铸模壳B。
S7、焙烧所述浇铸模壳B，并进行浇铸，得到铸件B：
S7-1、焙烧：
在900℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳B，焙烧时间为3h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳B，得到铸件B。
真空熔炼具体为：先抽真空，然后进行升功率加热，先加到60KW，保持3 分钟，再加120KW保持5分钟，后加到180KW保持5分钟，最后加到200KW 直至金属全部熔化，保证真空度在10Pa，关掉加热开始充入氩气，待炉内真空度到0.08MPa以内后再加功率到180KW开始加热精炼15分钟，精炼后功率降为0开始降温，降温20分钟后进行加工率50KW加热，加热后进行坩埚倾斜均匀化处理3次后进行浇铸。
S8、抽样检测，成品加工，尺寸检验，超声波探伤，合格入库。
其中，抽样检测的成分要求为：Al：9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～ 5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％， Pb≤0.05％，Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量。
成品加工之前对所述铸件B进行热处理：200℃保温4h退火处理，去除铸造应力；热处理之后取样检测铸件B的机械性能，要求：抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥250MPa，延伸率≥10％，硬度HB≥170；冲击功≥12J。
实施例2
一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，包括以下步骤：
S1、根据铸件尺寸，采用3D打印制作模型A：
根据铸件尺寸，按照1.8％的铸造收缩率，使用3D打印机打印光敏树脂材料， 3D打印制作模型A，同时打印浇铸系统；
S2、根据步骤S1所制作的模型A制作浇铸模壳A：
在所述模型A上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8 层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过750℃保温 6h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固；
S3、焙烧所述浇铸模壳A，并进行浇铸，得到铸件A：
S3-1、焙烧：
在950℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳A，焙烧时间为4.5h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳A，得到铸件A；
真空熔炼具体为：抽真空，然后进行升功率加热，先加到60KW，保持3分钟，再加120KW保持5分钟，后加到180KW保持5分钟，最后加到200KW直至金属全部熔化，保证真空度在20Pa，关掉加热开始充入氩气，待炉内真空度到0.08MPa以内后再加功率到180KW开始加热精炼18分钟，精炼后功率降为0 开始降温，降温20分钟后进行加工率50KW加热，加热后进行坩埚倾斜均匀化处理3次后进行浇铸；
S3-4、清理模壳：
使用水压力机去除表面残留模壳；
S4、对所得到的铸件A进行质量检测，以实现对铸造工艺、铸件尺寸及铸件成分的验证，若铸件A的尺寸及成分合格，则进行下一步；若不合格，则返回步骤S1进行尺寸的调整以及返回步骤S3进行铸造工艺的调整；
其中，质量检测包括：(1)检测铸件A的尺寸；(2)取样并检测铸件A 的材料化学成分，满足成分要求：Al：9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％，Pb≤0.05％， Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量，解剖检测铸件内部质量；(3)检测铸件 A的外观。
铸件内部质量因为无法通过设备无损探伤，因此需要解剖后，无可见疏松、缩孔、夹杂及气孔等铸造缺陷判定为合格；
铸件的外观一般依据标准GBT 1176-2013铸造铜及铜合金，TB/T 147593 铁道机车车辆用铜合金铸件通用技术条件执行，对于有异议的地方按照客户提供样品为准。
S5、根据步骤S4验证合格后的铸造工艺及尺寸，根据蜡型收缩率计算出实际整体收缩率2.6％，设计金属铝模具；
S6、根据步骤S5所设计的金属铝模具，制造蜡型B，并根据所述蜡型B制作浇铸模壳B：
S6-1、制造蜡型B：
使用步骤S5所设计的金属铝模具，用射蜡机制造蜡型B，压射蜡温：50℃, 压力0.5MPa，保压时间200s，充分冷却1.5h后取出蜡型B放入15℃水中冷却 1h；
S6-2、组型：
将蜡型B、浇道进行拼接粘合起来；
S6-3、制作浇铸模壳B：
在蜡型B上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过750℃保温6h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固，得到浇铸模壳B。
S7、焙烧所述浇铸模壳B，并进行浇铸，得到铸件B：
S7-1、焙烧：
在950℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳B，焙烧时间为4.5h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳B，得到铸件B。
真空熔炼具体为：先抽真空，然后进行升功率加热，先加到60KW，保持3 分钟，再加120KW保持5分钟，后加到180KW保持5分钟，最后加到200KW 直至金属全部熔化，保证真空度在20Pa，关掉加热开始充入氩气，待炉内真空度到0.08MPa以内后再加功率到180KW开始加热精炼18分钟，精炼后功率降为0开始降温，降温20分钟后进行加工率50KW加热，加热后进行坩埚倾斜均匀化处理3次后进行浇铸。
S8、抽样检测，成品加工，尺寸检验，超声波探伤，合格入库。
其中，抽样检测的成分要求为：Al：9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～ 5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％， Pb≤0.05％，Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量。
成品加工之前对所述铸件B进行热处理：200℃保温4h退火处理，去除铸造应力；热处理之后取样检测铸件B的机械性能，要求：抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥250MPa，延伸率≥10％，硬度HB≥170；冲击功≥12J。
实施例3
一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，包括以下步骤：
S1、根据铸件尺寸，采用3D打印制作模型A：
根据铸件尺寸，按照1.8％的铸造收缩率，使用3D打印机打印光敏树脂材料， 3D打印制作模型A，同时打印浇铸系统；
S2、根据步骤S1所制作的模型A制作浇铸模壳A：
在所述模型A上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8 层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过720℃保温 6.5h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固；
S3、焙烧所述浇铸模壳A，并进行浇铸，得到铸件A：
S3-1、焙烧：
在920℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳A，焙烧时间为4h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳A，得到铸件A；
真空熔炼具体为：抽真空，然后进行升功率加热，先加到60KW，保持3分钟，再加120KW保持5分钟，后加到180KW保持5分钟，最后加到200KW直至金属全部熔化，保证真空度在25Pa，关掉加热开始充入氩气，待炉内真空度到0.08MPa以内后再加功率到180KW开始加热精炼16分钟，精炼后功率降为0 开始降温，降温20分钟后进行加工率50KW加热，加热后进行坩埚倾斜均匀化处理3次后进行浇铸；
S3-4、清理模壳：
使用水压力机去除表面残留模壳；
S4、对所得到的铸件A进行质量检测，以实现对铸造工艺、铸件尺寸及铸件成分的验证，若铸件A的尺寸及成分合格，则进行下一步；若不合格，则返回步骤S1进行尺寸的调整以及返回步骤S3进行铸造工艺的调整；
其中，质量检测包括：(1)检测铸件A的尺寸；(2)取样并检测铸件A 的材料化学成分，满足成分要求：Al：9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％，Pb≤0.05％， Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量，解剖检测铸件内部质量；(3)检测铸件 A的外观。
铸件内部质量因为无法通过设备无损探伤，因此需要解剖后，无可见疏松、缩孔、夹杂及气孔等铸造缺陷判定为合格；
铸件的外观一般依据标准GBT 1176-2013铸造铜及铜合金，TB/T 147593 铁道机车车辆用铜合金铸件通用技术条件执行，对于有异议的地方按照客户提供样品为准。
S5、根据步骤S4验证合格后的铸造工艺及尺寸，根据蜡型收缩率计算出实际整体收缩率2.6％，设计金属铝模具；
S6、根据步骤S5所设计的金属铝模具，制造蜡型B，并根据所述蜡型B制作浇铸模壳B：
S6-1、制造蜡型B：
使用步骤S5所设计的金属铝模具，用射蜡机制造蜡型B，压射蜡温：50℃, 压力0.5MPa，保压时间200s，充分冷却1.5h后取出蜡型B放入18℃水中冷却 1h；
S6-2、组型：
将蜡型B、浇道进行拼接粘合起来；
S6-3、制作浇铸模壳B：
在蜡型B上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过720℃保温6.5h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固，得到浇铸模壳B。
S7、焙烧所述浇铸模壳B，并进行浇铸，得到铸件B：
S7-1、焙烧：
在920℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳B，焙烧时间为4h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳B，得到铸件B。
真空熔炼具体为：先抽真空，然后进行升功率加热，先加到60KW，保持3 分钟，再加120KW保持5分钟，后加到180KW保持5分钟，最后加到200KW 直至金属全部熔化，保证真空度在28Pa，关掉加热开始充入氩气，待炉内真空度到0.08MPa以内后再加功率到180KW开始加热精炼16分钟，精炼后功率降为0开始降温，降温20分钟后进行加工率50KW加热，加热后进行坩埚倾斜均匀化处理3次后进行浇铸。
S8、抽样检测，成品加工，尺寸检验，超声波探伤，合格入库。
其中，抽样检测的成分要求为：Al：9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～ 5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％， Pb≤0.05％，Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量。
成品加工之前对所述铸件B进行热处理：200℃保温4h退火处理，去除铸造应力；热处理之后取样检测铸件B的机械性能，要求：抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥250MPa，延伸率≥10％，硬度HB≥170；冲击功≥12J。
实施例4
一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，包括以下步骤：
S1、根据铸件尺寸，采用3D打印制作模型A：
根据铸件尺寸，按照1.8％的铸造收缩率，使用3D打印机打印光敏树脂材料， 3D打印制作模型A，同时打印浇铸系统；
S2、根据步骤S1所制作的模型A制作浇铸模壳A：
在所述模型A上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8 层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过800℃保温 7h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固；
S3、焙烧所述浇铸模壳A，并进行浇铸，得到铸件A：
S3-1、焙烧：
在950℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳A，焙烧时间为4.5h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳A，得到铸件A；
真空熔炼具体为：抽真空，然后进行升功率加热，先加到60KW，保持3分钟，再加120KW保持5分钟，后加到180KW保持5分钟，最后加到200KW直至金属全部熔化，保证真空度为28Pa，关掉加热开始充入氩气，待炉内真空度到0.08MPa以内后再加功率到180KW开始加热精炼20分钟，精炼后功率降为0 开始降温，降温20分钟后进行加工率50KW加热，加热后进行坩埚倾斜均匀化处理3次后进行浇铸；
S3-4、清理模壳：
使用水压力机去除表面残留模壳；
S4、对所得到的铸件A进行质量检测，以实现对铸造工艺、铸件尺寸及铸件成分的验证，若铸件A的尺寸及成分合格，则进行下一步；若不合格，则返回步骤S1进行尺寸的调整以及返回步骤S3进行铸造工艺的调整；
其中，质量检测包括：(1)检测铸件A的尺寸；(2)取样并检测铸件A 的材料化学成分，满足成分要求：Al：9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％，Pb≤0.05％， Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量，解剖检测铸件内部质量；(3)检测铸件 A的外观。
铸件内部质量因为无法通过设备无损探伤，因此需要解剖后，无可见疏松、缩孔、夹杂及气孔等铸造缺陷判定为合格；
铸件的外观一般依据标准GBT 1176-2013铸造铜及铜合金，TB/T 147593 铁道机车车辆用铜合金铸件通用技术条件执行，对于有异议的地方按照客户提供样品为准。
S5、根据步骤S4验证合格后的铸造工艺及尺寸，根据蜡型收缩率计算出实际整体收缩率2.6％，设计金属铝模具；
S6、根据步骤S5所设计的金属铝模具，制造蜡型B，并根据所述蜡型B制作浇铸模壳B：
S6-1、制造蜡型B：
使用步骤S5所设计的金属铝模具，用射蜡机制造蜡型B，压射蜡温：50℃, 压力0.5MPa，保压时间200s，充分冷却1.5h后取出蜡型B放入20℃水中冷却 1h；
S6-2、组型：
将蜡型B、浇道进行拼接粘合起来；
S6-3、制作浇铸模壳B：
在蜡型B上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过800℃保温7h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固，得到浇铸模壳B。
S7、焙烧所述浇铸模壳B，并进行浇铸，得到铸件B：
S7-1、焙烧：
在950℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳B，焙烧时间为4.5h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳B，得到铸件B。
真空熔炼具体为：先抽真空，然后进行升功率加热，先加到60KW，保持3 分钟，再加120KW保持5分钟，后加到180KW保持5分钟，最后加到200KW 直至金属全部熔化，保证真空度在28Pa，关掉加热开始充入氩气，待炉内真空度到0.08MPa以内后再加功率到180KW开始加热精炼20分钟，精炼后功率降为0开始降温，降温20分钟后进行加工率50KW加热，加热后进行坩埚倾斜均匀化处理3次后进行浇铸。
S8、抽样检测，成品加工，尺寸检验，超声波探伤，合格入库。
其中，抽样检测的成分要求为：Al：9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～ 5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％， Pb≤0.05％，Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量。
成品加工之前对所述铸件B进行热处理：200℃保温4h退火处理，去除铸造应力；热处理之后取样检测铸件B的机械性能，要求：抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥250MPa，延伸率≥10％，硬度HB≥170；冲击功≥12J。
产品性能测试
本发明实施例2制备的ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件金相组织如图2所示，其中，图a为50倍未腐蚀，图b为50倍腐蚀；图c为100倍未腐蚀，图d为 100倍腐蚀；图e为500倍未腐蚀，图f为500倍腐蚀。
对本发明实施例1-4所制备的ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件进行取样检测，材料成分取样检测结果如表1所示：
表1：各实施例材料成分取样检测结果
Figure RE-GDA0003467482380000191
Figure RE-GDA0003467482380000201
材料机械性能取样检测结果如表2所示：
表2：各实施例材料机械性能取样检测结果
Figure RE-GDA0003467482380000202
由表1可以看出，本发明所制备的铜合金精密铸件，其合金组织中Al、Fe、 Ni合金相成分均匀、微观偏析、气体含量小、铸件无气孔、夹杂，缩孔、疏松、组织致密、无宏观铸造缺陷，且铸件的抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥250MPa，延伸率≥10％，硬度HB≥170，冲击功≥12J，性能优越，可用于高质量的工程机械用铜合金精密铸件。其中，实施例2的铸件性能最优。

Claims (10)

1.一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据铸件尺寸，采用3D打印制作模型A；
S2、根据步骤S1所制作的模型A制作浇铸模壳A；
S3、焙烧所述浇铸模壳A，并进行浇铸，得到铸件A；
S4、对所得到的铸件A进行质量检测，以实现对铸造工艺、铸件尺寸及铸件成分的验证，若铸件A的尺寸及成分合格，则进行下一步；若不合格，则返回步骤S1进行尺寸的调整以及返回步骤S3进行铸造工艺的调整；
S5、根据步骤S4验证合格后的铸造工艺及尺寸，设计金属铝模具；
S6、根据步骤S5所设计的金属铝模具，制造蜡型B，并根据所述蜡型B制作浇铸模壳B；
S7、焙烧所述浇铸模壳B，并进行浇铸，得到铸件B；
S8、抽样检测，成品加工，尺寸检验，超声波探伤，合格入库。
2.根据权利要求1所述的一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
根据铸件尺寸，按照1.8％的铸造收缩率，使用3D打印机打印光敏树脂材料，3D打印制作模型A，同时打印浇铸系统。
3.根据权利要求1所述的一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
在所述模型A上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过700-800℃保温5-7h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固。
4.根据权利要求1所述的一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
S3-1、焙烧：
在900-950℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳A，焙烧时间为3-4.5h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳A，得到铸件A。
5.根据权利要求4所述的一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，质量检测包括：(1)检测铸件A的尺寸；(2)取样并检测铸件A的材料化学成分，满足成分要求：Al：9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％，Pb≤0.05％，Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量，解剖检测铸件内部质量；(3)检测铸件A的外观。
6.根据权利要求1所述的一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据蜡型收缩率计算出实际整体收缩率2.6％，设计金属铝模具。
7.根据权利要求1所述的一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：
S6-1、制造蜡型B：
使用步骤S5所设计的金属铝模具，用射蜡机制造蜡型B，压射蜡温：50℃,压力0.5MPa，保压时间200-300s，充分冷却1.5h后取出蜡型B放入15±5℃水中冷却1h；
S6-2、组型：
将蜡型B、浇道进行拼接粘合起来；
S6-3、制作浇铸模壳B：
在蜡型B上1-3层逐层使用锆英粉料浆沾浆，锆英砂逐层包覆表面，4-8层逐层使用上店粉料浆沾浆，上店砂逐层包覆表面，干燥完成后通过700-800℃保温5-7h，再将内部的光敏树脂溶化掉，获得浇铸模壳A，6-8层使用铁丝缠绑加固，得到浇铸模壳B。
8.根据权利要求1所述的一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：
S7-1、焙烧：
在900-950℃的温度条件下焙烧所述浇铸模壳B，焙烧时间为3-4.5h；
S3-2、配制浇铸料：
浇铸料中各元素质量百分含量为：Al块：9.9％，纯Fe：4.5％，Ni板：4.5％，电解Mn：0.4％，余量：电解Cu板；
S3-3、真空熔炼、浇铸：
将配好的电解Cu板、Al块、纯Fe、Ni板及电解Mn加入到真空感应电炉坩埚中进行真空熔炼，充分熔化后浇铸模壳B，得到铸件B。
9.根据权利要求1所述的一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，其特征在于，所述步骤S8中，抽样检测的成分要求为：Al：9.5～11％，Fe：3.5～5.5％，Ni：3.5～5.5％，杂质含量：Sb≤0.05％，Si≤0.2％，P≤0.1％，As≤0.05％，Sn≤0.2％，Zn≤0.5％，Pb≤0.05％，Mn≤0.5％杂质总和≤1.5％，Cu：余量。
10.根据权利要求1所述的一种工程机械用ZCuAl10Fe4Ni4铜合金精密铸件的制备方法，其特征在于，所述步骤S8中，成品加工之前对所述铸件B进行热处理：200℃保温4h退火处理，去除铸造应力；热处理之后取样检测铸件B的机械性能，要求：抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥250MPa，延伸率≥10％，硬度HB≥170；冲击功≥12J。
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