铜合金熔体泡沫陶瓷离心过滤技术研究

戴斌煜，陆 磊，吁安山，商景利，王薇薇

(1.南昌航空大学航空制造工程学院，330063，南昌；2.江西省科学院，330029，南昌)

铜合金熔体泡沫陶瓷离心过滤技术研究

戴斌煜1,2，陆 磊2，吁安山1，商景利1，王薇薇1

(1.南昌航空大学航空制造工程学院，330063，南昌；2.江西省科学院，330029，南昌)

提出通过用离心加压使铜合金通过高密度、大厚度泡沫陶瓷从而强化过滤效果的新方法，研究了过滤工艺参数对铜合金过滤效果的影响。试验结果表明，泡沫陶瓷孔径与厚度、熔体温度、旋转速度等对铜合金的洁净度及力学性能有重要影响。采用该方法过滤铜合金熔体，抗拉强度比未过滤的提高10.8%，延伸率提高27.2%。金相观察表明，这种强化过滤对合金中15 μm以上夹杂物有显著滤除效果。

泡沫陶瓷；离心力；铜合金；过滤

0 引言

铜及其合金被广泛应用于国民经济和国防建设的许多领域，成为除钢铁、铝以外的第3大金属[1]。然而铜及其合金在熔铸时，伴随着严重的氧化和吸气现象[2]，在铸件中易形成氧化夹渣和气孔缺陷，对铸件的性能和可靠性产生较大损害。国内外研究者针对铜及铜合金熔体净化技术作了许多研究[3-5]。泡沫陶瓷过滤器是目前公认最好的合金熔体净化过滤介质[6-7]，它可有效去除铜合金熔体中的夹杂物及气体，减少疏松和气孔，细化晶粒，提高铜合金铸件的力学性能和气密性[8]。泡沫陶瓷过滤器的过滤效果与过滤器结构参数(如孔径、厚度等)、合金熔体流动状态、夹杂与熔体的物理化学性质等有关。对于同一合金熔体，过滤器孔径越小，厚度越大，过滤效果越好，反之则越低。采用孔径小，厚度大的泡沫陶瓷，虽然可达到更好的过滤效果，但过滤速率慢，满足不了过滤流量要求。本文采用泡沫陶瓷离心过滤技术，将合金熔体置于离心力场中，获得比重力场更强的过滤推动力，使合金通过孔径更小、厚度更大的泡沫陶瓷过滤器，达到更好的过滤效果。本文系统地研究了合金熔体的温度、旋转速度及泡沫陶瓷孔径及其厚度对铜合金的抗拉强度与延伸率的影响，用金相显微镜观察试样中夹杂物分布，并对其机制进行了分析。

1 实验

采用自行设计制作的泡沫陶瓷离心过滤试验装置(见图1)进行铜合金过滤试验。旋转浇道的横截面尺寸为70 mm×70 mm。在旋转浇道两侧(距中心距离为120 mm)放置外形尺寸为70 mm×70 mm、不同孔径(孔径单位PPI：Pores Per Inch)和不同厚度的泡沫陶瓷过滤片。

试验合金为ZHSi80-3硅黄铜，其化学成分(Wt%)：Cu 80，Si 3.5，其余为Zn。将浇口、含泡沫陶瓷的旋转浇道及金属型预热到400 ℃，待铜合金在坩埚电阻炉内熔化后，浇入到离心过滤装置进行过滤，净化后的铜合金液在金属型内冷却成形，然后将铜棒加工成如图2所示的抗拉试样。利用WDW-50型微机控制电子万能试验机测试抗拉强度；运用XSP-4SB型金相光学显微镜观察试样中夹杂物的数量及其大小。

2 结果与讨论

2.1泡沫陶瓷离心过滤对铜合金中夹杂物的影响

图2为采用泡沫陶瓷过滤和未过滤试样的抗拉强度及延伸率直方图。图3为过滤和未过滤试样夹杂物分布图。试验条件：熔体温度1 100 ℃、旋转速度170 r/min。过滤采用孔径30 PPI，厚度60 mm的泡沫陶瓷，不过滤试验是指合金在离心力作用下经旋转浇道直接进入金属型冷却成形。由图2可看出，过滤后试样抗拉强度及延伸率分别由未过滤的332 Mpa和15.1%提高到368 MPa和19.2%，提高幅度分别为10.84%和27.2%。由图3可看出，泡沫陶瓷过滤基本上滤除了15 μm以上的夹杂物，很大程度上提高铜合金熔体的洁净度。

图1 泡沫陶瓷离心过滤原理示意图

图2 抗拉试样图

2.2泡沫陶瓷孔径及厚度对铜合金过滤效果的影响

图4为用不同孔径泡沫陶瓷过滤后试样的抗拉强度及延伸率。试验条件：熔体温度1 100 ℃、旋转速度170 r/min，泡沫陶瓷厚度40 mm。由图4可看出，随着泡沫陶瓷孔径由10 PPI减小到30PPI，抗拉强度由340.1 MPa增加到360 MPa，延伸率由15.5%增加到18.6%。这是由于泡沫陶瓷孔径越小(PPI数越大)，泡沫陶瓷的比表面积也越大，夹杂物与泡沫陶瓷表面的碰撞几率越大，从而被吸附捕捉的几率也越大，合金熔体越洁净(见图5)，力学性能就越高。

图3 过滤与未过滤试样夹杂物分布

图4 泡沫陶瓷孔径对过滤试样力学性能影响

图6为用不同厚度泡沫陶瓷过滤后试样的抗拉强度及延伸率。试验条件：熔体温度1 100 ℃、旋转速度170 r/min，泡沫陶瓷孔径30 PPI。由图6可看出，随着泡沫陶瓷厚度由20 mm变到60 mm时，抗拉强度由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，过滤通道越长，铜合金液中的夹杂运动到过滤器内表面的可能性就越大，夹杂被过滤器捕捉的几率越高，合金洁净度越高(见图7)。

图5 不同孔径泡沫陶瓷过滤试样夹杂物分布

图6 泡沫陶瓷厚度对过滤试样力学性能的影响

2.3旋转速度对过滤效果的影响

图8为不同旋转速度下过滤试样的抗拉强度与延伸率。试验条件：熔体温度1 100 ℃、泡沫陶瓷孔径30 PPI，厚度40 mm。由图8可看出，随转速提高，试样的抗拉强度及延伸率亦增加，达到某一值后，抗拉强度及延伸率随转速的提高而逐渐下降。转速对合金熔体过滤效果有两方面的影响，一方面转速越大，离心力越大，过滤的推动力也越大，有利于合金熔体通过泡沫陶瓷的细小孔隙，提高过滤效果，此外，转速越高所引起的振动越强，有利于凝固期间树枝晶破碎，从而细化晶粒，同时也有利于补缩；另一方面转速过高，合金熔体流速过大，熔体将冲刷已吸附在泡沫陶瓷表面的夹杂物并将其带入金属液，引起过滤效果下降。因此，旋转速度应控制在一个合理范围，以获得良好的过滤效果。

图7 不同厚度泡沫陶瓷过滤试样夹杂物分布

图8 旋转速度对过滤试样力学性能的影响

2.4熔体温度对过滤效果的影响

图9为不同熔体温度下过滤试样的抗拉强度与延伸率。试验条件：旋转速度170 r/min，泡沫陶瓷孔径30 PPI，厚度40 mm。由图9可看出，试样抗拉强度及延伸率均随熔体温度的提高而提高。适当提高合金熔体的温度，可降低熔体的粘度，有利于夹杂物与熔体分离；熔体温度高有利于提高熔体的流动性，增强补缩效果，使晶粒组织更加致密(见图10)，提高材料的力学性能。但熔体温度过高会增加合金熔体的吸气倾向。

图9 熔体温度对过滤试样力学性能的影响

图10 不同温度过滤试样金相组织

3 结论

1)所研制的铜合金泡沫陶瓷离心过滤技术可以对铜合金实现高度净化，与未过滤试样相比，过滤后抗拉强度可提高10.84%，延伸率提高27.2%；合金中尺寸大于15 μm的夹杂物明显减少。

2)泡沫陶瓷孔径与厚度、熔体温度、旋转速度等对铜合金的洁净度及力学性能有重要影响。采用孔径为30 PPI、厚度为40 mm的泡沫陶瓷，熔体温度为1 150 ℃，旋转速度为170 r/min过滤工艺，可获得高洁净度的铜合金，提高材料的抗拉强度与延伸率。

[1] 娄花芬,黄亚飞,马可定.铜及铜合金熔炼与铸造[M].长沙:中南大学出版社,2010.

[2]铸造有色金属及其熔炼联合编写组.铸造有色金属及其熔炼[M].北京:国防工业出版社,1980.

[3]高海燕,倪红军,孙宝德.电解铜熔体净化技术[J].铸造技术,2005,25(4):233-236.

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[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]叶荣茂,常庆明,王惠光.铜合金过滤技术的探讨[J].热加工工艺,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：合金熔体物理净化。

江西省科学院省级重点实验室开放基金资助项目(2012-KLP-2)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.009

TG146.1;TG249.4

A

1001-3679(2014)06-0785-04