浇注系统模拟优化对铜合金组织的影响

沈韶峰，陈忠平，赵栋楠，童维玉

(1.中铝华中铜业有限公司，湖北 黄石 435004；2.中铝材料应用研究院有限公司，江苏 苏州 215027，3.湖北理工学院，湖北 黄石 435003)

铜合金是现代工业中广泛应用的结构材料之一，具有较高的力学性能和耐磨性能，很高的导热性和导电性，在大气、海水、盐酸、磷酸溶液中均有良好的抗腐蚀性，因此常用作船舰、化工机械、电工仪表中的重要零件及换热器材料[1-2]。然而铜合金常因铸造工艺控制不合理，使得铸造组织存在缺陷，造成产品质量不稳定，生产成本增加，成品率降低。

1 生产现状

本文生产的铜合金材料的制备工艺为，熔炼→保温→铸造→热轧→双面铣→初轧→切边→退火→酸洗→中轧→退火清洗→终轧→矫直→剪切。铜合金铸锭的组织包括晶粒的形状、大小、取向、分布、完整性、各种缺陷以及合金元素的分布等。组织对铸锭的热加工性能及制品的性能，尤其是力学性能都有着重大影响[3-4]，铸锭组织的好坏直接影响后续加工制品的质量。铸锭的宏观组织一般可由3个区域组成：细晶区，紧靠模壁的一个外壳层，由无规则细小等轴晶组成；柱状晶区，垂直于模壁，由彼此平行的柱状晶粒组成；等轴晶区，位于铸锭中心区域，由比较粗大的等轴晶组成[5]。企业在铜合金生产过程中，经常存在铸锭组织三晶区不够明显，柱状晶区相对分布较广，呈现粗大状等问题。图1为扁锭(铸坯尺寸230mm×640mm)横截面截取约1/2的宏观低倍组织。通过扫描电镜分析铸锭组织，铸锭缺陷明显，存在气泡、疏松、夹渣等缺陷(图2)，由能谱结果可知，铸造组织缺陷处有C、Si、Al等杂质。

为改善铜合金铸锭组织、减少夹渣与气孔，提高产品成材率，本文根据现场实际情况，对铜合金铸造过程浇注管结构进行模拟，获得液穴深度、流场分布情况，对制定合理的浇注管结构具有较好的参考价值。

2 研究方法

2.1 有限元几何模型

本文根据结晶器和浇注管的实际尺寸，通过铸造模拟软件Pro-cast建立三维模型，结晶器尺寸为230mm×640mm。浇注管形式主要有上倾、下倾、平浇和横管4种形式，其几何模型(外径60mm，内径22mm)如图3所示。主要模拟分析不同浇注管的液穴深度、凝壳位置、流场分布，在4种形式中选出最优的浇注管形式，进一步模拟优化横向长度，其工艺方案如表1所示。

表1 不同横向长度铸造模拟试验方案

2.2 试验方法

铸锭宏观组织采用YS/T 448-2002《铜及铜合金铸造和加工制品宏观组织检验方法》来进行制备，所用的侵蚀剂为50% HNO3水溶液，并在照相机下观察与分析，在带有美国EDAX 公司能谱仪的SM6480型扫描电镜下进行形貌、EDS微区成分分析。

3 模拟结果与分析

3.1 浇注管模拟结果

图4为4种不同浇注管分流方式铸造模拟结果。分析浇注管分流方式对铸锭液穴深度、凝壳位置、铜液流速、涡流大小及位置的影响，可知，与其他分流形式相比，采用横浇注管进行熔体分配，铜液流动更为平缓，对降低铸锭液穴深度、减少夹渣与含气量更有利。在铸造过程中，液穴深度对铸件的质量影响很大[6-8]。液穴深度的大小决定液穴形状特征。液穴深度较大时，液穴近似漏斗状；深度较小时，液穴近似碗碟状。众所周知，液穴中结晶面是沿其法线方向向前推进的，结晶是从外围最先开始的，中心则是最后结晶。

液穴很深时，最后结晶区形成管状区间。在这个管状区间里，新的晶核生成，由于偶然性的干扰，在核心的晶面上可能长出凸缘，凸缘生长成为晶体主干，然后在主干上长出枝晶，继而在枝晶上长出新的枝晶。不同晶粒生长的枝晶互相接触或交叉，形成一些狭窄的弯曲通道。熔体很难通过这样的通道进行补充，而凝固后由于相变和冷缩的作用，使得固体体积减小，于是在最后凝固部位留下一些不规则的微小间隙，形成缩孔和疏松。若熔体含气量高，结晶后滞留在固体中的过饱和气体很容易通过扩散充斥其间，最终形成气孔。若熔体内含杂质比较多，杂质颗粒因液穴过深来不及浮出，或者铜液流动又重新卷入，在铸锭内形成夹杂。

3.2 不同浇注管试验验证结果

现场实验测量直接下倾式浇注管的液穴深度达到980mm，而采用横浇管分流形式的低液穴深度为760mm，液穴深度降低。铸锭晶粒相对细小均匀，气泡个数减少，气泡尺寸减小。图5是采用不同浇注形式的试验验证结果，分析200多批次铜合金铸锭出现气泡的情况，可知，横向浇注口降低气泡缺陷效果比其它形式更好。

3.3 不同横向长度模拟结果

在确定了横浇注管作为最优的浇注管形式后，其不同横向长度的模拟结果见图6；其对应的不同横向长度下铜合金铸锭凝壳位置及液穴深度见表2。结合图6和表2的铸造模拟结果可知，随着横浇注管长度的增加，凝壳下降，但凝壳位置都在结晶器内，且具有安全的凝壳厚度；液穴深度减少，但随着长度的增加，浇口位置离结晶器内壁距离减少，铜水冲刷产生紊流。综合比较分析可知，采用200mm长横浇注管，铜液流速及涡流大小分布更均匀，利于减小铸锭含气量与夹杂。

表2 浇注管形式对铜合金液穴深度、凝壳位置的影响

3.4 不同横浇管长度试验验证结果

在铸造模拟的基础上，将200mm横浇注管进行铸造试验验证，图7为试验验证后铜合金铸锭的低倍组织。由图可知，经过浇注系统结构优化后，铸锭组织三晶区分布明显且更为合理，粗大的等轴晶几乎没有，细小等轴晶分布较广，跟踪后发现铸锭缺陷较少，气泡量降低，成材率提高，成品率较优化前提高3%。

4 结论

(1)通过铸造模拟对比不同浇注系统，水平横向浇注管是4种浇管类型中最优的浇注系统，凝壳位置下降，液穴深度明显降低，凝固组织较采用下倾浇注管得到很大改善，铸锭气泡发生率显著下降；

(2)通过铸造模拟对比不同横向浇注管长度，200mm长度的横浇管其铜液流速及涡流大小分布更均匀，铸坯组织由粗大柱状晶向细小等轴晶转变，组织缺陷降低，最终成品率提高3%。