纯Cu氧枪喷头工艺设计论文

1工艺流程

传统的泥芯砂型铸造氧枪喷头的工艺流程为制作泥芯和砂箱造型、熔炼、浇注、开箱取件、后续处理等［8］。而使用可熔金属芯铸造氧枪喷头的工艺流程与传统的泥芯砂型铸造不同，其工艺流程见图2。包括可熔金属芯的制备、预热金属芯、涂覆涂料、砂箱造型、熔炼、浇注、开箱取件、后续处理等工序。（1）可熔金属芯的制备采用铸造方法获得毛坯，采用机加工的方法制备金属芯。由于金属芯和Cu液直接接触后两种金属会产生混熔，并且涂料的隔热作用也有利于铸件的顺利成形，因此金属芯必须有涂层［9］。采用以硅藻土为骨料的水基耐热涂料［10］。金属芯的结构及尺寸见图3。（2）熔炼采用焦炭坩埚炉熔炼纯Cu原料。由于纯Cu熔炼过程中吸气严重，对其性能影响很大，熔炼时间应控制在40min／炉，用草木灰作为覆盖剂。Cu液出炉前除气、脱氧、加晶粒细化剂。浇注时Cu液直接从坩埚浇入铸型［3］。（3）浇注由于液态纯Cu吸气严重，必须快速浇注，考虑到金属芯受热可能产生熔化变形，如果浇注速度过慢，金属芯在浇注过程中熔化并被Cu液冲击，导致金属芯变形。所以必须快速完成浇注。等待铸件温度降低至金属芯熔点以下时方可开箱。（4）熔芯将铸件加热至金属芯的熔点以上，使金属芯熔化并流出。（5）后续处理对成形的纯Cu氧枪喷头毛坯进行后续处理，生产出纯Cu氧枪喷头。

2可熔金属芯设计

选择熔点合适的金属作为可熔金属芯，考虑到成本，一般选用纯Al作为金属芯的材料。Al的熔点为660℃，在熔芯过程中，只需将工件加热到750℃，就可以使Al芯熔化流出，并且不会使纯Cu工件熔化或变形。铸件毛坯质量为14kg，可熔金属芯质量为3．6kg，Cu的比热容为390J／（kg•℃），Al的比热容为880J／（kg•℃）。浇注温度为1190℃，浇注Cu液放出的热量Q为2．8938×106J。假设热量Q全部被Al芯吸收，所产生的温升为913℃，超过了Al的熔点，Al芯熔化。因此，考虑在Al芯外面涂覆一层耐热涂料。如果涂料高温强度足够高，能够保证在Cu液从浇注到凝固过程中不溃散、开裂。那么即使Al吸热熔化，金属芯的结构框架仍可由涂料层支撑而不至于变形，从而保证工件的成形。

3可熔金属芯成形复杂内腔

使用可熔金属芯来成形复杂内腔，相对于传统的砂芯或者泥芯来说，有以下优势：①在铸件成形后，可以通过加热使金属芯熔化流出，达到回收再利用的目的；②金属芯是固态金属，便于储存、搬运和造型；③在浇注过程中金属芯可克服传统砂芯在金属液作用下的掉砂缺陷。此外，金属芯的制作过程无粉尘污染。

4铸型及工艺参数

图4为铸型图，其设计及工艺要点是：①为了创造快速充型、高热流输入的条件，观察可熔金属芯是否会在充型过程中熔化，同时也可以模拟铸件挤压铸造充型过程，为氧枪喷头的生产提供参考，设计了大截面、底注式浇道；②底注式浇道尺寸取100mm，可以模拟挤压铸造中的压头尺寸，且充型速度快。横浇道尺寸与底注式浇道保持一致。在横浇道的入口处设置球形集渣坑，用来集渣和对浇注金属液流起缓冲作用。由于此浇注系统浇道尺寸较大，金属液必须足量，而且为了保证浇口处有足够的压头使金属液充型，需要一个较长的直浇道，此处取400mm；③采用树脂砂造型，多处安放排气绳，以便于排气。造型完成后将砂箱放入烤箱中烘烤以备浇注使用；④中箱制作完成后将金属芯安放在中箱的上平面相应位置，然后再制作上砂箱。

5试验结果与讨论

A组试验结果见图5。由于开箱温度高于Al的熔点，开箱时没有被Cu包住的那部分Al芯熔化并流出。铸件外观形状基本保持为氧枪喷头形状，但氧管处有少量成形缺陷，其中含有砂粒，见图5a。横剖观察氧孔内Al芯的熔化变形情况，发现Al芯均产生了铜铝混熔的情况，但是可以看出混熔物和Cu件之间有明显的界线，见图5b。B组试验结果见图6。开箱温度低于Al芯熔点，开箱时铸件及Al芯均基本无破损和变形，见图6a。横剖观察氧孔内Al芯的熔化变形情况，发现Al芯没有任何铜铝混熔情况和变形情况，Cu件和Al芯之间的涂料层明显，见图6b。A组试验中，氧管处的成形缺陷是由于造型时砂粒落入Al芯的空缺部分导致的。氧孔内Al芯产生铜铝混熔是由于Al芯部分地方涂料较薄或者根本没有涂覆上去。这部分的Al芯在与Cu液接触后熔化，因为没有涂料层的隔离，与Cu液产生混熔。B组试验中，因为涂料厚度大而且涂覆均匀，铸件成形较好，Al芯没有产生铜铝混熔。这说明，可熔金属芯使用中必须配合适当的涂料，否则容易在充型过程中熔化。

6结语

Al可作为可熔金属芯，配合必要的涂料，可以采用砂型铸造生产纯Cu氧枪喷头。成形后铸件内的Al芯可在后期进行加热处理使其流出，以得到完整的纯Cu氧枪喷头铸件。

作者：马震 邢书明 单位：北京交通大学机械与电子控制工程学院