铜阀门的成型

摘 要：对铜阀门中的黄铜热锻工艺和青铜覆膜砂工艺的技术要点进行分析和解说。

关键词：Cu、Zn、Pb三元合金；α+β双相；脆性区温度；覆膜砂

铜阀门多用在小口径管道，由于其外观美观、工艺性佳、卫生性能好，特别适合于常温低压的环境的管路。其始于八十年代初，开始改变了国内长期使用铸铁阀门的历史，在制造工艺上最初采用砂铸成型工艺，后期改为锻造工艺。随着时代发展，铜阀门越来越应用广泛，在建筑给水、石油、化工、船舶、水电、医疗、燃气等各行各业。

现在小规格的黄铜阀门多采用热锻工艺，由于采用精密模具封闭式锻造，其产品外观简洁、尺寸稳定、强度高等特点，已经大部分替代了早期的砂铸工艺。国内的铜阀门材料多采用低铅易切削黄铜，牌号如HPb59-1、HPb58-2、CW602N、DZR等，其材料温挤流动性好，非常适合于热锻，成型后切削性能佳，切削铜沫为不连续状，表面光洁，采用宝石级刀具车削，其平面的粗糙度可达到Ra0.8以上。

HPb59-1铅黄铜是一种Cu、Zn、Pb三元合金，其含铅量在0.8～1.9%，铅在铜锌合金中的固溶量是极微小的，一般在0.1%以下，铅多以游离状态分布于合金中，造成了基体金属的不连续性，所以切削性能佳。HPb59-1是α+β双相铜合金，α单相黄铜具有良好的塑性，能承受冷热加工，但α单相黄铜在锻造等热加工时易出现中温脆性，β相为体心立方晶格的电子化合物，从β相的结构来看，是属于原子堆垛较松散的体心立方点阵，中温下的β相有极好的塑性，且β相愈多，合金的塑性就愈好，对变形就愈有利。

研究表明，β相的数量与铜含量有关。例如HPb59-1铜含量57～60%，β相在α相中所占比例为45-70%，CW602N铜含量61～63%，β相在α相中所占比例为8-12%。如果加热温度持续升高，此时界迁移速度很快，β晶粒迅速长大变得粗大，使合金塑性降低，锻造中反而容易开裂、起皮。上述材料的锻造温度：如HPb59-1，在680oC～720oC之间合适，而CW602N由于含铜量高，温度一般在700oC～750oC之间。

铅黄铜有一个脆性区温度在250～650℃之间，期间塑性显著降低，很容易锻造开裂，其原因是合金中有铅、铋等杂质存在，它们在α固溶体中的溶解度极小，与铜形成Cu-Pb和Cu-Bi低熔点的共晶体，呈网状分布于α固溶体的晶界上，从而削弱了α晶粒之间的联系，当加热到600℃以上时，发生α向α+β转变，铅和铋溶于β固溶体中，于是塑性提高。铜合金的α+β双相区的塑性比α单相区的塑性高，因此，锻造变形主要在α+β双相区的温度范围进行。

黄铜存在脱锌腐蚀现象，如何抑制脱锌腐蚀是提高产品寿命非常重要的问题，抗脱锌的铅黄铜有CW602N、DZR、CZ132等牌号。常规的做法是在熔炼中添加砷，砷含量经大量研究结果表明0.02%～0.12%的砷就能有效地抑制黄铜的脱锌，过量的砷反而会增加黄铜应力腐蚀破裂的敏感性。

热锻模具模框结构可分为开模（HALF模）、平模（盖头模）、弹簧模、钟罩模等，根据产品结构形状如开模又可分为方模和圆模，其设备一般选为曲柄压力机，吨位的选择如下公式：

依据经验公式计算温热挤变形力P：

P=1.1*KF

式中： K—系数， 根据阀门形状给出（直通： 4.5～5；直角： 4.7～5.8；三通： 5～6.5； 四通： 5.5～7）或由解析法求出，kN/cm；

F—锻件投影面积（包括飞边面积） ，cm。

注：选择时， 计算锻造力应小于或等于设备公称力的85%为好。

黄铜的热处理有再结晶退火和去应力退火两种，再结晶退火目的是消除加工硬化，恢复塑性和获得细晶粒组织，再结晶退火选择在550～650℃之间。去应力退火目的是由于黄铜冷热挤压变形后，应力腐蚀破裂倾向很严重，为消除变形过程中产生的残余应力，防止自裂而采取的热处理措施，去应力退火温度一般在350℃左右。

青铜阀门常用锡青铜牌号ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuSn10Pb1等，锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中十分耐蚀，由于含铜量一般在80%以上，且富含有锡、铅等元素，所以不能采用锻造工艺，只能采用铸造成型。锡青铜的凝固范围大，枝晶偏析严重，铸锭中易出现锡的逆偏析，严重时铸锭表面可见到白色斑点，一般称为锡汗，改进铸造方法和工艺条件可减轻逆偏析程度。锡青铜铸造后表面形成致密的氧化膜，所以表面硬度很高，HV550以上，但表面层去除后，其内部由于含铜量高，硬度在HV80～110，且材质疏松。

铸造首先是砂型的制造，采用覆膜砂的工艺，分为冷砂和热砂成型，冷砂一般作为砂芯，热砂作为砂型。冷砂采用石英砂和铸造树脂混制，加入冷芯盒射芯盒内，射砂压力调定为0.3～0.6MPa，射砂时间2.5～6秒，并吹三乙胺，使得砂芯硬化，低压（0.1～0.2MPa）吹三乙胺1～3秒，再高压0.4～0.7MPa）吹三乙胺4～8秒，后吹空气15～25秒，后取出砂芯。热砂成型，将覆膜砂加入射芯机内，射砂压力调定为0.3～0.6MPa，芯盒加热到220℃～270℃，射砂时间1～2.5秒，硬化时间根据砂芯截面大小而定，小砂芯25s，中砂芯50s，大砂芯110s，后取出砂芯。

熔炼时，检查确认炉内无无裂纹或局部壁厚过薄等缺陷，炉料、工具必须充分预热干燥。熔炼应在弱氧化性气氛中（覆盖焦炭）进行，防止熔炼过程中吸进氧气和氢气而产生针孔和气孔。熔炼过程中金属按比例严格称量投料，连续掏实，直至完全熔化，为净化金属，可将0.2%磷铜脱氧，脱氧反应要求充分，扒渣干净并及时合上炉盖，不然脱氧产物容易污染铜液，凝固后会产生气孔和夹渣。

青铜在熔炼中会脱锌，应补锌，在全部炉料熔化后升温至900～1050℃下加锌，温度过低加锌会产生氧化锌白烟，使得熔融状态的块料被其包围而无法熔化，而过高温度加锌，则容易引起合金激烈沸腾和飞溅。加热至1100±25℃后，把青铜液引入砂模（砂芯+砂型），成形为铸件，浇冒口应全部用铜水浇满，浇注时候浇包高度不得超过浇包口24mm，浇铸前需取样并进行光谱分析化验成份。铸件经去除飞边及抛丸清理后才完成一个铜阀门毛坯工序。

铜阀门的成型工艺很多，上述只是典型的二种，随着社会进步，相信会有更多改革和创新包括更加精确控制工艺参数、提高效率的方式来发展阀门产业。