本發明屬于銅合金成型技術領域，具體涉及一種環保硅黃銅水龍頭的低壓鑄造工藝。

背景技術：

低壓鑄造是一種介于重力鑄造和壓力鑄造之間的鑄造方法，是吸收了重力鑄造中底注平穩充型和壓力鑄造中鑄件在壓力下結晶凝固的優點，避免了重力澆注時澆口杯中金屬液的翻騰、飛濺及充型過程中液面上升速度不穩定等缺點。該方法可以生產高質量、壁薄、形狀復雜的高性能鑄件，因而受到科研界與工業界的廣泛關注，并大量應用于生產各種鋁合金、鎂合金等零件。

由于鋁、鎂合金具有密度低、熔點低等特點，且低壓鑄造工藝具有自動化程度高、產品表面質量良好、鑄件性能優異等優點，因而基于鋁、鎂合金及其零件的低壓鑄造工藝研究廣受關注。低壓鑄造技術是帕斯卡原理的一種運用，其充型壓力可以采用公式p＝ρ×g×h進行計算。因此，針對不同的合金材料、不同尺寸和形狀的鑄件，其材料密度不同，相應的充型高度也不同。因而，不同形狀的鑄件，其低壓鑄造工藝亦大不相同。專利cn105081277a公開了一種金屬鋁環的低壓鑄造工藝，其基本工藝參數為澆注溫度：725℃-735℃，充型速度：5-20cm/s，充型時間：30-40s，增壓壓力：1-1.2kpa，保壓壓力：0.8kpa，保壓時間：450-520s；專利cn105522136a公開了一種鋁鎳合金汽車車輪的低壓鑄造工藝，其基本工藝為模具預熱溫度：250士20℃，充型壓力：0.01-0.02mpa，充填時間：8-12s，增壓壓力：0.04-0.05mpa，保壓時間2-3min；cn105369086a公開了一種鎂鋁合金汽車輪轂低壓鑄造工藝，其具體參數為：模具溫度：400-450℃，澆注溫度650士20℃，充型時間12-15s，充型壓力0.015-0.05mpa，保壓壓力0.03-0.05mpa，保壓時間3-5min。同時，需要強調的是，通過對鎂合金汽車輪轂低壓鑄造工藝研究表明，不同的低壓鑄造工藝參數對輪轂鑄件的力學性能有著極其重要的影響(fup,luoaa,jiangh,etal.low-pressurediecastingofmagnesiumalloyam50:responsetoprocessparameters[j].journalofmaterialsprocessingtechnology,2008,205(1–3):224-234.)。因此，針對各種具體的合金材料及其對應形狀和結構的零件，其低壓鑄造工藝是特定的，確定其低壓鑄造工藝是保證零件組織性能和工程應用的重要前提。

特別地，對于衛浴產品水龍頭用的黃銅合金來說，目前使用的材料主要為hpb59-1鉛黃銅，其水龍頭零件的成形工藝主要為重力鑄造。然而，由于有毒元素鉛是該類黃銅的主要合金元素，始終存在于黃銅中，因而鉛黃銅水龍頭具有一定的毒副作用，對人體危害極大，難以滿足gb18145-2014《陶瓷密封片水嘴標準》鉛析出量的最低限值。有鑒于此，課題組前期已研發出新型的銅合金水龍頭替代材料無鉛硅黃銅，其重力鑄造出的特定成分已獲得國家授權發明專利(一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金及制備方法與應用。發明專利，zl201510714013.x)。但是，相較于鎂、鋁等合金，銅合金具有更高的密度、更高的熔點、較差的液體流動性，且充型鑄造時需引入更大的氣體壓力，因此，要使低壓鑄造的復雜薄壁銅合金鑄件各個部位具有均勻的顯微組織與力學性能，工藝參數的控制難度極大。特別地，由于硅黃銅的密度、熔點、固液相線等物性參數與鉛黃銅相差很大，因此鉛黃銅的重力鑄造參數不能指導硅黃銅的低壓鑄造工藝，其他合金零件的低壓鑄造工藝更不能指導硅黃銅水龍頭的低壓鑄造工藝。有鑒于此，針對課題組研發的新型環保硅黃銅合金，探索其復雜、薄壁水龍頭零件的低壓鑄造工藝，以獲得各個部位顯微組織與力學性能均勻且優異的水龍頭產品，具有重要的科學和工程意義。

技術實現要素：

針對以上現有技術存在的缺點和不足之處，本發明的目的在于提供一種環保硅黃銅水龍頭的低壓鑄造工藝。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種環保硅黃銅水龍頭的低壓鑄造工藝，包括如下步驟：

(1)銅錠制備：按59-61wt％cu，36-39wt％zn，0.5-0.7wt％si，0.4-0.5wt％al，0.003-0.01wt％b，0.03-0.06wt％ti的元素比配料，在熔爐中熔煉澆鑄銅錠；

(2)低壓鑄造成形：將所制備銅錠加入到低壓鑄造保溫爐中熔化，并升溫至980℃-1050℃的澆注溫度，以8000pa/s-9000pa/s的加壓速度進行充型，根據計算其充型壓力為0.029mpa，充型完成后以10000pa/s的加壓速度將壓力增大至0.032mpa-0.039mpa，并保壓10-15s，保壓完成后卸壓脫模，即獲得所述環保硅黃銅水龍頭。

進一步地，步驟(1)中所述熔煉澆鑄銅錠的過程為：先將銅硅中間合金、純銅和覆蓋劑一同加入到電爐中，將爐溫保持在1050℃并保溫20min，再將爐溫降低至900℃，然后加入純鋁，待鋁完全熔化后靜置5min再加入純鋅，保溫靜置20min后將爐溫升高到950℃，然后加入銅鈦中間合金以及純硼，保溫靜置20min后再將爐溫升高至1000℃，投入除雜精煉劑對金屬熔液進行除雜精煉，完成后將爐溫降低至950℃，保溫靜置30min，最后在950-1000℃之間澆鑄銅錠。

進一步地，步驟(2)中所述充型前先在模具型腔內壁噴涂油墨涂層，并將模具預熱到120℃-150℃。

本發明原理為：針對特定的無鉛黃銅材料，首先對其進行全面的物性參數分析，包括對其在不同溫度下的密度以及固相線液相線(固相線為870℃，液相線為920℃)等進行測定，然后根據帕斯卡原理p＝λρgh(λ為空氣阻力系數，ρ為金屬液密度，g為重力加速度，取9.8m/s²，g為充型高度)，通過計算確定充型壓力、保壓壓力；同時，結合鑄造模擬分析技術對無鉛黃銅的充型和凝固過程進行數值模擬分析，確定合適的充型加壓速度以及保壓時間。因此，該發明是在結合黃銅合金材料物性參數與計算機模擬技術的基礎上，在進行低壓鑄造合金材料顯微組織與力學性能的深入分析，從而獲得的新型工藝。

本發明的工藝具有如下優點及有益效果：

本發明的工藝具有效率高、流程短、成本低的優點，所得水龍頭零件各部位顯微組織均勻、力學性能優異。

附圖說明

圖1為實施例1所得環保硅黃銅水龍頭鑄件的外觀形貌圖；

圖2為實施例1～3所得環保硅黃銅水龍頭鑄件的拉伸力學性能曲線圖；

圖3為實施例1～3所得環保硅黃銅水龍頭鑄件的xrd譜圖；

圖4為實施例1所得環保硅黃銅水龍頭鑄件的微觀組織金相圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。

實施例1

(1)銅錠制備：采用工頻有芯熔銅感應電爐，先將銅硅中間合金、純銅和覆蓋劑一同加入到電爐中，將爐溫保持在1050℃下熔化材料并保溫20min后，將爐溫降低至900℃，然后加入純鋁，待鋁完全溶化后靜置5min后加入純鋅，保溫靜置20min后將爐溫升高到950℃，然后加入銅鈦中間合金以及純硼，保溫靜置20min后將爐溫升高至1000℃，投入除雜精煉劑對金屬熔液進行除雜精煉，完成后將爐溫降低至950℃，保溫靜置30min，最后在950℃進行澆鑄銅錠。所制備無鉛硅黃銅合金的成分及各元素質量配比為：59wt％cu，36wt％zn，0.5wt％si，0.4wt％al，0.003wt％b，0.03wt％ti。

(2)模具預處理：先在模具型腔內壁噴涂一定厚度的油墨涂層，以在阻止鑄件黏壁、保證鑄件順利脫模的同時，還能保護型腔內壁，提高模具使用壽命；再將模具加熱到120℃，以克服在充型過程中金屬熔液不會冷卻過快而導致充型困難等問題。

(3)模具裝配：待模具預熱完成后，將準備好的砂芯放置到模具中的固定位置，并將砂芯固定好，保證在充型過程中金屬液不會將其破壞，裝配完成后用噴氣設備將模具型腔及砂芯吹干凈、合模，將模具放置到升液管澆口位置并將模具澆口跟升液管配合好并固定。

(4)低壓鑄造成形：所使用低壓鑄造設備為伊姆樂上海機械有限公司所產低壓鑄造設備bpc155v380hz50。先將步驟(1)所制備銅錠加入到低壓鑄造保溫爐中熔化，并升溫至澆鑄溫度1000℃，以8000pa/s的加壓速度進行充型，根據計算其充型壓力為0.029mpa，充型完成后以10000pa/s的加壓速度0.032mpa，并保壓12s。

(5)卸壓脫模：鑄件成型并且保壓一定時間后卸壓，取下模具，將模具浸泡在油墨池中2s，待模具冷卻至120℃范圍時取出，即獲得環保硅黃銅水龍頭鑄件。

本實施例所制備的水龍頭鑄件的外觀形貌圖見圖1，鑄件外形完整，無缺陷，表面無裂紋等。其拉伸力學性能曲線如圖2，由圖2可知其抗拉強度為585.4mpa、塑性為15.2％，均高于目前衛浴行業中使用最廣的hpb59-1(強度為420mpa，延伸率為12％)。其xrd圖譜和微觀組織金相圖分別如圖3和圖4所示，其微觀組織由α和β兩相組成，其中以等軸狀的β相為基體，在β相晶界和晶粒內分布著顆粒狀的α相。由于基體是β相，相比于α相更加硬脆，使得所制備的鑄件強度遠遠高于hpb59-1，同時，由于在β相基體中分布著數量較大的α相，使得鑄件相比于純β相黃銅有著更優異的塑性，超過衛浴行業要求的12％。另外，基于gb18145-2014《陶瓷密封片水嘴標準》測得的鉛析出量值為0.355μg，遠低于其5μg的限值規定。

實施例2

(1)銅錠制備：采用工頻有芯熔銅感應電爐，先將銅硅中間合金、純銅和覆蓋劑一同加入到電爐中，將爐溫保持在1050℃下熔化材料并保溫20min后，將爐溫降低至900℃，然后加入純鋁，待鋁完全溶化后靜置5min后加入純鋅，保溫靜置20min后將爐溫升高到950℃，然后加入銅鈦中間合金以及純硼，保溫靜置20min后將爐溫升高至1000℃，投入除雜精煉劑對金屬熔液進行除雜精煉，完成后將爐溫降低至950℃，保溫靜置30min，最后在975℃之間進行澆鑄銅錠。所制備無鉛硅黃銅合金的成分及各元素質量配比為：60wt％cu，37.5wt％zn，0.6wt％si，0.45wt％al，0.007wt％b，0.045wt％ti。

(2)模具預處理：先在模具型腔內壁噴涂一定厚度的油墨涂層，以在阻止鑄件黏壁、保證鑄件順利脫模的同時，還能保護型腔內壁，提高模具使用壽命；再將模具加熱到135℃，以克服在充型過程中金屬熔液不會冷卻過快而導致充型困難等問題。

(3)模具裝配：待模具預熱完成后，將準備好的砂芯放置到模具中的固定位置，并將砂芯固定好，保證在充型過程中金屬液不會將其破壞，裝配完成后用噴氣設備將模具型腔及砂芯吹干凈、合模，將模具放置到升液管澆口位置并將模具澆口跟升液管配合好并固定。

(4)低壓鑄造成形：所使用低壓鑄造設備為伊姆樂上海機械有限公司所產低壓鑄造設備bpc155v380hz50。先將步驟(1)所制備銅錠加入到低壓鑄造保溫爐中熔化，并升溫至澆鑄溫度1000℃，以9000pa/s的加壓速度進行充型，根據計算其充型壓力為0.029mpa，充型完成后以10000pa/s的加壓速度至0.38mpa，并保壓13.5s。

(5)卸壓脫模：鑄件成型并且保壓一定時間后卸壓，取下模具，將模具浸泡在油墨池中2.5s，待模具冷卻至135℃范圍時取出，即獲得環保硅黃銅水龍頭鑄件。

本實施例所制備的水龍頭鑄件力學性能如圖2，其強度為598.9mpa，塑性為13.6％。結合其微觀組織及xrd圖譜(如圖3)，其微觀組織由α和β兩相組成，其中以等軸狀的β相為基體，在β相晶界和晶粒內分布著顆粒狀的α相。由于基體是β相，相比于α相更加硬脆，使得所制備的鑄件強度遠遠高于hpb59-1，同時，由于在β相基體中分布著數量較大的α相，使得鑄件相比于純β相黃銅有著更優異的塑性，超過衛浴行業要求的12％。而相比于實施例1，可以發現由于保壓壓力的增加使本實施例所得鑄件的抗拉強度得到了提升，而塑性略微降低。從其微觀組織及xrd圖譜可知，本實施例中α相更少，同時由于壓力的增大使得β相變得更加細小，從而導致其強度的提高和塑性的降低。另外，基于gb18145-2014《陶瓷密封片水嘴標準》測得的鉛析出量值為0.5μg，遠低于其5μg的限值規定。

實施例3

(1)銅錠制備：采用工頻有芯熔銅感應電爐，先將銅硅中間合金、純銅和覆蓋劑一同加入到電爐中，將爐溫保持在1050℃下熔化材料并保溫20min后，將爐溫降低至900℃，然后加入純鋁，待鋁完全溶化后靜置5min后加入純鋅，保溫靜置20min后將爐溫升高到950℃，然后加入銅鈦中間合金以及純硼，保溫靜置20min后將爐溫升高至1000℃，投入除雜精煉劑對金屬熔液進行除雜精煉，完成后將爐溫降低至950℃，保溫靜置30min，最后在1000℃之間進行澆鑄銅錠。所制備無鉛硅黃銅合金的成分及各元素質量配比為：61wt％cu，39wt％zn，0.7wt％si，0.5wt％al，0.01wt％b，0.06wt％ti。

(2)模具預處理：先在模具型腔內壁噴涂一定厚度的油墨涂層，以在阻止鑄件黏壁、保證鑄件順利脫模的同時，還能保護型腔內壁，提高模具使用壽命；再將模具加熱到150℃，以克服在充型過程中金屬熔液不會冷卻過快而導致充型困難等問題。

(3)模具裝配：待模具預熱完成后，將準備好的砂芯放置到模具中的固定位置，并將砂芯固定好，保證在充型過程中金屬液不會將其破壞，裝配完成后用噴氣設備將模具型腔及砂芯吹干凈、合模，將模具放置到升液管澆口位置并將模具澆口跟升液管配合好并固定。

(4)低壓鑄造成形：所使用低壓鑄造設備為伊姆樂上海機械有限公司所產低壓鑄造設備bpc155v380hz50。先將步驟(1)所制備銅錠加入到低壓鑄造保溫爐中熔化，并升溫至澆鑄溫度1020℃，以9000pa/s的加壓速度進行充型，根據計算其充型壓力為0.029mpa，充型完成后以10000pa/s的加壓速度加壓至0.395mpa，并保壓15s。

(5)卸壓脫模：鑄件成型并且保壓一定時間后卸壓，取下模具，將模具浸泡在油墨池中3s，待模具冷卻至150℃范圍時取出，即獲得環保硅黃銅水龍頭鑄件。

本實施例所制備的水龍頭鑄件力學性能如圖2所示，其強度為565.7mpa，延伸率為13.5％。從其xrd圖譜(圖3所示)顯示鑄件主要由α和β兩相組成，結合其微觀組織可知鑄件以等軸狀β相為基體，同時在基體β相的晶內和晶界上分布著顆粒狀的α相。相比于實施例2，由于澆鑄溫度的提高，使得冷卻過程更加緩慢，從而導致β相的長大以及α相的析出，因此從金相照片可以看出，本實施例中的α相明顯要比實施例2多，同時晶粒更加粗大，從而導致其強度相比實施例2更低。另外，基于gb18145-2014《陶瓷密封片水嘴標準》測得的鉛析出量值為0.25μg，遠低于其5μg的限值規定。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。