復雜薄壁鑄鐵件的失效分析

中國一拖集團有限公司工藝材料研究所 （河南洛陽 471004） 程俊偉

鑄件生產過程中，從熔煉、澆注到鐵液凝固成鑄件，涉及大量金屬材料和非金屬材料，發(fā)生無數(shù)的物理和化學反應，因此影響鑄件失效的因素眾多，且因果關系錯綜復雜，缺陷一般隱藏在鑄件內部 ，通常在加工過程中才能發(fā)現(xiàn)鑄件存在的質量問題。因此，結合傳統(tǒng)的化學分析、光學金相檢查，利用掃描電子顯微鏡和能譜分析儀，通過對缺陷狀況、特征的比較，對產生缺陷的各種條件、原因及其影響大小程度進行分析，明確缺陷及其影響因素的相互關系，進行缺陷分析，找到缺陷形成的主要原因，從而確定消除和防止鑄件缺陷的途徑和方法。以下從微觀方面分析了幾種復雜薄壁鑄件典型缺陷特征和形成原因。

1.鑄件中的渣氣孔

在新產品的試制過程中，發(fā)現(xiàn)加工后的薄壁鑄件表面有不規(guī)則形狀的渣氣孔（見圖1）和規(guī)則的橢圓形氣孔。缺陷密集地分布在鑄件的上端加工面，加工之前這些缺陷是看不到的，大多存在于鑄件內部。鑄件采用沖天爐與電爐雙聯(lián)熔煉工藝，采用直筒包半自動翻轉裝置澆注。

圖1 鑄件加工面上的渣氣孔

對鑄件缺陷進行電鏡掃描，微觀分析認為，缺陷屬氣孔和渣氣孔，氣孔壁表面覆蓋著一薄層片狀石墨或碳膜，形狀規(guī)則。用掃描電鏡觀察氣孔壁，其表面形貌呈現(xiàn)凸凹不平的枝晶晶芽，不如肉眼觀察下那樣平滑。渣氣孔壁表面還有氧化物，顆粒狀MnS，電鏡微觀形貌與能譜分析如圖2、圖3所示。渣氣孔成分主要為MnS、FeO、MnO的夾雜物。

圖2 缺陷的電鏡微觀形貌

圖3 能譜分析

渣氣孔形成的主要原因：該類缺陷易出現(xiàn)在鑄件上端表皮下或砂芯形成的頂板上。外觀為球形孔洞或含有渣粒的不規(guī)則孔洞。其主要是因為鐵液中硫和錳含量高，硫化錳越多，則越易產生渣氣孔。鐵液溫度高時，由于硫化錳不易過早析出，缺陷就少。此外澆包內鐵液長時間運輸和放置，造成鐵液發(fā)生二次氧化，形成了熔點低、流動性好的液態(tài)渣，其是FeO、MnO、SiO2三元成分的熔體，澆注時液態(tài)渣極易隨鐵液進入型腔，鑄件凝固時，渣中的FeO與鐵液中的碳發(fā)生反應，產生CO氣體，結果是液態(tài)渣易停留在水平型（芯）面之下，就形成了包容著渣的CO皮下氣孔。冷風沖天爐熔煉的鐵液硫量普遍都高，鐵液中錳含量又高，形成的MnS量明顯增加，進入液態(tài)渣中的MnS會形成熔點更低的渣，且流動性更好，因此過高的錳易產生渣氣孔。

減少渣氣孔的措施：提高鐵液出爐與澆注溫度，降低鐵液中錳、硫含量，避免包內剩余過多的鐵液。

2.鑄件上非金屬夾雜物

缺陷鑄件為薄壁復雜鑄鐵件，重量在70～120kg。這類夾雜物孔洞類缺陷前期出現(xiàn)很少，突然在生產過程較大比例出現(xiàn)，持續(xù)近三個月。由于采用各種工藝改進措施沒有明顯的效果，缺陷在大批量生產中持續(xù)產生，最終決定采用掃描電鏡對不同時期的鑄件缺陷進行詳細分析，以便確定夾雜物的類型和形成原因。

該鑄件在全自動造型線上采用潮模砂造型，樹脂砂制芯，沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉，爐前澆包內進行合金處理和成分微調，澆注機澆注，澆注采用隨流孕育裝置孕育，采用不含鋯的硅鐵孕育劑進行兩級孕育處理。

缺陷鑄件為薄壁復雜鑄件，在鑄件的上箱和側面出現(xiàn)不規(guī)則孔洞類缺陷。缺陷長寬尺寸均在12mm×12mm之內，內含有明顯的夾雜物，但無法確定夾雜物類型和組成，該非金屬夾雜物缺陷在一段時間內大量頻繁出現(xiàn)，致使廢品出現(xiàn)較多，在改進熔煉與型砂質量后，也難以減少缺陷。圖4為缺陷斷面電鏡掃描形貌特征，圖5為夾雜物能譜分析結果。

圖4 缺陷斷面的掃描電鏡

圖5 非金屬夾雜物的能譜分析

鑄件缺陷檢測結果分析：缺陷以硅砂和鋯砂粉涂料夾雜物為主，同時伴有極少量的錳渣。因為鋯砂粉涂料主要以氧化鋯、氧化鋁和部分石英粉作骨料。澆注時，在鐵液的沖擊或沖刷下，涂料剝落與砂混在一起而形成。涂料和型砂中水分遇到鐵液，由于夾雜物密度小漂浮在鐵液表面，水分蒸發(fā)中形成含夾雜物的孔洞缺陷。由于生產中沒有采用含鋯成分的孕育劑，因此缺陷與使用的孕育劑無關。另外，型砂質量定時檢驗，因此夾砂與涂料剝落后帶入的型砂有直接關系，與型砂的質量關系不大。

改進措施：取消鋯砂粉涂料的使用，降低爐前澆包內使用錳鐵的力度。

3.鑄件滲漏

對大多數(shù)密封承壓鑄件來講，滲漏是最主要的缺陷。但是鑄件滲漏產生的原因復雜，滲漏是由于渣氣孔、砂孔或螺栓孔之間壁厚不夠造成的；有的滲漏是由于生鐵中過高的磷和微量元素鉛造成的；有的滲漏是由于與碳當量較低或組織異常，合金加入量過多造成收縮傾向過大形成的縮孔、縮松、組織異常。

在對加工完的鑄件進行浸滲檢測中，發(fā)現(xiàn)鑄件加工螺栓孔處有滲漏缺陷。對缺陷進行分析解剖，通過掃描電鏡和能譜分析，缺陷為縮松引起的滲漏。圖6是鑄件螺栓孔處缺陷宏觀特征，圖7是電鏡分析的缺陷微觀形貌，圖8為缺陷內壁能譜分析。

圖6 鑄件螺栓孔處缺陷宏觀特征

圖7 鑄件缺陷掃描電鏡形貌

圖8 鑄件缺陷內壁能譜分析

引起鑄件滲漏的原因分析：對鑄件滲漏部位附件的化學成分檢測，發(fā)現(xiàn)其錳含量（質量分數(shù)）為1.18%，碳量只有3.10%。過高錳量易形成偏析，在縮松區(qū)形成氧化物或硫化物夾雜，造成鑄件致密性下降，在一定壓力下鑄件容易出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。滲漏鑄件中較低的碳量，使鐵液結晶范圍變寬，初生奧氏體枝晶就越發(fā)達，數(shù)量不多的奧氏體枝晶，就足以阻塞鐵液的流動，使鐵液流動性下降，無疑阻塞了鐵液凝固時的補縮，增加鑄件的縮松傾向；薄壁鑄件滲漏處多為熱節(jié)部位，冷卻條件差，鑄件斷面溫度梯度小，凝固區(qū)域較寬，鐵液幾乎同時凝固，因液態(tài)和凝固收縮所形成的細小孔洞得不到外部鐵液補充而造成縮松。該失效鑄件檢測的共晶團數(shù)為390個/cm2，接近缸體、缸蓋類鑄件共晶團數(shù)320～450個/cm2的水平，但縮松區(qū)石墨長度檢測為3級，石墨偏長說明孕育劑并未添加過量，石墨在未凝固鐵液中逐漸長大。

縮松區(qū)存在的氧化物為凝固后期氧化形成的。從電鏡的形貌可以看出，引起鑄件滲漏的主要原因是枝晶間縮松，但該失效鑄件沒有發(fā)現(xiàn)硫化錳的夾雜物。

采取措施：提高鑄件的碳含量（質量分數(shù)）至3.25%～3.40%，碳當量控制到3.90%～4.05%，并控制合適的錳含量與澆注溫度。

4.結語

利用掃描電子顯微鏡，結合傳統(tǒng)的化學分析、光學金相檢查，不僅能深入地了解引起薄壁鑄件失效的缺陷微觀特征，對鑄件缺陷的微觀形貌進行分析，而且能夠進一步通過能譜分析確定缺陷部位夾雜物或渣氣孔中渣的成分，根據(jù)鑄件的生產現(xiàn)場條件，確定鑄件失效的原因，并及時進行有效的工藝改進，盡快減少或消除缺陷的重復發(fā)生，降低鑄件的廢品率。