鑄鐵件非金屬夾雜缺陷成因分析

程俊偉，黃勝操，尚廷靜，張 偉

（第一拖拉機(jī)股份有限公司，河南洛陽(yáng) 471004)

鑄鐵件非金屬夾雜缺陷成因分析

程俊偉，黃勝操，尚廷靜，張 偉

（第一拖拉機(jī)股份有限公司，河南洛陽(yáng) 471004)

通過掃描電鏡和能譜分析儀分析了大批量濕型砂生產(chǎn)的鑄鐵件中幾種非金屬夾雜物缺陷的類型與成因，分析結(jié)果表明：大批量鑄造過程中使用的非金屬材料品質(zhì)非常重要，鑄件產(chǎn)生夾雜缺陷的主要原因是原材料品質(zhì)的不穩(wěn)定，其次與鑄造過程中某個(gè)工序操作不合理相關(guān)。

鑄鐵件；夾雜物；成因分析

鑄件生產(chǎn)過程中，會(huì)涉及十幾種金屬材料和接觸三十多種非金屬材料。這些材料在鑄造過程中會(huì)發(fā)生大量的物理和化學(xué)反應(yīng)。因此，影響鑄件缺陷的因素眾多，而且因果關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。夾雜物缺陷是孔洞類缺陷中最復(fù)雜的鑄造缺陷之一，因夾雜物形成因素眾多，而難以很快確定成因。本文主要介紹了在大批量濕型砂高壓造型生產(chǎn)過程中，不同灰鑄鐵件出現(xiàn)的集中非金屬夾雜的缺陷特征和形成原因。

1 缸體表面涂料夾雜缺陷

1.1 缺陷產(chǎn)生條件與特征

缺陷鑄件為薄壁復(fù)雜鑄件，粘土砂高壓線造型，冷芯盒樹脂砂制芯，在鑄件的上箱和側(cè)面出現(xiàn)不規(guī)則孔洞類缺陷，如圖1所示。缺陷長(zhǎng)寬尺寸均在12×12(mm)之內(nèi)，內(nèi)含有明顯的不明夾雜物，但無(wú)法確定夾雜物類型和組成。該缺陷在一段時(shí)間內(nèi)大量頻繁出現(xiàn)，致使廢品出現(xiàn)較多，在改進(jìn)熔煉與型砂品質(zhì)后，也難以減少缺陷。圖2為沿缺陷斷面電鏡掃描形貌特征。

對(duì)缺陷進(jìn)行電鏡掃描和能譜分析。由于缺陷較深，電鏡無(wú)法分析，沿缺陷的斷面剖開，然后再進(jìn)行掃描分析。Element W/%A/%

圖1 缺陷的宏觀特征與斷面的掃描電鏡

圖2 缺陷的能譜分析

O 30.9457.56 Na00.5900.76 Al09.3110.27 Si12.7813.54 S 01.0000.93 K 00.3800.29 Ca00.6700.49 Ti01.1700.72 Mn00.8300.45 Fe05.6803.03 Zr36.6711.96

如圖2能譜分析結(jié)果表明,缺陷中存在含有Zr、Si、Al等主要成分的化合物質(zhì)，尤其是鋯的含量極高，高達(dá)36.67%，其次是氧含量30.94%，硅含量12.78%。由于鑄鐵熔煉中沒有使用含鋯的預(yù)處理劑，在出爐和澆注階段也未使用含鋯的孕育劑，初步斷定缺陷物質(zhì)來(lái)至砂芯使用的鋯英涂料，缺陷為非金屬夾雜。

1.2 鑄件缺陷成因分析

鑄造車間現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定生產(chǎn)過程中缸體部分砂芯使用鋯英涂料。因?yàn)殇営⑼苛现饕匝趸啞⒀趸X和部分石英粉作骨料，其成分與缺陷能譜分析結(jié)果一致，確定缺陷以鋯英涂料夾雜物和硅砂為主。

缸體砂芯在澆注時(shí)，在鐵液的沖刷下，附著強(qiáng)度不足的涂料剝落與粘附的硅砂顆粒混在一起，從而而形成夾雜物。由于夾雜物比重小漂浮在鐵液表面，涂料及水分遇到熱鐵液，形成含夾雜物的孔洞缺陷。 因此說采用品質(zhì)優(yōu)良的鋯英涂料并保持合適的涂層厚度能有效防止此缺陷的出現(xiàn)。

2 缸體水套口夾渣夾雜缺陷

2.1 缺陷電鏡掃描和能譜分析

缸體粘土砂高壓線造型，冷芯盒樹脂砂制芯，水平分型。缺陷位置位于鑄件澆注型腔的最高處，距離內(nèi)澆口的最遠(yuǎn)處。缺陷成彌散分布，在水套口位置相對(duì)較多，缺陷的特征如圖3。缺陷電鏡掃描和能譜分析結(jié)果如圖4。并分別對(duì)缺陷中的塊狀物質(zhì)和顆粒狀物質(zhì)進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如圖5。

圖3 缺陷的宏觀特征

圖4 缺陷的掃描電鏡分析

根據(jù)能譜分析的成分，大小缺陷內(nèi)的物質(zhì)是一致的，均為外來(lái)的夾雜物。在缺陷內(nèi)發(fā)現(xiàn)有氣體存在的痕跡，因此確定缺陷為夾雜和渣氣孔。

2.2 缺陷成因分析

在缸體鑄件生產(chǎn)過程中，與上述物質(zhì)成分接近的有兩種物質(zhì)：聚渣劑和含有白云母或黑云母的涂料。如白云母K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O，黑云母K2O.6(Mg.Fe)O.Al2O3.6SiO2.2H2O，但在鑄造車間的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，缸體水套芯采用醇基石墨涂料，下部砂芯采用鋯英涂料和水基石墨涂料。因此可以排除涂料的影響。在對(duì)使用的陶瓷過濾網(wǎng)進(jìn)行開箱檢查中，即使自由落體和摔打過濾網(wǎng)，在白紙上均為發(fā)現(xiàn)殘存的顆粒物質(zhì)，這也說明與陶瓷過濾網(wǎng)不存在關(guān)聯(lián)。由于在缺陷部位發(fā)現(xiàn)白色的顆粒狀物質(zhì)，因此確定缺陷內(nèi)物質(zhì)為聚渣劑。

圖5 缺陷中顆粒狀物質(zhì)的能譜分析

在日本知名除渣劑中含有氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鉀、氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂、氧化鈦等。其中氧化鎂只有0.15%，因?yàn)檠趸V的熔點(diǎn)2 850 ℃[1]，過高容易形成夾雜[1]。而在該缺陷的檢測(cè)中高達(dá)2.46%。

在機(jī)械加工廠調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，缸體中缺陷彌散分布， 這與聚渣劑中混入熔點(diǎn)高M(jìn)gO物質(zhì)有關(guān)。這種高熔點(diǎn)物質(zhì)在鐵液中難于熔融、膨脹、聚集，小顆粒狀隨鐵液通過濾網(wǎng)進(jìn)入型腔，由于比重小因此分布在遠(yuǎn)離澆口位置的上箱部位。更換聚渣劑進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，確定該聚渣劑的品質(zhì)問題。

3 殼體隔板夾雜夾砂缺陷

3.1 缺陷電鏡掃描和能譜分析

殼體鑄件粘土砂高壓線造型，冷芯盒樹脂砂制芯，水平分型。該缺陷在鑄件加工過程中發(fā)現(xiàn)，為不規(guī)則非連續(xù)孔洞缺陷，孔洞大小不一、分布在殼體隔板部位，孔洞缺陷斷面大部分存在夾雜，少部分孔洞沒有發(fā)現(xiàn)物質(zhì)，推測(cè)物質(zhì)在解剖中脫落，為砂孔特征。缺陷中夾雜物質(zhì)較硬，致使加工的合金刀具斷裂。

缺陷鑄件采用濕型粘土砂造型，冷芯盒樹脂砂制芯，殼體平澆，缺陷位置出現(xiàn)在殼體鑄件兩砂芯之間的隔板位置，為隔板的上箱部分。由于孔洞較深，為了便于電鏡分析，對(duì)孔洞解剖的較淺斷面進(jìn)行了電鏡掃描，鑄件外形和掃描如圖6所示，能譜分析如圖7所示。

圖6 鑄件外形與缺陷斷面電鏡掃描

圖7 鑄件能譜分析結(jié)果

缺陷的能譜分析結(jié)果表明,如圖7.b分析結(jié)果有Na、Al、Si、K、Ca、Fe的氧化物和石墨的存在。圖7.a為顆粒狀的硅砂粒。因?yàn)樵煨蜕笆褂玫拟c基膨膨潤(rùn)土中一般都含有SlO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、、K2O、CaO等化合物，因此確定夾雜物為型砂中鈉基膨潤(rùn)土、硅砂和石墨涂料的混合夾雜物。

3.2 缺陷成因分析

缺陷鑄件采用濕型粘土砂造型，隨著部分冷芯盒樹脂砂砂芯的碎砂進(jìn)入型砂，型砂含泥量不斷增加，這在一定程度上影響了型砂的一些性能，尤其是型砂的韌性變差，在下芯或合箱過程，由于操作不當(dāng)，使少量型砂碎砂團(tuán)落在砂芯的間隙或砂芯下。高溫鐵液進(jìn)入型腔后，把這些含有鈉基膨膨潤(rùn)土、硅砂、水分、表層石墨涂料的物質(zhì)卷入鐵液中，沖到最后充型的上箱部位，在熾熱鐵液中燒結(jié)成較堅(jiān)硬的物質(zhì)，攜帶的水分會(huì)產(chǎn)生氣孔，具體表現(xiàn)為鑄件的斷面含有黑色夾雜缺陷的周圍有含有少量夾雜和許多小砂孔缺陷組成。這些沒有黑色夾雜物質(zhì)的孔洞是典型的碎砂孔特征。這就從另一方面佐證了這些分散不連貫的缺陷與砂存在必然的聯(lián)系[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

這幾種濕型砂鑄鐵件非金屬夾雜物缺陷產(chǎn)生的共同點(diǎn)是原材料品質(zhì)不穩(wěn)定，其次與工序操作不一致或不合理相關(guān)。突發(fā)的非金屬夾雜缺陷迷惑性大，一般方法難以分析，缺陷持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，廢品率極高。因此加強(qiáng)控制非金屬材料的品質(zhì)， 及時(shí)采用電鏡掃描和能譜分析，找到主要形成原因至關(guān)重要。，可以避免鑄件缺陷大量重復(fù)出現(xiàn)。

[1] 陳國(guó)楨，肖柯則，等.鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2007.8:122-125.

[2] 日本鑄造工學(xué)會(huì).鑄造缺陷極其對(duì)策[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2007.8:122-125.

[3] 程俊偉，張俊祥，范隨長(zhǎng)，等.桑培缸蓋滲漏缺陷的主要類型與成因分析[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2011(4).

[4] 梁泉, 楊華, 季順業(yè), 等. WP7缸蓋內(nèi)腔鑄造缺陷的控制[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2011(3).

Analysis on the causes of non-metallic inclusions in cast iron

CHENG JunWei,HUANG ShengCao, SHANG JingTing, ZHANG Wei
(First Tractor Company Limited, Luoyang 471004 ,Henan,China)

The types and causes of several non-metallic inclusion defects in cast iron was analysed by scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy. The analytical results show that the quality of non-metallic material which used in large cast iron foundry is very important. The non-metallic inclusion defects is mainly due to the stability of raw materials, then improper operation of casting process.

cast iron; inclusion; analysis

TG245；

A；

1006-9658（2016）05-0034-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2016.05.009

2016-02-25

稿件編號(hào):1602-1260

程俊偉（1965—），男，高級(jí)工程師，主要從事鑄鐵熔煉工藝及材料的研究工作.