复杂薄壁铸铁件的失效分析

中国一拖集团有限公司工艺材料研究所 （河南洛阳 471004） 程俊伟

铸件生产过程中，从熔炼、浇注到铁液凝固成铸件，涉及大量金属材料和非金属材料，发生无数的物理和化学反应，因此影响铸件失效的因素众多，且因果关系错综复杂，缺陷一般隐藏在铸件内部 ，通常在加工过程中才能发现铸件存在的质量问题。因此，结合传统的化学分析、光学金相检查，利用扫描电子显微镜和能谱分析仪，通过对缺陷状况、特征的比较，对产生缺陷的各种条件、原因及其影响大小程度进行分析，明确缺陷及其影响因素的相互关系，进行缺陷分析，找到缺陷形成的主要原因，从而确定消除和防止铸件缺陷的途径和方法。以下从微观方面分析了几种复杂薄壁铸件典型缺陷特征和形成原因。

1.铸件中的渣气孔

在新产品的试制过程中，发现加工后的薄壁铸件表面有不规则形状的渣气孔（见图1）和规则的椭圆形气孔。缺陷密集地分布在铸件的上端加工面，加工之前这些缺陷是看不到的，大多存在于铸件内部。铸件采用冲天炉与电炉双联熔炼工艺，采用直筒包半自动翻转装置浇注。

图1 铸件加工面上的渣气孔

对铸件缺陷进行电镜扫描，微观分析认为，缺陷属气孔和渣气孔，气孔壁表面覆盖着一薄层片状石墨或碳膜，形状规则。用扫描电镜观察气孔壁，其表面形貌呈现凸凹不平的枝晶晶芽，不如肉眼观察下那样平滑。渣气孔壁表面还有氧化物，颗粒状MnS，电镜微观形貌与能谱分析如图2、图3所示。渣气孔成分主要为MnS、FeO、MnO的夹杂物。

图2 缺陷的电镜微观形貌

图3 能谱分析

渣气孔形成的主要原因：该类缺陷易出现在铸件上端表皮下或砂芯形成的顶板上。外观为球形孔洞或含有渣粒的不规则孔洞。其主要是因为铁液中硫和锰含量高，硫化锰越多，则越易产生渣气孔。铁液温度高时，由于硫化锰不易过早析出，缺陷就少。此外浇包内铁液长时间运输和放置，造成铁液发生二次氧化，形成了熔点低、流动性好的液态渣，其是FeO、MnO、SiO2三元成分的熔体，浇注时液态渣极易随铁液进入型腔，铸件凝固时，渣中的FeO与铁液中的碳发生反应，产生CO气体，结果是液态渣易停留在水平型（芯）面之下，就形成了包容着渣的CO皮下气孔。冷风冲天炉熔炼的铁液硫量普遍都高，铁液中锰含量又高，形成的MnS量明显增加，进入液态渣中的MnS会形成熔点更低的渣，且流动性更好，因此过高的锰易产生渣气孔。

减少渣气孔的措施：提高铁液出炉与浇注温度，降低铁液中锰、硫含量，避免包内剩余过多的铁液。

2.铸件上非金属夹杂物

缺陷铸件为薄壁复杂铸铁件，重量在70～120kg。这类夹杂物孔洞类缺陷前期出现很少，突然在生产过程较大比例出现，持续近三个月。由于采用各种工艺改进措施没有明显的效果，缺陷在大批量生产中持续产生，最终决定采用扫描电镜对不同时期的铸件缺陷进行详细分析，以便确定夹杂物的类型和形成原因。

该铸件在全自动造型线上采用潮模砂造型，树脂砂制芯，冲天炉-电炉双联熔炼，炉前浇包内进行合金处理和成分微调，浇注机浇注，浇注采用随流孕育装置孕育，采用不含锆的硅铁孕育剂进行两级孕育处理。

缺陷铸件为薄壁复杂铸件，在铸件的上箱和侧面出现不规则孔洞类缺陷。缺陷长宽尺寸均在12mm×12mm之内，内含有明显的夹杂物，但无法确定夹杂物类型和组成，该非金属夹杂物缺陷在一段时间内大量频繁出现，致使废品出现较多，在改进熔炼与型砂质量后，也难以减少缺陷。图4为缺陷断面电镜扫描形貌特征，图5为夹杂物能谱分析结果。

图4 缺陷断面的扫描电镜

图5 非金属夹杂物的能谱分析

铸件缺陷检测结果分析：缺陷以硅砂和锆砂粉涂料夹杂物为主，同时伴有极少量的锰渣。因为锆砂粉涂料主要以氧化锆、氧化铝和部分石英粉作骨料。浇注时，在铁液的冲击或冲刷下，涂料剥落与砂混在一起而形成。涂料和型砂中水分遇到铁液，由于夹杂物密度小漂浮在铁液表面，水分蒸发中形成含夹杂物的孔洞缺陷。由于生产中没有采用含锆成分的孕育剂，因此缺陷与使用的孕育剂无关。另外，型砂质量定时检验，因此夹砂与涂料剥落后带入的型砂有直接关系，与型砂的质量关系不大。

改进措施：取消锆砂粉涂料的使用，降低炉前浇包内使用锰铁的力度。

3.铸件渗漏

对大多数密封承压铸件来讲，渗漏是最主要的缺陷。但是铸件渗漏产生的原因复杂，渗漏是由于渣气孔、砂孔或螺栓孔之间壁厚不够造成的；有的渗漏是由于生铁中过高的磷和微量元素铅造成的；有的渗漏是由于与碳当量较低或组织异常，合金加入量过多造成收缩倾向过大形成的缩孔、缩松、组织异常。

在对加工完的铸件进行浸渗检测中，发现铸件加工螺栓孔处有渗漏缺陷。对缺陷进行分析解剖，通过扫描电镜和能谱分析，缺陷为缩松引起的渗漏。图6是铸件螺栓孔处缺陷宏观特征，图7是电镜分析的缺陷微观形貌，图8为缺陷内壁能谱分析。

图6 铸件螺栓孔处缺陷宏观特征

图7 铸件缺陷扫描电镜形貌

图8 铸件缺陷内壁能谱分析

引起铸件渗漏的原因分析：对铸件渗漏部位附件的化学成分检测，发现其锰含量（质量分数）为1.18%，碳量只有3.10%。过高锰量易形成偏析，在缩松区形成氧化物或硫化物夹杂，造成铸件致密性下降，在一定压力下铸件容易出现渗漏现象。渗漏铸件中较低的碳量，使铁液结晶范围变宽，初生奥氏体枝晶就越发达，数量不多的奥氏体枝晶，就足以阻塞铁液的流动，使铁液流动性下降，无疑阻塞了铁液凝固时的补缩，增加铸件的缩松倾向；薄壁铸件渗漏处多为热节部位，冷却条件差，铸件断面温度梯度小，凝固区域较宽，铁液几乎同时凝固，因液态和凝固收缩所形成的细小孔洞得不到外部铁液补充而造成缩松。该失效铸件检测的共晶团数为390个/cm2，接近缸体、缸盖类铸件共晶团数320～450个/cm2的水平，但缩松区石墨长度检测为3级，石墨偏长说明孕育剂并未添加过量，石墨在未凝固铁液中逐渐长大。

缩松区存在的氧化物为凝固后期氧化形成的。从电镜的形貌可以看出，引起铸件渗漏的主要原因是枝晶间缩松，但该失效铸件没有发现硫化锰的夹杂物。

采取措施：提高铸件的碳含量（质量分数）至3.25%～3.40%，碳当量控制到3.90%～4.05%，并控制合适的锰含量与浇注温度。

4.结语

利用扫描电子显微镜，结合传统的化学分析、光学金相检查，不仅能深入地了解引起薄壁铸件失效的缺陷微观特征，对铸件缺陷的微观形貌进行分析，而且能够进一步通过能谱分析确定缺陷部位夹杂物或渣气孔中渣的成分，根据铸件的生产现场条件，确定铸件失效的原因，并及时进行有效的工艺改进，尽快减少或消除缺陷的重复发生，降低铸件的废品率。