铸铁件非金属夹杂缺陷成因分析

程俊伟，黄胜操，尚廷静，张 伟

（第一拖拉机股份有限公司，河南洛阳 471004)

铸铁件非金属夹杂缺陷成因分析

程俊伟，黄胜操，尚廷静，张 伟

（第一拖拉机股份有限公司，河南洛阳 471004)

通过扫描电镜和能谱分析仪分析了大批量湿型砂生产的铸铁件中几种非金属夹杂物缺陷的类型与成因，分析结果表明：大批量铸造过程中使用的非金属材料品质非常重要，铸件产生夹杂缺陷的主要原因是原材料品质的不稳定，其次与铸造过程中某个工序操作不合理相关。

铸铁件；夹杂物；成因分析

铸件生产过程中，会涉及十几种金属材料和接触三十多种非金属材料。这些材料在铸造过程中会发生大量的物理和化学反应。因此，影响铸件缺陷的因素众多，而且因果关系错综复杂。夹杂物缺陷是孔洞类缺陷中最复杂的铸造缺陷之一，因夹杂物形成因素众多，而难以很快确定成因。本文主要介绍了在大批量湿型砂高压造型生产过程中，不同灰铸铁件出现的集中非金属夹杂的缺陷特征和形成原因。

1 缸体表面涂料夹杂缺陷

1.1 缺陷产生条件与特征

缺陷铸件为薄壁复杂铸件，粘土砂高压线造型，冷芯盒树脂砂制芯，在铸件的上箱和侧面出现不规则孔洞类缺陷，如图1所示。缺陷长宽尺寸均在12×12(mm)之内，内含有明显的不明夹杂物，但无法确定夹杂物类型和组成。该缺陷在一段时间内大量频繁出现，致使废品出现较多，在改进熔炼与型砂品质后，也难以减少缺陷。图2为沿缺陷断面电镜扫描形貌特征。

对缺陷进行电镜扫描和能谱分析。由于缺陷较深，电镜无法分析，沿缺陷的断面剖开，然后再进行扫描分析。Element W/%A/%

图1 缺陷的宏观特征与断面的扫描电镜

图2 缺陷的能谱分析

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

如图2能谱分析结果表明,缺陷中存在含有Zr、Si、Al等主要成分的化合物质，尤其是锆的含量极高，高达36.67%，其次是氧含量30.94%，硅含量12.78%。由于铸铁熔炼中没有使用含锆的预处理剂，在出炉和浇注阶段也未使用含锆的孕育剂，初步断定缺陷物质来至砂芯使用的锆英涂料，缺陷为非金属夹杂。

1.2 铸件缺陷成因分析

铸造车间现场调查确定生产过程中缸体部分砂芯使用锆英涂料。因为锆英涂料主要以氧化锆、氧化铝和部分石英粉作骨料，其成分与缺陷能谱分析结果一致，确定缺陷以锆英涂料夹杂物和硅砂为主。

缸体砂芯在浇注时，在铁液的冲刷下，附着强度不足的涂料剥落与粘附的硅砂颗粒混在一起，从而而形成夹杂物。由于夹杂物比重小漂浮在铁液表面，涂料及水分遇到热铁液，形成含夹杂物的孔洞缺陷。 因此说采用品质优良的锆英涂料并保持合适的涂层厚度能有效防止此缺陷的出现。

2 缸体水套口夹渣夹杂缺陷

2.1 缺陷电镜扫描和能谱分析

缸体粘土砂高压线造型，冷芯盒树脂砂制芯，水平分型。缺陷位置位于铸件浇注型腔的最高处，距离内浇口的最远处。缺陷成弥散分布，在水套口位置相对较多，缺陷的特征如图3。缺陷电镜扫描和能谱分析结果如图4。并分别对缺陷中的块状物质和颗粒状物质进行了能谱分析，结果如图5。

图3 缺陷的宏观特征

图4 缺陷的扫描电镜分析

根据能谱分析的成分，大小缺陷内的物质是一致的，均为外来的夹杂物。在缺陷内发现有气体存在的痕迹，因此确定缺陷为夹杂和渣气孔。

2.2 缺陷成因分析

在缸体铸件生产过程中，与上述物质成分接近的有两种物质：聚渣剂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，但在铸造车间的调查中发现，缸体水套芯采用醇基石墨涂料，下部砂芯采用锆英涂料和水基石墨涂料。因此可以排除涂料的影响。在对使用的陶瓷过滤网进行开箱检查中，即使自由落体和摔打过滤网，在白纸上均为发现残存的颗粒物质，这也说明与陶瓷过滤网不存在关联。由于在缺陷部位发现白色的颗粒状物质，因此确定缺陷内物质为聚渣剂。

图5 缺陷中颗粒状物质的能谱分析

在日本知名除渣剂中含有氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁、氧化钛等。其中氧化镁只有0.15%，因为氧化镁的熔点2 850 ℃[1]，过高容易形成夹杂[1]。而在该缺陷的检测中高达2.46%。

在机械加工厂调查中发现，缸体中缺陷弥散分布， 这与聚渣剂中混入熔点高MgO物质有关。这种高熔点物质在铁液中难于熔融、膨胀、聚集，小颗粒状随铁液通过滤网进入型腔，由于比重小因此分布在远离浇口位置的上箱部位。更换聚渣剂进行对比验证试验，确定该聚渣剂的品质问题。

3 壳体隔板夹杂夹砂缺陷

3.1 缺陷电镜扫描和能谱分析

壳体铸件粘土砂高压线造型，冷芯盒树脂砂制芯，水平分型。该缺陷在铸件加工过程中发现，为不规则非连续孔洞缺陷，孔洞大小不一、分布在壳体隔板部位，孔洞缺陷断面大部分存在夹杂，少部分孔洞没有发现物质，推测物质在解剖中脱落，为砂孔特征。缺陷中夹杂物质较硬，致使加工的合金刀具断裂。

缺陷铸件采用湿型粘土砂造型，冷芯盒树脂砂制芯，壳体平浇，缺陷位置出现在壳体铸件两砂芯之间的隔板位置，为隔板的上箱部分。由于孔洞较深，为了便于电镜分析，对孔洞解剖的较浅断面进行了电镜扫描，铸件外形和扫描如图6所示，能谱分析如图7所示。

图6 铸件外形与缺陷断面电镜扫描

图7 铸件能谱分析结果

缺陷的能谱分析结果表明,如图7.b分析结果有Na、Al、Si、K、Ca、Fe的氧化物和石墨的存在。图7.a为颗粒状的硅砂粒。因为造型砂使用的钠基膨膨润土中一般都含有SlO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、、K2O、CaO等化合物，因此确定夹杂物为型砂中钠基膨润土、硅砂和石墨涂料的混合夹杂物。

3.2 缺陷成因分析

缺陷铸件采用湿型粘土砂造型，随着部分冷芯盒树脂砂砂芯的碎砂进入型砂，型砂含泥量不断增加，这在一定程度上影响了型砂的一些性能，尤其是型砂的韧性变差，在下芯或合箱过程，由于操作不当，使少量型砂碎砂团落在砂芯的间隙或砂芯下。高温铁液进入型腔后，把这些含有钠基膨膨润土、硅砂、水分、表层石墨涂料的物质卷入铁液中，冲到最后充型的上箱部位，在炽热铁液中烧结成较坚硬的物质，携带的水分会产生气孔，具体表现为铸件的断面含有黑色夹杂缺陷的周围有含有少量夹杂和许多小砂孔缺陷组成。这些没有黑色夹杂物质的孔洞是典型的碎砂孔特征。这就从另一方面佐证了这些分散不连贯的缺陷与砂存在必然的联系[2]。

4 结束语

这几种湿型砂铸铁件非金属夹杂物缺陷产生的共同点是原材料品质不稳定，其次与工序操作不一致或不合理相关。突发的非金属夹杂缺陷迷惑性大，一般方法难以分析，缺陷持续时间长，废品率极高。因此加强控制非金属材料的品质， 及时采用电镜扫描和能谱分析，找到主要形成原因至关重要。，可以避免铸件缺陷大量重复出现。

[1] 陈国桢，肖柯则，等.铸件缺陷和对策手册[M].北京:机械工业出版社.2007.8:122-125.

[2] 日本铸造工学会.铸造缺陷极其对策[M].北京:机械工业出版社.2007.8:122-125.

[3] 程俊伟，张俊祥，范随长，等.桑培缸盖渗漏缺陷的主要类型与成因分析[J].中国铸造装备与技术,2011(4).

[4] 梁泉, 杨华, 季顺业, 等. WP7缸盖内腔铸造缺陷的控制[J].中国铸造装备与技术,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

稿件编号:1602-1260

程俊伟（1965—），男，高级工程师，主要从事铸铁熔炼工艺及材料的研究工作.