风电球铁件表面“白斑”缺陷的分析与解决

王美喜，刘 杰，韩生泰，余 帆，占 进

（江苏吉鑫风能科技股份有限公司，江苏江阴 214422）

笔者公司采用呋喃树脂自硬砂铸造工艺，主要生产风电球墨铸铁件，产品涉及轮毂、底座、主轴、盘和轴承座等，铸件重量达2 t～80 t不等。随着风电主机功率增加，导致铸件壁厚越来越大。风电铸件比一般厚大球铁件要求高，其铸件表面有磁粉和无损探伤检测要求。近期，在生产过程中发现，某些厚大壁铸件（如风电轮毂）在开箱落砂后，铸件表面粘附着一层白色粉末状物质，暂称为“白斑”。“白斑”位于铸件和涂料壳之间，涂料壳剥落正常，剥落后“白斑”一部分留在铸件表面，一部分留在涂料壳上。铸件经抛丸后，某些局部位置（如拐角处）仍有附着，不易脱落。这种缺陷处于铸件表面，加大铸件清理打磨工作量，增加成本，甚至延缓交货。

这些“白斑”物质呈白色粉末状，显然不是型砂砂粒形成的。而且，在铸件有“白斑”的位置脱落的涂料层上，也有相同情况。经过从生产过程逐步排查，型砂、冶金铁水、人员操作等均无明显异常，考虑“白斑”产生的时间段、问题铸件涉及广等因素，分析“白斑”与处在型砂与铁水之间的涂料有关。初步推断其为高温铁液与涂料层发生反应产生的一种渣缺陷。对于风电球铁铸件，铸造涂料需满足3个基本要求[1]：1）屏蔽砂型中产生的气体向金属液的侵入；2）屏蔽金属液对砂型的渗透；3）防止砂型中S元素对铸件表面球化效果的影响。

1 缺陷样品电镜分析

本文以风电轮毂为例（图1），铸件开箱、落砂后，部分白色夹渣随型砂脱落，经抛丸后拐角处仍残留大量白色物质，严重影响表面质量。

图1 轮毂铸件及表面“白斑”缺陷

由于在铸件上取样不方便，且脱落的涂料壳上也有相同“白斑”，因此选取涂料层作为扫描电镜的分析试样，其宏观形貌如图2所示，呈银白色，大小为0.5 mm×1 mm左右。用扫描电镜和能谱仪进行测试和分析，“白斑”的涂料层试样SEM形貌和4个典型区域的能谱分析位置如图3所示。分析位置1和2为“白斑”样品外观显示白色区域，分析位置3和4为外观显示为暗灰色区域。

图2 涂料层样品

图3 “白斑”涂料层SEM形貌

分析位置1的能谱分析结果如图4和表1所示，分析位置2的能谱分析结果如图5和表2所示，分析位置3的能谱分析结果如图6和表3，分析位置4的能谱分析结果如图7和表4.

图4 分析位置1的能谱分析结果

2 能谱分析和成因探讨

涂料的主要成分有溶剂、骨料和有机黏结剂，在使用过程中，溶剂经过干燥就完全被除去，有机黏合剂主要由C、H、O、N组成，在高温下被烧损，主要起到隔绝作用的是涂料中的骨料。常规涂料中使用的骨料主要有 S i O2、Al2O3、Fe O、Mg O、Z r O2和石墨[2]，其中锆英粉含量高对耐火度有好处，但耐火度过高会使涂料的烧结作用减弱，引起涂料剥落性变差。另外，型砂的主要构成物质也是S i O2.

表1 分析位置1的元素含量

图5 分析位置2的能谱分析结果

表2 分析位置2的元素含量

图6 分析位置3的能谱分析结果

表3 分析位置3的元素含量

图7 分析位置4的能谱分析结果

表4 分析位置4的元素含量

由表1和2可知，由“白斑”的涂料层上白色区域检测出的主要元素为S i和O，可以推断该区域主要物质为S i O2；其次为Fe和C，说明此区域还可能由Fe的碳化物或氧化物；检测出的少量Al和Mn，说明该区域还含有Al2O3和Mn O2.

由表3和4可知，由暗灰色区域检测出的主要元素为Fe或C，说明该区域以Fe3C或石墨为主，伴有少量的金属（Al、Ti、Mn）氧化物或碳化物，说明此处有铁液渗透过来。

由以上分析得知，“白斑”主要以S i O2为主，伴有少量的Al2O3和Fe O等金属氧化物。其成因或为：（1）型腔涂刷的涂料表面强度低，抗铁水冲刷能力差，导致在浇注过程中涂料被冲刷掉；（2）涂料骨料中Al2O3在高温型腔中发生化学反应，产生含Al的化合物[3]。

3 改善措施

目前风电铸件大多采用复合型醇基涂料，大家一般比较关注锆英粉含量，含量高对耐火度有好处，但耐火度过高会使涂料的烧结作用减弱，引起涂料剥落性变差，所以对其他骨料也要加以控制。

由于“白斑”主要由铸造涂料产生，综上分析及结合多年的生产经验，主要从以下两方面改善“白斑”缺陷。

涂料方面：

1）使用复合型醇基涂料时，应合理控制涂料中骨料的比例；

2）必须保证涂料涂刷后，涂层的耐磨性，这一点尤为重要。

车间操作：

1）保证热风时间，增强型腔的干燥度；

2）合理控制涂料波美度，提高涂料涂刷性能；

3）规范车间工人涂刷操作，避免人为因素影响涂料涂层性能。

通过对使用涂料改进以及规范现场操作，最终铸件表面质量得到极大改善，大多数铸件表面“白斑”现象已消除，极大地提升了清理工作效率，降低了人工成本。图8为对应图1中“白斑”现象严重区域，经工艺改善后，“白斑”基本消除。

图8 改善后铸件表面情况

4 结论

1）“白斑”的主要构成是S i O2，伴有少量的Al2O3和Fe O等金属氧化物。

2）“白斑”缺陷与型砂和铁水冶金质量无直接关系，与涂料质量相关。

3）涂料层表面强度低，抗冲刷能力不够是造成铸件“白斑”缺陷的直接原因。

4）合理控制涂料中的骨料含量，保证涂料层合适的耐火度和剥落性。

5）涂料层强度影响涂料的抗铁水冲刷能力，涂料层强度低，导致涂料被冲刷、聚集，形成“白斑”缺陷，因此应加强涂料层强度和耐磨性的控制。