铝合金铸件黑色硬质点的研究

王家文，李胜君，程俊明，孙晓莉，姜 丽，赵娜娜，刘 宁，王家林，王凤林

（1.新泰（辽宁）精密设备有限公司，辽宁营口 115009；2.沈阳工程学院，辽宁沈阳 110136；3.航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁沈阳 110034）

1 铸件介绍

SF6 封闭式组合电器（GIS）是具有国际领先技术的输变电系列产品之一，其关键部件之一是罐体。罐体在工作的时候内部充满SF6 气体，因此不仅对罐壁要求无缩松缺陷，而且对罐体法兰的密封面要求无任何缺陷[1]。但是我公司在生产国内某知名高压电器厂商126kV 产品上使用的罐体铸件法兰面出现黑色硬质点，黑色硬质点不仅影响罐体的气密性能，还会损坏加工刀具，降低加工效率。因此本文就该罐体产生的黑色硬质点现象进行研究讨论。该铸件使用的材质是ZL104，尺寸如图1 所示。

1.1 生产过程中出现黑色硬质点问题

该铸件使用铁模砂芯低压铸造方法生产，对气密性要求比较高，因此密封面不允许有任何缺陷。但是在机加工过程中，法兰密封面出现黑色硬质点情况（以下简称黑点），如图2 所示（黑色圈内的即黑点）。黑点位置加工后与法兰基体平齐，无凹坑。

图1 铸件的尺寸

图2 加工后法兰端面的黑点

1.2 黑点的形态

图3 样品电镜分析结果

该铸件的黑点位置比较固定，都在模具底模的法兰端面上，其他法兰并没有黑点缺陷。因此将该铸件法兰有黑点位置制作样块，发现该铸件的端面位置黑点较重，而由端面向内的黑点缺陷反而减轻。该黑点直径大概在2～3mm 左右，呈暗黑色，硬度较大，机加工比较困难，对刀具的磨损较厉害，加工效率低，影响铸件的气密性能。由于黑点问题造成公司的交货压力巨大，因此去除黑点缺陷迫在眉睫。

2 黑点成分以及形成原因分析

2.1 硬质点的种类

关于铝合金铸件的加工面出现黑点缺陷问题，以前也有许多专家做过分析和研究。有的研究结果认为，硬质点主要是非金属夹杂物，其中大多数为氧化物，包括γ-AI2O3、刚玉（α-Al2O3）和MgAI2O4复合氧化物；也有人认为，硬质点主要由含Fe 金属杂质相所构成[2]。

2.2 样品电镜分析结果

将黑点位置加工成样品A 与B，经过电镜分析，确定黑点成分为AlSiMnFe 化合物，如图3 所示。表1 为两个样品分析结果。

2.3 黑点形成原因分析

AlSiMnFe 化合物的形成是由于铝液中Fe、Mn 等元素有向铝液下部偏析的倾向，如果合金中Fe 杂质含量、Mn 量较多，铝液温度偏低、停放时间较长，这种偏析倾向更为强烈，使AlSiMnFe 化合物在铝液底部析出、长大，形成硬质点[3]。该铸件的材质为ZL104，铝液中本身含有Mn 元素，在生产该铸件时，使用了铁质升液管，导致铝液中Fe含量高，而且该铸件的法兰比较厚大，因此凝固时间较慢，法兰在凝固过程中，形成AlSiMnFe 化合物，向铸件下部沉淀，凝固后形成硬质点，加工之后，在铸件的法兰上出现黑点缺陷。

表1 分析结果

2.4 解决措施与生产验证

由于黑点是铝液长时间存放或者铸件在型腔中凝固时间过长导致Fe、Mn 元素形成化合物所致，因此制定改进措施如下：减少熔化时长与放置时间；降低模具温度，加快铸件的冷却速度；使用陶瓷升液管代替铁质升液管。

公司经过工艺改进后，该铸件的黑点缺陷已经彻底清除，目前公司已经供货1000 余件，无黑点缺陷。图4 为该铸件的机加工成品图。

图4 机加工后成品图片

3 结论

该铸件法兰位置比较厚大，凝固较慢，因此Fe 与Mn 元素有足够的时间析出并形成AlSiMnFe 化合物，加工后在铸件端面出现。解决该问题的途径即控制Fe 含量，减少铝液放置时间，加快铸件凝固速度，防止Fe、Mn 元素形成AlSiMnFe化合物析出，经过实践验证该方案可以完全解决铸件端面的黑色硬质点的问题。