蠕墨铸铁制动盘连接爪气孔缺陷的原因分析及对策

2022-01-22张忠腾刘志顺

轨道交通装备与技术 2021年6期

张忠腾刘志顺张军张棣

(常州朗锐铸造有限公司江苏常州 213011)

蠕墨铸铁是具有片状和球状石墨之间的一种过渡形态的灰口铸铁，具有独特的蠕虫状的石墨形态，兼有较高的耐磨性和抗热疲劳性能，在轨道交通领域应用广泛，常州朗锐铸造有限公司(以下简称“朗锐公司”)生产的蠕墨铸铁制动盘盘体(以下简称“盘体”)就是其中的优秀代表作之一。但近期盘体质量存在些许波动，在加工过程中，发现连接爪处存在气孔缺陷，从而导致盘体报废，废品率一度上升至4%。气孔缺陷的产生是众多因素耦合产生的结果，涉及到造型和熔炼等关键工序。基于上述现状和研究方向，本文以盘体连接爪处气孔缺陷为研究对象，进行原因分析和技术研究，制定改善方案，消除气孔缺陷。

1 生产工艺

盘体铸件结构如图1 所示，铸件型腔由上、下外模及冷砂芯组成。外模利用自硬性呋喃树脂砂造型、刷涂醇基防渗硫涂料，坭芯采用三乙胺法冷芯盒制芯工艺。采用中频电炉熔炼，使用直读光谱仪及红外测硫仪检测并控制炉前C、Si、Mn、P、S五大元素含量，之后进行蠕化孕育处理。严格控制出铁温度及浇注温度在规定范围以内。

图1 铸件结构图

2 气孔特征表述及分析

盘体连接爪位置在加工后，在铸件皮下0.5～1.5 mm处出现圆形孔洞，主要位于型芯面的棱边附近，如图2所示。经实体显微镜观察，气孔呈球状或者椭圆球状独立孔洞，孔径约为1～2.5 mm，内壁光滑，带有金属色泽，如图3所示。

图2 孔洞外观

图3 金相显微镜图像

进一步观察，气孔周围没有明显的石墨出现，如图4、图5所示，经硝酸腐蚀，可以看到在气孔边缘以珠光体组织为主，如图6所示。根据图7能谱图可知，该区域形成珠光体和Mn、Cu元素的富集有关，而两种元素的富集又和铁水氧化后导致枝晶偏析现象存在因果关系。

图4 25倍金相图

图5 100倍金相图

通过扫描电镜观察发现，大部分孔洞内壁凹凸不平、呈褶皱状且被覆有龟壳状花纹，这是石墨在铁液凝固过程中沉积式析出于内壁造成的。壁上存在颗粒状凸点且有微小缩孔，内部微观形貌如图8所示。根据电子探针对气孔内部微区物质进行成分分析，能谱分析显示如图9所示。孔壁成分主要为C、O、Si、Fe，其中C质量分数达到95.08%，O质量分数为5.13%，剩余为Si、Fe，由此侧面印证气孔内壁沉积了一层石墨。壁上的白色颗粒状物质考虑为氧化性熔渣，主要为FeO、SiO。金仲信等人把此类气孔归结为氧化反应型皮下气孔，其主要是由于上述氧化物熔渣与碳发生碳氧反应，主要气体形式为CO[1]。

图6 100倍基体组织金相图

图7 气孔边缘元素分布能谱图(EDS)

图8 不同倍数的扫描电镜图像

图9 气孔内壁元素分布能谱图(EDS)

3 探究气体来源

本次出现的气孔全部在型芯面的边缘位置，界面环境较为特殊。朗锐公司采取低氮呋喃树脂砂造型，它的硬化机理为在酸的作用下，分子链中的氢原子与羟基缩合，主要产物是H2O，特别指出的是砂芯与型砂边缘，砂芯紧实度相比于内部相对较小，在多雨的季节该位置更易吸附水分。

外型砂芯受高温的铁液影响，树脂中的尿素衍生物高温分解出NH3，在被铁水覆盖的界面，NH3又进而分解为氮和氢:2NH3=2N+6H，型砂尖角边缘吸附的水分与本身产生的水分在高温下同熔融的Fe发生反应：Fe+H2O=FeO+2H。

由于雨季潮湿的环境，生铁、废钢以及蠕化和孕育剂均受影响，在熔炼、浇注过程中的氧化物含量相对较高，在如此铁液状态下，型芯面结构在上述两种反应下氧化物含量更高，这种氧化物作为铸铁非均质形核的质点。由于壁薄散热性较好，凝固枝晶迅速发展，枝晶间的碳偏析形成石墨，氧化物与石墨发生碳氧反应，例如：FeO+C=Fe+CO[1]。

CO皮下气孔正是借助氧化熔渣质点形成气核，虽然氢不能直接形核形成气泡，但是氢的扩散却加剧了CO气孔的形成[2]。

4 解决措施

4.1 主要措施

加入一定比例新砂以全面提升型砂质量，在此基础上进行试验。试验结果证明，解决CO气孔有两条路径非常有效，其一增大砂芯颗粒度，其二加入铁红粉。

4.1.1冷芯砂目数由50～100目更改为40～70目

众所周知，型砂的透气性由空隙率和空隙大小决定(见图10)，但往往不同砂粒度的空隙率差别较小，故影响透气性的主要因素是砂粒间空隙尺寸的大小[3]。球径大，空隙的尺寸大而数量少，堆垒体的透气性高；球径小，空隙的尺寸小而数量多，堆垒体的透气性低。较好的透气性降低界面气体背压，对反应型气体溢出具有重要作用[4]。试验结果如表1所示。