鑄造缺陷分析技術(shù)的應(yīng)用與思考

程俊偉，蔡安克，張俊祥，范隨長

（中國一拖集團(tuán)有限公司工藝材料研究所，河南 洛陽 471004）

消除鑄件缺陷，對中國這樣一個年產(chǎn)3300萬t多鑄件的鑄造大國來說意義重大。消除鑄件缺陷，提高鑄件質(zhì)量和成品率，就意味著能夠降低由缺陷造成鑄件報廢而重復(fù)生產(chǎn)所造成的能源消耗和廢棄物的排放，并能大大降低鑄件的生產(chǎn)成本，節(jié)約資源［1］。鑄鐵生產(chǎn)過程中，從熔煉、澆注、到鐵液凝固成鑄件，涉及大量金屬材料和非金屬材料，發(fā)生無數(shù)的物理和化學(xué)反應(yīng)，因此說影響鑄件缺陷的因素眾多，而且因果關(guān)系錯綜復(fù)雜。目前國內(nèi)許多鑄造廠對鑄件的缺陷分析，仍然依靠目測和經(jīng)驗(yàn)來判定，這樣雖然成本較低，用時較短，但是對于相對復(fù)雜的鑄造缺陷，由于影響因素眾多，難以斷定哪是主要因素，哪是次要因素，致使鑄件廢品重復(fù)出現(xiàn)，鑄件質(zhì)量難以保證，要提升鑄件的整體質(zhì)量，就必須重視缺陷分析技術(shù)的應(yīng)用。從中國鑄造學(xué)會翻譯完成的國際制造業(yè)先進(jìn)技術(shù)譯叢、日本工學(xué)會編著的有關(guān)鑄造缺陷分析的書中，對比可以發(fā)現(xiàn)我國在缺陷分析技術(shù)應(yīng)用中存在的差距與不足。

1 缺陷分析技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

缺陷分析技術(shù)最主要采用電鏡掃描、能譜分析、電子衍射等先進(jìn)技術(shù)手段進(jìn)行缺陷分析，在國內(nèi)高校、大型研究院、所應(yīng)用較多，而在其他大部分鑄造企業(yè)由于受鑄件價格、企業(yè)技術(shù)檢測條件的影響，推廣使用受到一定的限制，從國內(nèi)極少的鑄造缺陷研究書籍中可見一斑，這些對提高國內(nèi)鑄件的品質(zhì)和鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平極為不利。

所謂鑄件缺陷分析技術(shù)就是結(jié)合傳統(tǒng)的化學(xué)分析、光學(xué)金相檢查，利用掃描電子顯微鏡和能譜分析儀，通過對缺陷狀況、特征的比較，對產(chǎn)生缺陷的各種條件、原因及其影響大小程度的分析，明確缺陷和原因的相互關(guān)系，進(jìn)行缺陷分析，找到缺陷形成的主要原因，從主要原因著手，明確消除和防止鑄件缺陷的途徑和方法［2］。

2 缺陷分析技術(shù)的應(yīng)用

1）鑄件滲漏缺陷。對大多數(shù)密封承壓鑄件如缸體、缸蓋、液壓密封鑄件、傳輸管件等滲漏是最主要的缺陷。但是鑄件滲漏缺陷產(chǎn)生的原因復(fù)雜，有的滲漏是由于氣渣孔，砂孔或螺栓孔之間壁厚不夠造成的；有的滲漏是由于生鐵中過高的磷和微量元素鉛造成的；有的滲漏是由于與碳當(dāng)量較低或組織異常，合金加入量過大造成收縮傾向過大形成的縮孔、縮松、組織異常。圖1是2008年初出現(xiàn)滲漏鑄件的加工螺孔處缺陷宏觀特征，對缺陷進(jìn)行分析解剖，通過掃描電鏡和能譜分析，缺陷為枝晶縮松引起的滲漏。圖2是電鏡分析的缺陷微觀形貌。如果進(jìn)一步確定滲漏產(chǎn)生原因，首先分析化學(xué)成分C、Si、P、Cr、Al等元素是否異常；分析滲漏區(qū)域石墨與基體組織、共晶團(tuán)數(shù)量是否異常，最后分析缺陷與生鐵質(zhì)量、澆注溫度、冷卻速度、孕育處理、澆冒工藝改變是否有關(guān)，最后綜合各種影響因素，分清主次，確定最終結(jié)論。

圖1 鑄件螺孔處缺陷特征

圖2 鑄件缺陷微觀形貌

2）鑄件氣渣孔缺陷。在新產(chǎn)品鑄件的試制過程中，發(fā)現(xiàn)加工后的鑄件表面有不規(guī)則形狀的氣孔和規(guī)則的橢圓形氣孔（如圖3）。

對鑄鐵件缺陷進(jìn)行電鏡掃描的微觀形貌分析認(rèn)為，缺陷屬氣渣孔，用掃描電鏡觀察氣孔孔壁，其表面形貌呈現(xiàn)凸凹不平的枝晶晶芽，不如肉眼觀察下那樣平滑，氣渣孔孔壁表面還有典型的葡萄狀氧化物，顆粒狀MnS，如圖4所示，能譜分析如圖5所示。氣渣孔成分主要為MnS、FeO、MnO的混合物。

圖3 鑄件上的渣氣孔和氣孔

圖4 缺陷的電鏡微觀形貌（3000×）

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)條件和工藝調(diào)查發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生缺陷的主要原因是澆包內(nèi)鐵液長時間運(yùn)輸和放置，造成鐵液發(fā)生二次氧化，形成了熔點(diǎn)低，流動性好的液態(tài)渣，它是FeO、MnO、SiO2三元成分的熔體，澆注時，液態(tài)渣極易隨鐵液進(jìn)入型腔，鑄件凝固時，渣中的FeO同鐵液中的碳發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生CO氣體，結(jié)果在液態(tài)渣易停泊于水平型（芯）面之下，就形成了包容著渣的CO皮下氣孔。鐵液中的錳、硫含量高時，形成的MnS量就明顯增加，進(jìn)入液態(tài)渣中的MnS會形成熔點(diǎn)更低的渣，且流動性更好，因此說過高的錳易產(chǎn)生渣氣孔。

圖5 缺陷部位的能譜分析（3000×）

3 缺陷分析技術(shù)應(yīng)用中注意的細(xì)節(jié)

缺陷分析過程是利用先進(jìn)檢測手段，深入到現(xiàn)象之中去解決本質(zhì)問題，根據(jù)缺陷形貌和數(shù)據(jù)進(jìn)行理性認(rèn)識的過程。這個過程要求進(jìn)行準(zhǔn)確細(xì)致的判斷和推理，因此要求缺陷分析者有豐富鑄造生產(chǎn)技術(shù)工作的經(jīng)驗(yàn)，豐富的鑄造理論知識和正確處理信息的能力。這種能力既包括對缺陷形成機(jī)理的理論分析，也有邏輯推理的知識。分析過程中必須掌握正確的思維形式以及對因果聯(lián)系普遍規(guī)律的合理運(yùn)用［3］。

在確定缺陷產(chǎn)生原因時，不僅要認(rèn)真細(xì)致了解鑄造廠原材料的產(chǎn)地、成分和材料變更情況，還要分析鑄件生產(chǎn)過程中大量的各類生產(chǎn)技術(shù)記錄，各類工藝參數(shù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的統(tǒng)計分析、歸納，同時聽取更多人的意見，參考相關(guān)技術(shù)資料和文獻(xiàn)書籍，最后才能確定結(jié)論。

4 缺陷分析技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

缺陷分析技術(shù)中應(yīng)用較多的電子掃描顯微鏡價格較貴，許多企業(yè)沒有條件采購與分析，另一方面電子掃描顯微鏡多集中在高校和科研院所，缺陷檢測人員幾乎全部為非鑄造專業(yè)人員，由于對鑄造生產(chǎn)的不熟悉，有的電鏡分析人員只提供電鏡圖片不提供分析報告，即使有的檢測人員提供報告，也只提供缺陷分析類型，不分析產(chǎn)生原因。許多鑄造企業(yè)工程技術(shù)人員對電鏡缺陷分析圖理解不透，認(rèn)識不深，加上培訓(xùn)不夠，無法根據(jù)電鏡的微觀形貌和能譜分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)工藝條件，繼續(xù)分析缺陷產(chǎn)生原因，因而就覺得缺陷電鏡分析指導(dǎo)作用不明顯。此外高校鑄造專業(yè)由于合并成大專業(yè)，缺乏對電鏡和能譜分析技術(shù)的學(xué)習(xí)與了解。以上這些因素是目前嚴(yán)重制約缺陷分析技術(shù)應(yīng)用的主要原因。

國內(nèi)鑄造缺陷分析技術(shù)的著作并不多，也多是從理論方面進(jìn)行分析和闡述，像日本鑄造工學(xué)會出版的鑄造缺陷分析資料中，結(jié)合不同的生產(chǎn)工藝條件，有缺陷微觀電鏡分析圖相對較少，因此說對于高校鑄造專業(yè)學(xué)生和企業(yè)工程技術(shù)人員來說，加深對缺陷微觀形貌的認(rèn)識與理解，加強(qiáng)對缺陷分析技術(shù)的培訓(xùn)是非常必要的。

5 結(jié)束語

對于鑄造企業(yè)和鑄造工作者來說，鑄造缺陷是無法回避而又必須解決的最大課題。為了降低鑄件成本和廢物排放，提高鑄件的可靠性，消除鑄件缺陷是極其重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的目測診斷，容易誤判，造成廢品重復(fù)出現(xiàn)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。在鑄造行業(yè)努力縮小與國外先進(jìn)制造技術(shù)差距的今天，大力推廣應(yīng)用缺陷分析技術(shù)，加大加快缺陷分析技術(shù)的培訓(xùn)和人才培養(yǎng)是十分重要和必要的。

［1］日本工學(xué)會.鑄造缺陷及其對策［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：7.

［2］陳國楨.鑄件缺陷和對策［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：28.