風(fēng)電球鐵件表面“白斑”缺陷的分析與解決

王美喜，劉 杰，韓生泰，余 帆，占 進(jìn)

（江蘇吉鑫風(fēng)能科技股份有限公司，江蘇江陰 214422）

筆者公司采用呋喃樹脂自硬砂鑄造工藝，主要生產(chǎn)風(fēng)電球墨鑄鐵件，產(chǎn)品涉及輪轂、底座、主軸、盤和軸承座等，鑄件重量達(dá)2 t～80 t不等。隨著風(fēng)電主機功率增加，導(dǎo)致鑄件壁厚越來越大。風(fēng)電鑄件比一般厚大球鐵件要求高，其鑄件表面有磁粉和無損探傷檢測要求。近期，在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，某些厚大壁鑄件（如風(fēng)電輪轂）在開箱落砂后，鑄件表面粘附著一層白色粉末狀物質(zhì)，暫稱為“白斑”?！鞍装摺蔽挥阼T件和涂料殼之間，涂料殼剝落正常，剝落后“白斑”一部分留在鑄件表面，一部分留在涂料殼上。鑄件經(jīng)拋丸后，某些局部位置（如拐角處）仍有附著，不易脫落。這種缺陷處于鑄件表面，加大鑄件清理打磨工作量，增加成本，甚至延緩交貨。

這些“白斑”物質(zhì)呈白色粉末狀，顯然不是型砂砂粒形成的。而且，在鑄件有“白斑”的位置脫落的涂料層上，也有相同情況。經(jīng)過從生產(chǎn)過程逐步排查，型砂、冶金鐵水、人員操作等均無明顯異常，考慮“白斑”產(chǎn)生的時間段、問題鑄件涉及廣等因素，分析“白斑”與處在型砂與鐵水之間的涂料有關(guān)。初步推斷其為高溫鐵液與涂料層發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的一種渣缺陷。對于風(fēng)電球鐵鑄件，鑄造涂料需滿足3個基本要求[1]：1）屏蔽砂型中產(chǎn)生的氣體向金屬液的侵入；2）屏蔽金屬液對砂型的滲透；3）防止砂型中S元素對鑄件表面球化效果的影響。

1 缺陷樣品電鏡分析

本文以風(fēng)電輪轂為例（圖1），鑄件開箱、落砂后，部分白色夾渣隨型砂脫落，經(jīng)拋丸后拐角處仍殘留大量白色物質(zhì)，嚴(yán)重影響表面質(zhì)量。

圖1 輪轂鑄件及表面“白斑”缺陷

由于在鑄件上取樣不方便，且脫落的涂料殼上也有相同“白斑”，因此選取涂料層作為掃描電鏡的分析試樣，其宏觀形貌如圖2所示，呈銀白色，大小為0.5 mm×1 mm左右。用掃描電鏡和能譜儀進(jìn)行測試和分析，“白斑”的涂料層試樣SEM形貌和4個典型區(qū)域的能譜分析位置如圖3所示。分析位置1和2為“白斑”樣品外觀顯示白色區(qū)域，分析位置3和4為外觀顯示為暗灰色區(qū)域。

圖2 涂料層樣品

圖3 “白斑”涂料層SEM形貌

分析位置1的能譜分析結(jié)果如圖4和表1所示，分析位置2的能譜分析結(jié)果如圖5和表2所示，分析位置3的能譜分析結(jié)果如圖6和表3，分析位置4的能譜分析結(jié)果如圖7和表4.

圖4 分析位置1的能譜分析結(jié)果

2 能譜分析和成因探討

涂料的主要成分有溶劑、骨料和有機黏結(jié)劑，在使用過程中，溶劑經(jīng)過干燥就完全被除去，有機黏合劑主要由C、H、O、N組成，在高溫下被燒損，主要起到隔絕作用的是涂料中的骨料。常規(guī)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]，其中鋯英粉含量高對耐火度有好處，但耐火度過高會使涂料的燒結(jié)作用減弱，引起涂料剝落性變差。另外，型砂的主要構(gòu)成物質(zhì)也是S i O2.

表1 分析位置1的元素含量

圖5 分析位置2的能譜分析結(jié)果

表2 分析位置2的元素含量

圖6 分析位置3的能譜分析結(jié)果

表3 分析位置3的元素含量

圖7 分析位置4的能譜分析結(jié)果

表4 分析位置4的元素含量

由表1和2可知，由“白斑”的涂料層上白色區(qū)域檢測出的主要元素為S i和O，可以推斷該區(qū)域主要物質(zhì)為S i O2；其次為Fe和C，說明此區(qū)域還可能由Fe的碳化物或氧化物；檢測出的少量Al和Mn，說明該區(qū)域還含有Al2O3和Mn O2.

由表3和4可知，由暗灰色區(qū)域檢測出的主要元素為Fe或C，說明該區(qū)域以Fe3C或石墨為主，伴有少量的金屬（Al、Ti、Mn）氧化物或碳化物，說明此處有鐵液滲透過來。

由以上分析得知，“白斑”主要以S i O2為主，伴有少量的Al2O3和Fe O等金屬氧化物。其成因或為：（1）型腔涂刷的涂料表面強度低，抗鐵水沖刷能力差，導(dǎo)致在澆注過程中涂料被沖刷掉；（2）涂料骨料中Al2O3在高溫型腔中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生含Al的化合物[3]。

3 改善措施

目前風(fēng)電鑄件大多采用復(fù)合型醇基涂料，大家一般比較關(guān)注鋯英粉含量，含量高對耐火度有好處，但耐火度過高會使涂料的燒結(jié)作用減弱，引起涂料剝落性變差，所以對其他骨料也要加以控制。

由于“白斑”主要由鑄造涂料產(chǎn)生，綜上分析及結(jié)合多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，主要從以下兩方面改善“白斑”缺陷。

涂料方面：

1）使用復(fù)合型醇基涂料時，應(yīng)合理控制涂料中骨料的比例；

2）必須保證涂料涂刷后，涂層的耐磨性，這一點尤為重要。

車間操作：

1）保證熱風(fēng)時間，增強型腔的干燥度；

2）合理控制涂料波美度，提高涂料涂刷性能；

3）規(guī)范車間工人涂刷操作，避免人為因素影響涂料涂層性能。

通過對使用涂料改進(jìn)以及規(guī)范現(xiàn)場操作，最終鑄件表面質(zhì)量得到極大改善，大多數(shù)鑄件表面“白斑”現(xiàn)象已消除，極大地提升了清理工作效率，降低了人工成本。圖8為對應(yīng)圖1中“白斑”現(xiàn)象嚴(yán)重區(qū)域，經(jīng)工藝改善后，“白斑”基本消除。

圖8 改善后鑄件表面情況

4 結(jié)論

1）“白斑”的主要構(gòu)成是S i O2，伴有少量的Al2O3和Fe O等金屬氧化物。

2）“白斑”缺陷與型砂和鐵水冶金質(zhì)量無直接關(guān)系，與涂料質(zhì)量相關(guān)。

3）涂料層表面強度低，抗沖刷能力不夠是造成鑄件“白斑”缺陷的直接原因。

4）合理控制涂料中的骨料含量，保證涂料層合適的耐火度和剝落性。

5）涂料層強度影響涂料的抗鐵水沖刷能力，涂料層強度低，導(dǎo)致涂料被沖刷、聚集，形成“白斑”缺陷，因此應(yīng)加強涂料層強度和耐磨性的控制。