掃描電鏡在水冷機(jī)殼鑄件缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

張矯陽(yáng)，梁秋華，鄒 昊，鄔健恒

（1.惠州古川科技有限公司，廣東惠州 516100；2.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東廣州 510800）

1 引言

新能源汽車(chē)電動(dòng)機(jī)的外殼由鋁合金低壓鑄造方法制造成型，為了能使電動(dòng)機(jī)殼在行駛過(guò)程中得到持續(xù)冷卻，機(jī)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿著圓筒形狀環(huán)繞分布著圓桶形狀的冷卻水套。如圖1 所示，冷卻水道結(jié)構(gòu)形狀由低壓鑄造時(shí)預(yù)置于模具內(nèi)部的砂芯形成。由于水冷機(jī)殼鑄件本身壁厚不均勻，容易在局部形成熱節(jié)，結(jié)晶凝固時(shí)便常常產(chǎn)生氣孔和縮孔等缺陷[1-3]。更突出的是內(nèi)部桶狀冷卻水道砂芯的結(jié)構(gòu)具有隔阻低壓鑄造順序凝固的作用，增加了局部孤立液相位置的縮松趨勢(shì)。許多企業(yè)由于缺乏及時(shí)有效的檢測(cè)手段，生產(chǎn)中此類(lèi)質(zhì)量問(wèn)題往往直到水冷機(jī)殼完成所有低壓鑄造和機(jī)加工流程，最后試水壓時(shí)才發(fā)現(xiàn)冷卻水道不通，因此使水冷機(jī)殼變?yōu)閺U品，造成高能耗的低壓鑄造生產(chǎn)重復(fù)浪費(fèi)。蔡司的EVO 系列掃描電鏡是帶有成像濾波器及數(shù)字化掃描的透射電鏡，可以通過(guò)試樣表面的光柵狀掃描對(duì)其內(nèi)部組織進(jìn)行成像，電子束在加速電壓的作用下經(jīng)過(guò)三級(jí)電磁透鏡掃描，圖像分辨率達(dá)到3.0nm。因此能對(duì)鋁合金低壓鑄件內(nèi)部微觀結(jié)晶組織進(jìn)行拍照觀察，以及材料斷口分析、晶粒尺寸、形狀分析，晶體和晶粒取向測(cè)量等?？梢约皶r(shí)發(fā)現(xiàn)批量低壓鑄造零件的工藝缺陷，幫助技術(shù)人員采取對(duì)應(yīng)的工藝改進(jìn)措施，加快鑄件壁厚不均勻位置和部分孤立液相位置的冷卻速度，保證低壓鑄造順序凝固的正常進(jìn)行[4，5]，具體過(guò)程詳述如下。

2 水冷機(jī)殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鑄件內(nèi)部缺陷分析

如圖1 所示為一種低壓鑄造生產(chǎn)的電動(dòng)客車(chē)水冷機(jī)殼，其外形為殼體直徑280mm，高度350mm 的圓桶形狀；鑄件壁厚為3～6mm，鑄件材質(zhì)為A356.2 鋁合金。低壓鑄造鋁合金金屬凝固時(shí)，液態(tài)收縮和液-固相線之間的體積收縮是形成縮孔和縮松的主要原因。由于電動(dòng)汽車(chē)水冷機(jī)殼結(jié)構(gòu)本身壁厚不均勻，尤其桶狀砂芯的局部封閉結(jié)構(gòu)，往往會(huì)使補(bǔ)縮通道不暢通或被堵塞，低壓鑄造的壓力傳遞受阻，造成鑄件局部產(chǎn)生孤立液相區(qū)域等；被分割的液體部分體積收縮則表現(xiàn)為縮松及縮孔。因此很有必要通過(guò)斷層掃描圖像高精度掃描，針對(duì)機(jī)殼鑄件桶狀砂芯截面隔離作用較明顯的重點(diǎn)位置進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，分析鋁合金鑄件特定區(qū)域凝固結(jié)晶情況，采取針對(duì)性的工藝改進(jìn)措施。

圖1 水冷機(jī)殼殼體和內(nèi)部水套砂芯圖

如圖2 所示，通過(guò)AnyCasting 軟件的凝固過(guò)程分析可以看出，桶狀砂芯截面結(jié)構(gòu)存在著幾個(gè)寬大位置，對(duì)機(jī)殼周邊圓筒壁造成了結(jié)構(gòu)分隔，使機(jī)殼主體與外圍形狀的壁厚連接部分減少，鋁合金鑄件的A、B、C、D 四處位置在凝固結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生滯后的獨(dú)立液相，這些孤立液相區(qū)域阻隔了正常的低壓鑄造結(jié)晶壓力傳遞，減緩了這部分區(qū)域的熱量散發(fā)。被分割的獨(dú)立液相最終凝固時(shí)體積收縮表現(xiàn)為縮松及縮孔。鑒于此，實(shí)踐中采取在A、B、C、D 四處位置的外壁增設(shè)循環(huán)水冷合金鈹銅鑲件，加快鑄件的局部凝固；并調(diào)整低壓鑄造的增壓速度等工藝參數(shù)來(lái)提高壓力傳遞效果，改善鑄件凝固結(jié)晶質(zhì)量，使得封閉的熱量傳導(dǎo)到散熱裝置上，以便于實(shí)現(xiàn)低壓鑄造正常的凝固順序[6，7，8]。這些優(yōu)化措施需要通過(guò)電鏡掃描的放大圖像進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 砂芯分隔結(jié)構(gòu)造成的孤立液相凝固模擬圖

3 蔡司場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SmartSEM軟件特點(diǎn)和工作流程

3.1 掃描電鏡的軟件特點(diǎn)和工作流程

蔡司場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SmartSEM 軟件可以直接使用普通PC 機(jī)的Windows 系統(tǒng)進(jìn)行操作，蔡司場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SmartSEM 軟件操作之前需要先制備樣品、安裝樣品和樣品室抽真空等準(zhǔn)備工作。掃描方式分為全屏、選區(qū)、定點(diǎn)、線掃描、線輪廓、掃描旋轉(zhuǎn)和傾斜補(bǔ)償?shù)?。進(jìn)入軟件界面后先選擇探頭、調(diào)節(jié)亮度和對(duì)比度等；再開(kāi)始進(jìn)行光闌對(duì)中、參數(shù)設(shè)定和選擇圖像范圍等步驟，然后才能生成圖像并確認(rèn)，其圖像解析度最大為3072×2304像素。工作界面分為工具欄、參數(shù)設(shè)置欄和圖像顯示區(qū)，掃描電鏡具體的工作流程如圖3 所示。

圖3 蔡司場(chǎng)發(fā)射電鏡掃描工作流程

探測(cè)器成像時(shí)模式可用分屏方式同時(shí)顯示兩種圖像，可在一種圖像畫(huà)面中用小窗口顯示另外一幅圖像。掃描電鏡探測(cè)器能獲取大量無(wú)影像重疊的斷層掃描圖像，因此廣泛地應(yīng)用于鋁合金等導(dǎo)電金屬材料成型的組織缺陷檢驗(yàn)領(lǐng)域。斷層掃描以三維立體圖像呈現(xiàn)，可以用連續(xù)放大倍數(shù)進(jìn)行顯示，顯示倍數(shù)范圍從十幾倍到幾十萬(wàn)倍，便于技術(shù)人員仔細(xì)觀測(cè)分析。

3.2 樣品的要求及制備

電鏡掃描的金屬試樣選取、制備、材料特性和尺寸等均有嚴(yán)格的規(guī)定和要求，首先要求對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)先去磁，以免觀察時(shí)電子束受到磁場(chǎng)干擾影響。試樣用銑床和精密磨床加工制成寬度不超過(guò)50mm，高度小于10mm 的長(zhǎng)方片。并要求試樣在真空中穩(wěn)定，不含水分或其他易揮發(fā)物。部分試樣表面在低壓鑄造的過(guò)程或者后續(xù)機(jī)加工處理中受到了油品的污染，需要先進(jìn)行清洗并烘干，然后將樣品放入樣品座上并固定。樣品高度應(yīng)基本一致，大小不得超出樣品臺(tái)邊緣，樣品臺(tái)一定要緊固在樣品室基座上，左右不得晃動(dòng)[9]。

4 電鏡掃描圖像生成工作過(guò)程

4.1 樣品的安裝和導(dǎo)航

先按下真空室面板上的Vent 操作按鈕開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)充氣，直到Vent 綠燈不再閃爍，再將樣品座裝入圖中樣品架上，右手旋緊樣品推桿確認(rèn)固定。然后關(guān)上倉(cāng)門(mén)，并按下真空室面板上的store按鈕開(kāi)始抽真空，抽真空完成后按下面板上的Transfer 按鈕，打開(kāi)真空室與樣品室之間的隔離閥，用樣品推桿將樣品推入樣品室內(nèi)的樣品座上卡住，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)樣品推桿，使之與樣品臺(tái)脫離后，向外完全拉出樣品推桿；按面板上的Store 按鈕，關(guān)閉隔離閥，至此完成了樣品安裝工作步驟。下一步再回到軟件界面進(jìn)行樣品導(dǎo)航操作，如圖4 所示。SmartSEM軟件啟動(dòng)后，將自動(dòng)對(duì)設(shè)備的硬件和樣品準(zhǔn)備情況進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完畢后進(jìn)入SmartSem 軟件將樣品導(dǎo)入，軟件會(huì)顯示樣品座的位置和相關(guān)參數(shù)，確認(rèn)倉(cāng)門(mén)關(guān)緊后開(kāi)始對(duì)樣品室再次抽真空。當(dāng)真空度達(dá)到5×10-5mbar 以下時(shí)，則可以開(kāi)始掃描取像。

4.2 水冷機(jī)殼樣品掃描檢測(cè)過(guò)程和圖像生成

樣品導(dǎo)航完成后則可開(kāi)始進(jìn)行檢測(cè)，如圖5所示，移動(dòng)樣品臺(tái)，使樣品在物鏡正下方，調(diào)節(jié)樣品和物鏡之間的工作距離。選擇需要的光闌和探頭，先將放大倍率到最小，使用鼠標(biāo)聚焦，調(diào)節(jié)光闌對(duì)中和像散，使光闌對(duì)中、燈絲對(duì)中和像數(shù)校準(zhǔn)等，再調(diào)節(jié)燈絲亮度和對(duì)比度使圖像逐步清晰。以上步驟反復(fù)多次進(jìn)行，直至達(dá)到清晰的圖像和與之適配的放大倍數(shù)為止。

圖4 SmartSEM軟件樣品導(dǎo)航操作

圖5 SmartSEM軟件光闌對(duì)中和放大倍數(shù)調(diào)整

確認(rèn)是最為清晰的圖像后，再用去除噪音的模式凍結(jié)清晰的圖像，取得高質(zhì)量的圖片保存到指定的硬盤(pán)目錄中。然后關(guān)閉高壓，泄去真空再取出樣品。即完成了一個(gè)樣品的掃描及圖像生成流程。如圖6 所示即為水冷機(jī)殼殼體內(nèi)部壁厚不均勻位置結(jié)晶時(shí)形成的縮松缺陷放大圖片。

圖6 水冷機(jī)殼壁厚不均勻位置形成的縮松缺陷放大圖片

當(dāng)達(dá)到清晰的圖像后則進(jìn)行圖片凍結(jié)，將鼠標(biāo)移動(dòng)到圖片上，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇Send to，然后選擇需要保存圖片的格式，SmartSEM 軟件提供了多種圖像文件格式，一般選擇JPEG 或BMP格式。如圖7 所示即為水冷機(jī)殼孤立液相位置結(jié)晶時(shí)形成的縮松缺陷放大BMP 格式圖片。從圖6和圖7 的比較中可看出，桶狀冷卻水道砂芯的結(jié)構(gòu)隔阻造成的孤立液相位置結(jié)晶時(shí)形成的縮松缺陷，比一般壁厚不均勻位置形成縮松缺陷更大，因此更有必要采取應(yīng)對(duì)的工藝措施予以改進(jìn)[10]。

圖7 水冷機(jī)殼孤立液相位置的縮松缺陷放大圖片

實(shí)踐中通過(guò)運(yùn)用不同的低壓鑄造模具冷卻技術(shù)方案，以及調(diào)整增壓速度和各階段壓力值等工藝參數(shù)，得到不同的內(nèi)部組織結(jié)晶凝固情況，則可幫助技術(shù)人員分析判斷，在水冷機(jī)殼孤立液相對(duì)應(yīng)位置處增加鈹銅冷卻鑲件是否達(dá)到改善縮松缺陷，在低壓鑄造充型過(guò)程的壓力值是否合理等，為水冷機(jī)殼低壓鑄造工藝優(yōu)化提供了研究依據(jù)[11，12]。還可將檢測(cè)到的鋁合金鑄件組織缺陷大小以顏色編碼可視化顯示，獲取不同類(lèi)別低壓鑄造缺陷的各種參數(shù)，比如鑄件缺陷的位置、尺寸大小和幾何形狀等；并可運(yùn)用圖表工具統(tǒng)計(jì)總體百分比以及鋁合金縮松缺陷的體積直方圖，對(duì)每個(gè)批次的鑄件組織切片圖像進(jìn)行局部量化分析，比較不同批次鑄件孤立液相對(duì)應(yīng)位置的縮松缺陷幾何形狀的數(shù)模比分析等，進(jìn)行更細(xì)致的數(shù)字化質(zhì)量分析和工藝改進(jìn)。

5 結(jié)論

電鏡掃描作為有效、快速、全面的工業(yè)檢測(cè)技術(shù)及解決方案，可以幫助壓鑄件生產(chǎn)商及時(shí)、高效地進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，有效阻斷質(zhì)量異常問(wèn)題的延續(xù)，并快速追溯批量低壓鑄造產(chǎn)品內(nèi)部組織缺陷信息，從而幫助技術(shù)人員分析改進(jìn)鑄件質(zhì)量，從而達(dá)到低壓鑄造精細(xì)數(shù)字化控制，提高水冷機(jī)殼低壓鑄造質(zhì)量的目的。隨著鋁合金壓鑄件在工業(yè)中應(yīng)用的愈來(lái)愈廣泛，尤其在通訊、航天和汽車(chē)核心部件和精密結(jié)構(gòu)件方面應(yīng)用更加普遍，對(duì)壓鑄件質(zhì)量要求也愈來(lái)愈高。然而不科學(xué)的低壓鑄造生產(chǎn)操作及工藝參數(shù)選擇，都不可避免產(chǎn)生種類(lèi)眾多的鑄件缺陷。鑄件內(nèi)部精度組織的及時(shí)檢測(cè)已成為低壓鑄造全過(guò)程生產(chǎn)的重要一環(huán)，電鏡掃描技術(shù)在壓鑄乃至其他金屬材料成型質(zhì)量控制方面必將具有更加廣泛的應(yīng)用空間。