張忠騰 劉志順 張 軍 張 棣

(常州朗銳鑄造有限公司 江蘇 常州 213011)

蠕墨鑄鐵是具有片狀和球狀石墨之間的一種過渡形態(tài)的灰口鑄鐵， 具有獨特的蠕蟲狀的石墨形態(tài)， 兼有較高的耐磨性和抗熱疲勞性能， 在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用廣泛， 常州朗銳鑄造有限公司(以下簡稱“朗銳公司”)生產(chǎn)的蠕墨鑄鐵制動盤盤體(以下簡稱“盤體”)就是其中的優(yōu)秀代表作之一。 但近期盤體質(zhì)量存在些許波動， 在加工過程中， 發(fā)現(xiàn)連接爪處存在氣孔缺陷， 從而導(dǎo)致盤體報廢， 廢品率一度上升至4%。氣孔缺陷的產(chǎn)生是眾多因素耦合產(chǎn)生的結(jié)果， 涉及到造型和熔煉等關(guān)鍵工序。 基于上述現(xiàn)狀和研究方向， 本文以盤體連接爪處氣孔缺陷為研究對象， 進行原因分析和技術(shù)研究， 制定改善方案， 消除氣孔缺陷。

1 生產(chǎn)工藝

盤體鑄件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，鑄件型腔由上、下外模及冷砂芯組成。外模利用自硬性呋喃樹脂砂造型、刷涂醇基防滲硫涂料，坭芯采用三乙胺法冷芯盒制芯工藝。采用中頻電爐熔煉，使用直讀光譜儀及紅外測硫儀檢測并控制爐前C、Si、Mn、P、S五大元素含量，之后進行蠕化孕育處理。嚴(yán)格控制出鐵溫度及澆注溫度在規(guī)定范圍以內(nèi)。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)圖

2 氣孔特征表述及分析

盤體連接爪位置在加工后，在鑄件皮下0.5～1.5 mm處出現(xiàn)圓形孔洞，主要位于型芯面的棱邊附近，如圖2所示。經(jīng)實體顯微鏡觀察，氣孔呈球狀或者橢圓球狀獨立孔洞，孔徑約為1～2.5 mm，內(nèi)壁光滑，帶有金屬色澤，如圖3所示。

圖2 孔洞外觀

圖3 金相顯微鏡圖像

進一步觀察，氣孔周圍沒有明顯的石墨出現(xiàn)，如圖4、圖5所示，經(jīng)硝酸腐蝕，可以看到在氣孔邊緣以珠光體組織為主，如圖6所示。根據(jù)圖7能譜圖可知，該區(qū)域形成珠光體和Mn、Cu元素的富集有關(guān)，而兩種元素的富集又和鐵水氧化后導(dǎo)致枝晶偏析現(xiàn)象存在因果關(guān)系。

圖4 25倍金相圖

圖5 100倍金相圖

通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，大部分孔洞內(nèi)壁凹凸不平、呈褶皺狀且被覆有龜殼狀花紋，這是石墨在鐵液凝固過程中沉積式析出于內(nèi)壁造成的。壁上存在顆粒狀凸點且有微小縮孔，內(nèi)部微觀形貌如圖8所示。根據(jù)電子探針對氣孔內(nèi)部微區(qū)物質(zhì)進行成分分析，能譜分析顯示如圖9所示?？妆诔煞种饕獮镃、O、Si、Fe，其中C質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到95.08%，O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.13%，剩余為Si、Fe，由此側(cè)面印證氣孔內(nèi)壁沉積了一層石墨。壁上的白色顆粒狀物質(zhì)考慮為氧化性熔渣，主要為FeO、SiO。金仲信等人把此類氣孔歸結(jié)為氧化反應(yīng)型皮下氣孔，其主要是由于上述氧化物熔渣與碳發(fā)生碳氧反應(yīng)，主要氣體形式為CO[1]。

圖6 100倍基體組織金相圖

圖7 氣孔邊緣元素分布能譜圖(EDS)

圖8 不同倍數(shù)的掃描電鏡圖像

圖9 氣孔內(nèi)壁元素分布能譜圖(EDS)

3 探究氣體來源

本次出現(xiàn)的氣孔全部在型芯面的邊緣位置，界面環(huán)境較為特殊。朗銳公司采取低氮呋喃樹脂砂造型，它的硬化機理為在酸的作用下，分子鏈中的氫原子與羥基縮合，主要產(chǎn)物是H2O，特別指出的是砂芯與型砂邊緣，砂芯緊實度相比于內(nèi)部相對較小，在多雨的季節(jié)該位置更易吸附水分。

外型砂芯受高溫的鐵液影響，樹脂中的尿素衍生物高溫分解出NH3，在被鐵水覆蓋的界面，NH3又進而分解為氮和氫:2NH3=2N+6H，型砂尖角邊緣吸附的水分與本身產(chǎn)生的水分在高溫下同熔融的Fe發(fā)生反應(yīng)：Fe+H2O=FeO+2H。

由于雨季潮濕的環(huán)境，生鐵、廢鋼以及蠕化和孕育劑均受影響，在熔煉、澆注過程中的氧化物含量相對較高，在如此鐵液狀態(tài)下，型芯面結(jié)構(gòu)在上述兩種反應(yīng)下氧化物含量更高，這種氧化物作為鑄鐵非均質(zhì)形核的質(zhì)點。由于壁薄散熱性較好，凝固枝晶迅速發(fā)展，枝晶間的碳偏析形成石墨，氧化物與石墨發(fā)生碳氧反應(yīng)，例如：FeO+C=Fe+CO[1]。

CO皮下氣孔正是借助氧化熔渣質(zhì)點形成氣核，雖然氫不能直接形核形成氣泡，但是氫的擴散卻加劇了CO氣孔的形成[2]。

4 解決措施

4.1 主要措施

加入一定比例新砂以全面提升型砂質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上進行試驗。試驗結(jié)果證明，解決CO氣孔有兩條路徑非常有效，其一增大砂芯顆粒度，其二加入鐵紅粉。

4.1.1冷芯砂目數(shù)由50～100目更改為40～70目

眾所周知，型砂的透氣性由空隙率和空隙大小決定(見圖10)，但往往不同砂粒度的空隙率差別較小，故影響透氣性的主要因素是砂粒間空隙尺寸的大小[3]。球徑大，空隙的尺寸大而數(shù)量少，堆壘體的透氣性高；球徑小，空隙的尺寸小而數(shù)量多，堆壘體的透氣性低。較好的透氣性降低界面氣體背壓，對反應(yīng)型氣體溢出具有重要作用[4]。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 降低砂粒目數(shù)后的鑄件加工結(jié)果

圖10 原砂粒度與透氣性的關(guān)系[3]

4.1.2冷芯中分別加入0.2%和0.4%的鐵紅粉

眾多文獻指出在型砂和坭芯中加入鐵紅粉能夠有效抑制鑄件氣孔的產(chǎn)生。朗銳公司分別采用0.2%和0.4%的鐵紅粉加入盤體冷芯中，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 加入鐵紅粉后的鑄件加工結(jié)果

加入一定比例的鐵紅粉后，為了保證砂芯強度，提高樹脂量至1.53%，較高的樹脂含量利于抑制氣孔的產(chǎn)生，但由結(jié)果可以看出鐵紅粉抑制氣孔的能力更強。

4.2 輔助措施

除采取主要措施外，分別采取以下輔助措施：(1)加強對熔煉原材料的管控；(2)隔離清理潮濕原料并烘干；(3)嚴(yán)格按照規(guī)定時間預(yù)熱澆注包，烘烤砂型；(4)蠕化劑和孕育劑在澆注前預(yù)熱；(5)用表干爐烘干坭芯。

5 結(jié)論

(1)CO氣孔缺陷主要分布于鑄件皮下組織，一般呈圓球或水滴狀，個數(shù)較少，常見于鑄件邊角和型芯面，由氧化物熔渣與碳發(fā)生碳氧反應(yīng)形成，H元素的擴散促進其析出。

(2)控制爐料以及砂型干燥是阻絕CO氣孔的關(guān)鍵。嚴(yán)格監(jiān)控空氣濕度，在多雨潮濕的季節(jié)需提前預(yù)熱爐料，預(yù)熱澆注包，烘烤砂型。

(3)通過提高砂芯透氣性促使氣體快速排出和改善鐵液-砂芯界面環(huán)境是解決氣孔缺陷的有力措施。降低砂芯目數(shù)至40～70目和加入至少0.2%的鐵紅粉能有效抑制氣孔缺陷的產(chǎn)生。