不锈钢熔模铸造缺陷分析及质量控制

不锈钢熔模铸造缺陷分析及质量控制 熔模铸造的工艺流程通常为:压型制造→蜡模压制→蜡模组装→浸涂料→撒砂→硬化及干燥→脱蜡→焙烧→浇注→落砂及清理。由于其工艺环节较多,过程较复杂,因而最终铸件的品质受诸多因素的影响很大,不易进行控制。结合不锈钢熔模铸造生产过程中出现的若干缺陷类型,探讨、分析不锈钢熔模铸造过程中品质控制的关键环节。 1、典型缺陷及其成因 （1）表面麻坑 在生产中,有时发现成批铸件表面出现麻坑（见图1-1）。呈规则的半球形小坑,凹坑直径为013～018mm,深013～015mm,麻坑在铸件局部呈密集状分布。该缺陷虽不影响铸件使用性能,但无法修整,严重影响了铸件的表面品质,导致铸件成批报废。对该缺陷进行能谱分析（见图1-2 ），结果表明该缺陷位置存在着微量的Mg、Ca等元素。 图（1-1）铸件表面麻坑缺陷            图（1-2）麻坑缺陷位置的能谱分析 该表面麻坑缺陷产生的主要原因是面层型壳 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 不合格。在铸造生产中多采用锆砂作为型壳面层耐火材料,其导热性好,蓄热能力大,耐火度高,热震稳定性好。纯ZrSiO4的耐火度在2000℃以上,但随着杂质含量增加,耐火度相应下降。当锆砂中含有氧化物杂质时,其分解温度会下降,如含有Ca、Mg氧化物时,分解温度会降至1300℃左右,当含有K、Na氧化物时,其分解温度会降至900℃左右[1,2]。锆砂是ZrO2?SiO2二元系中唯一的化合物,但其分解时析出的无定形SiO2具有很高的活性,能与金属中的Cr、Ni、Ti、Mn、Al 等合金元素在高温下发生化学反应,致使铸件表面产生麻坑缺陷,恶化铸件的表面品质。 （2）黑点 不锈钢铸件加工或抛光后,在加工表面位置时,会 出现分散的规则球状的黑点缺陷（见图1-3）,其缺陷位置的能谱分析（见图1-4）。可见该黑点缺陷存在O、Si、Mn等元素。 图（1-3）铸件黑点缺陷              图（1-4）黑点缺陷位置的能谱分析 该黑点缺陷产生的原因可能是由于钢液中存在有 非金属夹杂物(主要是金属元素的氧化物、硫化物和硅酸盐)而导致的。非金属夹杂物的来源既有外来的,如金属炉料带入的泥沙杂质,从炉衬耐火材料上剥落下来的碎粒以及在浇注过程中型壳被钢液冲刷下来的碎砂等;也有熔体内部产生的,如钢液中的元素被氧化生成的氧化物。上述非金属夹杂中的硅酸盐类,如FeSiO3、MnSiO3、FeO?Al2O3?SiO2等使钢液中的Si被氧化成SiO2,SiO2与钢液中的MnO、FeO以及Al2O3等化合物反应而生成多组元复合化合物,这类夹杂物的熔点比合金熔体温度低而呈液态存在。又由于它们有较大 的表面张力,并且与钢液之间不相互润湿,因此在钢液中聚成球形,钢液凝固后形成球形夹杂物,在铸件表面形成的是规则的球状黑点缺陷。 （3）凹陷 在生产中有时也发现部分铸件表面有不规则的凹陷（见图1-5）其缺陷位置的能谱分析（见图1-6）。由（图1-6）可见,缺陷部位存在Zr及微量Ca、Mg。 图（5）铸件凹陷缺陷                    图（6）凹陷缺陷的能谱分析 （4）缩陷 在热节部位表面有时会呈现出不规则的缩陷,（见图1-7）,其缺陷位置的局部放大（见图1-8）,由图1-8可以看出,缩陷缺陷位置附近表面出现较明显的砂粒印迹。 图（1-7）铸造缩陷缺陷                      图（1-8）图7局部放大 该缺陷产生的主要原因可能是铸件局部散热条件差,或者浇注温度与型壳温度过高且浇注速度过快,导致在铸件热节部位产生缩陷缺陷。 （5）疤痕 在生产中,部分铸件的局部表面也会出现有蜂窝状凹陷,即疤痕（见图1-9），其缺陷位置的能谱分析（见图1-10），由图1-10可见缺陷部位存在C、O及微量Ca、Mg。该缺陷产生的主要原因可能是型壳中残留过多的皂化物且型壳焙烧不良或者型壳存放时间过长(或湿度大),导致型壳中残留的碳质等物质较多,当钢液进入此类型壳中,将导致合金熔体表面与型壳发生反应,从而产生表面蜂窝状凹陷的疤痕缺陷。 图（1-9）铸造疤痕缺陷                  图（1-10）疤痕缺陷位置的能谱分析 （6）岛状凸起(蛤蟆皮) 在生产中有事也发现部分铸件表面有大小不等的鸟状凸起（见图1-11）其缺陷位置的能谱分析（见图1-12），有图1-12可见，缺陷位置存在Cr和C元素的偏聚,以及微量Ca、Mg等元素。 图（1-11）铸件岛状凸起缺陷            图（1-12）岛状凸起缺陷位置的能谱分析 该缺陷产生的主要原因是型壳局部硬化、风干不 透,水分、盐类富集;或者浇注过程中型壳面层的低熔点夹杂物与金属液发生烧蚀,使Cr元素被氧化而导致的。 （7）毛刺 部分铸件表面有时会有分散的毛刺缺陷（见图1-13），其缺陷位置的能谱分析（见图1-14）。可见缺陷部位存在C及微量Ca、Mg的偏聚。 该缺陷产生的主要原因可能是型壳上存在分散性的孔洞(蚁孔)。产生蚁孔的主要原因有:面层涂料中的粉/液比太低;面层砂的粒度大,而面层涂料的粘度低;涂料对蜡模的浸润性差或者涂挂面层时操作不当导致的。 图1-13铸件毛刺缺陷              图1-14毛刺缺陷位置的普能分析 （8）氧化物夹砂 在部分铸件表面局部会粘附金属氧化物,清除后呈 斑疤(见图1-15)。其缺陷主要是由于熔体品质不高,浇注期间存在氧化物夹杂,最终形成铸件氧化物夹砂缺陷。 (9)铸件多肉 在生产中有时也发现部分铸件表面有突出的金属颗粒(见图1-16),该缺陷有时无法修整,影响了铸件的表面品质。 该缺陷产生的主要原因可能是面层涂料存在问题或者涂挂操作不当而导致的。面层涂料如果含气量大,或者面层涂料对蜡模的浸润性差,又或者涂挂前两层时没有及时清除气泡,在焙烧或合金浇注阶段导致型壳产生鼓泡,最终会被金属液填充,从而产生多肉缺陷。 图1-15铸件夹砂缺陷                      图1-16铸件多肉缺陷 2、铸件的品质控制 从不锈钢熔模铸造铸件的缺陷种类及可能形成原因来看,形成铸件缺陷的影响因素很多,各环节的工艺控制好坏都将影响到最终的铸件品质。结合上述生产实践中所遇到的铸造缺陷,主要从以下3个方面对铸件品质进行严格控制。 （1）原材料控制 面层材料由于直接与合金熔体接触,对铸件的表面品质有重要的影响。应选用锆砂中性耐火材料作为面层材料,且锆砂的ZrSiO4的含量要高,并控制K、Na、Ca、Mg等氧化物杂质的含量。为保证铸件品质的稳 定,应固定选择1～2家锆砂供应商,并定期对所供锆砂委托相应研究机构检测,具体要求应按照航空工业部标准HB534921986,坚持按标准验收。 合金原料及辅料的供给需保持相对稳定的渠道;严格控制炉料,入炉前需要对炉料进行必要的清理,不能有锈污,严格按照操作规程进行,避免将外来夹杂引入合金熔体内部。 （2）涂挂、脱蜡控制 ①严格涂料浆品质控制和管理 定期监测涂料浆 中粘结剂提取液的胶凝时间,坚决废弃已经老化变质的涂料,特别是面层涂料。②确保型壳导热性、透气性良好 保证型壳导热性良好,确保蜡模表层在蜡模整体膨胀前熔化;同时保证型壳面层透气性良好,减轻蜡模整体受热膨胀对型壳产生的张力,防止型壳开裂。③提高型壳干燥率 型壳越干燥,型壳强度越高,承受脱蜡时蜡模膨胀的能力越强,型壳越不容易开裂。同时适宜的型壳干燥率也确保型壳中残留水分少,在脱蜡时不会受蒸气高温作用而出现异常沸腾现象,从而避免型壳局部破损开裂。 （3）焙烧、熔炼及浇注控制 ①充分焙烧型壳。②合金熔炼时脱氧、除渣处理应充分,同时保证对 熔体表面氧化物等夹渣应及时处理干净。必要时在浇注完毕的型壳周围人为地造成还原性气氛,如向刚浇注完毕的型壳撒木屑。同时也要避免加入过量的脱氧剂,以防反而增加钢水中非金属夹杂物的含量。如不锈钢的脱氧剂多用锰铁和硅铁,其在钢水中反应生成MnO和SiO2,SiO2熔点较高,在钢水中悬浮很难排除,易与金属反应生成硅酸盐系列的非金属夹杂,是表面黑点缺陷的主要来源之一。③控制适宜的浇注温度。为了保证钢液充满型腔,获得良好的铸件表面品质,必须采用足够高的浇注温度。但是浇注温度过高,容易加剧表面合金元素的氧化,从而产生表面麻点等其他缺陷。因此,在保证获得轮廓清晰的铸件条件下,应采用较低的浇注温度。 3、注意事项 (1)不锈钢熔模铸造实际生产过程中常见缺陷有麻 坑、黑点、凹陷、缩陷、疤痕、岛状突起、毛刺、氧化物夹砂、多肉等。 (2)熔模铸造过程中品质控制,有3个重要的关键环节:原材料控制、涂挂与脱蜡控制、熔炼与浇注控制等。对这些工艺环节进行有效地控制,将有利于减少缺陷,提高铸件成品率。