熔模铸件表面麻点缺陷成因分析及对策

熔模铸件表面麻点缺陷成因分析及对策

熔模精密铸造(又称熔模铸造)是一种近净形成形工艺,其铸件精密、复杂,接近于零件最后的形状,可不加工直接使用或经很少加工后使用[ 1 ] 。但由于其工序较长,涉及的原材料很多,经常有许多原因致使铸件的表面出现问题,影响铸件的外观质量,表面麻点就是常见的一种。

1、缺陷表现

我厂生产实践中,有时发现成批铸件表面出现麻点(如图1) ,呈规则的半球形小坑,凹坑直径约0. 3 mm～0. 8 mm,深约0. 3 mm～0. 5 mm,未清理前图1

表面麻点缺陷凹坑内有黑色熔渣物质。(一般气孔内壁光滑,且外形不规则) ,麻点呈密集状分布,大件及大平面铸件尤为严重。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质量,导致铸件成批报废,不能按时完成订单,延误交期。

2、缺陷的成因及分析

经光谱分析,缺陷处金属中硅含量增加,而含锰量极少。熔渣的金相分析表明,熔渣含有硅酸铁、硅酸锰及硅酸钴等化合物。X射线衍射证明黑色麻点是由磁铁矿Fe3O4 和铁铬尖晶石FeO·Cr2O3 组成。对缺陷处金属成分和熔渣成分进行分析后认为:麻点是金属液中氧化物与型壳材料中氧化物发生化学反应形成的。生产实践中发现导致该缺陷的原因主要有以下几个方面。

2. 1 面层型壳材料

高合金钢铸件大都采用锆砂作为型壳面层耐火材料,锆砂又称硅酸锆或锆英石,分子式为ZrO2 · SiO2(或ZrSiO4 ) ,理论组成( 质量分数)为ZrO2 67.

23 %,SiO2 32. 77 %。锆砂的导热性好,蓄热能力大,耐火度高,热震稳定性好,常用作熔模精铸件的面层耐火材料。纯ZrSiO4的耐火度在2 000 ℃以上,随着杂质含量增加,耐火度相应下降。锆砂当含有氧化物杂质时,其分解温度会下降,例如含有Ca、Mg氧化物时,分解温度会降至1 300 ℃左右,当含有K、Na氧化物时,其开始分解温度会降至900 ℃左右。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“麻点”缺陷,恶化铸件的表面质量。

2. 2 非金属夹杂物的影响

钢液中的非金属夹杂物主要是金属元素的氧化物、硫化物和硅酸盐,非金属夹杂物的来源既有外来的,例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;也有内部产生的,如钢液中的元素被氧化生成的氧化物。麻点夹杂物的形成主要是非金属夹杂中的硅酸盐类,如FeSiO3、MnSiO3、FeO ·Al2O3 ·SiO2 等,硅酸盐类型夹杂物的来源使钢液中的硅被氧化成SiO2 , SiO2 与钢液中的MnO、FeO以及Al2O3 等化合物而生成多组元复合化合物,这类夹杂物的熔点比钢液温度低,在钢液中呈液态存。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形麻点缺陷。生产实践中发现,当使用带有锈蚀的回炉料时,往往会导致大批量麻点缺陷的发生,由于铁锈的主要成分为Fe3O4、Fe2O3 等,很容易与SiO2 反应生成硅酸盐,从而形成麻点缺陷。

2. 3、浇铸工艺

2.3.1、浇铸温度

铸件浇铸温度的提高可以使钢液具有较好的流动性,为了保证钢液充满型腔,获得良好的铸件表面质量,必须采用足够高的浇注温度。但是浇铸温度过高,容易加剧表面合金元素的氧化从而产生表面麻点。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。一般来说,浇注温度原则上应等于钢的液相线温度加上50 ℃～100 ℃,具体的浇注温度应根据材质和铸件的具体形状而定。

2.3.2、脱氧

脱氧剂的加入量要适当。从脱氧剂的反应来看,脱氧剂的加入量越多,越有利于脱氧的进行。但在一定的熔炼工艺条件下,脱氧只能达到一定的水平,也就是说,只能最大限度的降低含氧量,而不能彻底去除氧。加入过量的脱氧剂,不但增加脱氧剂的消耗,而且也达不到预期的效果,反而增加钢水中非金属夹杂物的含量。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干净,易与金属反应生成硅酸盐系列的非金属夹杂,是表面麻点内灰分的主要成分。锰铁(含锰75 %时)用量一般为钢水重量的0. 1 %～0. 5 % ,硅铁(含量75 %时)用量为钢水的0. 05 %～0. 2 % 。

3、解决措施

针对上叙的原因分析,我们提出了以下措施:

3.1、选用合理面层材料,做不锈钢铸件时一般选中性耐火材料,如锆砂或刚玉

粉。锆砂的ZrSiO4 的含量要高,并应控制K、Na、Ca、Mg氧化物的含量。一般的铸造厂家不具备检测锆砂的能力,为保证铸件质量的稳定,应固定选择一至二家锆砂供应商,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HB5349 - 1986。

3.2、严格控制炉料,炉料必须清理干净不能有锈污,严格按照操作规程进行

3.3、充分焙烧型壳,降低型壳和金属液的温度,加快铸件的冷却速度,加入适量的

脱氧剂脱氧,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、废蜡后立即用铁箱罩住。

4 结论

造成熔模铸件表面麻点缺陷的因素是多方面的。从原材料方面,要合理选用面层耐火材料,要求炉料清洁无严重锈蚀、无油、干燥;从工艺方面,要充分焙烧型壳,确定合理的浇注温度,加入适量脱氧剂脱氧。经过以上几个方面的控制,麻点缺陷可以得到有效解决。