熔模鑄件缺陷分析及案例

潘玉洪，朱偉杰2

（1.無錫市凱斯特鑄業(yè)有限公司,江蘇 無錫 214161；2.無錫市雪浪合金鋼鑄造廠，江蘇 無錫 214161）

0 前言

熔模鑄造生產(chǎn)工序長，工藝過程復(fù)雜，影響因素繁多，鑄件不可避免地產(chǎn)生各種缺陷。在使用過程中因鑄件質(zhì)量問題而產(chǎn)生事故，不僅給企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟(jì)和信譽(yù)損失，甚至企業(yè)因?yàn)榫揞~索賠而倒閉。因此，熔模鑄件缺陷分析越來越被企業(yè)重視。

鑄件缺陷分析涉及到較多的學(xué)科和技術(shù)，是一項(xiàng)交叉學(xué)科的技術(shù)綜合活動。對于熔模鑄件產(chǎn)生缺陷的精準(zhǔn)分析，能夠?yàn)闇p少或防止同類缺陷的再發(fā)生，為提高鑄件質(zhì)量提供科學(xué)的、可靠的、有效的依據(jù)。

熔模鑄件缺陷分析在國內(nèi)起步較晚，更需要廣泛的交流和培訓(xùn)。因此，筆者提出熔模鑄造缺陷分析與案例，期望達(dá)到拋磚引玉的作用。

1 缺陷分析

缺陷分析就是找出缺陷產(chǎn)生的主要原因，提出消除和防止鑄件產(chǎn)生缺陷的方法。

對于鑄件的一般缺陷，如砂眼、渣孔等，需要鑄造工程師憑借自己的知識和經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)缺陷的特征找出產(chǎn)生缺陷的主要原因，采取有效的對策。

有缺陷的鑄件數(shù)量較多，損失較大時，就需要管理者、鑄造工程師、質(zhì)量工程師或理化分析師、檢測工程師等參加，綜合分析，確定缺陷名稱，產(chǎn)生的主要原因，再采取有效的對策。

如果由于鑄件存在缺陷導(dǎo)致質(zhì)量事故，給用戶造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失時；必須委托第三方權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)，判定事故與鑄件失效的關(guān)系。必要時，還要聘請專家和專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)給出權(quán)威結(jié)論。

本文重點(diǎn)闡述廣泛使用的、最基本的直觀分析法。

2 直觀分析法

2.1 概述

直觀分析法是把鑄件缺陷目視特征作為缺陷分析的重要依據(jù)，經(jīng)常利用金相分析，甚至是掃描電鏡，或掃描電鏡-能譜分析等先進(jìn)的檢測手段，對缺陷目視特征進(jìn)行確認(rèn)。

2.2 基本要求

采用直觀分析法必須深入現(xiàn)場解決問題，需要鑄造工作者具有比較深厚的專業(yè)知識、比較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及正確處理問題的技能；因此，對缺陷分析者提出以下最基本的要求。

（1）深入現(xiàn)場，收集資料。

①什么是現(xiàn)場？

狹義的現(xiàn)場：凡是企業(yè)內(nèi)部從事生產(chǎn)、消耗企業(yè)的大部分資源和成本，為客戶提供滿意的產(chǎn)品和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)利潤的生產(chǎn)和工作場所，稱之為現(xiàn)場。稱為生產(chǎn)現(xiàn)場更為確切。

②生產(chǎn)現(xiàn)場的作用

生產(chǎn)現(xiàn)場是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動的第一線，是人、機(jī)、料、法、環(huán)、信息，以及品質(zhì)、成本、交貨期、產(chǎn)量、士氣、安全等各種問題不斷交織、大量出現(xiàn)的場所。無論哪一個方面出現(xiàn)問題都會給生產(chǎn)帶來不同程度的影響，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生缺陷，甚至造成停產(chǎn)；因此生產(chǎn)現(xiàn)場是公司內(nèi)部最重要的地方。

③產(chǎn)生鑄件缺陷時，工程技術(shù)人員有三種可能表現(xiàn)：

（一）缺少解決鑄件缺陷的實(shí)際能力，不敢去；

（二）雖有一定的解決實(shí)際缺陷的能力，但是怕臟、怕累，不愿去；

（三）立即深入現(xiàn)場、查看現(xiàn)物、現(xiàn)場處理。

④到現(xiàn)場做什么？

查看鑄件缺陷。生產(chǎn)現(xiàn)場能夠?yàn)榉治鋈毕萏峁┐罅康摹⒒钌?、?zhǔn)確的第一手材料。收集與缺陷有關(guān)的——人、機(jī)、料、法、環(huán)和管理等資料、信息和原始記錄。

（2）實(shí)事求是。

收集信息和資料時，力求全面。決不可貪圖省時、省力而采取“以點(diǎn)代面”、“瞎子摸象”的做法，盡量收集到相關(guān)的全部原始記錄。

收集信息和資料時，必須實(shí)事求是。決不可為了驗(yàn)證自己的“判斷結(jié)果”而收集“證據(jù)”，甚至編造 “證據(jù)”，要對自己收集到的信息和資料負(fù)責(zé)。

（3）當(dāng)多面手

要有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識和較寬的知識面，以及較強(qiáng)的動手能力，有良好的人脈和協(xié)作關(guān)系，以及很強(qiáng)的組織、協(xié)調(diào)能力；應(yīng)該擁有“中醫(yī)看病的思路和方法，偵探破案的技巧和毅力”。

（4）綜合分析

直接分析法必須根據(jù)缺陷特征，以及收集到的資料、信息，進(jìn)行理性的分析（去粗取精、去偽存真），進(jìn)而判斷和推理，分析力求準(zhǔn)確。

2.3 基本程序

缺陷分析的基本程序，見圖1。

（1）缺陷描述。立即深入現(xiàn)場，收集與缺陷有關(guān)的各種資料和信息。詳盡描述缺陷的目視特征（如缺陷發(fā)生的部位、大小、數(shù)量，以及發(fā)生的頻次等）；并對收集到的原始數(shù)據(jù)，運(yùn)用七大工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，歸納、總結(jié)；為了把缺陷描述地更加清楚，應(yīng)采用如下的方法：

圖1 缺陷分析基本程序示意圖

①金相分析。例如鑄件產(chǎn)生脆斷，斷口見圖2。產(chǎn)生脆斷的主要原因：一是鋁化合物，二是碳硼化合物。到底是哪個呢？金相分析如圖3所示：斷口的晶界上出現(xiàn)沿晶界分布的鋁化合物，而沒有發(fā)現(xiàn)碳硼化合物。為了進(jìn)一步證實(shí)是鋁化合物，又檢測了化學(xué)成分，殘留鋁為0.27%（0.03%～0.07%為宜）。

圖2 脆性斷裂

圖3 晶界上的鋁化合物 ×100

②化學(xué)法。例如鑄件粘砂，如圖4，是化學(xué)粘砂還是機(jī)械粘砂？

從鑄件的粘砂處取3-5 g試樣，放在濃鹽酸中，發(fā)生下列情況：

鹽酸中有氣泡產(chǎn)生，并上??；鹽酸的顏色由透明變黃，甚至是棕紅色；反應(yīng)終了，器皿的底部殘留型砂；即為機(jī)械粘砂。

圖4 鑄件粘砂

鹽酸中產(chǎn)生的氣泡很少；鹽酸的顏色變化不大；反應(yīng)終了，器皿的底部殘留蜂窩狀物質(zhì)；即為化學(xué)粘砂。

③酸浸法。例如鑄件的相近兩處有凹陷，是凹陷還是縮陷？

從外觀看兩處缺陷的外表面均呈較光滑的凹陷，約15 cm2，很相似；缺陷處的橫剖面差別不大（見圖5）。把鑄件的凹陷處磨平，放在70～80℃的鹽酸水溶液（1:1）中，酸浸20 min，取出洗凈、吹干、觀察凹陷處（見圖6）。

左下箭頭處：凹陷的里面，看出明顯的縮孔（金屬液收縮引起的縮陷）；右邊箭頭處：凹陷的里面，組織致密（型殼鼓脹引起的凹陷）；上邊箭頭處：凹陷的里面，看出明顯的縮孔，表面有裂紋（金屬液收縮引起的縮裂）。

④低倍顯微鏡觀察法。例如在鑄件的凹角處有多個孔洞，從缺陷外觀和產(chǎn)生部位無法鑒別是凹角縮孔還是浸入氣孔？

把鑄件需鑒別的部位磨好、拋光，借助于高倍放大鏡或金相顯微鏡進(jìn)行觀察。這里面既有浸入氣孔（見圖7）；也有凹角縮孔（見圖8）。

圖5 左：正常鑄件，右：凹陷鑄件

圖6 左：縮陷 右：凹陷 上：縮裂

圖7 浸入氣孔 ×16

圖8 凹角縮孔 ×16

⑤無損探傷法。無損探傷法就是在不破壞鑄件的情況下能判斷鑄件質(zhì)量的一種方法。目前應(yīng)用于鑄件質(zhì)量檢驗(yàn)方面的有磁粉探傷法（或磁力探傷法）、超聲波法和射線法等。

無損探傷在國內(nèi)采用較少；而在國外卻有很大發(fā)展，從超聲波探傷發(fā)展至全息攝錄及掃描電鏡－能譜分析法階段，可以準(zhǔn)確地測定缺陷的位置和范圍。

總之，準(zhǔn)確、系統(tǒng)、完整描述缺陷的目視特征，是鑒別缺陷的必要前提條件。

（2）鑒別缺陷

依據(jù)缺陷的目視特征，正確鑒別缺陷的類別、名稱。

鑒別不清楚鑄件產(chǎn)生的是什么缺陷，就沒有辦法提出相應(yīng)的對策；因此，如何盡快地、有效地鑒別鑄件缺陷是當(dāng)前熔模鑄造工作者最關(guān)鍵而又最現(xiàn)實(shí)的首要問題。

（3）找出原因

詳細(xì)調(diào)查與產(chǎn)生缺陷有關(guān)的人、機(jī)、料、法、環(huán)的生產(chǎn)運(yùn)行狀況，找出哪些因素發(fā)生了異常現(xiàn)象。

分析缺陷原因時，最好采取頭腦風(fēng)暴法，通過因果分析圖（或魚刺圖）找出產(chǎn)生缺陷的各種原因。在可能的條件下，應(yīng)參考以前的資料和書籍。

從眾多的原因中，按照對缺陷影響程度的大小排序，找出產(chǎn)生缺陷的主要原因（最好不超過3個）；暫時擱置次要原因。

（4）糾正措施

①PDCA。針對不同的主要原因，采取相應(yīng)的對策，利用最基本、最常用的PDCA循環(huán)方法。

每次PDCA循環(huán)，解決一個問題。也可以根據(jù)實(shí)際情況，用一次PDCA循環(huán)，同時解決2-3個問題。

②“三結(jié)合”。在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或多或少會影響正常生產(chǎn)秩序；因此必須實(shí)行車間領(lǐng)導(dǎo)、鑄造工程師和老工人參加的“三結(jié)合”攻關(guān)小組。有利于實(shí)驗(yàn)的有序進(jìn)行與協(xié)調(diào)，有時能收到意想不到的效果。

③充分發(fā)揮“三老”（老領(lǐng)導(dǎo)、老工程技術(shù)人員和老工人）的作用，對糾正和預(yù)防熔模鑄件產(chǎn)生缺陷作用很大。

“三老”工作數(shù)十年，具有豐富的專業(yè)知識、均有一技之長、積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。充分發(fā)揮、挖掘這些人的聰明才智，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和工作質(zhì)量，有利于“以老帶新”和“傳幫帶”，有利于提高企業(yè)的競爭力，有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

怎么用？

成立現(xiàn)場服務(wù)小組，其主要職能：

一是糾正。分析、解決現(xiàn)場出現(xiàn)的鑄件缺陷，必要時增加其他有關(guān)的人員；

二是預(yù)防。對生產(chǎn)過程中的工藝進(jìn)行過程認(rèn)證；對員工進(jìn)行培訓(xùn)；以及預(yù)防。

④要有“三心”。解決熔模鑄件缺陷過程是個復(fù)雜、多變的過程，要有決心消除缺陷；要細(xì)心尋找產(chǎn)生缺陷的主要原因；以及要有恒心，堅(jiān)持不懈、直到解決。

⑤堅(jiān)持“三性”。最終解決方案應(yīng)該達(dá)到：理論的正確性、生產(chǎn)的可行性、經(jīng)濟(jì)的合理性；否則，再好的方案企業(yè)不愿意采用。

3 案例

3.1 熔模鑄件的熱裂紋

①什么是熱裂紋?

鑄件在高溫時產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力 （相變應(yīng)力、熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力）超過此時合金材料的強(qiáng)度極限時，出現(xiàn)的裂紋稱為熱裂紋。

②產(chǎn)生的部位。

它常發(fā)生在鑄件最后凝固并且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，如熱節(jié)、尖角或靠近內(nèi)澆口等處。

③熱裂紋的特征

宏觀：由于熱裂紋是在高溫下形成的，因此裂紋的表面與空氣接觸并被氧化而呈暗褐色甚至黑色，同時熱裂紋呈彎曲狀而不規(guī)則。

微觀：熱裂紋沿晶界發(fā)生與發(fā)展，裂紋的兩側(cè)有脫碳層并且裂紋附近的晶粒粗大、伴有魏氏組織。

④形成的溫度范圍

有人對碳鋼鑄件熱裂紋形成的強(qiáng)度范圍進(jìn)行了研究。用X射線拍攝的辦法，將鑄件形成熱裂紋的溫度范圍記錄下來。不管碳鋼鑄件含碳量多少，形成熱裂紋的溫度范圍都在固相線附近。

⑤形成機(jī)理

鑄鋼在高溫時的強(qiáng)度與塑性都很低。當(dāng)鑄件所承受的鑄造應(yīng)力超過該溫度下合金的強(qiáng)度和塑性極限時就會產(chǎn)生熱裂紋。

3.2 左把熱裂紋

（1）缺陷概述

左把是某設(shè)備上的一個熔模鑄件，材質(zhì)ZG45；采用石英砂(粉)為耐火材料；以水玻璃為粘結(jié)劑的高強(qiáng)度型殼。每組4件；原澆注時型殼溫度為180～200℃，經(jīng)目視檢驗(yàn)，最高一爐的廢品率為97%。宏觀裂紋如圖9所示，微觀裂紋如10所示。

（2）尋找主要原因

①從人、機(jī)、料、法、環(huán)和管理方面入手，利用頭腦風(fēng)暴法和魚刺圖進(jìn)行尋找；

②缺陷因果關(guān)系分析法，即對于缺陷的每個原因都“問五個為什么”（不限于5個，一追到底）；現(xiàn)場發(fā)生異常，管理人員就要到現(xiàn)場仔細(xì)觀察現(xiàn)物，詳細(xì)調(diào)查、了解異常的原因，憑借自己的知識和經(jīng)驗(yàn)，多問幾個為什么，找準(zhǔn)出現(xiàn)異常的原因。

圖9 鑄件的熱裂紋

圖10 熱裂紋附近的內(nèi)部組織 ×100

③借鑒法。借助于有關(guān)的書籍、資料。如最新出版的《熔模鑄造缺陷圖冊》[1]，其“ZJ-29-72”介紹產(chǎn)生熱裂紋的原因有5項(xiàng)。

主要原因是什么呢？

對于經(jīng)驗(yàn)較少的工程師，在找出全部原因的基礎(chǔ)上，利用排除法逐一排除。這種方法比較全面、細(xì)致，但是耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。

從圖12可以看出：左把在凝固過程中A處是熱節(jié)，此處冷凝較晚、速度較慢，鑄件收縮受到型殼的阻礙，產(chǎn)生了熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力。在澆注時型殼的溫度較低（180～200℃），恰在鑄件冷凝收縮時，型殼受熱急劇膨脹，使應(yīng)力再次增加；再加上A處有尖角產(chǎn)生應(yīng)力集中，故此處非常容易產(chǎn)生熱裂紋，使鑄件廢品率很高。

為此，可以認(rèn)為左把產(chǎn)生熱裂紋的主要原因是：澆注時型殼的溫度低。

（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

①第一次PDCA

在500公斤無芯工頻感應(yīng)爐(酸性爐襯)中進(jìn)行熔煉。爐料選用45鋼料邊和ZG45返回料。當(dāng)爐溫升至1580～1600℃(光學(xué)高溫計(jì)，未校正)時，用鋁終脫氧?？刂平饘僖旱臐沧囟葹?540～1560℃。

型殼經(jīng)860～880℃×2h焙燒，出爐后在不同的時間(因無法檢測澆注時的型殼溫度，而采用型殼出爐后的時間，3min、5min和8min澆注左把。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱殼高溫澆注，增加了型殼的退讓性，降低了鑄造應(yīng)力；澆注左把118件，熱裂紋99件，雖然熱裂紋的程度減輕，但是廢品率仍然很高，為83.9%，而且熱裂紋的部位卻由A處轉(zhuǎn)移到B處，如圖11。

②第二次PDCA

圖11 左把開裂示意圖

圖12 改進(jìn)左把結(jié)構(gòu)后的開裂示意圖

實(shí)驗(yàn)前分析

左把的壁厚比較均勻，熱殼澆注后，A處型殼在高溫時的退讓性較好；受到阻力較小，該處的熱裂紋消除。

左把B處彎曲，該處型殼的退讓性相比較差，左把形成熱裂紋。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

改變左把結(jié)構(gòu)，B處較早凝固；左把的桿部最后凝固，使其收縮應(yīng)力轉(zhuǎn)移到桿部，見圖12。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

型殼經(jīng) 860～880℃×2h 焙燒，出爐后 6～8min開始澆注左把。共澆注314件，產(chǎn)生熱裂紋的7件，廢品率為2.23%

③生產(chǎn)驗(yàn)證

熱殼澆注納入工藝，即金屬液的澆注溫度1540～1560℃，型殼于 860～880℃×2 h 焙燒，出爐后≤6～8min開始澆注 （室溫低于20℃時，取6 min，其余取 8min）。

據(jù)2個月的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)：共澆注左把5858件，熱裂紋廢掉172件，廢品率為2.94%。送到客戶現(xiàn)場使用，超過了設(shè)計(jì)使用壽命要求。

僅此1個鑄件每年可降低廢品損失數(shù)萬元。

4 結(jié)論

（1）鑄件缺陷分析是一項(xiàng)交叉學(xué)科的技術(shù)和管理的綜合活動。

（2）缺陷分析最常用、最基本的方法是直觀分析法。

（3）直觀分析法是把鑄件缺陷目視特征作為缺陷分析的前提條件和重要依據(jù)。

（4）缺陷分析就是找出缺陷產(chǎn)生的主要原因，提出消除和防止鑄件產(chǎn)生缺陷的方法。

（5）遵循缺陷分析的基本程序是缺陷分析的基本原則。

（6）5W1E、PDCA，以及七大工具是缺陷分析常用的工具。

（7）“三現(xiàn)”、“三結(jié)合”、“三老”是缺陷分析常用的方法。

（8）借鑒以前的資料和書籍，如《熔模鑄造缺陷圖冊》是缺陷分析有效的捷徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘玉洪，朱偉杰.熔模鑄造缺陷圖冊[M].長沙.湖南科技出版社，2016.11.