鋁合金鑄件黑色硬質(zhì)點(diǎn)的研究

王家文，李勝君，程俊明，孫曉莉，姜 麗，趙娜娜，劉 寧，王家林，王鳳林

（1.新泰（遼寧）精密設(shè)備有限公司，遼寧營(yíng)口 115009；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136；3.航空工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110034）

1 鑄件介紹

SF6 封閉式組合電器（GIS）是具有國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)的輸變電系列產(chǎn)品之一，其關(guān)鍵部件之一是罐體。罐體在工作的時(shí)候內(nèi)部充滿SF6 氣體，因此不僅對(duì)罐壁要求無(wú)縮松缺陷，而且對(duì)罐體法蘭的密封面要求無(wú)任何缺陷[1]。但是我公司在生產(chǎn)國(guó)內(nèi)某知名高壓電器廠商126kV 產(chǎn)品上使用的罐體鑄件法蘭面出現(xiàn)黑色硬質(zhì)點(diǎn)，黑色硬質(zhì)點(diǎn)不僅影響罐體的氣密性能，還會(huì)損壞加工刀具，降低加工效率。因此本文就該罐體產(chǎn)生的黑色硬質(zhì)點(diǎn)現(xiàn)象進(jìn)行研究討論。該鑄件使用的材質(zhì)是ZL104，尺寸如圖1 所示。

1.1 生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)黑色硬質(zhì)點(diǎn)問(wèn)題

該鑄件使用鐵模砂芯低壓鑄造方法生產(chǎn)，對(duì)氣密性要求比較高，因此密封面不允許有任何缺陷。但是在機(jī)加工過(guò)程中，法蘭密封面出現(xiàn)黑色硬質(zhì)點(diǎn)情況（以下簡(jiǎn)稱黑點(diǎn)），如圖2 所示（黑色圈內(nèi)的即黑點(diǎn)）。黑點(diǎn)位置加工后與法蘭基體平齊，無(wú)凹坑。

圖1 鑄件的尺寸

圖2 加工后法蘭端面的黑點(diǎn)

1.2 黑點(diǎn)的形態(tài)

圖3 樣品電鏡分析結(jié)果

該鑄件的黑點(diǎn)位置比較固定，都在模具底模的法蘭端面上，其他法蘭并沒(méi)有黑點(diǎn)缺陷。因此將該鑄件法蘭有黑點(diǎn)位置制作樣塊，發(fā)現(xiàn)該鑄件的端面位置黑點(diǎn)較重，而由端面向內(nèi)的黑點(diǎn)缺陷反而減輕。該黑點(diǎn)直徑大概在2～3mm 左右，呈暗黑色，硬度較大，機(jī)加工比較困難，對(duì)刀具的磨損較厲害，加工效率低，影響鑄件的氣密性能。由于黑點(diǎn)問(wèn)題造成公司的交貨壓力巨大，因此去除黑點(diǎn)缺陷迫在眉睫。

2 黑點(diǎn)成分以及形成原因分析

2.1 硬質(zhì)點(diǎn)的種類

關(guān)于鋁合金鑄件的加工面出現(xiàn)黑點(diǎn)缺陷問(wèn)題，以前也有許多專家做過(guò)分析和研究。有的研究結(jié)果認(rèn)為，硬質(zhì)點(diǎn)主要是非金屬夾雜物，其中大多數(shù)為氧化物，包括γ-AI2O3、剛玉（α-Al2O3）和MgAI2O4復(fù)合氧化物；也有人認(rèn)為，硬質(zhì)點(diǎn)主要由含F(xiàn)e 金屬雜質(zhì)相所構(gòu)成[2]。

2.2 樣品電鏡分析結(jié)果

將黑點(diǎn)位置加工成樣品A 與B，經(jīng)過(guò)電鏡分析，確定黑點(diǎn)成分為AlSiMnFe 化合物，如圖3 所示。表1 為兩個(gè)樣品分析結(jié)果。

2.3 黑點(diǎn)形成原因分析

AlSiMnFe 化合物的形成是由于鋁液中Fe、Mn 等元素有向鋁液下部偏析的傾向，如果合金中Fe 雜質(zhì)含量、Mn 量較多，鋁液溫度偏低、停放時(shí)間較長(zhǎng)，這種偏析傾向更為強(qiáng)烈，使AlSiMnFe 化合物在鋁液底部析出、長(zhǎng)大，形成硬質(zhì)點(diǎn)[3]。該鑄件的材質(zhì)為ZL104，鋁液中本身含有Mn 元素，在生產(chǎn)該鑄件時(shí)，使用了鐵質(zhì)升液管，導(dǎo)致鋁液中Fe含量高，而且該鑄件的法蘭比較厚大，因此凝固時(shí)間較慢，法蘭在凝固過(guò)程中，形成AlSiMnFe 化合物，向鑄件下部沉淀，凝固后形成硬質(zhì)點(diǎn)，加工之后，在鑄件的法蘭上出現(xiàn)黑點(diǎn)缺陷。

表1 分析結(jié)果

2.4 解決措施與生產(chǎn)驗(yàn)證

由于黑點(diǎn)是鋁液長(zhǎng)時(shí)間存放或者鑄件在型腔中凝固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致Fe、Mn 元素形成化合物所致，因此制定改進(jìn)措施如下：減少熔化時(shí)長(zhǎng)與放置時(shí)間；降低模具溫度，加快鑄件的冷卻速度；使用陶瓷升液管代替鐵質(zhì)升液管。

公司經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)后，該鑄件的黑點(diǎn)缺陷已經(jīng)徹底清除，目前公司已經(jīng)供貨1000 余件，無(wú)黑點(diǎn)缺陷。圖4 為該鑄件的機(jī)加工成品圖。

圖4 機(jī)加工后成品圖片

3 結(jié)論

該鑄件法蘭位置比較厚大，凝固較慢，因此Fe 與Mn 元素有足夠的時(shí)間析出并形成AlSiMnFe 化合物，加工后在鑄件端面出現(xiàn)。解決該問(wèn)題的途徑即控制Fe 含量，減少鋁液放置時(shí)間，加快鑄件凝固速度，防止Fe、Mn 元素形成AlSiMnFe化合物析出，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證該方案可以完全解決鑄件端面的黑色硬質(zhì)點(diǎn)的問(wèn)題。