大型精密鑄造結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)過程中，在熒光檢查工序，鑄件表面時常出現(xiàn)細(xì)密 的點(diǎn)狀顯示(圖 1 )， 該熒光顯示缺陷僅出現(xiàn)在鑄件的表面。顯示較輕的部位采用打 磨機(jī)即可去除，對于熒光顯示較大的部位，需要磨掉一定深度才能去除。該缺陷的 存在影響到大型結(jié)構(gòu)件的表面質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量[1-6] 。本文對大型精鑄件表面缺陷部位 進(jìn)行光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析，對型殼及鑄件表面采用便攜式X射線熒光光譜進(jìn)行 面層成分分析，以期為大型精鑄件表面缺陷的檢查和預(yù)防提供依據(jù)。
1 試驗(yàn)方法
為查找該鑄件表面缺陷產(chǎn)生的原因，對缺陷部位進(jìn)行了解剖，采用砂輪切割機(jī) 和線切割機(jī)進(jìn)行缺陷部位的取樣，之后對缺陷部位采用金相顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行 微觀組織觀察，并采用能譜進(jìn)行成分分析。澆注前后對型殼表面和鑄件表面采用手 持式光譜儀進(jìn)行成分分析。所用的檢測設(shè)備為： SUPRA55場發(fā)射電子掃描顯微鏡、 VHX-600超景深三維顯微鏡型號、 X-MET8000手持式X射線熒光光譜儀型號。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 光學(xué)顯微鏡分析
圖2為采用光學(xué)顯微鏡觀察的熒光點(diǎn)狀顯示部位照片，鑄件的基體部分為灰色， 圖中標(biāo)示的灰色部分為熒光檢查時標(biāo)記筆的顏色，橢圓圈位置為鑄件表面的夾雜物位置，夾雜部位顯示為黑色，夾雜形狀不規(guī)則，明顯 區(qū)別于鑄件基體顏色，為外來的夾雜物或表面反應(yīng)產(chǎn) 物，圖2a-c中的夾雜已經(jīng)部分脫落，在鑄件表面留下一 個孔洞；圖2d的夾雜物包裹在鑄件表面，已經(jīng)和鑄件 融為一體。
2.2 掃描電鏡及能譜分析
2.2.1 基體成分
本試驗(yàn)采用的K4169合金的化學(xué)成分如表1所示。 對澆注后的鑄件表面基體部分進(jìn)行能譜分析(圖3)， 將圖3方框區(qū)域的成分列入表2 ，從表 2可以看出， Al 含量達(dá)到5. 07% ，Si含量達(dá)到2. 57% ，均高于合金中 相應(yīng)成分。說明鑄造表面澆注后存在鋁、硅的氧化 物殘留，鑄造面的Ti含量( 1 . 74% )略高于合金成分 ( 0. 73% )， Nb、Fe、Cr、Ni 、Mo略低于合金成分。 能譜檢測的鑄件表面沒有出現(xiàn)型殼面層的Zr、Co元素 含量，說明經(jīng)吹砂處理和熒光清洗等工序，氧化鋯、 氧化鈷已經(jīng)被去除了，也可說明型殼面層材料中的氧 化鋯和氧化鈷不會造成鑄件表面的夾雜。
2.2.2 點(diǎn)狀顯示部位的掃描電鏡分析
采用掃描電鏡檢測了6件熒光點(diǎn)狀顯示試樣，除基體外對存在的9個點(diǎn)狀顯示缺陷進(jìn)行了能譜分析，其中 3個缺陷點(diǎn)為SiO2夾雜， 6個缺陷點(diǎn)為Al2O3夾雜， Al2O3 夾雜占2/3。圖4列出了兩種夾雜物的微觀形貌，可以看 出，夾雜物形貌為不同于基體的白色塊狀夾雜物，夾 雜物有的呈現(xiàn)顆粒狀，與周邊基體界限明顯，有的呈 團(tuán)狀與基體材料界限不明顯，圖4a為兩小塊SiO2夾雜， 尺寸相對較小，約30 μm ，圖4b-f的Al2O3夾雜物尺寸相 對較大，達(dá)到50~ 60 μm 。
圖5為一塊Al2O3夾雜的照片及能譜分析圖，表3 列出了該缺陷的能譜成分，該區(qū)域包括的元素有O 、 Al 、Fe 、Cr和少量Ni 。Al2O3中Al 、O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為9 ∶ 8，鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.94% 。Al2O3質(zhì)量占該區(qū) 域84%。氧化鋁消耗的氧為39.70% ，而該區(qū)域氧含量為 52.27% ，說明還存在少量Fe和Cr的氧化物。
圖6為大小兩塊氧化鋁夾雜物，成分見表3。圖6a 的白色氧化鋁夾雜尺寸較大，達(dá)到約80 μm ，該缺陷 部位顏色明顯不同于基體的灰色，夾雜物的周邊與鑄 件本體之間的邊界不清晰，可能是鑄件表面反應(yīng)的產(chǎn) 物。經(jīng)計算，該部位能譜顯示的Al2O3含量為83%；圖 6b的氧化鋁夾雜約50 μm ，Al2O3含量為81%。從成分 看，除O 、Al外， Si 、Cr、Fe、Ni等元素含量也不高， 說明該部位基本由Al2O3組成。
圖7為鑄件表面的氧化硅夾雜，表4列出了該夾雜 物的成分，鑄件表面的SiO2夾雜尺寸均較小，SiO2中硅 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.7% 。該區(qū)域SiO2 占比為69.53%， SiO 2消耗氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 37. 1 1% ，剩余 O 含量為 2.39% ，說明該區(qū)域仍有少量其他氧化物。由于該夾雜 物較小，區(qū)域成分中還檢測到了Al 、Ti 、Cr、Fe、Ni 、 Nb、Mo的成分，其中Al 、Ti略高于鑄件本體，其他元素均低于鑄件本體。
2.3 型殼面層成分分析
對澆注前后的型殼表面和澆注后的鑄件表面，采 用手持式X射線熒光光譜儀分析了化學(xué)成分的變化(該 儀器不能測量O 、C含量)，表5列出了成分分析結(jié)果。
從表5和圖8可以看出，與澆注用K4169合金接觸的型殼面層成分主要為ZrO2 、SiO2 、CoO和Al2O3 ，其中 含量最多的是ZrO2 占58.86% ，其次是SiO2 占28. 70%， Al的氧化物占5. 09% ，但為主要產(chǎn)生夾雜的元素。型 殼澆注后， 型殼表面的ZrO2 、SiO2有所降低，Al2O3 、 Cr2O3 、Co含量有所升高。由澆注后的鑄件鑄造面成分 分析可以看出， Al 、Si含量升高明顯， Ti含量略有增 加， Zr、Co含量不到1% ，Cr、Nb含量不變， Fe、Ni含 量略有降低。說明部分型殼中的ZrO2和SiO2粘接在了鑄 件表面，型殼和鑄件表面的Al2O3含量升高，說明合金 中的部分鋁元素參與了型殼反應(yīng)。
2.4 討論
從掃描電鏡及能譜分析結(jié)果看出，鑄件表面的熒 光點(diǎn)狀顯示主要為氧化鋁夾雜，夾雜物尺寸較大，在 50 ~ 80 μm ，另外有少量的氧化硅夾雜，尺寸相對較 小，為30 μm 。夾雜物形貌顯示氧化鋁和氧化硅夾雜 是孤立存在的夾雜點(diǎn)。在氧化物中存在Fe 、Cr元素， 說明合金中的Fe 、Cr元素參與到了鑄件的表面型殼反應(yīng)。
根據(jù)鑄件表面的X射線熒光光譜和掃描電鏡成分分析， Zr在鑄件表面殘留量很低， Hf在鑄件表面沒有殘 留，說明型殼面層的ZrO2和HfO2比較穩(wěn)定，沒有參與 到型殼反應(yīng)，在后續(xù)的吹砂等工序中被完全去除。合 金中的Al元素參與了型殼表面的反應(yīng)，導(dǎo)致澆注后的 型殼表面和鑄件表面Al含量都有所增高，型殼表面殘 留有3.63%的Cr元素，也說明合金中的Cr元素參與了型殼反應(yīng)。鑄件表面的SiO2和Al2O3夾雜物主要來源為型 殼面層材料、坩堝材料和合金中的夾雜物。該大型結(jié) 構(gòu)件采用K4169合金進(jìn)行真空澆注，熔煉合金用坩堝為 純氧化鋁材質(zhì)。在合金精煉過程中，鋼液表面沒有浮 渣，并且坩堝表面帶入的氧化鋁夾雜物為大塊狀的夾 雜物，而該夾雜物為0.05mm左右分散均勻的小顆粒， 為此熔煉用坩堝不會導(dǎo)致該細(xì)小的夾雜缺陷。鑄件澆 注用K4169合金中的Si含量很少( 0.05% )， Al元素為 合金化元素在真空條件下不會發(fā)生大量氧化。為此合 金中的Al 、Si元素不會導(dǎo)致該點(diǎn)狀夾雜缺陷。排除了熔 煉過程中帶入夾雜，判斷該缺陷部位的Al 、Si元素為型 殼面層材料帶入。
型殼面層制作方法為：硅溶膠+鋯英粉并撒鋯英 砂，型殼面層添加鋁酸鈷進(jìn)行表面孕育。具體為粘結(jié) 劑：硅溶膠， 面層粉料： 鋯英粉+鋁酸鈷粉， 粒度為 280 ~ 320目，撒砂材料： 80 ~ 200號鋯英砂。鋁酸鈷成 分為Co2O3+Al2O3 ，采用三氧化二鈷加剛玉粉按比例配 制，經(jīng)球磨后進(jìn)行高溫焙燒得到鋁酸鈷粉。鋯英粉成 分如表6所示，主要為硅酸鋯(ZrSiO4 )，其中SiO2 占 33.0%，ZrO2+HfO2 占66.24% 。
硅溶膠中二氧化硅的粒徑在7~ 20 nm，即0.007~ 0.02 μm ，由于粒徑遠(yuǎn)小于50 μm ，硅溶膠中的SiO2不會造成 該點(diǎn)狀夾雜。型殼面層含有的氧化物為： ZrO2 、SiO2 、 Al2O3和Co2O3 。表7列出了粒徑與目數(shù)的換算關(guān)系， 280 目換算成粒徑為51 μm ，320目為45 μm， 100目為150 μm 。鋯英粉和鋁酸鈷粉的粒度均在280~ 320目之間， 該鑄件中夾雜物尺寸在30~ 50 μm范圍內(nèi)，為此氧化鋁 和氧化硅夾雜與鋁酸鈷中的Al2O3和鋯英粉中的SiO2粒 徑相吻合。由于鑄件表面的點(diǎn)狀顯示主要是氧化鋁夾 雜，為此對該夾雜影響較大的主要是鋁酸鈷。
鋁酸鈷細(xì)化晶粒的原理是其在高溫下與鐵基、 鈷基或鎳基合金中的活性元素發(fā)生作用，還原出金屬 鈷。被還原出的金屬鈷結(jié)構(gòu)與高溫合金的基體非常相 近，即它們都是面心立方，晶格常數(shù)為3.5× 10- 10 m左 右。因此高溫合金基體相便在金屬鈷上結(jié)晶形成。由 于結(jié)晶核心增多，故鑄件表面晶粒度較為細(xì)小。
試驗(yàn)表明 [7] ，純的鐵、鈷、鎳金屬的鑄件表面不 會被鋁酸鈷所細(xì)化，只有在鐵、鈷、鎳基合金中含有 Cr、Al 、Ti 、C等活性元素時，鋁酸鈷才能使鑄件表面 晶粒細(xì)化，以Al為例，其反應(yīng)式為： CoAl2O4+ 2/3 Al → Co+4/3 Al2O3 。K4169合金中包括了Cr、Al 、Ti 、C 等活性元素，采用鋁酸鈷孕育的型殼在合金澆注過程 中會產(chǎn)生晶粒細(xì)化效果，該晶粒細(xì)化過程產(chǎn)生鈷原子 的同時，也出現(xiàn)氧化鋁，該氧化鋁脫離型殼表面進(jìn)入 到合金中就會造成鑄件表面的夾雜缺陷，從而在鑄件 表面產(chǎn)生點(diǎn)狀夾雜顯示。
2.5 改進(jìn)試驗(yàn)
開展了降低型殼的澆注溫度的試驗(yàn)工作， 以此降 低型殼中鋁酸鈷與合金中的Al 、Ti 、Cr、C等活潑元素 反應(yīng)。降低澆注溫度的同時，為避免型殼澆注后出現(xiàn) 冷隔等缺陷，將鑄件的預(yù)熱溫度進(jìn)行相應(yīng)提高。
圖9為兩件降低澆注溫度生產(chǎn)鑄件的熒光檢查照 片。從澆注后的熒光照片看，鑄件的點(diǎn)狀顯示缺陷明 顯降低，一次熒光整體較好。這說明降低澆注溫度有 利于降低鋼液與型殼面層的反應(yīng)，可以達(dá)到降低鑄件表面熒光點(diǎn)狀缺陷顯示的目的。
3 結(jié)論
( 1 )鑄件表面的熒光顯示缺陷為澆注過程中合金與型殼反應(yīng)的產(chǎn)物，主要產(chǎn)生的原因?yàn)樾蜌ぶ械匿X酸鈷在晶粒細(xì)化過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)生夾雜物 附著在鑄件表面，進(jìn)而出現(xiàn)熒光顯示的點(diǎn)狀缺陷。
( 2 )降低合金的澆注溫度并適當(dāng)提高型殼的預(yù)熱 溫度，可以降低鑄件的型殼反應(yīng)強(qiáng)度，從而達(dá)到降低 鑄件表面熒光缺陷顯示的目的。
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