鋁合金鑄件黑色硬質點的研究

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）精密設備有限公司，遼寧營口 115009；2.沈陽工程學院，遼寧沈陽 110136；3.航空工業沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧沈陽 110034）

1 鑄件介紹

SF6 封閉式組合電器（GIS）是具有國際領先技術的輸變電系列產品之一，其關鍵部件之一是罐體。罐體在工作的時候內部充滿SF6 氣體，因此不僅對罐壁要求無縮松缺陷，而且對罐體法蘭的密封面要求無任何缺陷[1]。但是我公司在生產國內某知名高壓電器廠商126kV 產品上使用的罐體鑄件法蘭面出現黑色硬質點，黑色硬質點不僅影響罐體的氣密性能，還會損壞加工刀具，降低加工效率。因此本文就該罐體產生的黑色硬質點現象進行研究討論。該鑄件使用的材質是ZL104，尺寸如圖1 所示。

1.1 生產過程中出現黑色硬質點問題

該鑄件使用鐵模砂芯低壓鑄造方法生產，對氣密性要求比較高，因此密封面不允許有任何缺陷。但是在機加工過程中，法蘭密封面出現黑色硬質點情況（以下簡稱黑點），如圖2 所示（黑色圈內的即黑點）。黑點位置加工后與法蘭基體平齊，無凹坑。

圖1 鑄件的尺寸

圖2 加工后法蘭端面的黑點

1.2 黑點的形態

圖3 樣品電鏡分析結果

該鑄件的黑點位置比較固定，都在模具底模的法蘭端面上，其他法蘭并沒有黑點缺陷。因此將該鑄件法蘭有黑點位置制作樣塊，發現該鑄件的端面位置黑點較重，而由端面向內的黑點缺陷反而減輕。該黑點直徑大概在2～3mm 左右，呈暗黑色，硬度較大，機加工比較困難，對刀具的磨損較厲害，加工效率低，影響鑄件的氣密性能。由于黑點問題造成公司的交貨壓力巨大，因此去除黑點缺陷迫在眉睫。

2 黑點成分以及形成原因分析

2.1 硬質點的種類

關于鋁合金鑄件的加工面出現黑點缺陷問題，以前也有許多專家做過分析和研究。有的研究結果認為，硬質點主要是非金屬夾雜物，其中大多數為氧化物，包括γ-AI2O3、剛玉（α-Al2O3）和MgAI2O4復合氧化物；也有人認為，硬質點主要由含Fe 金屬雜質相所構成[2]。

2.2 樣品電鏡分析結果

將黑點位置加工成樣品A 與B，經過電鏡分析，確定黑點成分為AlSiMnFe 化合物，如圖3 所示。表1 為兩個樣品分析結果。

2.3 黑點形成原因分析

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 雜質含量、Mn 量較多，鋁液溫度偏低、停放時間較長，這種偏析傾向更為強烈，使AlSiMnFe 化合物在鋁液底部析出、長大，形成硬質點[3]。該鑄件的材質為ZL104，鋁液中本身含有Mn 元素，在生產該鑄件時，使用了鐵質升液管，導致鋁液中Fe含量高，而且該鑄件的法蘭比較厚大，因此凝固時間較慢，法蘭在凝固過程中，形成AlSiMnFe 化合物，向鑄件下部沉淀，凝固后形成硬質點，加工之后，在鑄件的法蘭上出現黑點缺陷。

表1 分析結果

2.4 解決措施與生產驗證

由于黑點是鋁液長時間存放或者鑄件在型腔中凝固時間過長導致Fe、Mn 元素形成化合物所致，因此制定改進措施如下：減少熔化時長與放置時間；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升液管。

公司經過工藝改進后，該鑄件的黑點缺陷已經徹底清除，目前公司已經供貨1000 余件，無黑點缺陷。圖4 為該鑄件的機加工成品圖。

圖4 機加工后成品圖片

3 結論

該鑄件法蘭位置比較厚大，凝固較慢，因此Fe 與Mn 元素有足夠的時間析出并形成AlSiMnFe 化合物，加工后在鑄件端面出現。解決該問題的途徑即控制Fe 含量，減少鋁液放置時間，加快鑄件凝固速度，防止Fe、Mn 元素形成AlSiMnFe化合物析出，經過實踐驗證該方案可以完全解決鑄件端面的黑色硬質點的問題。