摘要：本文介绍了某灰铸铁材质刹车盘制动刹面出现“孔洞类”缺陷，通过对缺陷进行金相和电镜分析，确定该缺陷为“N”气孔。分析该缺陷的产生原因并结合生产现状，通过改进生产工艺基本消除了该缺陷。
关键词：刹车盘、金相、电镜扫描、“N”气孔、氧化铁
前言：胺法冷芯具有铸件尺寸精度高、制芯效率高、能耗低、溃散性好等优点，铸造生产中大量使用，但冷芯盒生产的砂芯在铸造生产中也容易出现某些缺陷，如气孔、脉纹、光亮碳缺陷等。胜地公司为一专业生产刹车盘、鼓公司，年产铸件30-40万吨，几乎涵盖了所有车型的刹车盘、鼓。某型号为商用卡车用刹车盘，铸件重达50kg，因其特殊的产品结构在生产铸件时时刹面出现“孔洞”缺陷。
现场工艺：砂芯为0.2%氧化铁、1.3%树脂；造型为新东造型机；铁水材质为普通HT250材质、浇注温度1380-1450℃。铸件结构及铸造工艺如图1、图2所示。
1. 缺陷特征
肉眼观察，铸件靠近砂芯的刹面表面100%出现弥散分布的“孔洞”(见图3、4标注处)，初加工后仍有较大、较深“孔洞”（最大尺寸长约15mm、深约20mm），加工后刹面“孔洞”数量较加工前减少约50%；“孔洞”缺陷形状极不规则，类似“虫蛀”[1]，如图3、图4
通过放大镜观察“孔洞”内部无夹杂物，因此初步排除砂眼、渣眼等缺陷，可能为气孔。
2.缺陷分析
为确认该“孔洞”具体为何种缺陷，为后续的质量改进提供基础，对缺陷部位分别做金相显微分析和电镜扫描分析。
2.1金相显微分析
将缺陷部位沿断面切割并磨制、抛光，在金相显微镜下查看其微观组织，如图5、6
“孔洞”金相显微分析结果显示：“孔洞”呈不规则形状，周围石墨正常生长并呈A型，靠近“孔洞”周围石墨较少或部分区域无石墨。该缺陷符合“N”气孔的形成特征：
A：形成位置为靠近胺法冷芯形成的贴合面；
B:大多集中在铸件的上半型，成簇分布于靠近砂芯的铸件尖角部位，并沿一定深度延伸到铸件内部，深度可达5-20mm；
C:通常为裂隙状、形状不规则；也有团球状 。
D.靠近“N”气孔周围石墨为贫碳区、气孔周围无石墨或少量石墨[1][2]。
2.2扫描电镜分析
将缺陷取样放到蔡司Zeiss EVO MA10扫描电镜下观察，结果如图7、8、9，元素含量见表1
扫描结果显示：缺陷内部呈枝晶状且覆盖一层碳膜，能谱分析没有氧化物的存在、有大量C和Fe存在。该结果符合“N”气孔的形成特征：孔壁一般覆盖一层光亮碳膜且有枝晶生长，孔洞周围石墨比较短小，孔内存在石墨，且往往周围有石墨损耗[2]。
3.缺陷判定
通过对“孔洞”的特征及形成位置分析、放大镜下观察、金相显微下分析、电镜扫描分析后判定该缺陷符合“N”气孔形成的一系列特征，因此判定为铸件刹面处形成的弥散性分布的“孔洞”缺陷为“N”气孔。
4.对“N”气孔的产生原因进行鱼骨图分析，如图10：
5.根据鱼骨图分析，结合现场生产实际：同批生产的其他型号铸件无该缺陷，主要从提高砂型排气和砂芯的生产工艺方面改进。主要措施如下：
（1） 改进模板工艺、提高砂型排气
（2） 向砂芯中加入一定量的氧化铁、适当降低芯砂中树脂的加入量。
氧化铁具有降低树脂砂生产过程中产生的“N”气孔功能，具体原理如下：
氧化铁粉是用矿石或轧钢屑经粉碎加工而成的粉状材料。用赤铁矿或亚铁盐经氧化（湿法）或高温焙烧（干法）加工制得的氧化铁粉为红色，主要成分为Fe2O3；用轧钢屑加工而成的氧化铁粉为黑色，主要成分为Fe3O4，铸造常用的为氧化铁红。氧化铁粉一般用作小型铸钢件的型砂附加物，可提高型砂热导率，减少型砂孔隙，提高型砂高温塑性，防止铸件产生夹砂、粘砂、脉纹（树脂砂）等缺陷[3]。
氧化铁防止针孔、气孔
树脂砂生产的铸件最严重的缺陷是针孔和气孔。原因是聚异氰酸酯中含“N”，固化剂“三乙胺”中也含“N”，浇注时产生大量气体，主要为“N”和“H”混合物，铁液中以N、H原子形态存在，量多形成气孔或针孔。加入氧化铁，高温发生反应如下：
3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O Fe2O3+3C=2Fe+3CO
高温反应中消耗了H2，产生的CO在溢出铁液的过程中吸附了氮和氢原子[4][5]。
5.1模板工艺措施
因同时生产不同型号铸件，仅该铸件出现气孔，因此首先考虑工艺改进提高砂型排气，如图11、12
5.2砂芯工艺措施：由于氧化铁有较好的消除“N”气孔作用，因此将砂芯1中氧化铁加入量从0.2%提高至0.4-0.8%之间、在保证砂芯强度的条件下尽量降低树脂的加入量，树脂加入量由1.3%降低1.0%。
6.验证结果：经多次验证铸件刹面气孔基本消除，如表2
生产次数 | 投入数 | 成品数 | 合格率 | 缺陷 |
第1次 | 31 | 28 | 90.32% | 1件气孔、2件砂眼 |
第2次 | 127 | 113 | 88.97% | 6件砂眼、8件磕碰缺肉 |
第3次 | 99 | 95 | 95.96% | 4件砂眼 |
表2
7.总结
（1）经过金相和电镜扫描分析：刹车盘铸件靠近砂芯表面的“孔洞”为“N”气孔；
（2）通过工艺改进提高砂型排气、改进砂芯的工艺基本能够消除“N”气孔。
参考文献
[1] 陈国桢，肖柯泽、姜不居. 铸件缺陷和对策手册. 机械工业出版社. 1996: 114
[2] 中国机械工程学会铸造分会[M].张俊善，尹大伟译. 铸件缺陷及其对策.北京：机械工业出版社，2008
[3] 中国机械工程学会铸造分会.铸造手册第四卷∙造型材料[M].北京：机械工业出版社，2002
[4]曾辉、李华英.氧化铁在铸造生产中的应用[J]热加工工艺
[5]赵书城.氧化铁粉在铸造生产上的应用[J] 中国铸造装备与技术.2002/2
