平成17年度素形材技術研討會

旨在制造更高品質的鋳造品

ー最新的鋳造品評価技術

調查鋳造品缺陷的原因

「從試片的制作到缺陷的分析

株式會社ツチヨシ産業黒川豊AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress平成17年度素形材技術研討會

旨在制造更高品質的鋳造品

ー最1．前言2．SEM?EDSの概説3．SEM?EDSの試料制作4．鋳造缺陷解析????以氣孔缺陷為例，如若有時間的話，就其他缺陷作一說明

本章節所敘述的是發生在鑄鐵件上的氣孔缺陷、夾雜物缺陷、粘砂缺陷等的鋳造缺陷，采用表面分析儀器將缺陷部位由數百倍放大到數千倍，通過調查微小部位的形狀和成分，可以了解其原因的闡述1～4)。在這些分析中，主要采用的是帶有能量分散型X線分析裝置的電子掃描顕微鏡(SEM?EDS)。在本稿中就有關采用的SEM?EDS鋳造缺陷分析及其試料的制作到缺陷的解析作了說明。再者，就有關SEM?EDSの操作方法，請參考廠家提供的手冊?AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress1．前言2．SEM?EDSの概説本章節所敘述的是發2.SEM?EDSの概要（SEM）AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress2.SEM?EDSの概要（SEM）AFSAmericanF2.SEM?EDSの概要（EDS）AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress2.SEM?EDSの概要（EDS）AFSAmericanF3.SEM?EDS的試料制作采用的分析試料???要有代表性的?最少3處以上?不能有銹?不能有涂料等的附著物?試料切斷???不能損傷試料，要易于分析?特性X線要可以檢測出來?試料的清洗???去掉切斷時的臟東西?清洗后要十分干燥?可以抽真空?試料真空鍍敷(離子涂覆)???真空鍍敷時根據需要進行?分析???先用低倍率看整體，之后，再提高倍率?AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress3.SEM?EDS的試料制作采用的分析試料???要有代表性①分析試料采集-1在夾砂集中的部位和渣化處?分析的地方，由于缺陷內部不一樣，所以列舉了N數?AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress①分析試料采集-1在夾砂集中的部位和渣化處?AFSAmeri①分析試料采集-2試料1:左沒有石墨膜、右有試料2:沒有石墨膜試料3：有石墨膜分析的部位，有時缺陷內部不一樣?→列舉N數?AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress①分析試料采集-2試料1:左沒有石墨膜、右有分析的部位，③試料清洗

刀片的成分試料2:將試料切斷時的臟東西(刀片)通過清洗去掉試料1:清洗時去掉試料上的銹?毛刺?用鑷子等去掉毛刺

AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress③試料清洗刀片的成分試料2:將試料切斷時的臟④試料真空鍍敷(離子涂覆)通過離子真空鍍敷檢測Pt和Pd。Pt的最大量是與Zn的重疊，在沒有真空鍍敷的狀態下分析。通過提高電流，不能看到清晰的SEM圖像時，拍攝EDS分析后真空鍍敷的SEM圖像。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress④試料真空鍍敷(離子涂覆)通過離子真空鍍敷檢測Pt和⑤分析-1檢測器的方向不可分析部分（由于試料是凹的檢測器呈陰影不能分析。分析可能部分分析順序①確認缺陷的全部。②確定缺陷內部分析的部位。注意不要使檢測器出現陰影。③分析。④拍攝分析部位的SEM圖像⑤分析其他的分析部分。⑥拍攝整體圖像AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress⑤分析-1檢測器的方向不可分析部分（由于試料是凹的檢測器呈陰⑤分析-2由于試料的觀察方向的不同，形狀有時也會不一樣?最初先觀察試料的整體，再依次擴大?AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress⑤分析-2由于試料的觀察方向的不同，形狀有時也會不一樣?AF4．1針孔缺陷

根據表面分析將針孔缺陷分類（A）物理型Physicaltype

（B）氧化反應型Oxidationreactiontype（B-1）凝固覆膜氧化型（B-2）殘液氧化濃縮型（C）熔解型Dissolutiontype（D）熔渣生成型Slagformationtype（D-1）錳硅酸鹽系列的熔渣（D-2）接種剤?球化剤系列熔渣（D-3）硫化物系熔渣（D-4）夾砂系列及夾雜異物系列熔渣（E）其他

Others

AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress4．1針孔缺陷根據表面分析將針孔缺陷分類（A）物理型Ph針孔缺陷分類的要點缺陷形狀(樹枝狀晶體形態)：由于液相或固態液態共存區域，導致氣泡的形狀不一樣，所以可以推測出氣泡發生的時間。缺陷發生位置：根據和澆注的位置、方案的位置、凝固覆膜上、凝固覆膜正下方、凝固関係、砂芯面附近等缺陷生成可了解到宏觀信息。石墨膜：由于主要在氣泡里結晶的是石墨、根據石墨的有無或石墨的量，可以推斷出氣泡的氣體和氣泡生成時間。在石墨膜上有成為氣泡核的物質存在?石墨膜也有剝落的?核：根據形成氣泡核的物質、硫化錳、微細熔渣、氧化物等，并依據其種類和量可以推測出核的生成原因。微量元素的檢測：Al(與水蒸気的脫氧反應)、Ti(表面張力低下)、Zn(氣化)、Cu(晶粒邊界偏析元素)、其他。氧化：根據EDS分析中的氧氣檢測，判斷金屬氧化物的存在?缺陷是否是氧化反應型?試料生銹時不能判定?另外，如果熔渣多的話，在熔渣中就含有氧氣?提高電流：在SEM分析中，非導電性物質2次電子的反射是無規則的，沒有圖像，變成白色光澤狀態的畫像信息?因此，提高電流時，圖像信息時，可以判斷缺陷內有非導電性物質?是作為缺陷內的非導電性物質的話熔渣、石英砂等非金屬夾雜物?非金屬夾雜物(熔渣)：通過成分分析，了解到其發生的原因。作為例子，熔渣中如果K多的話，石英砂熔渣化。Ca多的話，就是澆包熔渣和接種剤系列，根據Mn量，來判斷錳硅酸鹽熔渣的生成度等。再有，多數是石英砂?濾渣片?涂料等造成的?AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷分類的要點缺陷形狀(樹枝狀晶體形態)：由于液相或固態針孔缺陷的機理-1

（主要是亜共晶鋳鉄）

物理型針孔缺陷AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷的機理-1

（主要是亜共晶鋳鉄）

物理型針孔缺陷AF物理型針孔缺陷AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress物理型針孔缺陷AFSAmericanFoundrySoc針孔缺陷機理-2

（主要是亜共晶鋳鉄）

氧化反應型的針孔缺陷(B-1)Solidificationfilmoxidationtype(B-2)ResidualliquidoxidationandcondensationtypeAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷機理-2

（主要是亜共晶鋳鉄）

氧化反應型的針孔缺陷氧化反應型針孔缺陷AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress氧化反應型針孔缺陷AFSAmericanFoundryS針孔缺陷機理-3

（主要是亜共晶鋳鉄）

氧化反應型的針孔缺陷AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷機理-3

（主要是亜共晶鋳鉄）

氧化反應型的針孔缺陷溶解型針孔缺陷AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress溶解型針孔缺陷AFSAmericanFoundrySoc針孔缺陷的機理-4（主要是亜共晶鋳鉄）

熔渣生成型的針孔缺陷AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷的機理-4（主要是亜共晶鋳鉄）

熔渣生成型的針孔缺陷熔渣生成型的針孔缺陷AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress熔渣生成型的針孔缺陷AFSAmericanFoundry針孔缺陷-1物理型分析例子GraphiteNucleus是液相發生的，由于表面張力的原因変成球狀。氣泡生成后，石墨結晶。氣泡核存在在石墨膜上。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷-1物理型分析例子GraphiteNucleus針孔缺陷-2

氧化反應型:凝固膜氧化型的分析例子缺陷內部與非缺陷部的黒皮部位比較，O多。氧化物生成的自由能量低的元素偏析。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷-2

氧化反應型:凝固膜氧化型的分析例子缺針孔缺陷-3

氧化反應型:殘液氧化濃縮型的分析例子Dendrite

特征是在內部被檢測出O。通過樹枝狀晶體結晶后的殘液的FeO，檢測出O。檢測出氣體氣泡核（MnS）和使表面張力下降的Al，Ti。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷-3

氧化反應型:殘液氧化濃縮型的分析例子Dendr針孔缺陷-4

溶解型：H2O分析例在澆包干燥不十分時會発生。氣體氣泡的核（MnS）檢測出微量的ODendriteGraphiteAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷-4

溶解型：H2O分析例在澆包干燥不十分時針孔缺陷-5

熔解型：N2分析例冷芯盒做的砂芯面上龜裂狀的小氣孔（多數）O未檢測出氣體氣泡的核（MnS）GraphiteDendriteMnSAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷-5

熔解型：N2分析例冷芯盒做的砂芯面上龜裂針孔缺陷-6

熔渣生成型：錳硅酸鹽熔渣分析例從錳硅酸鹽系列熔渣發生氣體。氧化Slag

+

C→CO，CO2（g）ManganesesilicateslagAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷-6

熔渣生成型：錳硅酸鹽熔渣分析例從錳硅酸鹽系列熔針孔-7

熔渣生成型：接種剤熔渣的分析例InoculantBa．Ca檢測出接種剤成分（Ba，Ca）。熔渣化AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔-7

熔渣生成型：接種剤熔渣的分析例Inoculant檢針孔缺陷-8

熔渣生成型：球化剤熔渣分析例SpheroidizerMg，Ba．Ca檢測出球化剤成分（Mg，Ba，Ca）。熔渣化AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷-8

熔渣生成型：球化剤熔渣分析例Spheroidi針孔缺陷-9

熔渣生成型：硫化錳熔渣的分析例Manganesesulfideslag硫化錳的熔渣化AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress針孔缺陷-9

熔渣生成型：硫化錳熔渣的分析例Manganes4．2大氣孔缺陷卷入鋳型的氣體砂芯，砂型，塗型，鑄型表面穩定剤，粘接剤等空氣卷入亂流，入水口，冷隔，鐵豆從浮渣、熔渣里發生的氣體球化剤，接種剤，錳硅酸鹽系列熔渣，夾砂等小氣孔缺陷的成長物理型，氧化反應型，熔解型，熔渣生成型等AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress4．2大氣孔缺陷卷入鋳型的氣體砂芯，砂型，塗型，鑄型表面穩大氣孔的缺陷-1

由于殼模砂芯氣體引起的氣孔分析例Manganesesilicateslag殼模砂芯的氣體有條紋狀的錳硅酸鹽熔渣AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress大氣孔的缺陷-1

由于殼模砂芯氣體引起的氣孔分析例Manga大氣孔缺陷-2

由于堿性酚醛樹脂砂芯引起的氣孔分析例堿性酚醛樹脂砂芯氣體通過減低樹脂量來解決變更成低樹脂高強度的石英砂DendriteCatchofinclusionAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress大氣孔缺陷-2

由于堿性酚醛樹脂砂芯引起的氣孔分析例堿性酚醛大氣孔缺陷-3

由于空氣巻入引起的氣孔分析例Volumeexpansion由于入水口的鐵水亂流產生的氣泡，由于共晶凝固時鐵水體積膨脹，氣泡変形AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress大氣孔缺陷-3

由于空氣巻入引起的氣孔分析例Volumee大氣孔缺陷-4

由于Mg氣體引起氣孔的分析例

Mg（鐵水）↓

Mg（氣體）AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress大氣孔缺陷-4

由于Mg氣體引起氣孔的分析例Mg（鐵水）A大氣孔缺陷-5

由于乙炔氣體引起氣孔的分析例MgC2+H2O→C2H2分析氣泡內部氣體，檢測出乙炔氣體GraphiteAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress大氣孔缺陷-5

由于乙炔氣體引起氣孔的分析例MgC2+H2O4．3夾雜物缺陷①夾砂②夾砂和夾渣③夾渣④夾雜其他異物接種剤，鐵豆，除渣劑，濾渣片，涂料等AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress4．3夾雜物缺陷①夾砂AFSAmericanFoundr發生夾雜物（夾砂缺陷）的機理AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress發生夾雜物（夾砂缺陷）的機理AFSAmericanFoun由于型砂?熔渣鐵水造成的変化SilicasandManganesesilicateslagAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress由于型砂?熔渣鐵水造成的変化SilicasandManga夾雜物

（異物夾雜）在鋳型型腔內，放置澆包熔渣、除渣劑、接種剤２種，人為地制造夾雜異物的缺陷。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress夾雜物

（異物夾雜）在鋳型型腔內，放置澆包熔渣、除渣劑、接種夾雜物缺陷的分析例子-1（型砂）聚集起來的型砂。在石英砂表面檢測出粘土礦物。渣化后發生氣體。GreensandClayorslagAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress夾雜物缺陷的分析例子-1（型砂）聚集起來的型砂。Green夾雜物缺陷的分析例子-2（芯砂）一般的來說由于芯砂沒粘有耐火度低的粘土礦物質，所以不聚集。平滑的石英砂表面。CoresandAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress夾雜物缺陷的分析例子-2（芯砂）一般的來說由于芯砂沒粘有耐火夾雜物缺陷分析例-3（夾砂和氣體）聚集的型砂。檢測出硅砂表面有粘土礦物質。渣化后發生氣體。氣體缺陷GreensandPinholeAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress夾雜物缺陷分析例-3（夾砂和氣體）聚集的型砂。Greens夾雜物缺陷分析例-4（夾砂和渣滓）Dross，SlagSilica

sand在夾砂缺陷生成後、石英砂和Mg反應、就變成附有渣滓的夾砂的缺陷。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress夾雜物缺陷分析例-4（夾砂和渣滓）Dross，SlagS夾雜物缺陷分析例-5（澆包熔渣）檢測出接種剤成分AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress夾雜物缺陷分析例-5（澆包熔渣）檢測出接種剤成分AFSAme夾雜物缺陷分析例-6（球化剤）檢測出球化剤成分AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress夾雜物缺陷分析例-6（球化剤）檢測出球化剤成分AFSAmer夾雜物缺陷分析例-7（陶瓷濾渣片）Al成分多破面多孔耐火度高AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress夾雜物缺陷分析例-7（陶瓷濾渣片）Al成分多AFSAmeri夾雜物缺陷分析例-8（鐵豆）ColdshotSlag由于鐵豆表面氧化，熔渣在周囲生成。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress夾雜物缺陷分析例-8（鐵豆）ColdshotSlag4．4粘砂缺陷A）物理的粘砂的要因

鐵水靜圧

鐵水動圧共晶凝固時鐵水體積膨脹

鋳型間隙

鋳型背圧

汽態浸透等B）化學性粘砂的要因

鐵水和鋳型浸濕

低融點物質的生成（鐵橄欖石等）C）物理?化學性的粘砂要因

中間?複合型AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress4．4粘砂缺陷A）物理的粘砂的要因B）化學性粘砂的要因C）粘砂缺陷發生的機理D.M.Stefanescu,S.R.Giese,T.S.Piwonka,A.M.Lane:AFSTrans.104(1996)1233AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress粘砂缺陷發生的機理D.M.Stefanescu,S.R.Gi粘砂缺陷發生的機理-2AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress粘砂缺陷發生的機理-2AFSAmericanFoundry鐵水和鋳型的浸濕性（接觸角θ）的要因AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress鐵水和鋳型的浸濕性（接觸角θ）的要因AFSAmerican澆注試驗（石英砂×燒結層）石英砂的SiO299.7%，燒結層量0%及92.8%，燒結層12.4%的潮模砂，EPMA呈地圖狀的鑄件表面Fe和Si的界線清晰，反應沒有發展．可是，在SEM像里SiO292.8%，燒結層12.4%，石英砂內由于看到了氣泡，所以石英砂在熔融化．石英砂的SiO2是92.8%，燒結層量17.7%的潮模砂里，EPMA呈地圖狀的鑄件表面上Fe和Si的界線不清晰，這些反應就是鐵橄欖石化或者熔體化．AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress澆注試驗（石英砂×燒結層）石英砂的SiO299.7%，燒結層粘砂缺陷的判定概念物理性的粘砂缺陷化學性的粘砂缺陷中間性的粘砂缺陷AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress粘砂缺陷的判定概念物理性的粘砂缺陷化學性的粘砂缺陷中間性的A粘砂缺陷分析例－1（物理性的）石英砂是非熔融石英砂與金屬的表面不重疊AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress粘砂缺陷分析例－1（物理性的）石英砂是非熔融石英砂與金屬的表粘砂缺陷分析例－2（中間）在石英硅砂表面生成低融點物質。石英砂一部分熔融。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress粘砂缺陷分析例－2（中間）在石英硅砂表面生成低融點物質。AF粘砂缺陷分析例－3（中間）粘砂部和鑄件部的界面看到有熔融石英砂。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress粘砂缺陷分析例－3（中間）粘砂部和鑄件部的界面看到有熔融石英粘砂缺陷分析例－4（化學性的）Fe-Mn-Si-O的分布呈重疊狀，石英砂表面有低融點物質生成。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress粘砂缺陷分析例－4（化學性的）Fe-Mn-Si-O的分布呈重4．5包砂缺陷由于鋳型出現裂紋、共晶凝固時鐵水的體積膨脹、呈飛邊狀鐵水鉆進鋳型。鋳型的原因①膨脹量大②高溫強度低③充填性高④造型時裂了⑤由于鋳型的熱量產生的保溫效果AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress4．5包砂缺陷由于鋳型出現裂紋、共晶凝固時鐵水的體積膨脹、共晶凝固時鐵水體積増加

外面張力缺陷

包砂缺陷－1

粘砂缺陷AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress共晶凝固時鐵水體積増加

外面張力缺陷

包砂缺陷－1

粘砂缺包砂缺陷－2（低融點物質）Lowmeltingmaterial低融點物質生成、從這里發生包砂VeiningAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress包砂缺陷－2（低融點物質）Lowmelting低融點物質生4．6

裂紋缺陷熱龜裂①在固相線附近的凝固収縮②由于硫黃的滲硫造成脆化冷龜裂①打痕和沖擊②由于拆箱早造成収縮AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress4．6裂紋缺陷熱龜裂冷龜裂AFSAmericanFoun裂紋缺陷-1

熱龜裂和冷龜裂Dendrite冷龜裂和熱龜裂的對比AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress裂紋缺陷-1

熱龜裂和冷龜裂Dendrite冷龜裂和熱龜裂裂紋缺陷-2

由于異常元素的偏析造成裂紋由于Cr，Cu，Al等的偏析導致裂紋缺陷AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress裂紋缺陷-2

由于異常元素的偏析造成裂紋由于Cr，Cu，Al裂紋缺陷-3

由于阻礙球化導致出現裂紋（線狀）SpheroidalgraphiteFlakegraphite由于阻礙球化導致裂紋發生AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress裂紋缺陷-3

由于阻礙球化導致出現裂紋（線狀）Spheroi

4．7縮孔缺陷發生原因由于在凝固収縮時鐵水補充不上，而發生鋳型的要因①由于鋳型壁的移動，型腔變大②由于鋳型的保溫，凝固速度慢③氣體縮孔缺陷外縮孔，內縮孔，內角縮孔，砂芯表面的縮孔，微觀縮松AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress4．7縮孔缺陷發生原因鋳型的要因外縮孔，內縮孔，內角縮孔，縮孔缺陷-1

因封閉系統引起的分析例子Dendrite肉厚中心部、縮松狀、組織疏松狀石墨幾乎看不到。檢測出晶界偏析元素。AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress縮孔缺陷-1

因封閉系統引起的分析例子Dendrite肉厚縮孔缺陷-2

由于封閉系統+砂芯氣體起因的分析例肉厚中心部、縮松狀、氣泡狀有石墨膜、縮孔和氣體缺陷的相互作用GraphiteDendritehexagonalAFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress縮孔缺陷-2

由于封閉系統+砂芯氣體起因的分析例肉厚中心部、縮孔缺陷-3

由于砂芯氣體+封閉系統起因的分析例Dendrite外縮孔氧化AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress縮孔缺陷-3

由于砂芯氣體+封閉系統起因的分析例Dendri縮孔缺陷

分析例-4

異常元素偏析等

在封閉系統里的不同的凝固収縮率AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress縮孔缺陷

分析例-4

異常元素偏析等

在封閉系統里的不同4．8冷隔?重皮缺陷発生原因澆注溫度低下鐵水的動圧不足鋳型的原因①鋳型的通氣度不好（氣體被憋?。阡娦偷臒醾鲗愿?、鐵水被急冷③先進去的鐵水氧化④由于鋳型和鐵水的反應形成浸濕性AFSAmericanFoundrySociety.108thCastingCongress4．8冷隔?重皮缺陷発生原因鋳型的原因AFSAmerica冷隔?重皮缺陷-1ManganesesilicateslagSilicasand重皮缺陷在重皮部有熔渣、石英砂。澆注時卷到鐵水的前端部進入型腔。AFSAmericanFo