摘要：用呋喃樹脂自硬砂型和粘土砂干型進(jìn)行了對比試驗(yàn)，研究呋喃樹脂自硬砂對厚大球鐵鑄件凝固速度、顯微組織、力學(xué)性能和產(chǎn)生鑄造缺陷傾向的影響，為論證采用呋喃樹脂自硬砂性取代粘土砂干型生產(chǎn)厚大球墨鑄鐵鑄件的可行性提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：呋喃樹脂自硬砂、球墨鑄鐵、厚大鑄件
1．前言
呋喃樹脂自硬砂型與粘土砂干型相比，不需烘干，耗能少，鑄件尺寸精度高，表面質(zhì)量好，因此已逐漸取代粘土砂干型，廣泛地用于制作厚大鑄件。但據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道和調(diào)研，采用這種樹脂砂生產(chǎn)球鐵件(特別是厚大球鐵件)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些特殊的質(zhì)量問題。國外如F·Martin和S·LKarsay用8英寸(約200mm)立方體試塊做試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用呋喃樹脂砂型鑄造時(shí)，試塊其余部位(包括頂面、側(cè)面的上部以及心部)均球化良好，底面和各側(cè)面的下部發(fā)生局部球化不良。奧地利鑄造研究所W·Bauer的研究認(rèn)為，由于呋喃樹脂砂采用對鉀苯磺酸(PTSS)作硬化劑，給砂型帶進(jìn)了較多的硫，后者滲入球鐵鑄件表層，并與表層的球化劑Mg化合成MgS使Mg失去球化作用而引起局部球化不良。
國內(nèi)在作者所調(diào)研的工廠中也有幾家工廠發(fā)現(xiàn)一些質(zhì)量問題，其中某廠最初采用這種砂生產(chǎn)球鐵件時(shí)，曾發(fā)現(xiàn)鑄件表層有局部球化不良，最嚴(yán)重處深度達(dá)12mm，并且發(fā)現(xiàn)鑄型在澆注后翻轉(zhuǎn)90°豎直冷卻時(shí)會(huì)引起鑄件外形漲大而導(dǎo)致內(nèi)部縮松；另一家工廠用這種砂生產(chǎn)某種球鐵件也采用平澆豎冷，發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱處理后的抗拉強(qiáng)度比用粘土砂干型生產(chǎn)的同一種鑄件普遍低100-160MPa；還有一家工廠用這種砂生產(chǎn)球鐵件時(shí)曾試驗(yàn)水平澆注，傾斜45°冷卻，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)鑄件下段嚴(yán)重漲大和內(nèi)部縮松。為較系統(tǒng)地查明呋喃樹脂自硬砂對球鐵鑄件的質(zhì)量的影響，為使用這種型砂取代粘土砂干型生產(chǎn)球鐵件，特別是厚大球鐵件的可行性提供依據(jù)，特進(jìn)行本試驗(yàn)。 www.cnfnc.com 中國數(shù)控之家
2．試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容：
① 測量用呋喃樹脂自硬砂性澆注和用粘土砂干型澆注的球鐵件的凝固時(shí)間差別，并查明這種差別是否會(huì)引起鑄件(特別是厚大件)球化不良；
② 觀察呋喃樹脂自硬砂對球鐵件表層球化情況和鑄造缺陷傾向的影響。
③ 查明呋喃樹脂自硬砂對球鐵力學(xué)性能有否影響。
3．試驗(yàn)條件及方法
(1)熔化及球化、孕育處理：采用100KW中頻感應(yīng)爐化鐵，爐料為90%本溪生鐵(含硅量為1.3%)+10%廢鋼。原鐵液成分及球鐵終成分參照實(shí)際生產(chǎn)球鐵件，分析結(jié)果示于表1；球化劑成分為：10.5%Mg，1.2%RE，33%Si，35%Cu，加入量為1.5%，采用沖入法處理，鐵液出爐(處理)溫度為1450℃，孕育劑為75硅鐵。
表1．原鐵液化學(xué)成分及球鐵最終成分
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成分
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C
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Si
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Mn
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P
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S
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RE
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Mg
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Cu
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原鐵液
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3.78
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1.21
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0.42
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0.050
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0.028
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----
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----
|
----
|
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終成分
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--
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2.31
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0.44
|
0.052
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0.020
|
0.020
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0.056
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0.51
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(2)試塊尺寸共有四種：50mm×50mm×50mm(模數(shù)M=0.83cm), 75mm×75mm×75mm(模數(shù)M=1.25cm), 100mm×100mm×100mm(模數(shù)M=1.66cm), 200mm×200mm×200mm(模數(shù)M=3.33cm)。每種試塊均同時(shí)制作呋喃樹脂自硬砂型和粘土砂干型兩種鑄型，并用同包鐵液澆注。
(3)型砂及造型
粘土砂配料成分為：20%新砂，80%回用砂，1.5%陶土，2.5%白泥。呋喃樹脂自硬砂用100%回用砂配制，呋喃樹脂加入量為1.5%，硬化劑對甲苯磺酸的加入量為樹脂量的100%(沒有加入新砂以及故意加大樹脂和硬化劑加入量的目的是故意提高砂型的含硫量，以便呋喃樹脂自硬砂對球鐵質(zhì)量的影響更明顯)，這種砂型的實(shí)測含硫量為0. 50%。
造型均為手工造型，粘土砂型在澆注前經(jīng)過烘干，呋喃樹脂自硬砂型自行硬化，不烘干。兩種鑄型均不刷涂料，使鑄型表面直接與鐵液接觸。
(4)凝固時(shí)間測量方法
在鑄型中部插一根石英管，直低試塊心部，將熱電偶塞入其內(nèi)，使熱電偶焊點(diǎn)正好處在試塊心部；偶絲的尾端用補(bǔ)償導(dǎo)線與帶長圖記錄儀的電子電位差計(jì)連接，用以繪制凝固曲線，然后在凝固曲線上讀取凝固時(shí)間。
4．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：
(1)凝固時(shí)間--各種試塊的測量結(jié)果列于表1，并用對數(shù)坐標(biāo)繪成曲線。由表1可以看出：各種尺寸的試塊在自硬砂鑄型中的凝固時(shí)間均比在粘土砂干型中的凝固時(shí)間長，而且隨著試塊尺寸增大差別逐漸增大，隨著試塊尺寸變小差別減小。這一結(jié)果說明自硬砂的散熱速度比粘土砂緩慢。在對數(shù)坐標(biāo)上，各數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎呈直線分布，偏離度甚小。因此，可以將曲線外延來估計(jì)模數(shù)更大或更小的鑄件的凝固時(shí)間。
表1．凝固時(shí)間與試塊模數(shù)和鑄型類別的關(guān)系 www.cnfnc.com 中國數(shù)控之家
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試塊尺寸(mm)
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50×50×50
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75×75×75
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100×100×100
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200×200×200
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模數(shù)M(cm)
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0.83
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1.25
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1.66
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3.33
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呋喃自硬砂型鑄造凝固時(shí)間(min)
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3.3
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8.9
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15.8
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72.8
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粘土砂干型鑄造凝固時(shí)間(min)
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2.8
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6.9
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12.5
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52
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(2)顯微組織--對100mm×100mm×100mm和200mm×200mm×200mm兩種試塊取樣進(jìn)行了顯微組織檢查。結(jié)果如下：
① 100mm方塊顯微組織--見表2．表3．可以看出，粘土砂試塊表面和心部球化都正常；自硬砂試塊底面有厚度0.5mm的不球化層，說明球化已受到影響，但不算嚴(yán)重。
表2．粘土砂干型試塊顯微組織(100mm方塊)
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取樣部位
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球化率(級)
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石墨大小(號(hào))
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球光體量(%)
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磷共晶+碳化物(%)
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鐵素體(%)
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底面邊角
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2
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2
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80~85
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少量
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余量
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心部
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3
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3
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70~80
|
少量
|
余量
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|
底部中心
|
2
|
2
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75~85
|
少量
|
余量
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表3．呋喃樹脂自硬砂試塊顯微組織(100mm方塊)
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取樣部位
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球化率(級)
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石墨大小(號(hào))
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說 明
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底面邊角
|
3
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底面中心
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底面表層(深約0.5mm)為細(xì)片狀石墨，最表層肌體為珠光體，接著是鐵素體，然后進(jìn)入正常區(qū)(球化率3級，珠光體量約50%，磷共晶和碳化物少量，其余為鐵素體)。側(cè)面未發(fā)現(xiàn)不球化面。
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心部
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3
|
3
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球化良好，珠光體60%~70%，磷共晶+碳化物少量，余為鐵素體。
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底面中心
|
3
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底面中心
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底面表層(深約0.5mm)為細(xì)片狀石墨，基體為珠光體，接著是一層鐵素體，然后進(jìn)入正常區(qū)(球化率3級，珠光體75%，少量磷共晶和碳化物，余為鐵素體)。
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② 200mm方塊顯微組織--見表4．表5．可以看出，粘土砂試塊表面和心部球化都正常；自硬砂試塊底面有厚度為5mm的夾渣層，石墨全部不球化；緊接著是厚度0.5mm的過渡層，石墨呈蠕蟲狀+少量球狀，然后是正常球化區(qū)。這一情況說明，隨著試塊尺寸增大，凝固時(shí)間延長，鐵液浸泡鑄型時(shí)間延長，型砂中的硫已滲入鑄件表層，因而使球化受到破環(huán)。
表4． 粘土砂干型試塊顯微組織(200mm方塊)
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取樣部位
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球化率(級)
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石墨大小(號(hào))
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說 明
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底面邊角
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2
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2
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球光體量約75%，磷共晶和碳化物少量，余為鐵素體。石墨呈球狀，無球化不良跡象。
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心部
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3
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4
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珠光體量80%，(磷共晶+碳化物)1%，余為鐵素體。無球化不良跡象。
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表5． 呋喃樹脂自硬砂型試塊顯微組織(200mm)
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取樣部位
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說 明
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底面邊角
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表面約5mm為夾渣層，夾渣的鄰近區(qū)石墨呈片狀，珠光體量約30%，余為鐵素體-約0.5mm深的半球化層(石墨呈蠕蟲狀+個(gè)別球狀，珠光體約5%，余為鐵素體)-正常球化區(qū)，球化量2-3級，石墨大小2級，珠光體85%，磷共晶和碳化物少量，余為鐵素體。
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心部
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球化量3-4級，石墨大小3-4級，珠光體85%，(磷共晶+碳化物)1%，余為鐵素體。無球化不良跡象。
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③ 表面加渣檢查--將100mm和200mm兩組方塊垂直剖開，在剖面上做硫印檢查夾渣情況，結(jié)果100mm組的兩種試塊都沒有發(fā)現(xiàn)夾渣；但200mm組的兩種試塊均發(fā)現(xiàn)有比較明顯的夾渣，如圖4所示。其中粘土砂干型試塊底面和側(cè)面均無夾渣，僅其頂面有分布不均勻的夾渣，薄處2-3mm，最深處約為5mm。這些夾渣顯然是鐵液本身所含硫化物形成，在試塊凝固前上浮至頂面所致。呋喃樹脂砂試塊的頂面、底面和側(cè)面下部均有明顯夾渣層。其中頂面的夾渣也是鐵液本身所含硫化物形成，夾渣層厚度較均勻，均為2-3mm，可能是由于鑄件冷卻速度較慢，渣子有充分時(shí)間上浮的緣故。底面和側(cè)面下部的渣層又濃又黑，說明其含硫量很高，從其部位來看，顯然是由于表層型砂向鑄件滲硫所致。由于底面和側(cè)面下部被鐵液浸泡的時(shí)間較長，所以在這些部位容易發(fā)生滲硫；其它部位被鐵液浸泡的時(shí)間較短，所以沒有發(fā)生滲硫；同樣道理，尺寸較小的石塊由于凝固時(shí)間較短，鐵液浸泡時(shí)間也較短，所以沒有發(fā)生滲硫，也就不會(huì)引起滲硫夾渣。
上述結(jié)果表明，呋喃樹脂砂對球墨鑄件的表層組織可能會(huì)有不良影響，主要是引起表層夾渣和球化不良，但這種影響一般只限于厚大件，對薄、小件影響較小或者沒有影響。在本試驗(yàn)中，為了使呋喃樹脂砂的不良影響更明顯，所采用的舊砂配加量、樹脂和硬化劑加入量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際生產(chǎn)使用的加入量，因而型砂的含硫量高達(dá)0.5%，而且鑄型表面沒有刷涂料，使鐵液直接與型砂接觸，如果按照實(shí)際生產(chǎn)所采用的配方(加入一定數(shù)量的新砂，樹脂加入量1.0%左右，硬化劑加入量為樹脂量的40%-50%)型砂的含硫量將大幅度降低，加上鑄型表面刷涂料(最好是致密度較高的涂料，如鋯英粉涂料)，其不良影響將會(huì)明顯縮小，或者可以完全避免。
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④ 縮孔、縮松情況--本次試驗(yàn)沒有專門對此項(xiàng)目進(jìn)行深入研究，但在各組試塊解剖(包括力學(xué)性能取樣)過程中，也順便檢查有否縮孔和縮松缺陷，結(jié)果是?lt;1> 所有試塊均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部縮孔，縮松；<2>尺寸較小的石塊均為發(fā)現(xiàn)表面縮凹，但在200mm組兩種試塊的頂面均有表面縮凹；其中粘土砂試塊的縮凹深度約為5mm,自硬砂試塊的縮凹深度較小，只有3mm左右，縮凹面積也比粘土砂試塊小(參看圖4)。對此情況作如下解析：小試塊由于液態(tài)收縮量相對較小，所需補(bǔ)縮鐵液可以由澆注系統(tǒng)供給，所有沒有發(fā)生縮凹；200mm大試塊的液態(tài)收縮量要大得多，凝固時(shí)間也長得多，當(dāng)其液態(tài)收縮尚未完成時(shí)，澆注系統(tǒng)已先凝固，停止供給鐵液，因此發(fā)生縮凹。至于為何自硬砂試塊縮凹比粘土砂試塊小，可以引用S.LKarsay提出的球鐵冷卻和凝固過程體積變化模式示意圖(見圖五)進(jìn)行解釋：高溫的鐵液澆注入鑄型后，首先發(fā)生液態(tài)收縮，體積不斷減少，當(dāng)溫度降低到一定值后，由收縮變?yōu)榕蛎?；接近凝固終點(diǎn)時(shí)，體積變化又轉(zhuǎn)為收縮(二次收縮)，然后凝固。根據(jù)冷卻速度、化學(xué)成分和工藝條件的不同，體積變化的模式可分為A(液態(tài)收縮、膨脹和二次收縮都較小)B(液態(tài)收縮、膨脹和二次收縮都略為增大)和C(液態(tài)收縮、膨脹)三種類型。冷卻速度減緩與通過調(diào)整化學(xué)成分或工藝調(diào)整一樣可以增大石墨化傾向，有利于使體積變化模式按C-B-A方向變化，亦即使液態(tài)收縮，其后的膨脹以及二次收縮變小，因而可以減少收縮和縮凹傾向。平田繼郎等人的研究認(rèn)為：由于鑄件在呋喃樹脂砂型內(nèi)凝固時(shí)間較長，所以適合于無冒口鑄造的鑄件最小模數(shù)為2.0cm，比粘土砂型無冒口鑄造要求的最小模數(shù)(2.5cm)小?；蛘哒f：呋喃樹脂砂更適合于小規(guī)模鑄件無冒口鑄造。至于上文所提到的三家工廠采用平澆豎冷或斜冷時(shí)遇到的鑄件外形漲大、內(nèi)部縮松和性能降低問題，可能一方面是這三家廠的鑄件都是比較厚大的鑄件(厚度為70mm-150mm,重量400kg-2800kg)，鐵液壓力較大，浸泡鑄型時(shí)間也較長；另一方面，由于呋喃樹脂在500℃左右發(fā)熱分解，使型砂強(qiáng)度急劇降低，如果澆注后鑄型保持靜止不動(dòng)，型腔表層尚不會(huì)潰散，也就不會(huì)引起鑄件漲大而導(dǎo)致縮松；如果澆注后翻動(dòng)鑄型，就有可能引起型腔表層潰散而引起鑄件外形漲大，導(dǎo)致內(nèi)部縮松和性能下降，至于中、小鑄件澆注后是否可以平移鑄型(例如在流水線上澆注)，可能與鑄件厚、薄(凝固速度快、慢)和移動(dòng)時(shí)受力大小有關(guān)，尚有待做進(jìn)一步研究，但最好是避免受到強(qiáng)烈沖擊，還應(yīng)指出，由于自硬砂散熱速度緩慢，無論是大型件還是中、小件，在散熱困難的熱節(jié)部位，應(yīng)注意采用適當(dāng)措施(如安放冷鐵)強(qiáng)化鑄件表層冷卻，使熱節(jié)表層盡快凝固結(jié)殼，防止其外形漲大引起縮松。
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圖5 灰鑄鐵和球鐵液態(tài)冷卻和凝固過程 圖6 力學(xué)性能取樣部位的體積變化模式(示意圖)
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鑄型材料
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取樣部位
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抗拉強(qiáng)度/MPa
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伸長率%
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備注
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呋喃樹脂砂
|
棱邊
|
652
|
7.8
|
斷口無缺陷
|
|
呋喃樹脂砂
|
心部
|
610
|
3.6
|
斷口無缺陷
|
|
黏土砂干型
|
棱邊
|
670
|
8.6
|
斷口無缺陷
|
|
黏土砂干型
|
心部
|
560
|
3.2
|
斷口無缺陷
|
⑤ 鑄態(tài)力學(xué)性能--考慮到鑄型材料的差別對薄小件的影響可能不明顯，僅對尺寸最大的200mm組試塊作檢查，取樣部位見圖6，結(jié)果如表6所示。由于表面不正常組織深度很淺，沒有進(jìn)入拉力試棒斷口，心部組織亦未受到影響，故從表6的數(shù)據(jù)看不出呋喃樹脂砂型對力學(xué)性能有不良影響。
5．結(jié)論
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以作出如下結(jié)論：
(1)球鐵鑄件在呋喃樹脂自硬砂中的凝固速度明顯比在粘土砂干型中的凝固速度緩慢，因此，用自硬砂生產(chǎn)薄壁球鐵件有利于防止?jié)膊蛔愫捅砻姘卓?，有利于改善加工性能?
(2)自硬砂含硫量高時(shí)，鑄型可能會(huì)向鑄件(特鐵是厚大件)表層(尤其是底面和側(cè)面下部)滲硫，因而會(huì)在鑄件表層形成硫化物夾渣層，而且對鑄件表層球化有一定的破壞作用。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)通過控制回用砂配加量和減少樹脂和硬化劑加入量來盡量降低型砂的含硫量，鑄型表面涂刷致密度高的涂料，防止鑄型向鑄件表層滲硫；
(3)在本試驗(yàn)所采用最大的試塊中，尚未發(fā)現(xiàn)由于自硬砂冷卻速度慢而引起鑄件心部球化衰退而且由于鑄型在澆注后保持靜止不動(dòng)，未曾發(fā)現(xiàn)試塊外形漲大和由此引起內(nèi)部縮松，亦未發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能受到影響。
(4)由于呋喃樹脂砂散熱速度緩慢，用于鑄造球鐵件時(shí)，有利于減小液態(tài)收縮，減小膨脹和減小二次收縮，因而有利于減小縮孔、縮凹和縮松傾向；但由于其高溫潰散性能較好、鑄型在澆注后應(yīng)盡量避免翻轉(zhuǎn)或受到強(qiáng)烈沖擊，以免鑄型表層局部潰散引起鑄件漲大而導(dǎo)致內(nèi)部縮松。此外，為了防止散熱困難的熱節(jié)部位發(fā)生縮松，應(yīng)采取適當(dāng)措施(如安放冷鐵)強(qiáng)化表層冷卻，使熱節(jié)部位表層盡快凝固結(jié)殼，防止其外形漲大。
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