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摘要：用呋喃树脂自硬砂型和粘土砂干型进行了对比试验，研究呋喃树脂自硬砂对厚大球铁铸件凝固速度、显微组织、力学性能和产生铸造缺陷倾向的影响，为论证采用呋喃树脂自硬砂性取代粘土砂干型生产厚大球墨铸铁铸件的可行性提供了依据。
关键词：呋喃树脂自硬砂、球墨铸铁、厚大铸件
1．前言
呋喃树脂自硬砂型与粘土砂干型相比，不需烘干，耗能少，铸件尺寸精度高，表面质量好，因此已逐渐取代粘土砂干型，广泛地用于制作厚大铸件。但据文献报道和调研，采用这种树脂砂生产球铁件(特别是厚大球铁件)时，会产生一些特殊的质量问题。国外如F·Martin和S·LKarsay用8英寸(约200mm)立方体试块做试验，发现采用呋喃树脂砂型铸造时，试块其余部位(包括顶面、侧面的上部以及心部)均球化良好，底面和各侧面的下部发生局部球化不良。奥地利铸造研究所W·Bauer的研究认为，由于呋喃树脂砂采用对钾苯磺酸(PTSS)作硬化剂，给砂型带进了较多的硫，后者渗入球铁铸件表层，并与表层的球化剂Mg化合成MgS使Mg失去球化作用而引起局部球化不良。
国内在作者所调研的工厂中也有几家工厂发现一些质量问题，其中某厂最初采用这种砂生产球铁件时，曾发现铸件表层有局部球化不良，最严重处深度达12mm，并且发现铸型在浇注后翻转90°竖直冷却时会引起铸件外形涨大而导致内部缩松；另一家工厂用这种砂生产某种球铁件也采用平浇竖冷，发现经热处理后的抗拉强度比用粘土砂干型生产的同一种铸件普遍低100-160MPa；还有一家工厂用这种砂生产球铁件时曾试验水平浇注，倾斜45°冷却，结果也发现铸件下段严重涨大和内部缩松。为较系统地查明呋喃树脂自硬砂对球铁铸件的质量的影响，为使用这种型砂取代粘土砂干型生产球铁件，特别是厚大球铁件的可行性提供依据，特进行本试验。
2．试验目的及内容：
① 测量用呋喃树脂自硬砂性浇注和用粘土砂干型浇注的球铁件的凝固时间差别，并查明这种差别是否会引起铸件(特别是厚大件)球化不良；
② 观察呋喃树脂自硬砂对球铁件表层球化情况和铸造缺陷倾向的影响。
③ 查明呋喃树脂自硬砂对球铁力学性能有否影响。
3．试验条件及方法
(1)熔化及球化、孕育处理：采用100KW中频感应炉化铁，炉料为90%本溪生铁(含硅量为1.3%)+10%废钢。原铁液成分及球铁终成分参照实际生产球铁件，分析结果示于表1；球化剂成分为：10.5%Mg，1.2%RE，33%Si，35%Cu，加入量为1.5%，采用冲入法处理，铁液出炉(处理)温度为1450℃，孕育剂为75硅铁。 表1．原铁液化学成分及球铁最终成分
| 成分 | C | Si | Mn | P | S | RE | Mg | Cu | | 原铁液 | 3.78 | 1.21 | 0.42 | 0.050 | 0.028 | ---- | ---- | ---- | | 终成分 | -- | 2.31 | 0.44 | 0.052 | 0.020 | 0.020 | 0.056 | 0.51 |
(2)试块尺寸共有四种：50mm×50mm×50mm(模数M=0.83cm), 75mm×75mm×75mm(模数M=1.25cm), 100mm×100mm×100mm(模数M=1.66cm), 200mm×200mm×200mm(模数M=3.33cm)。每种试块均同时制作呋喃树脂自硬砂型和粘土砂干型两种铸型，并用同包铁液浇注。
(3)型砂及造型
粘土砂配料成分为：20%新砂，80%回用砂，1.5%陶土，2.5%白泥。呋喃树脂自硬砂用100%回用砂配制，呋喃树脂加入量为1.5%，硬化剂对甲苯磺酸的加入量为树脂量的100%(没有加入新砂以及故意加大树脂和硬化剂加入量的目的是故意提高砂型的含硫量，以便呋喃树脂自硬砂对球铁质量的影响更明显)，这种砂型的实测含硫量为0. 50%。
造型均为手工造型，粘土砂型在浇注前经过烘干，呋喃树脂自硬砂型自行硬化，不烘干。两种铸型均不刷涂料，使铸型表面直接与铁液接触。
(4)凝固时间测量方法
在铸型中部插一根石英管，直低试块心部，将热电偶塞入其内，使热电偶焊点正好处在试块心部；偶丝的尾端用补偿导线与带长图记录仪的电子电位差计连接，用以绘制凝固曲线，然后在凝固曲线上读取凝固时间。
4．实验结果及讨论：
(1)凝固时间--各种试块的测量结果列于表1，并用对数坐标绘成曲线。由表1可以看出：各种尺寸的试块在自硬砂铸型中的凝固时间均比在粘土砂干型中的凝固时间长，而且随着试块尺寸增大差别逐渐增大，随着试块尺寸变小差别减小。这一结果说明自硬砂的散热速度比粘土砂缓慢。在对数坐标上，各数据点几乎呈直线分布，偏离度甚小。因此，可以将曲线外延来估计模数更大或更小的铸件的凝固时间。表1．凝固时间与试块模数和铸型类别的关系
| 试块尺寸(mm) | 50×50×50 | 75×75×75 | 100×100×100 | 200×200×200 | | 模数M(cm) | 0.83 | 1.25 | 1.66 | 3.33 | | 呋喃自硬砂型铸造凝固时间(min) | 3.3 | 8.9 | 15.8 | 72.8 | | 粘土砂干型铸造凝固时间(min) | 2.8 | 6.9 | 12.5 | 52 |
(2)显微组织--对100mm×100mm×100mm和200mm×200mm×200mm两种试块取样进行了显微组织检查。结果如下：
① 100mm方块显微组织--见表2．表3．可以看出，粘土砂试块表面和心部球化都正常；自硬砂试块底面有厚度0.5mm的不球化层，说明球化已受到影响，但不算严重。表2．粘土砂干型试块显微组织(100mm方块)
| 取样部位 | 球化率(级) | 石墨大小(号) | 球光体量(%) | 磷共晶+碳化物(%) | 铁素体(%) | | 底面边角 | 2 | 2 | 80~85 | 少量 | 余量 | | 心部 | 3 | 3 | 70~80 | 少量 | 余量 | | 底部中心 | 2 | 2 | 75~85 | 少量 | 余量 |
表3．呋喃树脂自硬砂试块显微组织(100mm方块)
| 取样部位 | 球化率(级) | 石墨大小(号) | 说 明 | | 底面边角 | 3 | 底面中心 | 底面表层(深约0.5mm)为细片状石墨，最表层肌体为珠光体，接着是铁素体，然后进入正常区(球化率3级，珠光体量约50%，磷共晶和碳化物少量，其余为铁素体)。侧面未发现不球化面。 | | 心部 | 3 | 3 | 球化良好，珠光体60%~70%，磷共晶+碳化物少量，余为铁素体。 | | 底面中心 | 3 | 底面中心 | 底面表层(深约0.5mm)为细片状石墨，基体为珠光体，接着是一层铁素体，然后进入正常区(球化率3级，珠光体75%，少量磷共晶和碳化物，余为铁素体)。 |
② 200mm方块显微组织--见表4．表5．可以看出，粘土砂试块表面和心部球化都正常；自硬砂试块底面有厚度为5mm的夹渣层，石墨全部不球化；紧接着是厚度0.5mm的过渡层，石墨呈蠕虫状+少量球状，然后是正常球化区。这一情况说明，随着试块尺寸增大，凝固时间延长，铁液浸泡铸型时间延长，型砂中的硫已渗入铸件表层，因而使球化受到破环。表4． 粘土砂干型试块显微组织(200mm方块)
| 取样部位 | 球化率(级) | 石墨大小(号) | 说 明 | | 底面边角 | 2 | 2 | 球光体量约75%，磷共晶和碳化物少量，余为铁素体。石墨呈球状，无球化不良迹象。 | | 心部 | 3 | 4 | 珠光体量80%，(磷共晶+碳化物)1%，余为铁素体。无球化不良迹象。 |
表5． 呋喃树脂自硬砂型试块显微组织(200mm)
| 取样部位 | 说 明 | | 底面边角 | 表面约5mm为夹渣层，夹渣的邻近区石墨呈片状，珠光体量约30%，余为铁素体-约0.5mm深的半球化层(石墨呈蠕虫状+个别球状，珠光体约5%，余为铁素体)-正常球化区，球化量2-3级，石墨大小2级，珠光体85%，磷共晶和碳化物少量，余为铁素体。 | | 心部 | 球化量3-4级，石墨大小3-4级，珠光体85%，(磷共晶+碳化物)1%，余为铁素体。无球化不良迹象。 |
③ 表面加渣检查--将100mm和200mm两组方块垂直剖开，在剖面上做硫印检查夹渣情况，结果100mm组的两种试块都没有发现夹渣；但200mm组的两种试块均发现有比较明显的夹渣，如图4所示。其中粘土砂干型试块底面和侧面均无夹渣，仅其顶面有分布不均匀的夹渣，薄处2-3mm，最深处约为5mm。这些夹渣显然是铁液本身所含硫化物形成，在试块凝固前上浮至顶面所致。呋喃树脂砂试块的顶面、底面和侧面下部均有明显夹渣层。其中顶面的夹渣也是铁液本身所含硫化物形成，夹渣层厚度较均匀，均为2-3mm，可能是由于铸件冷却速度较慢，渣子有充分时间上浮的缘故。底面和侧面下部的渣层又浓又黑，说明其含硫量很高，从其部位来看，显然是由于表层型砂向铸件渗硫所致。由于底面和侧面下部被铁液浸泡的时间较长，所以在这些部位容易发生渗硫；其它部位被铁液浸泡的时间较短，所以没有发生渗硫；同样道理，尺寸较小的石块由于凝固时间较短，铁液浸泡时间也较短，所以没有发生渗硫，也就不会引起渗硫夹渣。
上述结果表明，呋喃树脂砂对球墨铸件的表层组织可能会有不良影响，主要是引起表层夹渣和球化不良，但这种影响一般只限于厚大件，对薄、小件影响较小或者没有影响。在本试验中，为了使呋喃树脂砂的不良影响更明显，所采用的旧砂配加量、树脂和硬化剂加入量均远远超过实际生产使用的加入量，因而型砂的含硫量高达0.5%，而且铸型表面没有刷涂料，使铁液直接与型砂接触，如果按照实际生产所采用的配方(加入一定数量的新砂，树脂加入量1.0%左右，硬化剂加入量为树脂量的40%-50%)型砂的含硫量将大幅度降低，加上铸型表面刷涂料(最好是致密度较高的涂料，如锆英粉涂料)，其不良影响将会明显缩小，或者可以完全避免。（图片） ④ 缩孔、缩松情况--本次试验没有专门对此项目进行深入研究，但在各组试块解剖(包括力学性能取样)过程中，也顺便检查有否缩孔和缩松缺陷，结果是?lt;1> 所有试块均未发现内部缩孔，缩松；<2>尺寸较小的石块均为发现表面缩凹，但在200mm组两种试块的顶面均有表面缩凹；其中粘土砂试块的缩凹深度约为5mm,自硬砂试块的缩凹深度较小，只有3mm左右，缩凹面积也比粘土砂试块小(参看图4)。对此情况作如下解析：小试块由于液态收缩量相对较小，所需补缩铁液可以由浇注系统供给，所有没有发生缩凹；200mm大试块的液态收缩量要大得多，凝固时间也长得多，当其液态收缩尚未完成时，浇注系统已先凝固，停止供给铁液，因此发生缩凹。至于为何自硬砂试块缩凹比粘土砂试块小，可以引用S.LKarsay提出的球铁冷却和凝固过程体积变化模式示意图(见图五)进行解释：高温的铁液浇注入铸型后，首先发生液态收缩，体积不断减少，当温度降低到一定值后，由收缩变为膨胀；接近凝固终点时，体积变化又转为收缩(二次收缩)，然后凝固。根据冷却速度、化学成分和工艺条件的不同，体积变化的模式可分为A(液态收缩、膨胀和二次收缩都较小)B(液态收缩、膨胀和二次收缩都略为增大)和C(液态收缩、膨胀)三种类型。冷却速度减缓与通过调整化学成分或工艺调整一样可以增大石墨化倾向，有利于使体积变化模式按C-B-A方向变化，亦即使液态收缩，其后的膨胀以及二次收缩变小，因而可以减少收缩和缩凹倾向。平田继郎等人的研究认为：由于铸件在呋喃树脂砂型内凝固时间较长，所以适合于无冒口铸造的铸件最小模数为2.0cm，比粘土砂型无冒口铸造要求的最小模数(2.5cm)小。或者说：呋喃树脂砂更适合于小规模铸件无冒口铸造。至于上文所提到的三家工厂采用平浇竖冷或斜冷时遇到的铸件外形涨大、内部缩松和性能降低问题，可能一方面是这三家厂的铸件都是比较厚大的铸件(厚度为70mm-150mm,重量400kg-2800kg)，铁液压力较大，浸泡铸型时间也较长；另一方面，由于呋喃树脂在500℃左右发热分解，使型砂强度急剧降低，如果浇注后铸型保持静止不动，型腔表层尚不会溃散，也就不会引起铸件涨大而导致缩松；如果浇注后翻动铸型，就有可能引起型腔表层溃散而引起铸件外形涨大，导致内部缩松和性能下降，至于中、小铸件浇注后是否可以平移铸型(例如在流水线上浇注)，可能与铸件厚、薄(凝固速度快、慢)和移动时受力大小有关，尚有待做进一步研究，但最好是避免受到强烈冲击，还应指出，由于自硬砂散热速度缓慢，无论是大型件还是中、小件，在散热困难的热节部位，应注意采用适当措施(如安放冷铁)强化铸件表层冷却，使热节表层尽快凝固结壳，防止其外形涨大引起缩松。（图片）
图5 灰铸铁和球铁液态冷却和凝固过程 图6 力学性能取样部位的体积变化模式(示意图) | 铸型材料 | 取样部位 | 抗拉强度/MPa | 伸长率% | 备注 | | 呋喃树脂砂 | 棱边 | 652 | 7.8 | 断口无缺陷 | | 呋喃树脂砂 | 心部 | 610 | 3.6 | 断口无缺陷 | | 黏土砂干型 | 棱边 | 670 | 8.6 | 断口无缺陷 | | 黏土砂干型 | 心部 | 560 | 3.2 | 断口无缺陷 |
⑤ 铸态力学性能--考虑到铸型材料的差别对薄小件的影响可能不明显，仅对尺寸最大的200mm组试块作检查，取样部位见图6，结果如表6所示。由于表面不正常组织深度很浅，没有进入拉力试棒断口，心部组织亦未受到影响，故从表6的数据看不出呋喃树脂砂型对力学性能有不良影响。
5．结论
根据试验结果，可以作出如下结论：
(1)球铁铸件在呋喃树脂自硬砂中的凝固速度明显比在粘土砂干型中的凝固速度缓慢，因此，用自硬砂生产薄壁球铁件有利于防止浇不足和表面白口，有利于改善加工性能；
(2)自硬砂含硫量高时，铸型可能会向铸件(特铁是厚大件)表层(尤其是底面和侧面下部)渗硫，因而会在铸件表层形成硫化物夹渣层，而且对铸件表层球化有一定的破坏作用。在实际生产中，应通过控制回用砂配加量和减少树脂和硬化剂加入量来尽量降低型砂的含硫量，铸型表面涂刷致密度高的涂料，防止铸型向铸件表层渗硫；
(3)在本试验所采用最大的试块中，尚未发现由于自硬砂冷却速度慢而引起铸件心部球化衰退而且由于铸型在浇注后保持静止不动，未曾发现试块外形涨大和由此引起内部缩松，亦未发现力学性能受到影响。
(4)由于呋喃树脂砂散热速度缓慢，用于铸造球铁件时，有利于减小液态收缩，减小膨胀和减小二次收缩，因而有利于减小缩孔、缩凹和缩松倾向；但由于其高温溃散性能较好、铸型在浇注后应尽量避免翻转或受到强烈冲击，以免铸型表层局部溃散引起铸件涨大而导致内部缩松。此外，为了防止散热困难的热节部位发生缩松，应采取适当措施(如安放冷铁)强化表层冷却，使热节部位表层尽快凝固结壳，防止其外形涨大。
2/23/2005
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