吳祚勝，孟兆亞，代春福

（合肥鑄鍛廠，安徽 合肥 230001）

本廠自樹脂砂車間建成以來，生產(chǎn)的球鐵鑄件，表層一直存在異常組織，少則2mm～3mm，嚴(yán)重時(shí)達(dá)到5mm以上，下表面比上表面嚴(yán)重。近期接到德國客戶的訂單，要求材質(zhì)為QT700-2的鑄件表面不能出現(xiàn)異常組織。為了滿足客戶的要求，我們通過分析確定了這種缺陷產(chǎn)生的原因，并通過試驗(yàn)找到了防止措施。

1 生產(chǎn)現(xiàn)象

通過金相分析，發(fā)現(xiàn)鑄件表面球化不良，異常組織為片狀石墨層，厚度在3mm～5mm，而且在片狀石墨與球形石墨之間存在一極薄蠕蟲狀石墨過渡區(qū)，如圖1所示。通過資料，發(fā)現(xiàn)許多文獻(xiàn)對采用樹脂自硬砂工藝生產(chǎn)的球鐵件表面出現(xiàn)的片狀石墨缺陷進(jìn)行了報(bào)道，說明這種缺陷是一種普遍現(xiàn)象。

2 原因分析

一般情況下，球鐵中出現(xiàn)片狀石墨的主要原因是鐵液凝固時(shí)球化元素不足（Mg），或存在干擾元素，如S等。

圖1 鑄件表層金相

我廠采用的樹脂為XY86-A 呋喃樹脂，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示，加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為砂子的1.0%；固化劑為SQ-A和SQ-B，加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為樹脂的30%～50%。SQ-A和SQ-B均為磺酸固化劑，都含有S元素，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生砂中的S元素含量較高，一般為0.1%左右，而球化后的鐵液中S元素含量則較低，小于0.02%。高溫下，砂型和鐵液組成的固/液界面之間，存在S元素的濃度梯度，S元素由砂型向鐵液中傳遞，差值越大，擴(kuò)散能力越強(qiáng)。

在高溫狀態(tài)下，S元素以SO2氣體形式或者S2-、SO2-3-離子形式通過涂料層，進(jìn)入鐵液中，增加了表層鐵液中干擾元素的含量。S元素與鐵液中的Mg元素反應(yīng)，生成MgO、MgSO3以及MgS等Mg的氧化物和硫化物，降低鑄件表層的殘余Mg含量，使鑄件表層球化不良，出現(xiàn)片狀石墨組織。

表1 固化劑的技術(shù)指標(biāo)

表2 固化劑的技術(shù)指標(biāo)

3 防止措施

由以上分析，可知鑄件表層球化不良的主要原因是，高溫下型砂中的S元素進(jìn)入鐵液，降低了鑄件表層的殘余Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)。要防止球鐵鑄件表層出現(xiàn)異常組織，必須阻止型砂中的S在高溫下進(jìn)入金屬液?？梢詮娜齻€(gè)方面解決這個(gè)問題：

1）降低型砂中S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，減少傳遞源；

2）采取措施，阻止S元素由型砂向鐵液的傳遞，從傳遞過程上解決；

3）增加鐵水中殘余Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)，抵消S的影響。

3.1 減少傳遞源

1）降低再生砂的灼燒減量

再生砂中的硫元素與再生砂的灼燒減量有一定的比例關(guān)系。當(dāng)灼燒減量高時(shí)，再生砂中S元素含量也高，在磺酸固化劑加入量以及型號不變的情況下，型砂中的S元素含量也會升高。高溫下，S元素在砂型與鐵液界面處濃度梯度隨之增大，型砂中的S元素向鐵液中擴(kuò)散的動力也會增大，進(jìn)入鐵液中的S增多，滲入深度加深，表面球化不良加重。降低再生砂的灼燒減量不僅能降低型砂中的硫含量，還能降低型砂的發(fā)氣量，降低鑄件產(chǎn)生氣孔的幾率。

2）采用低硫磺酸固化劑

型砂中的硫元素，主要來自于磺酸固化劑。有研究表明，型砂中的S元素很難通過一般機(jī)械再生的方法降下來，控制源頭是最好的方法。在再生能力一定的條件下，采用低S固化劑，能有效降低鑄型和再生砂中的硫含量，從而從根本上解決表面層球化不良現(xiàn)象。

3）降低固化劑的加入量

固化劑的加入量直接影響著型砂的硬化速度。在滿足初始強(qiáng)度要求的條件下，應(yīng)盡可能的降低固化劑的加入量，不僅能降低鑄型和再生砂中的硫含量，還能降低成本。降低固化劑的加入量，型砂硬化速度變慢，鑄型的終強(qiáng)度能得到一定程度的提高。但是固化劑加入量不能太低，否則較短的時(shí)間內(nèi)很難將其混勻，使得型砂強(qiáng)度分布不均勻，表面穩(wěn)定性也差。

4）降低砂鐵比以及吃砂量

在相同的澆注溫度下，鑄型采用較低的砂鐵比以及吃砂量，型砂中的樹脂固化劑能得到較多的燒損，再生砂的灼燒減量以及S質(zhì)量分?jǐn)?shù)都會變低。采用較低的砂鐵比以及吃砂量，不僅能降低S元素在鑄型與金屬液界面的傳遞動力，還能降低型砂、樹脂和固化劑的使用量以及再生系統(tǒng)的工作量。

5）使用不含硫元素的固化劑

磷酸等為無機(jī)固化劑，不含S元素，能從根本上解決鑄件表層球化不良問題。磷酸高溫下潰散性差，再生砂中的磷酸鹽易沉積，反復(fù)使用時(shí)，鑄件表面會出現(xiàn)磷共晶組織，樹脂砂強(qiáng)度也會下降，一般只用于一次性使用的自硬砂中。

6）加入新砂

新砂中不含S元素，在再生砂中加入新砂，能降低型砂中S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，應(yīng)避免使用100%的再生砂。但是新砂加入量不能太高，否則會增加樹脂固化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，反而增加型砂中S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.2 截?cái)鄠鬟f途徑

1）阻硫涂料

這里的阻硫是指在涂料中添加其他物質(zhì)，如MgO.當(dāng)硫元素以SO2、SO2-和SO2-3的形式通過含有MgO的涂料層進(jìn)入鐵液時(shí)，能被涂料層中的MgO所吸收。

2）提高鑄件的冷卻速度

冷卻速度越慢，鐵液保持液態(tài)的時(shí)間也就越長，對砂型熱作用時(shí)間長，使固化劑受熱分解量增加，同時(shí)增加了硫元素的擴(kuò)散時(shí)間，球化衰退加劇。提高鑄件的冷卻速度，能有效的減少硫元素的擴(kuò)散時(shí)間，降低球化衰退效果。在使用冷鐵提高冷卻速度的情況下，鐵液不與樹脂砂接觸，而與冷鐵接觸，凝固加速，形成硬殼，也在一定程度上避免了硫元素的滲入。

3）降低澆注溫度

在保證不出現(xiàn)其他缺陷的情況下，盡可能降低澆注溫度。降低澆注溫度，能減少硫元素與液態(tài)金屬的接觸時(shí)間，減少硫元素的擴(kuò)散，消弱球化衰退效果。

3.3 抵消S 的影響

增加鐵液殘余Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)

提高稀土鎂球化劑的加入量，增加鐵液殘余Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)，消耗擴(kuò)散到鐵液表層的干擾元素S。這樣做并不能完全消除擴(kuò)散到表層的S元素，所以增加鐵液殘余Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)。只能使表層片狀石墨區(qū)減薄，并不能完全消除。殘余Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能過高，否則鑄件會出現(xiàn)渣眼、縮松、氣孔等缺陷，嚴(yán)重時(shí)鑄件出現(xiàn)滲碳體組織，惡化鑄件機(jī)械性能。

3.4 采取的措施

通過以上分析，結(jié)合實(shí)際情況，我們采取了以下措施：

1）增加灼燒減量和再生系統(tǒng)的檢測、檢修力度，將灼燒減量降至2%以下。此時(shí)再生砂中的S質(zhì)量分?jǐn)?shù)約在0.05%左右，在很大程度上降低了型砂與鐵液界面S元素的擴(kuò)散動力[6]。

2）降低澆注溫度，將澆注溫度降至1350℃以下，減少S元素與液態(tài)金屬的接觸時(shí)間，減少硫元素的擴(kuò)散。

3）提高殘余Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將殘余Mg由0.03%～0.04%增加到0.04%～0.06%.

采取這些措施以后，將片狀石墨層厚度控制在了1mm以下，如圖2所示，滿足了客戶的使用要求。

圖2 控制后的表層金相

4 結(jié) 論

有機(jī)磺酸固化劑的使用，使樹脂砂再生砂中含有較高的S元素。采用樹脂砂工藝生產(chǎn)球墨鑄鐵時(shí)，鑄件表層易因球化衰退而出現(xiàn)片狀石墨，通過降低灼燒減量、降低澆注溫度、提高殘余Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)等措施使這種缺陷得到很好的控制。

[1]趙彥輝，周繼揚(yáng).球墨鑄鐵件的表層片狀石墨組織缺陷[J］.鑄造，1999（2）:47-50.

[2]謝明師.呋喃樹脂自硬砂實(shí)用技術(shù)[M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995:77-78.

[3]章州.呋喃樹脂砂鑄造生產(chǎn)及應(yīng)用實(shí)例[M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:157-162.

[4]劉黨庫，崔峰.呋喃樹脂砂球鐵件表層球化不良的防止措施[J］.現(xiàn)代鑄鐵，2012（3）:61-64.

[5]許進(jìn).磺酸硬化呋喃樹脂砂對球鐵件表層組織的影響[J］.現(xiàn)代鑄鐵，2009（4）:79-83.

[6]陳小華，查明軍，封雪平，等.樹脂砂鑄造“氣渣隔”缺陷的形成機(jī)理及防止[J］.鑄造設(shè)備與工藝，2013（5）：39-41.