淺述呋喃樹脂自硬砂對球墨鑄鐵鑄件的影響力
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)。
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
成分CSiMnPSREMgCu原鐵液3.781.210.420.0500.028------------終成分--2.310.440.0520.0200.0200.0560.51(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
試塊尺寸(mm)50×50×5075×75×75100×100×100200×200×200模數(shù)M(cm)0.831.251.663.33呋喃自硬砂型鑄造凝固時(shí)間(min)3.38.915.872.8粘土砂干型鑄造凝固時(shí)間(min)2.86.912.552(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：
①100mm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。
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)。
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
成分CSiMnPSREMgCu原鐵液3.781.210.420.0500.028------------終成分--2.310.440.0520.0200.0200.0560.51(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
試塊尺寸(mm)50×50×5075×75×75100×100×100200×200×200模數(shù)M(cm)0.831.251.663.33呋喃自硬砂型鑄造凝固時(shí)間(min)3.38.915.872.8粘土砂干型鑄造凝固時(shí)間(min)2.86.912.552(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：
①100mm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。
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