淺述呋喃樹(shù)脂自硬砂對球墨鑄鐵鑄件的影響力
呋喃樹(shù)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。但據文獻報道和調研，采用這種樹(shù)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(wèn)題。國外如F·Martin和S·LKarsay用8英寸(約200mm)立方體試塊做試驗，發(fā)現采用呋喃樹(shù)脂砂型鑄造時(shí)，試塊其余部位(包括頂面、側面的上部以及心部)均球化良好，底面和各側面的下部發(fā)生局部球化不良。奧地利鑄造研究所W·Bauer的研究認為，由于呋喃樹(shù)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。
國內在作者所調研的工廠(chǎng)中也有幾家工廠(chǎng)發(fā)現一些質(zhì)量問(wèn)題，其中某廠(chǎng)最初采用這種砂生產(chǎn)球鐵件時(shí)，曾發(fā)現鑄件表層有局部球化不良，最嚴重處深度達12mm，并且發(fā)現鑄型在澆注后翻轉90°豎直冷卻時(shí)會(huì )引起鑄件外形漲大而導致內部縮松；另一家工廠(chǎng)用這種砂生產(chǎn)某種球鐵件也采用平澆豎冷，發(fā)現經(jīng)熱處理后的抗拉強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(chǎng)用這種砂生產(chǎn)球鐵件時(shí)曾試驗水平澆注，傾斜45°冷卻，結果也發(fā)現鑄件下段嚴重漲大和內部縮松。為較系統地查明呋喃樹(shù)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，特進(jìn)行本試驗。
2．試驗目的及內容：
①測量用呋喃樹(shù)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(guān)察呋喃樹(shù)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(shù)脂自硬砂對球鐵力學(xué)性能有否影響。
3．試驗條件及方法
(1)熔化及球化、孕育處理：采用100KW中頻感應爐化鐵，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M=0.83cm),75mm×75mm×75mm(模數M=1.25cm),100mm×100mm×100mm(模數M=1.66cm),200mm×200mm×200mm(模數M=3.33cm)。每種試塊均同時(shí)制作呋喃樹(shù)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(shù)脂自硬砂用100%回用砂配制，呋喃樹(shù)脂加入量為1.5%，硬化劑對甲苯磺酸的加入量為樹(shù)脂量的100%(沒(méi)有加入新砂以及故意加大樹(shù)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(shù)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(guò)烘干，呋喃樹(shù)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，使熱電偶焊點(diǎn)正好處在試塊心部；偶絲的尾端用補償導線(xiàn)與帶長(cháng)圖記錄儀的電子電位差計連接，用以繪制凝固曲線(xiàn)，然后在凝固曲線(xiàn)上讀取凝固時(shí)間。
4．實(shí)驗結果及討論：
(1)凝固時(shí)間--各種試塊的測量結果列于表1，并用對數坐標繪成曲線(xiàn)。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(cháng)，而且隨著(zhù)試塊尺寸增大差別逐漸增大，隨著(zhù)試塊尺寸變小差別減小。這一結果說(shuō)明自硬砂的散熱速度比粘土砂緩慢。在對數坐標上，各數據點(diǎn)幾乎呈直線(xiàn)分布，偏離度甚小。因此，可以將曲線(xiàn)外延來(lái)估計模數更大或更小的鑄件的凝固時(shí)間。
表1．凝固時(shí)間與試塊模數和鑄型類(lèi)別的關(guān)系
試塊尺寸(mm)50×50×5075×75×75100×100×100200×200×200模數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。結果如下：
①100mm方塊顯微組織--見(jiàn)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(shuō)明球化已受到影響，但不算嚴重。
國內在作者所調研的工廠(chǎng)中也有幾家工廠(chǎng)發(fā)現一些質(zhì)量問(wèn)題，其中某廠(chǎng)最初采用這種砂生產(chǎn)球鐵件時(shí)，曾發(fā)現鑄件表層有局部球化不良，最嚴重處深度達12mm，并且發(fā)現鑄型在澆注后翻轉90°豎直冷卻時(shí)會(huì )引起鑄件外形漲大而導致內部縮松；另一家工廠(chǎng)用這種砂生產(chǎn)某種球鐵件也采用平澆豎冷，發(fā)現經(jīng)熱處理后的抗拉強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(chǎng)用這種砂生產(chǎn)球鐵件時(shí)曾試驗水平澆注，傾斜45°冷卻，結果也發(fā)現鑄件下段嚴重漲大和內部縮松。為較系統地查明呋喃樹(shù)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，特進(jìn)行本試驗。
2．試驗目的及內容：
①測量用呋喃樹(shù)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(guān)察呋喃樹(shù)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(shù)脂自硬砂對球鐵力學(xué)性能有否影響。
3．試驗條件及方法
(1)熔化及球化、孕育處理：采用100KW中頻感應爐化鐵，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M=0.83cm),75mm×75mm×75mm(模數M=1.25cm),100mm×100mm×100mm(模數M=1.66cm),200mm×200mm×200mm(模數M=3.33cm)。每種試塊均同時(shí)制作呋喃樹(shù)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(shù)脂自硬砂用100%回用砂配制，呋喃樹(shù)脂加入量為1.5%，硬化劑對甲苯磺酸的加入量為樹(shù)脂量的100%(沒(méi)有加入新砂以及故意加大樹(shù)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(shù)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(guò)烘干，呋喃樹(shù)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，使熱電偶焊點(diǎn)正好處在試塊心部；偶絲的尾端用補償導線(xiàn)與帶長(cháng)圖記錄儀的電子電位差計連接，用以繪制凝固曲線(xiàn)，然后在凝固曲線(xiàn)上讀取凝固時(shí)間。
4．實(shí)驗結果及討論：
(1)凝固時(shí)間--各種試塊的測量結果列于表1，并用對數坐標繪成曲線(xiàn)。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(cháng)，而且隨著(zhù)試塊尺寸增大差別逐漸增大，隨著(zhù)試塊尺寸變小差別減小。這一結果說(shuō)明自硬砂的散熱速度比粘土砂緩慢。在對數坐標上，各數據點(diǎn)幾乎呈直線(xiàn)分布，偏離度甚小。因此，可以將曲線(xiàn)外延來(lái)估計模數更大或更小的鑄件的凝固時(shí)間。
表1．凝固時(shí)間與試塊模數和鑄型類(lèi)別的關(guān)系
試塊尺寸(mm)50×50×5075×75×75100×100×100200×200×200模數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。結果如下：
①100mm方塊顯微組織--見(jiàn)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(shuō)明球化已受到影響，但不算嚴重。
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