如何防止球墨鑄鐵件表面球化衰退

苯磺酸硬化呋喃樹(shù)脂砂因其生產(chǎn)鑄件尺寸精度高及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于球墨鑄鐵件的生產(chǎn)[1,2]，但使用苯磺酸硬化呋喃樹(shù)脂砂生產(chǎn)球鐵件表面的球化衰退一直困擾著球鐵件的生產(chǎn)廠家，大批科研人員一直致力于球鐵件表面球化衰退的研究[1-6]，對(duì)球鐵件表面球化衰退的原因及機(jī)理等[1,5,6] 研究較多，而對(duì)球墨鑄鐵件表面球化衰退的防止措施報(bào)道較少。文獻(xiàn)[1,5,6]認(rèn)為球鐵件表面微觀組織球化衰退成片狀石墨或蠕蟲(chóng)狀石墨主要是由于苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面消耗表面層內(nèi)殘留有效Mg引起的，但均沒(méi)有明確說(shuō)明Mg的存在形式，有待于深入研究。本文的目的是對(duì)苯磺酸硬化呋喃樹(shù)脂砂生產(chǎn)的球墨鑄鐵件表面球化衰退的微觀組織特征及防止措施進(jìn)行研究，并對(duì)球墨鑄鐵件表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，給出切實(shí)可行的表面球化衰退的防止措施。

1　試驗(yàn)方法

　　選用車(chē)間生產(chǎn)橋殼及減速器殼球鐵鑄件用牌號(hào)QT450-10，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：3.7%-3.9% C、2.6%-2.9% Si、0.2-0.35% Mn、0.1-0.2% Cu、≤0.06% P、≤0.02% S、0.04%-0.06% Mg、0.025%-0.04% RE。試驗(yàn)合金用中頻感應(yīng)電爐熔煉，出爐溫度為1480-1520 ℃，澆注溫度為1360-1420 ℃。

　　呋喃樹(shù)脂砂的粘結(jié)劑用呋喃樹(shù)脂，固化劑用對(duì)甲苯磺酸，原砂及再生砂采用不同比例。

試驗(yàn)金相試樣切成10mm×10mm×20mm，通過(guò)光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）、電子探針（EPMA）及透射（TEM）等對(duì)試樣表面的顯微組織、成分分布進(jìn)行分析。

　　車(chē)間正常生產(chǎn)工藝生產(chǎn)試樣及粘土砂型生產(chǎn)試樣的微觀組織如圖1及圖2。圖1是采用車(chē)間正常生產(chǎn)工藝生產(chǎn)球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖2是使用粘土砂型生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化層微觀組織。

2　試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1表面球化衰退的微觀組織特征分析

2.1.1 表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成分析

圖3是表面球化衰退層片狀石墨區(qū)背散射，從圖3中可以清楚看到球化衰退層內(nèi)有很多球狀粒子存在，粒子尺寸在1-5μm的范圍內(nèi)，能譜分析認(rèn)為這些粒子可能是Mg與S或O形成的[1]。

基于前期的研究[1]，苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面消耗表面層內(nèi)殘留有效Mg引起球鐵件表面球化衰退，消耗的殘留有效Mg可能與S或O形成了第二相粒子，并且第二相粒子存在于表面球化衰退層微觀組織中（如圖3所示）。

2.1.2 表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結(jié)構(gòu)特征分析

圖4是第二相粒子TEM形貌圖片，從圖中可以清晰看出第二相粒子呈近球形八面體形貌。

　　圖5是第二相粒子TEM衍射圖譜，經(jīng)過(guò)標(biāo)定，該第二相粒子為FCC結(jié)構(gòu)，a≈5.18A。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的MgS、MgO、MnS、MnO單胞參數(shù)，并且結(jié)合能譜的結(jié)果，可知第二相為MgS或(Mg,Mn)xSy粒子。

　　通過(guò)TEM證實(shí)，表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子是MgS或(Mg,Mn)xSy粒子，具有FCC結(jié)構(gòu)和近球形八面體形貌體征。

　　表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成機(jī)理是：苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面消耗表面層內(nèi)殘留有效Mg引起球鐵件表面球化衰退，消耗的殘留有效Mg與S形成了FCC結(jié)構(gòu)的MgS或(Mg,Mn)xSy第二相粒子，并且第二相粒子存在于表面球化衰退層微觀組織中。

2.2 表面球化衰退防止措施

2.2.1控制鑄造工藝因素

　　在前期的研究中[1]，得出隨著固化劑苯磺酸用量的增加、再生砂含量的增加、澆注溫度的增加、局部越過(guò)熱等，表面球化衰退層厚度增加，因此在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過(guò)控制這些鑄造工藝因素來(lái)減小表面球化衰退層厚度。在樹(shù)脂砂造型過(guò)程中，通過(guò)控制使用較低的固化劑苯磺酸用量（0.35%），較低的再生砂含量（0.33%），較低的澆注溫度（1360℃），以及防止局部過(guò)熱等鑄造工藝措施，可使表面球化衰退層厚度控制在0.2mm以內(nèi)，如圖6所示。從圖6中可以看出表面球化衰退層厚度比車(chē)間正常生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層厚度（如圖1所示）減少很多。控制這些鑄造工藝因素來(lái)減小表面球化衰退層厚度的機(jī)理主要是減少硫增加的途徑及降低消耗殘留有效Mg的工藝因素。

2.2.2使用低硫苯磺酸固化劑

　　通常供應(yīng)商提供的苯磺酸固化劑的硫含量在25%左右，降低苯磺酸固化劑硫含量（脫硫）生產(chǎn)工序復(fù)雜及成本增加。本實(shí)驗(yàn)使用的低硫苯磺酸固化劑硫含量為6%-13%。圖7為使用低硫苯磺酸固化劑生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，與圖1相比，球化衰退層厚度降低，并且球化衰退層微觀組織中石墨以蠕蟲(chóng)狀石墨為主，基本沒(méi)有片狀石墨，進(jìn)一步說(shuō)明球化衰退減輕。使用低硫苯磺酸固化劑球化衰退減輕的主要原因是低硫固化劑苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面的[S]減少了的緣故。  

　　使用低硫苯磺酸固化劑生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退減輕，但是距離實(shí)際生產(chǎn)需要還有一定差距。

2.2.3 使用防滲硫涂料

　　使用防滲硫涂料減輕表面球化衰退的原理是防滲硫涂料層強(qiáng)度高以及致密可以阻止硫進(jìn)入與型壁接觸的熔體表層。圖8是使用防滲硫涂料（涂料層較厚）生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，與圖1相比，表面球化衰退層厚度明顯減小。這主要?dú)w于防滲硫涂料層阻止硫的滲入的原因。

　　圖9是使用防滲硫涂料（涂料層較?。┥a(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，與圖8相比，表面球化衰退層厚度有所增加。表面球化衰退層厚度有所增加的主要原因可能是涂料層較薄不致密阻止硫滲入的效果減輕引起的。

2.2.4 使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂

　　圖10是使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖10與圖1相比，試樣表面基本無(wú)球化衰退層，表面球化效果基本與使用粘土砂型的表面球化效果（如圖2所示）一致。使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂試樣表面基本無(wú)球化衰退層的機(jī)理是昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂及催化劑都不含有硫的原因。

2.2.5 使用堿酚醛樹(shù)脂

　　圖11是使用堿酚醛樹(shù)脂生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖11與圖1相比，球鐵試樣表面有微小的球化衰退層，表面球化效果接近使用粘土砂型的表面球化效果（如圖2所示）。使用堿酚醛樹(shù)脂表面球化效果接近使用粘土砂型的原理是堿酚醛樹(shù)脂及催化劑不含有硫的緣故。

3　生產(chǎn)驗(yàn)證

到目前為止，一汽鑄造技術(shù)中心車(chē)間已經(jīng)使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂批量生產(chǎn)橋殼、減殼等軍車(chē)鑄件，已有2年時(shí)間，橋殼、減殼等軍車(chē)鑄件表面球化質(zhì)量穩(wěn)定，沒(méi)有因表面球化衰退引起的橋殼斷裂，并且生產(chǎn)操作方便以及過(guò)程控制可行。一汽鑄造技術(shù)中心使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)球鐵鑄件已經(jīng)徹底解決了球鐵件的表面球化衰退缺陷，鑄件表面質(zhì)量穩(wěn)定，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益以及贏得了信譽(yù)。2年生產(chǎn)時(shí)間足以證明使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂解決球鐵鑄件表面球化衰退缺陷的措施是可靠、可行的。

4　結(jié)論

（1）表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子是MgS或(Mg，Mn)xSy粒子，具有FCC結(jié)構(gòu)和近球形八面體形貌體征。

（2）控制鑄造工藝因素，可使表面球化衰退層厚度控制在0.2mm以內(nèi)，但不穩(wěn)定，受人為因素影響很大，過(guò)程控制較難。

（3）使用低硫苯磺酸固化劑，表面球化衰退減輕，過(guò)程容易控制，但是距離實(shí)際生產(chǎn)需要還有一定差距。

（4）使用防滲硫涂料，表面球化衰退層厚度明顯減輕，但受防滲硫涂料層厚度、致密性、均勻性影響很大，過(guò)程控制較難

（5）使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂，表面基本無(wú)球化衰退層，表面球化效果基本與使用粘土砂型的表面球化效果一致，過(guò)程控制容易實(shí)現(xiàn)。

（6）使用堿酚醛樹(shù)脂，表面有微小的球化衰退層，表面球化效果接近使用粘土砂型的表面球化效果，過(guò)程控制容易實(shí)現(xiàn)。

苯磺酸硬化呋喃樹(shù)脂砂因其生產(chǎn)鑄件尺寸精度高及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于球墨鑄鐵件的生產(chǎn)[1,2]，但使用苯磺酸硬化呋喃樹(shù)脂砂生產(chǎn)球鐵件表面的球化衰退一直困擾著球鐵件的生產(chǎn)廠家，大批科研人員一直致力于球鐵件表面球化衰退的研究[1-6]，對(duì)球鐵件表面球化衰退的原因及機(jī)理等[1,5,6] 研究較多，而對(duì)球墨鑄鐵件表面球化衰退的防止措施報(bào)道較少。文獻(xiàn)[1,5,6]認(rèn)為球鐵件表面微觀組織球化衰退成片狀石墨或蠕蟲(chóng)狀石墨主要是由于苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面消耗表面層內(nèi)殘留有效Mg引起的，但均沒(méi)有明確說(shuō)明Mg的存在形式，有待于深入研究。本文的目的是對(duì)苯磺酸硬化呋喃樹(shù)脂砂生產(chǎn)的球墨鑄鐵件表面球化衰退的微觀組織特征及防止措施進(jìn)行研究，并對(duì)球墨鑄鐵件表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，給出切實(shí)可行的表面球化衰退的防止措施。

1　試驗(yàn)方法

　　選用車(chē)間生產(chǎn)橋殼及減速器殼球鐵鑄件用牌號(hào)QT450-10，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：3.7%-3.9% C、2.6%-2.9% Si、0.2-0.35% Mn、0.1-0.2% Cu、≤0.06% P、≤0.02% S、0.04%-0.06% Mg、0.025%-0.04% RE。試驗(yàn)合金用中頻感應(yīng)電爐熔煉，出爐溫度為1480-1520 ℃，澆注溫度為1360-1420 ℃。

　　呋喃樹(shù)脂砂的粘結(jié)劑用呋喃樹(shù)脂，固化劑用對(duì)甲苯磺酸，原砂及再生砂采用不同比例。

試驗(yàn)金相試樣切成10mm×10mm×20mm，通過(guò)光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）、電子探針（EPMA）及透射（TEM）等對(duì)試樣表面的顯微組織、成分分布進(jìn)行分析。

　　車(chē)間正常生產(chǎn)工藝生產(chǎn)試樣及粘土砂型生產(chǎn)試樣的微觀組織如圖1及圖2。圖1是采用車(chē)間正常生產(chǎn)工藝生產(chǎn)球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖2是使用粘土砂型生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化層微觀組織。

2　試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1表面球化衰退的微觀組織特征分析

2.1.1 表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成分析

圖3是表面球化衰退層片狀石墨區(qū)背散射，從圖3中可以清楚看到球化衰退層內(nèi)有很多球狀粒子存在，粒子尺寸在1-5μm的范圍內(nèi)，能譜分析認(rèn)為這些粒子可能是Mg與S或O形成的[1]。

基于前期的研究[1]，苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面消耗表面層內(nèi)殘留有效Mg引起球鐵件表面球化衰退，消耗的殘留有效Mg可能與S或O形成了第二相粒子，并且第二相粒子存在于表面球化衰退層微觀組織中（如圖3所示）。

2.1.2 表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結(jié)構(gòu)特征分析

圖4是第二相粒子TEM形貌圖片，從圖中可以清晰看出第二相粒子呈近球形八面體形貌。

　　圖5是第二相粒子TEM衍射圖譜，經(jīng)過(guò)標(biāo)定，該第二相粒子為FCC結(jié)構(gòu)，a≈5.18A。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的MgS、MgO、MnS、MnO單胞參數(shù)，并且結(jié)合能譜的結(jié)果，可知第二相為MgS或(Mg,Mn)xSy粒子。

　　通過(guò)TEM證實(shí)，表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子是MgS或(Mg,Mn)xSy粒子，具有FCC結(jié)構(gòu)和近球形八面體形貌體征。

　　表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成機(jī)理是：苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面消耗表面層內(nèi)殘留有效Mg引起球鐵件表面球化衰退，消耗的殘留有效Mg與S形成了FCC結(jié)構(gòu)的MgS或(Mg,Mn)xSy第二相粒子，并且第二相粒子存在于表面球化衰退層微觀組織中。

2.2 表面球化衰退防止措施

2.2.1控制鑄造工藝因素

　　在前期的研究中[1]，得出隨著固化劑苯磺酸用量的增加、再生砂含量的增加、澆注溫度的增加、局部越過(guò)熱等，表面球化衰退層厚度增加，因此在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過(guò)控制這些鑄造工藝因素來(lái)減小表面球化衰退層厚度。在樹(shù)脂砂造型過(guò)程中，通過(guò)控制使用較低的固化劑苯磺酸用量（0.35%），較低的再生砂含量（0.33%），較低的澆注溫度（1360℃），以及防止局部過(guò)熱等鑄造工藝措施，可使表面球化衰退層厚度控制在0.2mm以內(nèi)，如圖6所示。從圖6中可以看出表面球化衰退層厚度比車(chē)間正常生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層厚度（如圖1所示）減少很多?？刂七@些鑄造工藝因素來(lái)減小表面球化衰退層厚度的機(jī)理主要是減少硫增加的途徑及降低消耗殘留有效Mg的工藝因素。

2.2.2使用低硫苯磺酸固化劑

　　通常供應(yīng)商提供的苯磺酸固化劑的硫含量在25%左右，降低苯磺酸固化劑硫含量（脫硫）生產(chǎn)工序復(fù)雜及成本增加。本實(shí)驗(yàn)使用的低硫苯磺酸固化劑硫含量為6%-13%。圖7為使用低硫苯磺酸固化劑生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，與圖1相比，球化衰退層厚度降低，并且球化衰退層微觀組織中石墨以蠕蟲(chóng)狀石墨為主，基本沒(méi)有片狀石墨，進(jìn)一步說(shuō)明球化衰退減輕。使用低硫苯磺酸固化劑球化衰退減輕的主要原因是低硫固化劑苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面的[S]減少了的緣故。  

　　使用低硫苯磺酸固化劑生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退減輕，但是距離實(shí)際生產(chǎn)需要還有一定差距。

2.2.3 使用防滲硫涂料

　　使用防滲硫涂料減輕表面球化衰退的原理是防滲硫涂料層強(qiáng)度高以及致密可以阻止硫進(jìn)入與型壁接觸的熔體表層。圖8是使用防滲硫涂料（涂料層較厚）生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，與圖1相比，表面球化衰退層厚度明顯減小。這主要?dú)w于防滲硫涂料層阻止硫的滲入的原因。

　　圖9是使用防滲硫涂料（涂料層較薄）生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，與圖8相比，表面球化衰退層厚度有所增加。表面球化衰退層厚度有所增加的主要原因可能是涂料層較薄不致密阻止硫滲入的效果減輕引起的。

2.2.4 使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂

　　圖10是使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖10與圖1相比，試樣表面基本無(wú)球化衰退層，表面球化效果基本與使用粘土砂型的表面球化效果（如圖2所示）一致。使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂試樣表面基本無(wú)球化衰退層的機(jī)理是昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂及催化劑都不含有硫的原因。

2.2.5 使用堿酚醛樹(shù)脂

　　圖11是使用堿酚醛樹(shù)脂生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖11與圖1相比，球鐵試樣表面有微小的球化衰退層，表面球化效果接近使用粘土砂型的表面球化效果（如圖2所示）。使用堿酚醛樹(shù)脂表面球化效果接近使用粘土砂型的原理是堿酚醛樹(shù)脂及催化劑不含有硫的緣故。

3　生產(chǎn)驗(yàn)證

到目前為止，一汽鑄造技術(shù)中心車(chē)間已經(jīng)使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂批量生產(chǎn)橋殼、減殼等軍車(chē)鑄件，已有2年時(shí)間，橋殼、減殼等軍車(chē)鑄件表面球化質(zhì)量穩(wěn)定，沒(méi)有因表面球化衰退引起的橋殼斷裂，并且生產(chǎn)操作方便以及過(guò)程控制可行。一汽鑄造技術(shù)中心使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)球鐵鑄件已經(jīng)徹底解決了球鐵件的表面球化衰退缺陷，鑄件表面質(zhì)量穩(wěn)定，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益以及贏得了信譽(yù)。2年生產(chǎn)時(shí)間足以證明使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂解決球鐵鑄件表面球化衰退缺陷的措施是可靠、可行的。

4　結(jié)論

（1）表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子是MgS或(Mg，Mn)xSy粒子，具有FCC結(jié)構(gòu)和近球形八面體形貌體征。

（2）控制鑄造工藝因素，可使表面球化衰退層厚度控制在0.2mm以內(nèi)，但不穩(wěn)定，受人為因素影響很大，過(guò)程控制較難。

（3）使用低硫苯磺酸固化劑，表面球化衰退減輕，過(guò)程容易控制，但是距離實(shí)際生產(chǎn)需要還有一定差距。

（4）使用防滲硫涂料，表面球化衰退層厚度明顯減輕，但受防滲硫涂料層厚度、致密性、均勻性影響很大，過(guò)程控制較難

（5）使用昆騰樹(shù)脂和派普樹(shù)脂，表面基本無(wú)球化衰退層，表面球化效果基本與使用粘土砂型的表面球化效果一致，過(guò)程控制容易實(shí)現(xiàn)。

（6）使用堿酚醛樹(shù)脂，表面有微小的球化衰退層，表面球化效果接近使用粘土砂型的表面球化效果，過(guò)程控制容易實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)自：鑄造網(wǎng)

下圖為：高度自動(dòng)化鐵型覆砂生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍圖片