呋喃樹脂砂球鐵件表層球化不良的原因和防治方法

1、生產(chǎn)現(xiàn)象

通過金相， 發(fā)現(xiàn)呋喃樹脂表面球化不良， 異常組織為片狀石墨層， 厚度在3-5mm， 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球化元素不足 （Mg） ,或存在 干擾元素，如 S 等。 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,加入量為 1.0%(占砂) ； 固化劑為 SQ-A 和 SQ-B，加入量為 30～50%（占樹脂） 。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)呋喃樹脂再生砂中的 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-、SO32-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，降低呋喃樹脂砂表層的殘余Mg含量，使呋喃樹脂砂表層球化不良，出現(xiàn)片狀石墨組織。
 

3 防止措施

由以上分析，可知呋喃樹脂砂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，降低了呋喃樹脂砂表層的殘余Mg含量。要防止球鐵呋喃樹脂砂表層出現(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€方面解決這個問題：一是降低型砂中S元素的含量，減少傳遞源；二是采取措施，阻止S元素由型砂向鐵液的傳遞，從傳遞過程上解決；第三則是增加鐵水中殘余Mg含量，抵消S 的影響。具體有以下幾種方法：

3．1減少傳遞源

(1)降低呋喃樹脂再生砂的灼燒減量
呋喃樹脂再生砂中的硫元素與呋喃樹脂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，呋喃樹脂再生砂中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。降低呋喃樹脂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，降低呋喃樹脂砂產(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，能有效降低鑄型和呋喃樹脂再生砂中的硫含量，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，不僅能降低鑄型和呋喃樹脂再生砂中的硫含量，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，呋喃樹脂再生砂的灼燒減量以及S含量都會變低。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，能從根本上解決呋喃樹脂砂表層球化不良問題。磷酸高溫下潰散性差，呋喃樹脂再生砂中的磷酸鹽易沉積，反復(fù)使用時，呋喃樹脂砂表面會出現(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，在呋喃樹脂再生砂中加入新砂，能降低型砂中S元素的含量，應(yīng)避免使用100%的呋喃樹脂再生砂。但是新砂加入量不能太高，否則會增加樹脂固化劑的加入量，反而增加型砂中S元素的含量。

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SO32-的形式通過含有MgO的涂料層進(jìn)入鐵液時，能被涂料層中的MgO所吸收。

SO2+MgO→ MgSO3

SO32-+Mg2+ → MgSO3

S2- +Mg2+ → MgS

（2）提高呋喃樹脂砂的冷卻速度
冷卻速度越慢, 鐵液保持液態(tài)的時間也就越長，對砂型熱作用時間長，使固化劑受熱分解量增加，同時增加了硫元素的擴(kuò)散時間，球化衰退加劇。提高呋喃樹脂砂的冷卻速度，能有效的減少硫元素的擴(kuò)散時間，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

（1）增加鐵液殘余Mg含量
提高稀土鎂球化劑的加入量，增加鐵液殘余Mg含量，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含量。只能使表層片狀石墨區(qū)減薄，并不能完全消除。殘余Mg含量不能過高，否則呋喃樹脂砂會出現(xiàn)渣眼、 縮松、 氣等缺陷，嚴(yán)重時呋喃樹脂砂出現(xiàn)滲碳體組織，惡化呋喃樹脂砂機(jī)械性能。

3.4 采取的措施

通過以上分析，結(jié)合我廠的實(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。此時呋喃樹脂再生砂中的S含量約在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。

（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)金屬的接觸時間, 減少硫元素的擴(kuò)散。

（3）提高殘余Mg含量，將殘余Mg由0.03～0.04%增加到0.04～0.06%。 采取這些措施以后，我們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。

4 結(jié)論

有機(jī)磺酸固化劑的使用，使樹脂砂呋喃樹脂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，呋喃樹脂砂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含量等措施使這種缺陷得到很好的控制。