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呋喃树脂砂对超低碳钢试验件的影响

时间:2019-03-15 10:20:58   tags:

我国铸钢件的年产量为320多万吨,在能源、化工、冶金、采矿等领域的应用越来越广泛。目前国内一些铸钢厂采用了低氮或无氮呋喃树脂自硬砂造型、制芯工艺,铸钢件的尺寸精度和表面质量有了明显提高,粘砂和冲砂等缺陷大为减少。但在生产过程中发现,超低碳钢铸件采用呋喃树脂自硬砂造型时,由于浇注温度高,金属对砂型表面的热作用时间长,砂型表面受热条件极为严酷,铸件表面含碳量严重超标,物理和力学性能下降,严重影响了铸件质量,甚至使铸钢件报废,造成严重的经济损失。

国内外研究者对呋喃树脂自硬砂生产铸钢件容易产生气孔、粘砂、热裂纹、渗硫等铸造缺陷有了深入研究,但对超低碳钢铸件表面增碳没有引起足够重视,研究尚不充分。本试验采用呋喃树脂砂制备超低碳钢试验件,研究试验件表层增碳规律和增碳机理。

1、试验材料及方法

在试验件表层A、B、C、D四处采用机械加工方式分别切割成尺寸为20mmx20mmx20mm两组金相试样,在试样表层下每lmm深度方向用维氏硬度仪测量硬度。将试样用400号砂纸从表层依次打磨,每次打磨厚度为lmm,在QSN-750直读光谱仪上测量碳含量。在每个试样距表层2mm、5mm、10mm三处位置用金相砂纸打磨(顺序是从400号到金相砂纸),然后用抛光液在抛光机上进行抛光,用酒精擦拭试样表面脱脂,水冲洗吹干,用腐蚀液腐蚀2min(浸蚀液:35gFeCl+50mL盐酸+100mL蒸馏水),冲洗干净吹干,最后通过金相显微镜观察其组织并摄影。将制备好的金相样品在超声波清洗仪中(蒸馏水清洗20min)冲洗干净吹干,试验参数:加速电压15kV;束流100nA,用电子探针从试样表层至中心方向进行面扫描。

2、试验结果与分析

采用呋喃树脂自硬砂做造型材料时,不同壁厚铸件表面含碳量明显高于铸件心部含碳量;其中50mm和100mm壁厚试样,增碳层深度达到9~10mm;200mm和300mm壁厚试样,增碳层深度达到12-13mm,随着铸件壁厚的增大,铸件表面含碳量也随之增加,在壁厚达到200mm时,铸件表面含碳量和增碳层深度都达到最大值,表面含碳量为0.258%,增碳层深度达到12--13mm。沿铸件表面至中心方向,含碳量逐渐降低,铸件在距表面5—7mm处含碳量出现明显升高趋势。

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3、低碳马氏体不锈钢铸件增碳层电子探针面扫描分析

沿表面至中心方向,宏观观察碳元素强度是逐渐降低,试样表面碳元素强度明显高于内部碳元素强度;在距表面10~11mm以下区域碳元素强度基本一致,但在距表面l—2mm和5—6mm区域碳元素强度出现升高趋势。结合图2和图3可以看出200mm壁厚试样C2碳元素强度的面分布趋势与含碳量及显微硬度变化趋势基本一致。通过电子探针扫描测量200mm壁厚试样C2的碳元素分布趋势(图9与直读光谱仪测量的含碳量分布趋势(图2)基本一致,进一步验证了呋喃树脂砂生产低碳钢铸件表层增碳现象和增碳规律。

4、结果分析

我国高禹等人研究了质子辐照AG-80环氧树脂表面发现,质子辐照会使树脂中化学键C-C、C-H、C-N和C-O受到破坏,并且在AG-80环氧树脂表层发生碳的富集,随辐照剂量增加,碳富集的区域增多,并且碳化趋势越来越明显。证明树脂在高温下会直接分解出大量碳原子。

同时,按传统理论,型(芯)表面的树脂粘结剂在高温金属液的作用下会很快分解和燃烧,分解出C0、C02、CH4、H20、S02等双原子气体,树脂燃烧反应式为:

CH3C6H4S03H+X02-YC02+ZCO+PH20+QCmHn+S02(1)

分解产生的CO、C02、CH4等双原子气体和金属原子之间具有一定的亲和力,在铸型与金属液面接触处又离解为碳原子。

碳在液态钢中的标准溶解自由焓变为:

△GT=5071.43-9.9962TCal/mol(2)

当浇注温度为T=1853K时,按公式(2)计算得出吉布斯自由能△GT=-13451Cal/mol,表明在该温度下,碳的溶解反应进行趋势很大。碳原子能在钢液中迅速溶解,碳原子在钢中的溶解反应属扩散动力学范畴,扩散反应是总反应的控制过程。扩散过程就是碳原子从浓度较高的钢液表层向浓度较低的钢液内部运动的过程,使浓度趋于平衡。

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5、由菲克定律得出碳在钢液中的扩散方程:

式中:nc为碳在钢液中的克原子数,t为时间,C*c为碳在界面上的浓度,Cc为碳在钢液中的浓度,Dc为碳在钢液中的扩散系数,h为扩散界面有效厚度,A为扩散界面面积。

由单位换算关系有:

将(4)-(6)式带入(3)式得式中:【%C】为碳在钢液中的浓度,【%C*]为碳在界面上的浓度,ρ为钢液密度,Mc为碳的原子量,V为钢液体积。

碳原子在铸件表面钢液中不断溶解,同时在钢液内部不断扩散。因此,在浇注过程中,碳原子的直接溶解反应在热力学和动力学上是可行的,碳原子能直接溶解进入钢液中,这是造成铸件表面增碳的重要原因。

据公式⑦可以得出,钢液温度越高,吉布斯自由能△CT值越小,碳原子在铸件表面溶解趋势越大,铸件表面碳原子浓度越高。根据公式⑦可以得出,铸件表层与钢液内部碳原子浓度差越大,碳原子在钢液中的扩散速度越快,随着壁厚的增加,碳原子扩散时间越长,碳原子的扩散深度越大。所以随着试验件壁厚的增加,铸件表面含碳量越高,增碳层深度越大,如图2所示。由于试验件设计结构最大壁厚(300mm)处位于砂型最上部,树脂燃烧产生的气体便于析出,铸件表面溶解的碳原子总量减少了,同时该部位热容量最大,热作用时间长,促使钢液中溶解的碳原子再次生成气体析出和碳原子扩散,因此,铸件表面含碳量偏低,表层含碳量的变化趋势较为平缓。


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