采用樹脂砂工藝生產(chǎn)低碳鋼鑄件時,鑄鋼件表面容易發(fā)生滲碳缺陷。
鑄鋼件增碳會降低斷面收縮率、伸長率,惡化塑性和韌性。低碳鋼鑄件表層增碳還會導(dǎo)致硬度增加、機(jī)加工困難、焊接性能下降等問題。低碳不銹鋼鑄件表層增碳還會使其抗腐蝕能力下降。低碳鋼鑄件的防滲碳問題是近年來的研究熱點(diǎn)。
低碳鋼鑄件表層增碳的產(chǎn)生原因主要是:在鋼液澆注和鑄件凝固過程中,樹脂砂型(芯)工作表層和涂料中的樹脂等有機(jī)物發(fā)生熱分解,產(chǎn)物為CO、CO2、CH4及少量H2,還有一定量的熱解碳;這些含碳熱解產(chǎn)物通過砂型(芯)/鑄件界面向鑄件表層擴(kuò)散和滲透,導(dǎo)致鑄件表層增碳。
由此推測:在砂型(芯)工作表面涂敷一層在高溫下能形成一定厚度的致密燒結(jié)玻璃體的涂料,對于防止低碳鋼表層增碳應(yīng)是一種簡便、有效的方法。為此,我們開展了低碳鋼鑄件防滲碳涂料的開發(fā)與應(yīng)用研究。
1低碳鋼鑄件防滲碳涂料的成分設(shè)計(jì)
新型低碳不銹鋼鑄件防滲碳涂料主要由耐火基料、粘結(jié)劑、溶劑、分散懸浮劑和其它附加物(燒結(jié)助劑、消泡劑、潤濕劑、減水劑、固化劑、流平劑等)組成。
1.1耐火粉料
低碳不銹鋼鑄件防滲碳涂料不僅要求涂層燒結(jié)致密,而且要求具有良好的防粘砂效果。按照“涂料燒結(jié)剝離防粘砂”理論,粉料的耐火度不必要求過高,主要應(yīng)考慮耐火粉料自身或與涂料中其它組分之間及與砂型基體之間的反應(yīng)燒結(jié)性,此時要求其燒結(jié)點(diǎn)接近鑄造合金的澆注溫度,能在澆注過程中生成新相或產(chǎn)生輕度燒結(jié),或完全熔融,涂料層呈陶瓷態(tài)或高粘度的玻璃態(tài),能抵抗金屬液滲透,并且冷卻后易于與鑄件剝離,得到表面光潔的鑄件,這種涂料稱之為燒結(jié)剝離型涂料。燒結(jié)剝離型涂料的耐火粉料一般為復(fù)合型,即由多種能在金屬液澆注溫度下相互燒結(jié)的粉料構(gòu)成,也可在一種粉料的基礎(chǔ)上添加相應(yīng)的助熔劑(或氧化劑),以使粉料產(chǎn)生適度燒結(jié)和熔融。
按照“涂料燒結(jié)致密防滲碳”理論,燒結(jié)致密的涂料剛好能作為砂型(芯)工作表面的屏蔽層,阻擋來自砂型(芯)的C與金屬液反應(yīng),或者通過氣相或固相擴(kuò)散進(jìn)入金屬液,從而避免鑄鋼件產(chǎn)生增C等缺陷。
獲得在高溫下高致密、具有良好屏蔽性的涂層的方法有:
(1)使用燒結(jié)溫度比金屬的澆注溫度低50~100℃,能發(fā)生輕度燒結(jié)的耐火材料,以形成致密的涂層。
(2)在涂料耐火骨料中配入某些助熔成分,在澆注溫度下適度熔融,形成一層致密無縫的玻璃體。
(3)選用細(xì)粒度的耐火粉料。一般要求粉料粒度能全部過325目(40μm),其中<10μm的應(yīng)占15%~20%為宜。
根據(jù)以上分析,為了同時保證低碳不銹鋼鑄件防滲碳和防粘砂的雙重效果,我們采用鋯英粉作為本涂料的耐火基料。
鋯英粉的熔點(diǎn)隨所含雜質(zhì)的不同而在2190~2430℃內(nèi)波動,但在1540℃時可熱分解為ZrO2和SiO2,并開始燒結(jié)(SiO2的熔點(diǎn)較低),具有一定的自燒結(jié)性。因此鋯英砂的燒結(jié)溫度與熔化溫度之間有一個較寬的溫度區(qū)間,這有利于它在金屬液澆注后產(chǎn)生燒結(jié)剝離,使鑄件表面容易清理。鋯英粉還幾乎不被熔融金屬或金屬氧化物浸潤,有利于阻止金屬液侵入鑄型孔隙,可減少機(jī)械粘砂缺陷。另外,鋯英粉在高溫下表現(xiàn)為中性至弱酸性,與堿性渣反應(yīng)緩慢,熱化學(xué)穩(wěn)定性高,可防止化學(xué)粘砂缺陷。
鋯英粉還應(yīng)有合理的粒度分布。粒度過粗,涂料層粗糙,而且懸浮性和滲透性不好;過細(xì),則涂層抗裂性差。其粒度分布應(yīng)在合適的粒徑范圍內(nèi)呈較大的分散度,以充分利用粗細(xì)粒子的相互鑲嵌作用,得到致密的涂層,提高其抗金屬液滲透能力和抗?jié)B碳能力。我們采用325目鋯英粉作為本涂料的耐火基料,
其中粒徑小于10μm的微細(xì)粒子大于15%。為了根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)條件(重量、壁厚等)和生產(chǎn)條件(材質(zhì)、澆注溫度等)調(diào)整鋯英砂的燒結(jié)溫度范圍,本涂料還外加適量的某種助熔劑。該助熔劑在超過1000℃后可發(fā)生熱分解,產(chǎn)生一種高溫化學(xué)穩(wěn)定性好的還原性氣體。這種還原性氣體能避免砂型(芯)/鑄件界面的含碳物質(zhì)與鋼液接觸,防止界面鋼液層吸碳,從而有效地減輕或消除鑄件表面滲碳。
1.2粘結(jié)劑
鑄造涂料既要具有一定的常溫強(qiáng)度,又要具有良好的高溫強(qiáng)度。根據(jù)這一要求,粘結(jié)劑應(yīng)采用有機(jī)低溫粘結(jié)劑和無機(jī)高溫粘結(jié)劑復(fù)合使用工藝。但是,有機(jī)粘結(jié)劑一般含碳,其高溫?zé)峤猱a(chǎn)物必然含碳。因此,在保證涂料具有一定常溫強(qiáng)度的前提下,應(yīng)盡量減少涂料中有機(jī)粘結(jié)劑的加入量,多使用無機(jī)高溫粘結(jié)劑。
1.3溶劑
醇基涂料的溶劑一般采用乙醇,但是普通工業(yè)乙醇的燃燒性在冬季較差,涂層燃燒不完全。為了改善燃燒性能,降低生產(chǎn)成本,可加入甲醇作為輔助溶劑,但因其對人體視神經(jīng)有較強(qiáng)的刺激性,故不應(yīng)多加。水基涂料的溶劑采用普通自來水。
1.4分散懸浮穩(wěn)定劑
我們采用一種特殊硅酸鋁質(zhì)粘土為基礎(chǔ)材料,應(yīng)用膠體化學(xué)的靜電位阻分散穩(wěn)定理論,以特殊復(fù)合電解質(zhì)和高分子聚合物作為分散劑,并輔已多種附加物對其進(jìn)行綜合改性處理,開發(fā)出新型水基和醇基復(fù)合分散懸浮劑[1](已于1998年獲得國家發(fā)明專利),分別用于生產(chǎn)水基和醇基涂料,取得了顯著效果。新型分散懸浮劑具有以下特點(diǎn)。
(1)醇基復(fù)合分散懸浮劑不需用含碳量較高的二甲苯引發(fā),僅用水活化即可,而且在乙醇中的膨脹值與膨潤土相當(dāng)。
(2)耐火度高達(dá)1650~1670℃,比膨潤土高300℃以上,對涂料耐火性能無不良影響。
(3)0~1200℃熱收縮率為12.1%,僅為膨潤土0~1200℃熱收縮率的2/3,不會使涂層產(chǎn)生裂紋缺陷。
(4)耐火度和抗裂性的顯著提高,使其在涂料中的容許最高加入量可高達(dá)12%(占耐火粉料重),加入量范圍寬。
(5)起分散劑作用的主要組分同時具有涂料高溫粘結(jié)劑作用;起懸浮劑作用的主要組分同時也是低溫或高溫粘結(jié)劑,均具有多重作用。
經(jīng)對數(shù)十種配方的試驗(yàn)涂料進(jìn)行性能測試對比和澆注試驗(yàn),優(yōu)選出新型低碳鋼鑄件表面防滲碳鋯英粉水基和醇基涂料的最佳配比范圍如表1所示。
表1
2?低碳鋼鑄件防滲碳涂料的生產(chǎn)工藝及設(shè)備
目前涂料的加工設(shè)備主要有攪拌機(jī)、碾壓機(jī)和球磨機(jī)三種。攪拌機(jī)和碾壓機(jī)對涂料耐火粉料的細(xì)化作用很弱,混勻性差,加工時間長達(dá)數(shù)小時甚至十幾小時,混制的涂料懸浮性和涂刷性等工藝性能較差。球磨機(jī)對粉料的細(xì)化作用較好,但不能連續(xù)生產(chǎn),而且加工時間仍長達(dá)數(shù)小時,生產(chǎn)效率較低,不適于大批量生產(chǎn)。
預(yù)先輔以攪拌機(jī)攪拌的膠體磨加工工藝,是迄今較為理想的涂料生產(chǎn)工藝。初步攪拌均勻的涂料經(jīng)齒輪泵打入膠體磨后,由于膠體磨轉(zhuǎn)齒和定齒之間(兩者間隙60μm以下)的相對高速轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)速高達(dá)3000r/min),涂料受到很強(qiáng)的抽吸、剪切、摩擦和高頻震動等作用(齒輪泵也有這些作用),能得到有效的攪拌、勻化、分散和細(xì)化,并使粉粒產(chǎn)生新的活性表面(活化),從而獲得優(yōu)異的懸浮性、涂刷性、滲透性和粘附強(qiáng)度等工藝性能[2]。
采用這種攪拌機(jī)-齒輪泵-膠體磨系統(tǒng)配制涂料,可以放寬對耐火粉料原材料的細(xì)度要求,還能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化連續(xù)生產(chǎn),而且混制加工周期短,生產(chǎn)效率高(比碾壓機(jī)等傳統(tǒng)設(shè)備提高數(shù)倍至十多倍)。
3?低碳鋼鑄件防滲碳涂料的主要性能
在工業(yè)性生產(chǎn)條件下配制的新型低碳鋼鑄件表面防滲碳鋯英粉水基和醇基涂料的主要性能如表2。
表2
新型防滲碳水基涂料在5h內(nèi)基本無沉淀,8~24h懸浮性高達(dá)98%~99%,1000℃時的發(fā)氣量為16mL/g以下。新型防滲碳醇基涂料在8h時的懸浮性達(dá)到95%,1000℃時的發(fā)氣量為19mL/g以下。兩種涂料在1200℃下急熱2min時均不產(chǎn)生裂紋,涂刷指數(shù)和觸變率也較高。
涂料涂刷指數(shù),是指涂料在低剪切速率(6r/min)下的表觀粘度與高剪切速率(60r/min)下的表觀粘度之比。它表征了涂料的剪切變稀(或變稠)性,亦即結(jié)構(gòu)觸變性。涂刷指數(shù)越高,表示涂料的涂刷性越好(涂刷省力,抗流淌性好,易涂厚)。
涂料觸變率,是指涂料表觀粘度η隨攪拌時間的變化率,亦即時間觸變性。其計(jì)算式為(η0.5-η10)/η0.5×100,其中η0.5和η10分別為涂料在6r/min的攪拌轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)0.5min和10min時的表觀粘度。觸變率越高,則涂料流平性越好,稀釋范圍越大,涂刷性亦越好。
4?低碳鋼鑄件防滲碳涂料的應(yīng)用效果
新型低碳鋼鑄件表面防滲碳鋯英粉水基和醇基涂料,在浙江溫州某閥門制造公司配合自硬呋喃樹脂砂工藝生產(chǎn)低碳不銹鋼件,取得滿意結(jié)果,已在該廠批量應(yīng)用一年多。
該廠澆注的鑄件為高壓止回閥,材質(zhì)為304型和316L型不銹鋼(美國ASTMV743標(biāo)準(zhǔn)),單件重600kg,最小壁厚50mm,最大壁厚92mm。造型制芯采用堿性酚醛樹脂砂;刷3遍涂料,分別為醇基、醇基和水基,前兩遍醇基涂料刷涂后立即點(diǎn)燃干燥,第3遍水基涂料刷涂后進(jìn)爐烘干數(shù)小時;涂層總厚度約為0.8~1.5mm。
4.1304型不銹鋼高壓止回閥的應(yīng)用效果
304型(0Cr19Ni9)不銹鋼高壓止回閥的鋼液的原始含碳量為0.06%~0.08%,澆注后要求鑄件表面層含碳量控制在0.08%以內(nèi)。
新型低碳鋼鑄件表面防滲碳鋯英粉涂料的生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果表明,新型涂料的滲透性、抗流淌性和抗裂性均很好,涂層強(qiáng)度高,發(fā)氣量小;鑄件打箱時涂層絕大部分能成片剝離,鑄件表面光潔,基本無粘砂和氣孔,大幅度提高了鑄件清整工效,節(jié)約了能源,減輕了勞動強(qiáng)度。
表3列出了分別在堿性酚醛樹脂砂芯表面,采用本涂料和上海某涂料公司鋯英粉涂料生產(chǎn)的304型不銹鋼高壓止回閥鑄件,在不同位置處的化學(xué)成分光譜分析結(jié)果。由表可知,當(dāng)使用本涂料時,鑄件表面層含碳量控制在0.074%左右,最高增碳率為11%,增碳層厚度≤0.7mm,防滲碳效果顯著;而使用上海某公司鋯英粉涂料時,鑄件表層碳量最高達(dá)0.112%,未達(dá)到生產(chǎn)要求,最高增碳率為70%,約為本涂料的7倍,增碳層厚度>1.0mm;兩種涂料對鑄件的其它成分均無影響。
4.2316L型不銹鋼高壓止回閥的應(yīng)用效果
316L型(00Cr17Ni14Mo2)不銹鋼高壓止回閥的鋼液的原始含碳量為0.024%左右。
表4列出了在堿性酚醛樹脂砂芯表面,采用本涂料生產(chǎn)的316L型不銹鋼高壓止回閥鑄件在不同位置處的化學(xué)成分光譜分析結(jié)果。由表可知,當(dāng)使用本涂料時,鑄件表面層含碳量控制在0.034%左右,增碳層厚度約1.2mm,防滲碳效果良好,對鑄件的其它成分無影響,基本滿足生產(chǎn)要求。
當(dāng)應(yīng)用CO2硬化水玻璃砂工藝時,采用本涂料生產(chǎn)的316L型不銹鋼高壓止回閥鑄件在表面和中心的化學(xué)成分光譜分析結(jié)果見表5。結(jié)果表明,采用水玻璃砂工藝時,鑄件表面層基本不增碳,對鑄件的其它成分也無影響。
由此可以證明,采用水玻璃砂工藝生產(chǎn)低碳鋼鑄件時,鑄件表面一般不發(fā)生滲碳現(xiàn)象;而采用樹脂砂工藝時,低碳鋼鑄件表面容易發(fā)生滲碳缺陷的原因主要是樹脂等有機(jī)物發(fā)生熱分解,產(chǎn)生含碳熱解產(chǎn)物所致。
表3
表4
表5
5結(jié)論
(1)新型低碳鋼鑄件表面防滲碳鋯英粉涂料的滲透性、抗流淌性和抗裂性均很好,涂層強(qiáng)度高,發(fā)氣量小;鑄件打箱時涂層絕大部分能成片剝離,鑄件表面光潔,基本無粘砂和氣孔,大幅度提高了鑄件清整工效,節(jié)約了能源,減輕了勞動強(qiáng)度。
(2)新型低碳鋼鑄件表面防滲碳鋯英粉涂料用于堿性酚醛樹脂砂生產(chǎn)低碳不銹鋼鑄件時,具有顯著地鑄件表面防滲碳效果,對鑄件的其它成分均無影響,滿足鑄件生產(chǎn)質(zhì)量要求。
(3)采用水玻璃砂工藝生產(chǎn)低碳鋼鑄件時,鑄件表面一般不發(fā)生滲碳現(xiàn)象。采用樹脂砂工藝生產(chǎn)低碳鋼鑄件時,低碳鋼鑄件表面容易發(fā)生滲碳缺陷的原因主要是樹脂等有機(jī)物發(fā)生熱分解,產(chǎn)生的含碳熱解產(chǎn)物通過砂型(芯)/鑄件界面向鑄件表層擴(kuò)散和滲透所致。
： 