探究呋喃树脂砂对超低碳钢试验件的影响

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，很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，砂型表面受热条件很为严酷，铸件表面含碳量严重很标，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，但对很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很低碳钢试验件，研究试验件表层增碳规律和增碳机理。

1试验材料及方法

很低碳钢试验件的化学成分如表l所示。采用AOD精炼炉精炼。采用无氮呋喃树脂自硬砂型（新旧砂比例为2：8，树脂加入量为1.2%，固化剂加入量为40。浇注阶梯试板试验件，试验件结构及试样选取部位如图l所示。

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，较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很声波清洗仪中（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

21不同壁厚低碳钢铸件表层含碳量

图2为不同壁厚处试样表层至中心含碳量变化曲线。从图2中可以看出，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较大值，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。

22不同壁厚低碳钢铸件表层硬度

图3为不同壁厚试样表层至中心维氏硬度变化曲线。从图3中可以看出，不同壁厚铸件表面硬度明显高于本体硬度；随着铸件壁厚的增大，铸件表面硬度也随之增加，在壁厚达到200mm时，铸件表面硬度达到较大值，为HV517。相同壁厚试样，沿表面至中心方向，硬度逐渐降低，结合图2可以看出硬度变化趋势与含碳量变化趋势基本一致。

23不同壁厚低碳钢铸件增碳层铸态组织

图4-图7分别为壁厚50mm、100mm、200mm、300mm处试样，距离表面2mm、5mm、10mm处400倍的金相显微组织。

从图4-图7可以看出，试样显微组织大部分都是由板条马氏体和少量6铁素体构成，在金相照片中可以分辨出不同马氏体板条束间的边界和6铁素体，沿原奥氏体晶界分布的白亮色条块状组织即是6铁素体。随着试验件壁厚的增加，显微组织中马氏体板条束大小也进一步增大。随着壁厚的增加，铸件表面含碳量增高，200mm壁厚试样表层2mm和5mm及300mm壁厚试样表层2mm铸态组织中出现针状马氏体组织，如图6a、6b和图7a所示。

图8为200mm壁厚试样C2表面至心部方向12.5倍金相显微组织。从图8中可以看出，200mm壁厚试样表面细晶区厚度约为5.4mm，可以清楚观察到细晶区和柱状晶区过渡区。结合图2，可以看出过渡区所在部位与出现含碳量升高部位基本一致。

24低碳马氏体不锈钢铸件增碳层电子探针面扫描分析

图9为壁厚200mm处试样C2表层至中心采用mappinganalysis方法观察碳元素强度面分布图。从图9可以看出碳元素强度的面分布趋势，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。

25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。

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。

根据公式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较大壁厚(300mm）处位于砂型较上部，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，同时该部位热容量较大，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。

马氏体的硬度主要取决于含碳量，马氏体的硬度随着含碳量的增加而急剧增高，试验件表层显微硬度变化趋势与碳含量变化趋势基本一致，如图3所示。碳原子在钢液中的分配系数ko

1、采用呋喃树脂砂工艺生产很低碳钢铸件时，铸件表面会出现严重增碳现象，不同壁厚（分别为：50mm，100mm，200mm，300mm）试验铸件表面含碳量达到本体含碳量的2～7倍，增碳层深度达到8～12mm。随着铸件壁厚的增加，表层含碳量和增碳层深度都有所增加。其中200mm壁厚和300mm壁厚表层显微组织中有针状马氏体组织出现。

2、呋喃树脂在高温金属液的作用下，树脂分解直接生成碳原子和燃烧生成C02、CO、CH4等气体，气体在界面解离生成碳原子，这些碳原子直接溶解进入钢液，随着凝固的进行向钢液内部扩散，是很低碳钢铸件表层增碳的根本原因。