铸钢件增碳会降低断面收缩率、伸长率,恶化塑性和韧性。低碳钢铸件表层增碳还会导致硬度增加、机加工困难、焊接性能下降等问题。低碳不锈钢铸件表层增碳还会使其抗腐蚀能力下降。低碳钢铸件的防渗碳问题是近年来的研究热点。

    低碳钢铸件表层增碳的产生原因主要是:在钢液浇注和铸件凝固过程中,树脂砂型(芯)工作表层和涂料中的树脂等有机物发生热分解,产物为CO、CO2、CH4及少量H2,还有一定量的热解碳;这些含碳热解产物通过砂型(芯)/铸件界面向铸件表层扩散和渗透,导致铸件表层增碳。

    由此推测:在砂型(芯)工作表面涂敷一层在高温下能形成一定厚度的致密烧结玻璃体的涂料,对于防止低碳钢表层增碳应是一种简便、有效的方法。为此,我们开展了低碳钢铸件防渗碳涂料的开发与应用研究。

    1低碳钢铸件防渗碳涂料的成分设计

    新型低碳不锈钢铸件防渗碳涂料主要由耐火基料、粘结剂、溶剂、分散悬浮剂和其它附加物(烧结助剂、消泡剂、润湿剂、减水剂、固化剂、流平剂等)组成。

    1.1耐火粉料

    低碳不锈钢铸件防渗碳涂料不仅要求涂层烧结致密,而且要求具有良好的防粘砂效果。按照“涂料烧结剥离防粘砂”理论,粉料的耐火度不必要求过高,主要应考虑耐火粉料自身或与涂料中其它组分之间及与砂型基体之间的反应烧结性,此时要求其烧结点接近铸造合金的浇注温度,能在浇注过程中生成新相或产生轻度烧结,或完全熔融,涂料层呈陶瓷态或高粘度的玻璃态,能抵抗金属液渗透,并且冷却后易于与铸件剥离,得到表面光洁的铸件,这种涂料称之为烧结剥离型涂料。烧结剥离型涂料的耐火粉料一般为复合型,即由多种能在金属液浇注温度下相互烧结的粉料构成,也可在一种粉料的基础上添加相应的助熔剂(或氧化剂),以使粉料产生适度烧结和熔融。

    按照“涂料烧结致密防渗碳”理论,烧结致密的涂料刚好能作为砂型(芯)工作表面的屏蔽层,阻挡来自砂型(芯)的C与金属液反应,或者通过气相或固相扩散进入金属液,从而避免铸钢件产生增C等缺陷。

    获得在高温下高致密、具有良好屏蔽性的涂层的方法有:

    (1)使用烧结温度比金属的浇注温度低50~100℃,能发生轻度烧结的耐火材料,以形成致密的涂层。

    (2)在涂料耐火骨料中配入某些助熔成分,在浇注温度下适度熔融,形成一层致密无缝的玻璃体。

    (3)选用细粒度的耐火粉料。一般要求粉料粒度能全部过325目(40μm),其中<10μm的应占15%~20%为宜。

    根据以上分析,为了同时保证低碳不锈钢铸件防渗碳和防粘砂的双重效果,我们采用锆英粉作为本涂料的耐火基料。

    锆英粉的熔点随所含杂质的不同而在2190~2430℃内波动,但在1540℃时可热分解为ZrO2和SiO2,并开始烧结(SiO2的熔点较低),具有一定的自烧结性。因此锆英砂的烧结温度与熔化温度之间有一个较宽的温度区间,这有利于它在金属液浇注后产生烧结剥离,使铸件表面容易清理。锆英粉还几乎不被熔融金属或金属氧化物浸润,有利于阻止金属液侵入铸型孔隙,可减少机械粘砂缺陷。另外,锆英粉在高温下表现为中性至弱酸性,与碱性渣反应缓慢,热化学稳定性高,可防止化学粘砂缺陷。

    锆英粉还应有合理的粒度分布。粒度过粗,涂料层粗糙,而且悬浮性和渗透性不好;过细,则涂层抗裂性差。其粒度分布应在合适的粒径范围内呈较大的分散度,以充分利用粗细粒子的相互镶嵌作用,得到致密的涂层,提高其抗金属液渗透能力和抗渗碳能力。我们采用325目锆英粉作为本涂料的耐火基料,

    其中粒径小于10μm的微细粒子大于15%。为了根据铸件的结构条件(重量、壁厚等)和生产条件(材质、浇注温度等)调整锆英砂的烧结温度范围,本涂料还外加适量的某种助熔剂。该助熔剂在超过1000℃后可发生热分解,产生一种高温化学稳定性好的还原性气体。这种还原性气体能避免砂型(芯)/铸件界面的含碳物质与钢液接触,防止界面钢液层吸碳,从而有效地减轻或消除铸件表面渗碳。

 1.2粘结剂

    铸造涂料既要具有一定的常温强度,又要具有良好的高温强度。根据这一要求,粘结剂应采用有机低温粘结剂和无机高温粘结剂复合使用工艺。但是,有机粘结剂一般含碳,其高温热解产物必然含碳。因此,在保证涂料具有一定常温强度的前提下,应尽量减少涂料中有机粘结剂的加入量,多使用无机高温粘结剂。

    1.3溶剂

    醇基涂料的溶剂一般采用乙醇,但是普通工业乙醇的燃烧性在冬季较差,涂层燃烧不完全。为了改善燃烧性能,降低生产成本,可加入甲醇作为辅助溶剂,但因其对人体视神经有较强的刺激性,故不应多加。水基涂料的溶剂采用普通自来水。

    1.4分散悬浮稳定剂

    我们采用一种特殊硅酸铝质粘土为基础材料,应用胶体化学的静电位阻分散稳定理论,以特殊复合电解质和高分子聚合物作为分散剂,并辅已多种附加物对其进行综合改性处理,开发出新型水基和醇基复合分散悬浮剂[1](已于1998年获得国家发明专利),分别用于生产水基和醇基涂料,取得了显著效果。新型分散悬浮剂具有以下特点。

    (1)醇基复合分散悬浮剂不需用含碳量较高的二甲苯引发,仅用水活化即可,而且在乙醇中的膨胀值与膨润土相当。

    (2)耐火度高达1650~1670℃,比膨润土高300℃以上,对涂料耐火性能无不良影响。

    (3)0~1200℃热收缩率为12.1%,仅为膨润土0~1200℃热收缩率的2/3,不会使涂层产生裂纹缺陷。

    (4)耐火度和抗裂性的显著提高,使其在涂料中的容许最高加入量可高达12%(占耐火粉料重),加入量范围宽。

    (5)起分散剂作用的主要组分同时具有涂料高温粘结剂作用;起悬浮剂作用的主要组分同时也是低温或高温粘结剂,均具有多重作用。

    经对数十种配方的试验涂料进行性能测试对比和浇注试验,优选出新型低碳钢铸件表面防渗碳锆英粉水基和醇基涂料的最佳配比范围如表1所示。

表1

    2?低碳钢铸件防渗碳涂料的生产工艺及设备

    目前涂料的加工设备主要有搅拌机、碾压机和球磨机三种。搅拌机和碾压机对涂料耐火粉料的细化作用很弱,混匀性差,加工时间长达数小时甚至十几小时,混制的涂料悬浮性和涂刷性等工艺性能较差。球磨机对粉料的细化作用较好,但不能连续生产,而且加工时间仍长达数小时,生产效率较低,不适于大批量生产。

    预先辅以搅拌机搅拌的胶体磨加工工艺,是迄今较为理想的涂料生产工艺。初步搅拌均匀的涂料经齿轮泵打入胶体磨后,由于胶体磨转齿和定齿之间(两者间隙60μm以下)的相对高速转动(转速高达3000r/min),涂料受到很强的抽吸、剪切、摩擦和高频震动等作用(齿轮泵也有这些作用),能得到有效的搅拌、匀化、分散和细化,并使粉粒产生新的活性表面(活化),从而获得优异的悬浮性、涂刷性、渗透性和粘附强度等工艺性能[2]。

    采用这种搅拌机-齿轮泵-胶体磨系统配制涂料,可以放宽对耐火粉料原材料的细度要求,还能实现机械化连续生产,而且混制加工周期短,生产效率高(比碾压机等传统设备提高数倍至十多倍)。

    3?低碳钢铸件防渗碳涂料的主要性能

    在工业性生产条件下配制的新型低碳钢铸件表面防渗碳锆英粉水基和醇基涂料的主要性能如表2。

表2

    新型防渗碳水基涂料在5h内基本无沉淀,8~24h悬浮性高达98%~99%,1000℃时的发气量为16mL/g以下。新型防渗碳醇基涂料在8h时的悬浮性达到95%,1000℃时的发气量为19mL/g以下。两种涂料在1200℃下急热2min时均不产生裂纹,涂刷指数和触变率也较高。

涂料涂刷指数,是指涂料在低剪切速率(6r/min)下的表观粘度与高剪切速率(60r/min)下的表观粘度之比。它表征了涂料的剪切变稀(或变稠)性,亦即结构触变性。涂刷指数越高,表示涂料的涂刷性越好(涂刷省力,抗流淌性好,易涂厚)。

    涂料触变率,是指涂料表观粘度η随搅拌时间的变化率,亦即时间触变性。其计算式为(η0.5-η10)/η0.5×100,其中η0.5和η10分别为涂料在6r/min的搅拌转速下旋转0.5min和10min时的表观粘度。触变率越高,则涂料流平性越好,稀释范围越大,涂刷性亦越好。

    4?低碳钢铸件防渗碳涂料的应用效果

    新型低碳钢铸件表面防渗碳锆英粉水基和醇基涂料,在浙江温州某阀门制造公司配合自硬呋喃树脂砂工艺生产低碳不锈钢件,取得满意结果,已在该厂批量应用一年多。

    该厂浇注的铸件为高压止回阀,材质为304型和316L型不锈钢(美国ASTMV743标准),单件重600kg,最小壁厚50mm,最大壁厚92mm。造型制芯采用碱性酚醛树脂砂;刷3遍涂料,分别为醇基、醇基和水基,前两遍醇基涂料刷涂后立即点燃干燥,第3遍水基涂料刷涂后进炉烘干数小时;涂层总厚度约为0.8~1.5mm。

    4.1304型不锈钢高压止回阀的应用效果

    304型(0Cr19Ni9)不锈钢高压止回阀的钢液的原始含碳量为0.06%~0.08%,浇注后要求铸件表面层含碳量控制在0.08%以内。

    新型低碳钢铸件表面防渗碳锆英粉涂料的生产应用结果表明,新型涂料的渗透性、抗流淌性和抗裂性均很好,涂层强度高,发气量小;铸件打箱时涂层绝大部分能成片剥离,铸件表面光洁,基本无粘砂和气孔,大幅度提高了铸件清整工效,节约了能源,减轻了劳动强度。

    表3列出了分别在碱性酚醛树脂砂芯表面,采用本涂料和上海某涂料公司锆英粉涂料生产的304型不锈钢高压止回阀铸件,在不同位置处的化学成分光谱分析结果。由表可知,当使用本涂料时,铸件表面层含碳量控制在0.074%左右,最高增碳率为11%,增碳层厚度≤0.7mm,防渗碳效果显著;而使用上海某公司锆英粉涂料时,铸件表层碳量最高达0.112%,未达到生产要求,最高增碳率为70%,约为本涂料的7倍,增碳层厚度>1.0mm;两种涂料对铸件的其它成分均无影响。

    4.2316L型不锈钢高压止回阀的应用效果

    316L型(00Cr17Ni14Mo2)不锈钢高压止回阀的钢液的原始含碳量为0.024%左右。

    表4列出了在碱性酚醛树脂砂芯表面,采用本涂料生产的316L型不锈钢高压止回阀铸件在不同位置处的化学成分光谱分析结果。由表可知,当使用本涂料时,铸件表面层含碳量控制在0.034%左右,增碳层厚度约1.2mm,防渗碳效果良好,对铸件的其它成分无影响,基本满足生产要求。

    当应用CO2硬化水玻璃砂工艺时,采用本涂料生产的316L型不锈钢高压止回阀铸件在表面和中心的化学成分光谱分析结果见表5。结果表明,采用水玻璃砂工艺时,铸件表面层基本不增碳,对铸件的其它成分也无影响。

    由此可以证明,采用水玻璃砂工艺生产低碳钢铸件时,铸件表面一般不发生渗碳现象;而采用树脂砂工艺时,低碳钢铸件表面容易发生渗碳缺陷的原因主要是树脂等有机物发生热分解,产生含碳热解产物所致。

表3

表4

表5

    5结论

    (1)新型低碳钢铸件表面防渗碳锆英粉涂料的渗透性、抗流淌性和抗裂性均很好,涂层强度高,发气量小;铸件打箱时涂层绝大部分能成片剥离,铸件表面光洁,基本无粘砂和气孔,大幅度提高了铸件清整工效,节约了能源,减轻了劳动强度。

    (2)新型低碳钢铸件表面防渗碳锆英粉涂料用于碱性酚醛树脂砂生产低碳不锈钢铸件时,具有显著地铸件表面防渗碳效果,对铸件的其它成分均无影响,满足铸件生产质量要求。

    (3)采用水玻璃砂工艺生产低碳钢铸件时,铸件表面一般不发生渗碳现象。采用树脂砂工艺生产低碳钢铸件时,低碳钢铸件表面容易发生渗碳缺陷的原因主要是树脂等有机物发生热分解,产生的含碳热解产物通过砂型(芯)/铸件界面向铸件表层扩散和渗透所致。