中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
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致硬度增加、機加工困難、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。
低碳鋼鑄件表層增碳的產生原因主要是: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物發生熱分解,產物為CO、CO2、CH4及少量H2,還有一定量的熱解碳;這些含碳熱解產物通過砂型(芯)/鑄件界面向鑄件表層擴散和滲透,導致鑄件表層增碳。
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玻璃體的涂料,對于防止低碳鋼表層增碳應是一種簡便、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與應用研究。
1低碳鋼鑄件防滲碳涂料的成分設計
新型低碳不銹鋼鑄件防滲碳涂料主要由耐火基料、粘結劑、溶劑、分散懸浮劑和其它附加物(燒結助劑、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致密,而且要求具有良好的防粘砂效果。按照“涂料燒結剝離防粘砂”理論,粉料的耐火度不必要求過高,主要應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燒結性,此時要求其燒結點接近鑄造合金的澆注溫度,能在澆注過程中生成新相或產生輕度燒結,或完全熔融,涂料層呈陶瓷態或高粘度的玻璃態,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剝離型涂料。燒結剝離型涂料的耐火粉料一般為復合型,即由多種能在金屬液澆注溫度下相互燒結的粉料構成,也可在一種粉料的基礎上添加相應的助熔劑(或氧化劑),以使粉料產生適度燒結和熔融。
按照“涂料燒結致密防滲碳”理論,燒結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,或者通過氣相或固相擴散進入金屬液,從而避免鑄鋼件產生增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)使用燒結溫度比金屬的澆注溫度低50~100℃,能發生輕度燒結的耐火材料,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的應占15%~20%為宜。
根據以上分析,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。
鋯英粉的熔點隨所含雜質的不同而在2190~2430℃內波動,但在1540℃時可熱分解為ZrO2和SiO2,并開始燒結(SiO2的熔點較低),具有一定的自燒結性。因此鋯英砂的燒結溫度與熔化溫度之間有一個較寬的溫度區間,這有利于它在金屬液澆注后產生燒結剝離,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,可減少機械粘砂缺陷。另外,鋯英粉在高溫下表現為中性至弱酸性,與堿性渣反應緩慢,熱化學穩定性高,可防止化學粘砂缺陷。
鋯英粉還應有合理的粒度分布。粒度過粗,涂料層粗糙,而且懸浮性和滲透性不好;過細,則涂層抗裂性差。其粒度分布應在合適的粒徑范圍內呈較大的分散度,以充分利用粗細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滲碳能力。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的微細粒子大于15%。為了根據鑄件的結構條件(重量、壁厚等)和生產條件(材質、澆注溫度等)調整鋯英砂的燒結溫度范圍,本涂料還外加適量的某種助熔劑。該助熔劑在超過1000℃后可發生熱分解,產生一種高溫化學穩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粘結劑
鑄造涂料既要具有一定的常溫強度,又要具有良好的高溫強度。根據這一要求,粘結劑應采用有機低溫粘結劑和無機高溫粘結劑復合使用工藝。但是,有機粘結劑一般含碳,其高溫熱解產物必然含碳。因此,在保證涂料具有一定常溫強度的前提下,應盡量減少涂料中有機粘結劑的加入量,多使用無機高溫粘結劑。
1.3溶劑
醇基涂料的溶劑一般采用乙醇,但是普通工業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,降低生產成本,可加入甲醇作為輔助溶劑,但因其對人體視神經有較強的刺激性,故不應多加。水基涂料的溶劑采用普通自來水。
1.4分散懸浮穩定劑
我們采用一種特殊硅酸鋁質粘土為基礎材料,應用膠體化學的靜電位阻分散穩定理論,以特殊復合電解質和高分子聚合物作為分散劑,并輔已多種附加物對其進行綜合改性處理,開發出新型水基和醇基復合分散懸浮劑[1](已于1998年獲得國家發明專利),分別用于生產水基和醇基涂料,取得了顯著效果。新型分散懸浮劑具有以下特點。
(1)醇基復合分散懸浮劑不需用含碳量較高的二甲苯引發,僅用水活化即可,而且在乙醇中的膨脹值與膨潤土相當。
(2)耐火度高達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劑,均具有多重作用。
經對數十種配方的試驗涂料進行性能測試對比和澆注試驗,優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工藝及設備
目前涂料的加工設備主要有攪拌機、碾壓機和球磨機三種。攪拌機和碾壓機對涂料耐火粉料的細化作用很弱,混勻性差,加工時間長達數小時甚至十幾小時,混制的涂料懸浮性和涂刷性等工藝性能較差。球磨機對粉料的細化作用較好,但不能連續生產,而且加工時間仍長達數小時,生產效率較低,不適于大批量生產。
預先輔以攪拌機攪拌的膠體磨加工工藝,是迄今較為理想的涂料生產工藝。初步攪拌均勻的涂料經齒輪泵打入膠體磨后,由于膠體磨轉齒和定齒之間(兩者間隙60μm以下)的相對高速轉動(轉速高達3000r/min),涂料受到很強的抽吸、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、分散和細化,并使粉粒產生新的活性表面(活化),從而獲得優異的懸浮性、涂刷性、滲透性和粘附強度等工藝性能[2]。
采用這種攪拌機-齒輪泵-膠體磨系統配制涂料,可以放寬對耐火粉料原材料的細度要求,還能實現機械化連續生產,而且混制加工周期短,生產效率高(比碾壓機等傳統設備提高數倍至十多倍)。
3?低碳鋼鑄件防滲碳涂料的主要性能
在工業性生產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內基本無沉淀,8~24h懸浮性高達98%~99%,1000℃時的發氣量為16mL/g以下。新型防滲碳醇基涂料在8h時的懸浮性達到95%,1000℃時的發氣量為19mL/g以下。兩種涂料在1200℃下急熱2min時均不產生裂紋,涂刷指數和觸變率也較高。
涂料涂刷指數,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,亦即結構觸變性。涂刷指數越高,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的攪拌轉速下旋轉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低碳不銹鋼件,取得滿意結果,已在該廠批量應用一年多。
該廠澆注的鑄件為高壓止回閥,材質為304型和316L型不銹鋼(美國ASTMV743標準),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燃干燥,第3遍水基涂料刷涂后進爐烘干數小時;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。
新型低碳鋼鑄件表面防滲碳鋯英粉涂料的生產應用結果表明,新型涂料的滲透性、抗流淌性和抗裂性均很好,涂層強度高,發氣量小;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,節約了能源,減輕了勞動強度。
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的304型不銹鋼高壓止回閥鑄件,在不同位置處的化學成分光譜分析結果。由表可知,當使用本涂料時,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0.112%,未達到生產要求,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,采用本涂料生產的316L型不銹鋼高壓止回閥鑄件在不同位置處的化學成分光譜分析結果。由表可知,當使用本涂料時,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,基本滿足生產要求。
當應用CO2硬化水玻璃砂工藝時,采用本涂料生產的316L型不銹鋼高壓止回閥鑄件在表面和中心的化學成分光譜分析結果見表5。結果表明,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低碳鋼鑄件時,鑄件表面一般不發生滲碳現象;而采用樹脂砂工藝時,低碳鋼鑄件表面容易發生滲碳缺陷的原因主要是樹脂等有機物發生熱分解,產生含碳熱解產物所致。
表3
表4
表5
5結論
(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,涂層強度高,發氣量小;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,節約了能源,減輕了勞動強度。
(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,滿足鑄件生產質量要求。
(3)采用水玻璃砂工藝生產低碳鋼鑄件時,鑄件表面一般不發生滲碳現象。采用樹脂砂工藝生產低碳鋼鑄件時,低碳鋼鑄件表面容易發生滲碳缺陷的原因主要是樹脂等有機物發生熱分解,產生的含碳熱解產物通過砂型(芯)/鑄件界面向鑄件表層擴散和滲透所致。
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