铸钢件表面微裂纹缺陷

铸钢件的生产，传统上是采用水玻璃砂造型、制芯工艺。存在的主要问题是, 铸钢件的尺寸精度差, 表面质量不好, 水玻璃型、芯砂清砂困难等, 因此越来越多的铸钢厂采用了低氮或无氮呋喃树脂自硬砂工艺。采用呋喃树脂砂后, 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。

但是, 铸钢件在凝固过程中容易产生热裂缺陷。采用呋喃树脂砂工艺，通过在造型材料和工艺等方面采取一些措施，基本消除了铸件宏观毛细裂纹，但是在铸件的某些部位，毛细裂纹时有出现，在工艺上难以解决。

铸钢件裂纹的分类

热裂纹：热裂纹是铸件在高温下产生的裂纹，即铸件在塑性变形状态下产生的，在铸件凝固后期及凝固后不久的温度范围内金属的强度和塑性很低，由于金属的固态线收缩受到阻碍，使铸件产生开裂。

热裂纹特征：沿晶粒边界产生和发展，外形曲折而不规则，表面严重氧化，无金属光泽，有时可发现树枝状结晶，裂纹宽度较大。

冷裂纹：冷裂纹是铸件凝固后冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于合金极限强度而引起的开裂。

冷裂纹特征：往往穿晶扩展到整个截面，外形呈宽度均匀细长的直线或折线状，冷裂纹的断口表面有金属光泽或呈轻度氧化色，裂纹走向平滑，而非沿晶界发生。

表面渗硫是造成铸钢件表面热裂纹的主要原因：

通过对铸件表面毛细裂纹的理化及探伤检测，发现在裂纹区域的含硫量高于其它区域。进一步研究发现，作为树脂固化剂的有机磺酸受热分解而产生的SO₂ 气体向钢液中扩散, 导致铸钢件表层的含硫量显著增多, 特别是这些硫化物呈片状分布于晶界上, 降低铸钢件的力学性质。

在浇注过程中, 从酸固化呋喃树脂自硬砂中热分解出来的SO₂ 气体向铸钢件表面层的渗透、扩散过程可分为如下几个阶段：

(1) 在浇注温度下, 由于呋喃树脂砂中对甲苯磺酸的燃烧会分解出SO₂ 气体, 反应式为:

(3) 硫原子向钢液中扩散, 导致铸钢件表面层含硫量明显增加。

(4)铸钢件表面层的硫可与其中的Mn 、Fe 等化合而生成低熔点、富硫的(Fe 、Mn)硫化合物

(5) 当铸钢件大部分钢液凝固后, 低熔点、富硫的硫化物都集中在热节部位的枝晶间。当铸件凝固收缩受阻时, 由于应力集中, 而强度、塑性都较低的富硫液膜就会被拉断而形成热裂缺陷。

由上可知, 铸钢件表层渗硫对铸钢件热裂的形成影响很大。 应该采取措施减少乃至消除硫元素向铸钢件表面的渗透。

阻止从呋喃树脂砂中热分解出来的SO₂ 气体与钢液界面接触, 是减少铸件表层渗硫最有效的办法。所采取的最简便的办法就是在铸型表面涂敷具有防渗硫作用的涂料。

防渗硫涂料的主要机理

具有防渗硫作用的涂料，可以从两个途径起作用：

1，吸收作用：涂层内含有脱硫物质，与透过涂料层的含硫气体发生反应并生成固态物质，从而减少甚至消除穿透涂料层的含硫气体。具有这个功能的涂料称为反应型涂料。

反应型涂料：在涂料中添加了能与SO₂ 气体起化学反应, 并能生成固体硫化物而沉积在涂料中的一些碱性活性材料, 这种涂料具有很大的吸附和捕捉SO2 气体的作用，但是, 这种涂料的致密性不好, 仍有部分SO₂气体能通过涂层富集于液体金属的界面上, 造成试样件表层的含硫量很高。

2，屏蔽作用：主要是要求涂料在浇注过程中，能够烧结成为致密的涂料壳，致密的涂料层能够隔绝气体进入金属液，能够隔绝磺酸类固化剂受热分解出的含硫气体。具有这个功能的涂料称为烧结型涂料或屏蔽型涂料。

烧结型或屏蔽型涂料：在金属浇注的高温作用下, 由于烧结的作用使涂料烧结成硬而致密的薄壳层, 从而隔离了树脂砂中热分解出来的SO₂ 气体与金属液界面直接接触。

烧结型涂料的防渗硫效果优于反应型涂料，特别是含有少量液相的烧结型涂料效果更好。（源自：李世平, 吕德志, 李玲, 郑宏伟. 防渗硫涂料在呋喃树脂自硬砂铸钢件生产中的应用研究[J]. 铸造, 2002, 51(7):439-441.）

采用烧结-反应复合型涂料是减少呋喃树脂砂铸钢将表层渗硫的最有效途径。请参阅 防渗硫涂料的机理和应用了解更多。

 

研究与应用实例

铸钢用防渗硫涂料与球墨铸铁用防渗硫涂料在作用机理上类似, 但铸钢件浇注温度高，壁厚大，耐火骨料的选择受到限制。

上海工艺所专利CN102328018A

以锆英粉为主要骨料，搭配金红石为烧结助剂，促使涂料烧结从而起到隔离和屏蔽的效应。

采用轻质氧化镁和活性氧化钙为反应剂。

 

李世平等人研究了不同类型涂料对含硫量的影响：

注释：2号是普通锆粉涂料，3、8和9号含有铬铁矿粉，7号是反应-烧结型涂料，效果最好。

 

李天才的发明专利：CN105170894A 一种防渗硫缺陷的流涂涂料的制备方法

根据热裂纹的形成机理，涂料按照三个原则设计：形成烧结层，防止硫元素渗入钢液中；涂料产生气化膜，对铸件起保护作用；加入元素与硫发生反应减少硫的渗入。以锆英粉为主，加入锂辉石、金红石和活性氧化钙等。