我國鑄鋼件的年產(chǎn)量為320多萬噸，在能源、化工、冶金、采礦等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。目前國內(nèi)一些鑄鋼廠采用了低氮或無氮呋喃樹脂自硬砂造型、制芯工藝，鑄鋼件的尺寸精度和表面質(zhì)量有了明顯提高，粘砂和沖砂等缺陷大為減少。但在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，很低碳鋼鑄件采用呋喃樹脂自硬砂造型時，由于澆注溫度高，金屬對砂型表面的熱作用時間長，砂型表面受熱條件很為嚴(yán)酷，鑄件表面含碳量嚴(yán)重很標(biāo)，物理和力學(xué)性能下降，嚴(yán)重影響了鑄件質(zhì)量，甚至使鑄鋼件報廢，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

國內(nèi)外研究者對呋喃樹脂自硬砂生產(chǎn)鑄鋼件容易產(chǎn)生氣孔、粘砂、熱裂紋、滲硫等鑄造缺陷有了深入研究，但對很低碳鋼鑄件表面增碳沒有引起足夠重視，研究尚不充分。本試驗采用呋喃樹脂砂制備很低碳鋼試驗件，研究試驗件表層增碳規(guī)律和增碳機(jī)理。

1試驗材料及方法

很低碳鋼試驗件的化學(xué)成分如表l所示。采用AOD精煉爐精煉。采用無氮呋喃樹脂自硬砂型（新舊砂比例為2：8，樹脂加入量為1.2%，固化劑加入量為40。澆注階梯試板試驗件，試驗件結(jié)構(gòu)及試樣選取部位如圖l所示。

在試驗件表層A、B、C、D四處采用機(jī)械加工方式分別切割成尺寸為20mmx20mmx20mm兩組金相試樣，在試樣表層下每lmm深度方向用維氏硬度儀測量硬度。將試樣用400號砂紙從表層依次打磨，每次打磨厚度為lmm，在QSN-750直讀光譜儀上測量碳含量。在每個試樣距表層2mm、5mm、10mm三處位置用金相砂紙打磨（順序是從400號到金相砂紙），然后用拋光液在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，用酒精擦拭試樣表面脫脂，水沖洗吹干，用腐蝕液腐蝕2min（浸蝕液：35gFeCl+50mL鹽酸+100mL蒸餾水），沖洗干凈吹干，較后通過金相顯微鏡觀察其組織并攝影。將制備好的金相樣品在很聲波清洗儀中（蒸餾水清洗20min）沖洗干凈吹干，試驗參數(shù)：加速電壓15kV；束流100nA，用電子探針從試樣表層至中心方向進(jìn)行面掃描。

2試驗結(jié)果與分析

21不同壁厚低碳鋼鑄件表層含碳量

圖2為不同壁厚處試樣表層至中心含碳量變化曲線。從圖2中可以看出，采用呋喃樹脂自硬砂做造型材料時，不同壁厚鑄件表面含碳量明顯高于鑄件心部含碳量；其中50mm和100mm壁厚試樣，增碳層深度達(dá)到9～10mm；200mm和300mm壁厚試樣，增碳層深度達(dá)到12-13mm，隨著鑄件壁厚的增大，鑄件表面含碳量也隨之增加，在壁厚達(dá)到200mm時，鑄件表面含碳量和增碳層深度都達(dá)到較大值，表面含碳量為0.258%，增碳層深度達(dá)到12--13mm。沿鑄件表面至中心方向，含碳量逐漸降低，鑄件在距表面5—7mm處含碳量出現(xiàn)明顯升高趨勢。

22不同壁厚低碳鋼鑄件表層硬度

圖3為不同壁厚試樣表層至中心維氏硬度變化曲線。從圖3中可以看出，不同壁厚鑄件表面硬度明顯高于本體硬度；隨著鑄件壁厚的增大，鑄件表面硬度也隨之增加，在壁厚達(dá)到200mm時，鑄件表面硬度達(dá)到較大值，為HV517。相同壁厚試樣，沿表面至中心方向，硬度逐漸降低，結(jié)合圖2可以看出硬度變化趨勢與含碳量變化趨勢基本一致。

23不同壁厚低碳鋼鑄件增碳層鑄態(tài)組織

圖4-圖7分別為壁厚50mm、100mm、200mm、300mm處試樣，距離表面2mm、5mm、10mm處400倍的金相顯微組織。

從圖4-圖7可以看出，試樣顯微組織大部分都是由板條馬氏體和少量6鐵素體構(gòu)成，在金相照片中可以分辨出不同馬氏體板條束間的邊界和6鐵素體，沿原奧氏體晶界分布的白亮色條塊狀組織即是6鐵素體。隨著試驗件壁厚的增加，顯微組織中馬氏體板條束大小也進(jìn)一步增大。隨著壁厚的增加，鑄件表面含碳量增高，200mm壁厚試樣表層2mm和5mm及300mm壁厚試樣表層2mm鑄態(tài)組織中出現(xiàn)針狀馬氏體組織，如圖6a、6b和圖7a所示。

圖8為200mm壁厚試樣C2表面至心部方向12.5倍金相顯微組織。從圖8中可以看出，200mm壁厚試樣表面細(xì)晶區(qū)厚度約為5.4mm，可以清楚觀察到細(xì)晶區(qū)和柱狀晶區(qū)過渡區(qū)。結(jié)合圖2，可以看出過渡區(qū)所在部位與出現(xiàn)含碳量升高部位基本一致。

24低碳馬氏體不銹鋼鑄件增碳層電子探針面掃描分析

圖9為壁厚200mm處試樣C2表層至中心采用mappinganalysis方法觀察碳元素強(qiáng)度面分布圖。從圖9可以看出碳元素強(qiáng)度的面分布趨勢，沿表面至中心方向，宏觀觀察碳元素強(qiáng)度是逐漸降低，試樣表面碳元素強(qiáng)度明顯高于內(nèi)部碳元素強(qiáng)度；在距表面10～11mm以下區(qū)域碳元素強(qiáng)度基本一致，但在距表面l—2mm和5—6mm區(qū)域碳元素強(qiáng)度出現(xiàn)升高趨勢。結(jié)合圖2和圖3可以看出200mm壁厚試樣C2碳元素強(qiáng)度的面分布趨勢與含碳量及顯微硬度變化趨勢基本一致。通過電子探針掃描測量200mm壁厚試樣C2的碳元素分布趨勢（圖9與直讀光譜儀測量的含碳量分布趨勢（圖2）基本一致，進(jìn)一步驗證了呋喃樹脂砂生產(chǎn)低碳鋼鑄件表層增碳現(xiàn)象和增碳規(guī)律。

25結(jié)果分析

我國高禹等人研究了質(zhì)子輻照AG-80環(huán)氧樹脂表面發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子輻照會使樹脂中化學(xué)鍵C-C、C-H、C-N和C-O受到破壞，并且在AG-80環(huán)氧樹脂表層發(fā)生碳的富集，隨輻照劑量增加，碳富集的區(qū)域增多，并且碳化趨勢越來越明顯。證明樹脂在高溫下會直接分解出大量碳原子。

同時，按傳統(tǒng)理論，型（芯）表面的樹脂粘結(jié)劑在高溫金屬液的作用下會很快分解和燃燒，分解出C0、C02、CH4、H20、S02等雙原子氣體，樹脂燃燒反應(yīng)式為：

CH3C6H4S03H+X02-YC02+ZCO+PH20+QCmHn+S02(1)

分解產(chǎn)生的CO、C02、CH4等雙原子氣體和金屬原子之間具有一定的親和力，在鑄型與金屬液面接觸處又離解為碳原子。

碳在液態(tài)鋼中的標(biāo)準(zhǔn)溶解自由焓變?yōu)椋?/p>

△GT=5071.43-9.9962TCal/mol（2）

當(dāng)澆注溫度為T=1853K時，按公式（2）計算得出吉布斯自由能△GT=-13451Cal/mol，表明在該溫度下，碳的溶解反應(yīng)進(jìn)行趨勢很大。碳原子能在鋼液中迅速溶解，碳原子在鋼中的溶解反應(yīng)屬擴(kuò)散動力學(xué)范疇，擴(kuò)散反應(yīng)是總反應(yīng)的控制過程。擴(kuò)散過程就是碳原子從濃度較高的鋼液表層向濃度較低的鋼液內(nèi)部運動的過程，使?jié)舛融呌谄胶狻?/p>

由菲克定律得出碳在鋼液中的擴(kuò)散方程：

式中：nc為碳在鋼液中的克原子數(shù)，t為時間，C*c為碳在界面上的濃度，Cc為碳在鋼液中的濃度，Dc為碳在鋼液中的擴(kuò)散系數(shù)，h為擴(kuò)散界面有效厚度，A為擴(kuò)散界面面積。

由單位換算關(guān)系有：

將（4）-（6）式帶入（3）式得

式中：【%C】為碳在鋼液中的濃度，【%C*]為碳在界面上的濃度，ρ為鋼液密度，Mc為碳的原子量，V為鋼液體積。

碳原子在鑄件表面鋼液中不斷溶解，同時在鋼液內(nèi)部不斷擴(kuò)散。因此，在澆注過程中，碳原子的直接溶解反應(yīng)在熱力學(xué)和動力學(xué)上是可行的，碳原子能直接溶解進(jìn)入鋼液中，這是造成鑄件表面增碳的重要原因。

根據(jù)公式⑦可以得出，鋼液溫度越高，吉布斯自由能△CT值越小，碳原子在鑄件表面溶解趨勢越大，鑄件表面碳原子濃度越高。根據(jù)公式⑦可以得出，鑄件表層與鋼液內(nèi)部碳原子濃度差越大，碳原子在鋼液中的擴(kuò)散速度越快，隨著壁厚的增加，碳原子擴(kuò)散時間越長，碳原子的擴(kuò)散深度越大。所以隨著試驗件壁厚的增加，鑄件表面含碳量越高，增碳層深度越大，如圖2所示。由于試驗件設(shè)計結(jié)構(gòu)較大壁厚(300mm）處位于砂型較上部，樹脂燃燒產(chǎn)生的氣體便于析出，鑄件表面溶解的碳原子總量減少了，同時該部位熱容量較大，熱作用時間長，促使鋼液中溶解的碳原子再次生成氣體析出和碳原子擴(kuò)散，因此，鑄件表面含碳量偏低，表層含碳量的變化趨勢較為平緩。

馬氏體的硬度主要取決于含碳量，馬氏體的硬度隨著含碳量的增加而急劇增高，試驗件表層顯微硬度變化趨勢與碳含量變化趨勢基本一致，如圖3所示。碳原子在鋼液中的分配系數(shù)ko

1、采用呋喃樹脂砂工藝生產(chǎn)很低碳鋼鑄件時，鑄件表面會出現(xiàn)嚴(yán)重增碳現(xiàn)象，不同壁厚（分別為：50mm，100mm，200mm，300mm）試驗鑄件表面含碳量達(dá)到本體含碳量的2～7倍，增碳層深度達(dá)到8～12mm。隨著鑄件壁厚的增加，表層含碳量和增碳層深度都有所增加。其中200mm壁厚和300mm壁厚表層顯微組織中有針狀馬氏體組織出現(xiàn)。

2、呋喃樹脂在高溫金屬液的作用下，樹脂分解直接生成碳原子和燃燒生成C02、CO、CH4等氣體，氣體在界面解離生成碳原子，這些碳原子直接溶解進(jìn)入鋼液，隨著凝固的進(jìn)行向鋼液內(nèi)部擴(kuò)散，是很低碳鋼鑄件表層增碳的根本原因。