天津市雅步芯型材料有限公司 （300380） 時 偉 錢 進

汽車發(fā)動機由幾十種鑄件組合而成，除平衡軸、飛輪等幾種鑄件外，大部分鑄件均采用覆膜砂制芯（型）生產(chǎn)，據(jù)不精確統(tǒng)計，組裝一臺經(jīng)濟型轎車發(fā)動機其鑄件所用覆膜砂在50kg左右。隨著汽車性能的不斷提高，對覆膜砂使用的要求也越來越高 。為適應(yīng)綠色環(huán)保要求，我公司開發(fā)出多種具有特定用途的覆膜砂。一汽夏利發(fā)動機主機廠和鑄件配套廠已累計使用超過10萬t覆膜砂用在發(fā)動機鑄件生產(chǎn)上。開發(fā)環(huán)保的高性能覆膜砂，不但能有效解決鑄件廠使用覆膜砂后產(chǎn)生的污染問題，還使鑄件水平有了進一步提高，為一汽夏利改型換代自主品牌的經(jīng)濟轎車創(chuàng)造了有利條件。

1.低膨脹覆膜砂在凸輪軸鑄件上的應(yīng)用

生產(chǎn)夏利凸輪軸使用的覆膜砂常溫抗拉強度＞40MPa，其是CA4GA發(fā)動機鑄件中唯一用覆膜砂造型而生產(chǎn)的鑄件。由于凸輪軸凸輪必須具有較高耐磨性，冷激層在4mm以上，造型射砂前應(yīng)在凸輪軸型腔旁放置冷鐵，在凸輪軸澆注時產(chǎn)生激冷效果。由于凸輪軸砂型重20kg以上（不包括冷鐵），屬于厚大覆膜砂型，造型所用覆膜砂必須具有較高強度和較好的流動性，以保證造型后不變形，利于儲存、轉(zhuǎn)運及使用。但由于砂型過大，極易造成砂型斷裂和變形，特別是在冬季，由于冷鐵的冷隔作用，冷鐵周圍的覆膜砂比其他部位固化慢，斷裂的砂型超過50%，在澆注過程中，極易跑火和產(chǎn)生毛刺。我們采用沸騰式熱法再生廢覆膜砂，石英砂的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特性見表1。

表1 石英相變的性質(zhì)特點

從表1可以看出，廢砂再生后，膨脹率比原砂有不同程度的降低。覆膜砂表面的有機樹脂在高溫焙燒的同時，砂表面的雜質(zhì)也同時碳化去除，致使再生砂的灼減量和發(fā)氣量比原砂降低。廢砂再生過程中砂粒相互摩擦、擠壓和撞擊，提高了砂表面的圓整度，使再生砂的粒度也更加集中。

再生砂具有的良好性能，可配制高指標(biāo)覆膜砂的同時，也對凸輪軸造型有關(guān)問題的解決提供了保證。需要較高造型、制芯溫度的凸輪軸砂型時，會導(dǎo)致樹脂粘結(jié)橋的熱應(yīng)力及殘留應(yīng)力的存在。這是因為硅砂與樹脂膜的線脹系數(shù)、熱彈性模量、導(dǎo)熱能力等熱物性指標(biāo)存在較大差異造成的。覆膜砂造型、制芯后樹脂的收縮受到砂粒的剛性制約而引起殘留拉應(yīng)力，使覆膜砂的強度明顯降低。因此用線脹系數(shù)較低的再生砂，可有效解決凸輪軸和缸體較高溫度造型、制芯時由殘留應(yīng)力產(chǎn)生的斷（型）芯和裂紋等問題。

2.環(huán)保型覆膜砂的研發(fā)及在缸體芯上的應(yīng)用

CA4GA缸體鑄件尺寸精度高，壁薄，重量輕，且鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其缸體鑄件要求覆膜砂強度高且發(fā)氣低。缸體覆膜砂需檢測兩個指標(biāo)：常溫抗拉強度＞3.5MPa，灼減＜2.2%。覆膜砂強度的形成是由三種力形成的，即樹脂粘結(jié)劑的內(nèi)聚力、樹脂和砂粒表面的附著力、內(nèi)聚力和附著力并存的復(fù)合力。型芯的粘結(jié)強度取決于內(nèi)聚力和附著力，所以覆膜砂的強度是附著強度和內(nèi)聚強度的綜合結(jié)果。一汽的CA4GA發(fā)動機是一款環(huán)保型低油耗的經(jīng)濟型發(fā)動機，其生產(chǎn)過程要趨向于“綠色鑄造”，體現(xiàn)在鑄造生產(chǎn)過程的清潔化，采用的原料、物料的無害化。覆膜砂生產(chǎn)酚醛樹脂因含有1.5%以上游離酚，在制芯、造型生產(chǎn)過程中游離酚會彌散性逸出，產(chǎn)生的煙氣危害工人健康，污染生產(chǎn)環(huán)境，影響鑄造生產(chǎn)的清潔化，其存在還影響覆膜砂使用性能。為達到缸體覆膜砂環(huán)保和灼減量控制下的高強度要求，我公司利用發(fā)明的兩項專利技術(shù)，即通過熱氣流除酚技術(shù)及多胺類齊聚物添加劑兩種物理-化學(xué)方法在覆膜砂混配過程中進行除酚。

其所依據(jù)的技術(shù)原理如下：

（1）分子擴散及薄膜蒸發(fā)原理 物質(zhì)依靠分子運動從高濃度的地方轉(zhuǎn)移到低濃度的地方，成為分子運動。分子擴散是在靜止或?qū)恿鞯牧黧w中進行，砂粒被樹脂液包覆成膜，此膜中的單體酚，向湍流空氣中擴散，此過程為單向擴散過程，符合費克定律。覆膜砂所用硅砂（原砂）具有較大的比表面積，包裹硅砂表面的樹脂膜均勻且薄。根據(jù)薄膜蒸發(fā)原理和酚低熔點（40.8℃）性質(zhì)，小分子單體酚極易從薄膜單體中擴散出來，熱氣流的導(dǎo)入，更有利于這種傳質(zhì)擴散趨勢，據(jù)此原理，可利用覆膜砂生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱氣流進行除酚，在達到強度指標(biāo)的同時，減少樹脂加入量，使樹脂粘結(jié)橋的效力減小，從而使內(nèi)聚力提高，同時還可以減少砂芯變形傾向。

（2）在覆膜砂加入含氨基的齊聚物與酚醛樹脂的游離酚反應(yīng)的生成物是具有一定化學(xué)反應(yīng)活性的中間態(tài)物質(zhì)，這種物質(zhì)可以在制芯、造型熱固化反應(yīng)中交聯(lián)成大分子，此種大分子具有不溶不融的特性，熱穩(wěn)定性好，因此所生產(chǎn)出的覆膜砂強度和韌性得到提高，不會揮發(fā)出酚。添加劑對于游離酚具有捕集作用。

與國內(nèi)外幾種先進指標(biāo)樹脂制備的覆膜砂比較見表2。

表2

3.易潰散覆膜砂的使用

一汽CA4GA發(fā)動機有多種鋁合金鑄件，如缸蓋、進氣管等。這些鋁合金鑄件的生產(chǎn)對覆膜砂有著特殊要求。既要保證一定強度能夠制芯，還必須在750℃以下澆注時盡量在短時間內(nèi)潰散，由于覆膜砂使用的熱塑性酚醛樹脂與六亞甲基四胺（烏洛托品）固化后在砂粒表面形成一層不易分解的樹脂膜。750℃以下的澆注溫度只能使接觸到鋁合金液的砂芯表層的極少數(shù)砂粒潰散。而鋁合金凝固放出的熱量不足以使砂芯內(nèi)部的絕大部分砂粒潰散。因為不僅鋁合金液凝固時放出的熱量少，而且硅砂的熱傳導(dǎo)率還很低。因此，如何保證砂芯澆注強度的同時還要使砂芯澆注后潰散，需從樹脂和添加潰散劑兩方面來解決此問題。

（1）樹脂 樹脂是決定覆膜砂性能最主要、最核心的材料。在一定強度下樹脂加入量越低，則覆膜砂澆注后越易潰散。因此鑄鋁件用覆膜砂應(yīng)選用低粘度、高流長、聚合速度恰當(dāng)?shù)母邚姸确尤渲?，其中圓形樹脂比條狀和片狀樹脂更適用。低粘度、高流長、圓形樹脂更容易與圓形砂粒相混合，確保樹脂與砂粒結(jié)合，使樹脂的粘結(jié)效用發(fā)揮最佳，從而達到少用樹脂的目的。

（2）添加潰散劑 在覆膜砂中添入加快樹脂分解的材料，來降低不溶、不融酚醛聚合物的熱穩(wěn)定性，使覆膜砂在澆注后能在較低溫度和短時間內(nèi)哀減其強度。需注意的是在加入添加劑的同時，要保證覆膜砂的強度，避免澆注時鑄件產(chǎn)生氣孔。

4.低發(fā)氣覆膜砂的應(yīng)用

氣孔是發(fā)動機鑄件常見的缺陷之一。覆膜砂的發(fā)氣量大是造成氣孔的主要原因，因此覆膜砂的發(fā)氣量是其使用性能的重要指標(biāo)。汽車鑄件使用的砂芯特別是鋁鑄件砂芯和水套芯，在保證強度的條件下對覆膜砂的發(fā)氣性能有較高要求。CA4GA發(fā)動機鑄件的覆膜砂強度和灼減指標(biāo)為常溫抗拉強度2.2～2.5MPa，灼減＜1.7%。

從指標(biāo)可以看出，鑄鐵件中的水套和鋁鑄件缸蓋等對覆膜砂的發(fā)氣要求最高，因為這些鑄件因發(fā)氣所引起的氣孔缺陷最嚴(yán)重。如何保證強度而最大可能地減少覆膜砂的發(fā)氣量，可以從原砂、樹脂、增強劑三個方面予以解決。

（1）原砂 覆膜砂測得的發(fā)氣量不僅是樹脂、輔料高溫下產(chǎn)生的氣體量，也包括原砂在高溫下產(chǎn)生的氣體量，這些氣體主要是硅砂中的碳酸鹽、堿土金屬氧化物，以及雜質(zhì)中含有的微量結(jié)晶水汽化。即使采用烘干擦洗砂，如果不進行焙燒，這些雜質(zhì)仍然存在，但如使用焙燒砂，經(jīng)濟上不劃算、資源上也浪費 ，因此使用低發(fā)氣性的再生砂是最佳選擇。不同硅砂的發(fā)氣量見表3。

表3 不同硅砂的發(fā)氣量

（2）樹脂 配制低發(fā)氣覆膜砂應(yīng)選擇高強度樹脂，以減少砂芯在澆注過程中樹脂的發(fā)氣量。高強度樹脂的聚合速度較慢，一般情況下超過50s。低聚速樹脂可以在制芯時增加固化時間，使有機氣體盡量在砂芯固化時發(fā)出，以減少澆注時的氣體量。

（3）增強劑 配制一定強度指標(biāo)的覆膜砂時，加入適量增強劑如γ-氨基三乙氧基硅烷，以充分發(fā)揮樹脂和固化劑的粘結(jié)效率，達到少加樹脂的目的。

5.展望

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，覆膜砂的用量越來越大，對覆膜砂性能要求也越來越高。因此，合理生產(chǎn)、選用各型覆膜砂，對汽車發(fā)動機鑄件毛坯精密化及近無余量鑄造有著現(xiàn)實意義。造型、制芯、澆注過程酚醛樹脂等有機物分解，對工人和環(huán)境造成嚴(yán)重影響，采用少污染的環(huán)保型覆膜砂不僅可以達到國家工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，還對發(fā)動機廠的清潔化和汽車的綠色生產(chǎn)過程有著深遠意義。

（20130120）