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        發(fā)動機鑄件氣道脈紋缺陷原因分析及解決措施

        2020-11-25 04:27:46李清震薛慶云范文明
        金屬加工(熱加工) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:鑄件機型添加劑

        李清震,薛慶云,范文明

        中國重汽濟南鑄鍛中心 山東濟南 250200

        1 氣道脈紋缺陷原因分析

        中國重汽濟南鑄鍛中心(以下簡稱“濟南鑄鍛”)發(fā)動機鑄件采用冷芯盒樹脂砂芯鑄造,常見鑄造缺陷為氣道脈紋。

        冷芯盒樹脂砂芯一般采用硅砂,主要的化學成分是SiO2。石英的晶體結(jié)構(gòu)為Si-O四面體,自然界的石英多為β石英。當石英被加熱到573℃時,開始出現(xiàn)從β石英到α石英的轉(zhuǎn)變,Si-O四面體原子之間的網(wǎng)狀連接伸直,產(chǎn)生體積膨脹。雖然這時的膨脹量不大,但轉(zhuǎn)變的速度快,因此容易引起夾砂和脈紋等缺陷[1]。SiO2含量越高,產(chǎn)生脈紋缺陷的傾向越大,導致砂芯開裂,鐵液鉆入砂芯中,形成長條狀脈紋缺陷。

        2 解決氣道脈紋缺陷的措施

        降低原砂熱膨脹和抵消原砂的熱膨脹是解決脈紋缺陷的較好方法,因此濟南鑄鍛從以下幾個方面采取防止氣道脈紋的措施。

        2.1 降低原砂SiO2含量

        低SiO2含量原砂受熱膨脹變形小,變形速度較緩和,熱強度高,因而芯砂具有較好的抗脈紋能力。硅砂SiO2含量高低主要與礦源有關(guān),大部分硅砂SiO2含量都在85%~93%,部分黃河砂SiO2含量在80%~82%,經(jīng)過水洗、擦洗、精選后可以進一步提高SiO2含量。

        原砂的選用主要與合金種類、鑄件的大小和結(jié)構(gòu)、黏結(jié)劑種類等因素有關(guān)。鑄鋼件的澆注溫度高,要求原砂耐火度高、透氣性好,因此原砂中SiO2含量要高,雜質(zhì)要少,砂粒要粗而均勻。鑄鋼件多選用SiO2含量在95%以上的硅砂。鑄鐵件的澆注溫度較鑄鋼件低,原砂耐火度可以低一些。但鑄鐵件結(jié)構(gòu)不同,所用原砂可在很大范圍內(nèi)變化,一般選用SiO2含量在90%左右的硅砂。硅砂中的SiO2含量每降低5%,其燒結(jié)點約下降50℃,因此對于硅砂的選用不宜盲目降低其SiO2含量。濟南鑄鍛制芯原砂采用粒度為0.15~0.30mm(50/100目)擦洗砂,來自內(nèi)蒙古砂源地的優(yōu)質(zhì)硅砂,SiO2含量在88%~92%。

        2.2 原砂粒度不宜過度集中

        粗砂的耐火度比細砂高,因此發(fā)生線性膨脹的時間也有先后。原砂粒度過于集中,發(fā)生膨脹越集中,脈紋傾向也就越大。濟南鑄鍛一般采用集中度在80%~90%的原砂,粒度0.30mm(50目)的原砂含量稍大于粒度0.15mm(100目)的原砂含量。

        2.3 使用抗脈紋添加劑

        目前,在冷芯盒和覆膜砂生產(chǎn)工藝中,復雜砂芯的預防和減輕脈紋缺陷已主要依靠抗脈紋添加劑來解決。抗脈紋添加劑一般分為無機型添加劑和有機型添加劑。無機型添加劑是一種硅酸鹽、金屬氧化物經(jīng)特別處理的多元復合物,為弱堿性。在高溫條件下可與SiO2反應生成低熔點多元玻璃態(tài)物質(zhì),增強型芯的熱強度和熱塑性,吸收硅砂在573℃發(fā)生相變的體積膨脹,減少熱開裂趨勢。玻璃態(tài)物質(zhì)還可以封堵裂紋,增加金屬液滲透阻力,防止型芯氣體向鑄件內(nèi)擴散。無機型添加劑一般加入5%~10%即可,加入過多時會增大樹脂消耗,且夏季氣溫較高時對芯砂可使用時間影響較大。

        有機型添加劑主要是由一些在高溫時會燃燒灰化的材料組成。其抗脈紋原理為有機物經(jīng)高溫燃燒后,砂芯內(nèi)部產(chǎn)生較多空隙,使砂芯退讓性提高,可有效防止脈紋缺陷產(chǎn)生,但由此帶來的是鑄件型腔尺寸可能減小,因此應嚴格控制加入量[2]。有機型添加劑加入量一般為0.3%~1.5%,但因其堆積密度較?。s為0.3g/mL),即使加入量少,體積也會較大,因此加入量較多時對砂芯強度影響較大。另外,有機型抗脈紋添加劑發(fā)氣量較大,加入量增加會帶來氣孔缺陷。

        2.4 加入熱膨脹較小的非硅質(zhì)砂

        非硅質(zhì)砂如鋯砂、鉻鐵礦砂、橄欖石砂、陶粒砂及剛玉砂等,由于耐火度高、熱膨脹系數(shù)小、蓄熱性好,因此可用于小型鑄鐵件中受鐵液長時間熱作用的砂芯,以防止燒結(jié)、脈紋、縮松等缺陷。但非硅質(zhì)砂一般價格較高,不宜大批量使用。

        2.5 加入經(jīng)高溫焙燒過的硅砂

        經(jīng)高溫焙燒過的硅砂被稱為焙燒砂,是將擦洗砂加熱到870℃以上,并具有一定的保溫時間,使硅砂充分膨脹實現(xiàn)相變。經(jīng)相變處理后,不但使膨脹率大幅下降,而且雜質(zhì)更少,不僅能夠減少黏結(jié)劑加入量,更能有效防止鑄件產(chǎn)生脈紋、粘砂缺陷。

        濟南鑄鍛生產(chǎn)的某缸蓋產(chǎn)品氣道出現(xiàn)批量脈紋缺陷,拋丸后無法去除,需要人工清理,降低了清理效率,影響產(chǎn)品質(zhì)量。氣道混砂配比為擦洗砂+抗脈紋添加劑+雙組份冷芯盒樹脂,添加抗脈紋添加劑后仍然出現(xiàn)脈紋缺陷。

        我們對現(xiàn)場制芯設備、工藝參數(shù)確認處于正常狀態(tài)后,采取了以下試驗方案。

        1)混砂配比中加入一定量的陶粒砂。

        2)混砂配比中加入20%~30%鉻鐵礦砂。

        但是,生產(chǎn)的鑄件精拋后發(fā)現(xiàn)進氣道內(nèi)仍然存在輕微脈紋缺陷,雖然脈紋程度減輕,可是仍無法根本解決脈紋缺陷問題。

        添加特種砂后仍然無法消除進氣道脈紋缺陷,為此我們又嘗試在混砂配比中加入50%焙燒砂,拋丸后未發(fā)現(xiàn)脈紋缺陷,試驗效果良好。原砂中加入50%的焙燒砂即可解決鑄件脈紋缺陷,但由于前期鑄件進氣道位置脈紋缺陷沒那么集中嚴重,且混砂機上方?jīng)]有預留多余的儲砂斗,因此原砂中加入50%的焙燒砂不容易實現(xiàn)。于是攻關(guān)小組利用魚骨圖分析方法,對生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)可能造成脈紋缺陷的因素進行了分析,如圖1所示。

        圖1 脈紋缺陷原因分析

        通過對樹脂、涂料進貨檢驗記錄進行排查,樹脂強度、涂料性能未發(fā)生較大波動。與此同時運用Minitab軟件對近幾個月的原砂含泥量、原砂AFS細度指數(shù)、砂芯強度進行數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)砂芯強度增加了約20%。經(jīng)排查,近期只更換過樹脂保溫桶。為此我們進行了降低樹脂加入量的試驗,將樹脂加入量降低約10%。降低樹脂后,芯砂即時抗拉強度和24h抗拉強度恢復到原來的水平。試驗鑄件進氣道位置脈紋消失,試驗效果良好。

        3 結(jié)束語

        1)加入膨脹系數(shù)更小的非硅質(zhì)砂可降低脈紋缺陷產(chǎn)生的傾向,但由于鑄件結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝的不同,且會使生產(chǎn)成本增加較多,因此非硅質(zhì)砂未必能有效解決脈紋缺陷。

        2)加入一定比例經(jīng)高溫焙燒的硅質(zhì)砂,可以有效解決鑄件脈紋缺陷。

        3)使用抗脈紋添加劑可以有效解決脈紋缺陷,尤其是有機型抗脈紋添加劑對于解決脈紋缺陷效果甚佳。無機型和有機型抗脈紋添加劑各有優(yōu)缺點,可根據(jù)需要擇優(yōu)選擇。

        4)砂芯強度過高時,脈紋傾向加大。

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