一種冷芯盒殼體結疤的分析與控制

張百堂，魏長征，郝連客，譚業文，臧運平(.山東鑫昊精密機械有限公司，山東諸城 633 .濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 50306)

一種冷芯盒殼體結疤的分析與控制

張百堂1，魏長征1，郝連客2，譚業文1，臧運平1
(1.山東鑫昊精密機械有限公司，山東諸城 262233 2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 250306)

闡述了冷芯盒殼體鑄件結疤的特征，分析了結疤產生的機理，采取分散砂芯層的弱強度區措施，避免了在鐵液液面越過該結疤區域前，砂芯層發生開裂、剝落，產生結疤的風險，從而解決了鑄件局部結疤缺陷，穩定獲得了健全的合格毛坯。

結疤；應力；熱拉強度；小孔

某公司生產的變速箱殼體是一種運輸車變速機構的重要外殼，毛坯不僅要求致密，外觀也不允許存在明顯鑄造缺陷。變速箱殼體材質選用HT250，單重182 kg，大部分壁厚為12 mm，結構如圖1所示。該毛坯用靜壓線造型生產，圖2為型板模具布置圖，一模兩件，箱重421 kg，每包鐵液澆4箱，每箱澆注時間控制在32～45 s，澆注溫度在1 420～1 380 ℃，砂芯采用冷芯盒三乙胺法制造。自生產以來，在鑄件分型面以上上箱約20～200 mm，形成寬約30 mm的帶狀缺陷，圖3為鑄件上的帶狀缺陷，缺陷在內腔與外皮相伴發生，這種現象可能發生在同包鐵液的首箱，也可能發生在同包澆注的尾箱，一箱中可能有一件發生，也可能兩件同時發生，發生缺陷即導致鑄件為不合格品，不合格品率嚴重時高達40%。

圖1　變速箱殼體示意圖

圖2　型板模具布置圖

圖3　內腔與外皮夾砂結疤缺陷

1　變速箱殼體結疤缺陷的分析

1.1鑄件結疤的特征

結疤的一種表現形式為在鑄件表面有局部凸出的長條或塊狀疤痕，其邊緣與鑄件本體分離，下面夾有一薄層砂或涂料層。把金屬瘤狀物或夾砂層清除以后，鑄件表面就出現不規則的凹坑，凹坑中有一條形狀不規則的凸出物，在厚大鑄件的上型表面及下型的凸臺頂面和過渡面上，容易出現這種形式的缺陷。另一種表現形式為由于金屬液在砂型表面局部沖去了一塊砂的地方或者在發生攪拌或沸騰現象的地方出現了一塊凸出的疤［1］（約2～10 mm）。脫落的砂夾在疤塊中或鑄件的其它部位，也叫夾砂。總之，結疤是在鑄件表面產生的疤片狀金屬凸出物，其表面粗糙、邊緣銳利，有一小部分金屬與鑄件本體相連，疤片與鑄件之間一般夾有砂層。

1.2變速箱殼體結疤缺陷的識別

變速箱殼體結疤缺陷（圖3）是位于鑄件分型面以上上箱約20～120 mm，形成寬約30 mm的帶狀區域缺陷。這種缺陷使芯子內表面形成的毛坯發生斷續的或者連成條狀的塊狀疤痕或者不規則的凹坑，在相對應的外皮區域，形成以夾砂為主的缺陷，即可判定該缺陷為結疤。

2　結疤形成的機理分析

2.1結疤的機理

根據變速箱殼體夾砂、結疤缺陷特征以及從缺陷對稱的鑄件內外表來看，芯子形成內腔的一側經常是結疤或夾砂嚴重，而對應的外側，從外表面的結疤、夾砂的面積或者數量看明顯輕一些，因此可排除其與型砂有直接關系這個因素，可從冷芯盒樹脂砂制芯的特點上給予考慮。

冷芯盒三乙胺法制造芯子時采用的樹脂粘結劑，即在三乙胺參與但不消耗酶的催化作用下形成的聚氨酯，其交聯度低，受熱時產生軟化或進一步交聯強化。在鐵液進入型腔后，砂芯表面受到了急劇的熱作用，砂芯表層的水分以及粘結劑快速向砂芯內里遷移，而已經形成的飽和凝聚區因樹脂粘結力作用被軟化，其熱拉強度快速下降［2］。芯砂水分每提高0.1%，砂芯強度會降低20%～30%，因此在高濕環境下芯子的結疤傾向增大。同時，砂芯因表層與內里受鐵液烘烤加熱的溫度場梯度過于陡變，導致產生一定的熱應力，且砂芯表層石英在573 ℃左右發生相變，由α相變成β相發生急劇膨脹，產生相變應力［2］。

在熱應力與相變應力的雙重應力作用下，表層砂芯在大約1～3 mm區域內芯砂形成的弱強度區，其較低的熱拉強度無法抵抗雙重應力作用，結果造成砂芯表層與里層發生脫落，或者從這個弱強度區向型腔方向拱起、開裂。鐵液填充因開裂或脫離的砂芯砂層空間，而脫離本體的砂芯層占據了型腔內的鐵液空間，造成夾砂結疤缺陷。

2.2變速箱殼體結疤原因分析

某公司生產變速箱殼體的芯砂為50/100目的內蒙古擦洗砂，SiO2含量以及粒度分布與角形因數等各指標均符合國標規定。冷芯盒制芯時樹脂的兩種組分按50∶50的比例配比，加入比例為砂量的1.5%～1.8%，固化劑為三乙胺，芯子制造出來存放3 h后刷黑色石墨粉醇基涂料，不點火，涂料比重為1.15～1.25 g/ml。在使用前用表干隧道窯烘干，出窯后不超過10 h使用完畢，水分要求控制在0.3%以下，用不完的芯子下次使用時二次烘烤。

由于缺陷集中在近似同一個區域，并且發現同包鐵液澆注的不同箱鑄件，或第一箱發生或末箱發生。同一箱內的兩個鑄件要么1號或者要么2號模樣的鑄件發生，也可能一箱中的兩件同時都發生，這表明在鑄件結構與澆冒口工藝布局一定的情況下，鐵液的溫度或者澆注速度對其有影響，因為鐵液的溫度或者澆注速度的變化在生產中是必然的；另一方面，對于芯砂、樹脂以及樹脂加入量等的微小變差，生產中也是存在的，所以上述變差不能是發生結疤的主要因素。

根據鑄件缺陷所表現出的特征分析，結疤與夾砂發生的時機是鐵液在型內上升至分型面以上并且在沒有越過砂芯條狀結疤區域前發生。在砂芯弧形結構區域，也是結疤發生的帶狀區域的砂芯，受鐵液烘烤時間相對較長，產生的雙重應力超出了砂芯固有的熱拉強度，造成砂芯表層被迫開裂、剝落于母體，剝落砂塊隨著液面的上升粘附于外側或者內側，形成結疤或夾砂。同一個砂芯在澆注系統的一側，即與結疤相對的芯子另一側，因其近乎直上直下的立面垂直結構，使得這一側芯子形成的鑄件并沒有發生結疤，顯然是芯子外壁直上直下的立面垂直結構的優勢發揮了作用，其受熱導致的雙重應力低于了同樣弱強度區內芯砂的熱拉強度。

因此，只有降低兩種應力，或者提高高溫弱強度區區間內的芯砂粘結力，即提高砂芯表層向砂芯里層大約1～3 mm區域內砂芯的熱拉強度，是可以控制砂層發生變形、開裂甚至爆炸的有效手段。

3　解決措施

（1）提高冷芯盒芯子的熱拉強度

為了冷芯盒芯子具備足夠的熱拉強度抵抗相變應力與熱應力的雙重作用，在形成結疤區域以及相鄰區域，且涂刷過涂料的芯子上，不均勻的打上深5～10 mm、大小約φ5 mm的小孔，小孔的數量比剛剛不發生結疤時再多一些為好。這些小孔不僅具有排氣作用，更主要是分化了弱強度區的區域分布使其深淺區域形成錯層，等于變相提高了砂層的熱拉強度，使同層的芯砂熱拉強度的合力大于此時的雙重熱應力。這些小孔也可以換成一定深度的網狀條紋，可到達同等效果，但網狀條紋不如小孔帶來的金屬多肉便于清理去除。圖4為裸露的砂芯和刷過涂料后打小孔的砂芯，圖5為打過小孔的芯子形成的鑄件內腔原貌。此外，還可以在芯子上打上一定數量的小釘子，目的即提高弱強度區內樹脂砂層的熱拉強度，使弱強度區的砂芯層牢固的固定在芯子母體上。

圖4　裸露的砂芯和刷過涂料后打小孔的砂芯

（2）控制鐵液對砂芯的烘烤時間

嚴格控制砂芯在型腔內澆注過程中鐵液對砂芯的烘烤時間，確保砂芯表層含水量不超過0.3%，并且在短時間內把芯子盡量使用完畢，對當班使用不完的要二次烘烤以滿足規定要求，這是減少弱強度區有機物或水分的措施之一。

（3）控制樹脂加入量

在熱拉強度不降低的情況下，盡量減少樹脂加入量，而不是通過提高樹脂加入量以提高芯砂高溫抗拉強度，生產經驗證明：提高樹脂加入量的效果遠不如降低樹脂加入量的作用可靠。

（4）盡量分散砂粒粒度分布

將砂粒粒度分布由三篩變為四篩，以降低硅砂相變應力帶來的危害。

（5）分散鐵液的熱量分布

分散進入型內鐵液的熱量分布，優化進水工藝，減少對固定結構產品的弧形局部區域烘烤時間，其作用等于減少了熱應力以及減弱了熱濕拉強度的降低幅度。

圖5　打過小孔的芯子形成的鑄件內腔原貌

4　結論

控制相變應力和熱應力，或者提高弱強度區區間內的砂子粘結力，即提高三乙胺冷芯盒砂芯表層向砂芯里層大約深1～3 mm區域內砂芯的熱拉強度，或者使弱強度區不在一個深度，這些措施是控制砂層發生變形、開裂的有效手段，也是控制該類夾砂結疤的根本措施。本變速箱體目前主要采用了打小孔和降低樹脂加入量0.2%～0.3%等措施，雖然還要清理由此帶來的金屬多肉，但是因結疤導致的不合格品率已控制在0.8%以內，保證了品質并使毛坯穩定生產，為后續繼續探索更先進的解決方案提供了參考依據。

［1］ 中國機械工業學會鑄造分會編.鑄造手冊第五卷鑄造工藝［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］ 于明道，邢其民，徐志新，等.冷芯盒缸體鑄件內腔結疤分析與防止措施［J］.鑄造，2003（3）：207-208.

［3］ 于明道.冷芯盒缸體結疤分析與防止措施［J］.中國鑄造裝備與技術，2003（1）.

A Cold Core Box Shell Analysis and Control of Scarring

ZHANG BaiTang1， WEI ChangZheng1，HAO LianKe2，TAN YeWen1， ZANG YunPing1
（1.Shandong XinHao Precision Machinery Co.Ltd.，Zhucheng 262233，Shangdong，China；2.Jinan Foundry & Metalforming Machinery Research Institute Co.Ltd.，Jinan 250306，Shangdong，China）

The characteristics of scarring have been expounded， the mechanism of scar has been analyzed，measures of scattering weak intensity area in sand core layer have been taken，cracking and spalling in sand core layer has been avoided in front of the iron liquid surface over the scar area，casting scar has been avoided，so local scar has been solved in the casting defects，qualifi ed blank has been obtained inStability.

Scar； Stress； Hot tensile strength； The holes.

TG245;

A；

1006－9658（2015）02-0034-03

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.010

2014-10-13

稿件編號：1410-684

張百堂（1968—），男，高級工程師，從事鑄造質量與技術工作.