發(fā)動機(jī)鑄件氣道脈紋缺陷原因分析及解決措施

李清震，薛慶云，范文明

中國重汽濟(jì)南鑄鍛中心 山東濟(jì)南 250200

1 氣道脈紋缺陷原因分析

中國重汽濟(jì)南鑄鍛中心（以下簡稱“濟(jì)南鑄鍛”）發(fā)動機(jī)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(xué)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(dāng)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(dǎo)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(jì)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(qiáng)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(jìn)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(jì)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(xì)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(jì)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(fù)雜砂芯的預(yù)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(jī)型添加劑和有機(jī)型添加劑。無機(jī)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(fù)合物，為弱堿性。在高溫條件下可與SiO2反應(yīng)生成低熔點多元玻璃態(tài)物質(zhì)，增強(qiáng)型芯的熱強(qiáng)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(kuò)散。無機(jī)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(jī)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(jī)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(yīng)嚴(yán)格控制加入量[2]。有機(jī)型添加劑加入量一般為0.3%～1.5%，但因其堆積密度較小（約為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(qiáng)度影響較大。另外，有機(jī)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(jì)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(shè)備、工藝參數(shù)確認(rèn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)氣道位置脈紋缺陷沒那么集中嚴(yán)重，且混砂機(jī)上方?jīng)]有預(yù)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(jìn)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(jìn)貨檢驗記錄進(jìn)行排查，樹脂強(qiáng)度、涂料性能未發(fā)生較大波動。與此同時運(yùn)用Minitab軟件對近幾個月的原砂含泥量、原砂AFS細(xì)度指數(shù)、砂芯強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)砂芯強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度和24h抗拉強(qiáng)度恢復(fù)到原來的水平。試驗鑄件進(jìn)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(jī)型抗脈紋添加劑對于解決脈紋缺陷效果甚佳。無機(jī)型和有機(jī)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(qiáng)度過高時，脈紋傾向加大。