防脈紋劑在缸蓋氣道芯的工藝研究與應(yīng)用

季 托，陳玉英，陳海東，張 杰，馬明濤，馮月雪

（濰柴（濰坊）材料成型制造中心有限公司，山東濰坊 261061）

0 前言

內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體運動對混合氣形成和燃燒過程有決定性影響，氣道形狀的優(yōu)劣在很大程度上影響著發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性。我公司某型號缸蓋氣道芯采用冷芯工藝，氣道內(nèi)脈紋問題突出，導(dǎo)致清理難度高，此外清理過程中容易破壞氣道表面形狀，嚴重影響鑄件質(zhì)量。為此開發(fā)防脈紋劑冷芯工藝，以達到消除氣道脈紋的目的。

1 防脈紋劑的成分及作用原理

防脈紋添加劑根據(jù)成分不同可分為三類，即有機類、無機類及混合類。有機類添加劑的作用原理為添加劑在高溫下燃燒后出現(xiàn)空隙，為砂粒膨脹提供膨脹空間，常見為煤粉、木屑，缺點為發(fā)氣量高、對砂芯強度影響大；無機類添加劑的作用原理為在受熱時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高砂芯熱塑性，兼有填充砂粒間空隙，避免鐵水侵入的作用，常見為氧化鐵、鋰輝石，缺點為用量多、成本高[2，3]。

我公司所試驗的X 型防脈紋劑為混合類，下文將對該型號防脈紋劑的特性進行研究。

2 防脈紋劑的特性研究

2.1 基本物理特性

X 型防脈紋劑表觀為橙紅色粉末。堆積密度0.68g/cm3；粒度進廠檢測為200 目以下占比95%，出廠檢驗粒徑為26.8μm；灼減量95.6%，方法為將粉末加熱至980℃，保溫1h；水分檢測結(jié)果為12.4%。具體檢測結(jié)果見表1。

表1 防脈紋劑物理性能

檢測結(jié)果表明，該型號防脈紋劑堆積密度低，粒徑小，呈漂粉狀，加入過程中易損失，粉末儲存需避免強烈碰撞，以免與空氣混合后發(fā)生爆炸；灼減量及水分高，對鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷有一定影響。

2.2 對砂樣強度的影響

試驗采用大林擦洗砂，蘇州興業(yè)高強度冷芯盒樹脂，樹脂組份一與組份二比例為1:1。在樹脂雙組份加入量分別為1.6%、1.8%、2%、2.2%時，檢測防脈紋劑添加量0.4%、0.6%、0.8%、1%四種添加量的砂樣瞬時抗拉強度、24h 抗拉強度，試驗結(jié)果如圖1、2 所示。砂樣瞬時抗拉強度在樹脂加入量1.6%時，防脈紋劑加入量的提高對瞬時強度影響最大，由0.4%提高至1%時，瞬時強度降低33.6%；砂樣24h 抗拉強度在樹脂加入量2.2%時，防脈紋劑加入量的提高對24h 強度影響最大，由0.4%提高至1%時，24h 強度降低22.2%。

圖1 不同防脈紋劑及樹脂加入量的砂樣瞬時抗拉強度

圖2 不同防脈紋劑及樹脂加入量的砂樣24 時抗拉強度

試驗發(fā)現(xiàn)，樹脂雙組份加入量到2%以上，保證砂樣瞬時抗拉強度大于1MPa，24h 抗拉強度大于2MPa。

2.3 對砂樣發(fā)氣量的影響

試驗條件與前述相同，檢測四種防脈紋劑添加量的發(fā)氣量，試驗結(jié)果如圖3 所示。隨著樹脂或防脈紋劑加入量的提高，砂樣發(fā)氣量升高；每增加0.2%的樹脂，砂樣發(fā)氣量升高約1mL/g，每增加0.2%的防脈紋劑，砂樣發(fā)氣量升高0.7mL/g～1.3mL/g。

圖3 不同防脈紋劑及樹脂加入量的砂樣發(fā)氣量

試驗發(fā)現(xiàn)，防脈紋劑加入量在0.6%以下時，才能保證砂樣發(fā)氣量低于覆膜砂發(fā)氣量水平（14 mL/g）。

3 混砂工藝的研究

研究對象選擇H 型號缸蓋進氣道芯，集成進氣管后砂芯總長度超過1m，砂芯重量16kg，如圖4 所示。因砂芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體較長，澆注過程中位于澆注系統(tǒng)底部，容易出現(xiàn)彎曲變形、轉(zhuǎn)運斷芯、砂芯開裂等問題，該砂芯對常溫及高溫強度要求更高。

圖4 H 型號缸蓋進氣道芯三維模型圖

3.1 添加設(shè)備的選擇

根據(jù)前述試驗，X 型防脈紋劑加入量的微量變化對砂芯強度能夠造成極大的影響。因此精確定量防脈紋劑加入量成為過程控制關(guān)鍵點。

由于防脈紋劑堆積密度小、重量輕，通過管道依靠粉末自身重力加入，容易出現(xiàn)掛壁、堵塞等問題。應(yīng)用螺旋給料裝置可以保證防脈紋劑添加量準確，自動稱量防脈紋劑粉末重量，測量精度可以達到≤±0.5%，使工藝可靠性提高。

3.2 加料順序及混砂時間的設(shè)定

防脈紋劑密度小，加料或攪拌時會飛散到空氣中，最佳加料順序為部分芯砂-防脈紋劑-另一部分芯砂-樹脂。芯砂與防脈紋劑需干混20s～30s，保證混合均勻，不會出現(xiàn)防脈紋劑的偏析；干混后加入樹脂，濕混70～90s。如果先加所有芯砂或樹脂，后加防脈紋劑，會出現(xiàn)防脈紋劑混合不均現(xiàn)象，制得的砂芯各部位強度也會不均勻。

3.3 混砂配比的設(shè)計

H 型號缸蓋進氣道芯原冷芯工藝為混砂配比為50%鉻礦砂+50%再生砂+0.95%×2 樹脂，缸蓋閥座孔脈紋嚴重，如圖5 所示。考慮鉻礦砂成本高，試驗設(shè)計從高比例防脈紋劑、低比例鉻礦砂開始，逐步降低防脈紋劑加入量，提高鉻礦砂加入量。

圖5 未添加防脈紋劑冷芯工藝鑄件脈紋嚴重

3.3.1 防脈紋劑對砂芯尺寸收縮的影響

借助三維光學(xué)掃描技術(shù)，運用三維點云對比軟件Geomagic control，設(shè)備測量精度±0.05mm，對四種冷芯混砂配比的進氣道芯尺寸進行測量，選取1 缸與6 缸閥座孔芯頭距離L1、前后端芯頭小平面距離為研究尺寸L2，如圖6。測量結(jié)果如表2 及圖7～11 所示。

圖6 L1、L2 尺寸定義

表2 不同混砂配比的砂芯尺寸測量結(jié)果

圖7 配比1 砂芯三維掃描測量結(jié)果

圖8 配比2 砂芯三維掃描測量結(jié)果

圖9 配比3 砂芯三維掃描測量結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn)，添加防脈紋劑時，鉻礦砂比例少于35%時，砂芯縮短嚴重；防脈紋劑比例0.5%，35%或50%鉻礦砂時，砂芯縮短0.35～0.45mm，對比無防脈紋劑添加原始配比，縮短程度可以接受。

3.3.2 防脈紋劑對鑄件收縮和變形的影響

試驗?zāi)透邷馗材ど盁嵝局迫∵M氣道芯及上述配比3 冷芯進氣道芯澆注鑄件，兩臺鑄件整體均存在1.2mm 左右收縮，如圖12、13 所示。熱芯鑄件進氣道收縮0.8mm，說明熱芯在澆注后有膨脹現(xiàn)象；冷芯鑄件進氣道收縮程度與鑄件整體收縮程度一致，即冷芯無明顯收縮或膨脹。

圖10 配比4 砂芯三維掃描測量結(jié)果

圖11 原始配比砂芯三維掃描測量結(jié)果

圖12 冷芯進氣道芯鑄件閥座孔尺寸測量結(jié)果

圖13 熱芯進氣道芯鑄件閥座孔尺寸測量結(jié)果

對比熱芯與冷芯配比3 進氣道芯澆注鑄件解剖后三維掃描尺寸，如圖14、15。熱芯氣道中間處外脹現(xiàn)象明顯，最大1.4mm；冷芯配比3 鑄件尺寸良好，最大外脹0.4mm。與熱芯相比冷芯配比3 尺寸穩(wěn)定性良好，抗變形能力強，缸蓋加工后進行吹風(fēng)性能試驗，冷芯缸蓋渦流比明顯低于熱芯缸蓋，更接近理論設(shè)計值。

圖14 防脈紋劑冷芯鑄件解剖內(nèi)腔測量結(jié)果

4 應(yīng)用效果

驗證五種混砂工藝，效果如表3 所示。防脈紋劑添加量0.8%時，砂芯縮短嚴重，影響組芯尺寸；防脈紋劑添加量0.5%，鉻礦砂50%時，砂芯尺寸良好、抗脈紋效果好，但成本偏高；樹脂加入量提升不能減低脈紋缺陷比例，而且發(fā)氣量過高；防脈紋劑添加量0.5%，鉻礦砂35%時，可同時兼顧砂芯尺寸、材料成本和抗脈紋效果。

表3 五種混砂配比驗證效果

此外，在后續(xù)驗證中發(fā)現(xiàn)，砂芯放置時間超過三天，鑄件出現(xiàn)脈紋幾率升高，建議制芯后三天之內(nèi)澆注。

5 結(jié)論

（1）防脈紋劑的添加對冷芯的抗拉強度、發(fā)氣量有一定影響。

圖15 熱芯鑄件解剖內(nèi)腔測量結(jié)果

圖16 配比3 鑄件無脈紋

（2）有針對性開發(fā)特殊結(jié)構(gòu)砂芯防脈紋劑冷芯混砂工藝，從加料設(shè)備、加料順序、混砂時間、混砂配比等多方面進行試驗研究，評估不同混砂工藝對砂芯尺寸、材料成本和抗脈紋效果的影響，最終確定最佳工藝。