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发表于 2009-1-5 20:37:44
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灰铁缸盖整体水套芯冷芯工艺失效与对策
分析了黄梅雨季水套芯失效原因，认为水分、温度、压力和时间是灰铁缸盖整体水套芯冷芯工艺的四大控制要点。对局部疏松失效、涂料烘干后变形失效、砂芯断裂失效，以及水腔脉纹失效原因也进行了详细分析，指出人为形成压力差是解决局部射不实的途径；对后期固化、不合理的升温速率和烘干温度的监控可以避免水套砂芯变形；吹胺量和吹胺吹气条件适当，冷芯盒砂芯不会断裂；而防止砂芯表面开裂和控制型内瞬时压力能杜绝脉纹缺陷的出现。
+ h3 }/ E0 f# N8 L# p1 b柴油机缸盖安装在缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。工作时它与高温高压燃气相接触，承受着很大的热负荷和机械负荷。缸盖内部有冷却水套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。由此可见，缸盖冷却水套的铸造精度和粗糙度都将直接影响冷却水的流量和方向，铸造工艺稍有不慎，都会因冷却不力而使缸盖产生疲劳开裂，导致柴油机出现重大技术故障。笔者仅以某一型号的六缸灰铸铁缸盖整体水套砂芯为例，对冷芯盒制芯工艺的失效模式作一些简要分析，并探讨其对策，供铸造同仁参考。
. T6 v) o1 K- W- ^ 图 1 为六缸灰铸铁缸盖整体水套砂芯，呈扁平网状结构，外形尺寸 965 mm × 185 mm × 196 mm ，最细部位 6 mm ，最薄 3.5 mm 。
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1 x( n3 K. q& M8 h k5 r - c9 I) A4 b5 K& B0 g
图 1 六缸灰铸铁缸盖整体水套砂芯
" Y! h7 |, G% m1 P& \1 黄梅雨季冷芯水套芯失效分析与对策
$ K& ?4 ?2 o! H" i& L* T 在上世纪 80 年代末期冷芯盒工艺在我国刚刚起步，仅有北方地区的一汽和一拖应用冷芯工艺生产缸体主轴箱砂芯，而地处气候潮湿的江南地区铸造学术界尚有“冷芯盒工艺能否过长江”的争论。在此情况下，笔者和同事们力排众议，决定尝试“首吃螃蟹”的滋味，用冷芯盒工艺生产包括缸盖水套砂芯的所有砂芯。但是在 1993 年～ 1994 年试生产期间，特别是在黄梅季节，我们碰到了难以想象的困难，水套芯在顶芯、搬运、上涂料、烘干、组装到下芯工序时合格率不到 25% ，而铸件由于水道不通、水腔内严重脉纹等缺陷报废率高达 50% 。9 p$ F: y1 A/ E3 V
1.1 失效原因, W, n7 q! {3 q( X5 v S
冷芯盒工艺使用的树脂有两个组分。Ⅰ组分是宽分布的线性酚醛树脂。它是用苯酚、甲醛经过化学反应获得的含有羟甲基（ -CH2OH ）与醚键（ R-O-R ）的线性聚合体。适量的羟甲基数，可保证砂芯获得必要的初强度，适当的醚键可保证充分的终强度。Ⅱ组分是用高沸点的芳烃溶剂稀释的含有适量 -N=C=O 基团的聚异氰酸酯。$ u- x( I1 u4 F
实际应用时，将Ⅰ、Ⅱ组分和原砂混合在一起，射入芯盒，在三乙胺的催化作用下，Ⅰ组分酚醛树脂中的羟甲基（ -CH2OH ）和Ⅱ组分聚异氰酸酯中的 -N=C=O 基团，数秒内使均匀包覆在砂粒表面的树脂膜从液态变成固态，在砂粒与砂粒之间建立起粘结桥，形成必要的强度而获得各种形态的砂芯。冷芯盒工艺的这种快速固化过程受其树脂分子结构和固有化学特性的制约，如对这些化学特性没有足够的认识，终将导致冷芯制芯工艺的失效。
1 L+ s* f+ M- @' d% L% D （ 1 ）Ⅱ组分聚异氰酸酯中 -N=C=O 基团在碱性或微碱性环境中容易水解，放出 CO2 生成胺化合物，其反应活性受水分浓度、温度、催化剂的影响。水分浓度和反应温度增加可使水解反应速率增大。三乙胺在催化羟甲基与 -N=C=O 基团反应的同时，也使 -N=C=O 基团的水解反应加速，在无三乙胺的条件下水解相对速率为 1.1 ，在吹三乙胺以后，水解相对速率则提高到 47 。如不在整个工艺过程中对水分进行严格控制，将无法获得合格的水套砂芯。$ k! B5 m9 Q& L6 b8 }. I9 T
（ 2 ）Ⅰ组分和Ⅱ组分树脂一旦和原砂混合后，即会发生缓慢的聚合化学反应，在原砂中 Fe 、 Ca 、 Mg 等碱性化合物的催化作用下，反应速率加快，混合料会因此变粘而失效，如不对原砂质量，尤其是碱性化合物的含量进行控制，将无法得到满足生产需要的可使用时间。
9 ]5 \1 Z! X& M+ K- A （ 3 ）Ⅰ组分和Ⅱ组分树脂的聚合反应分为 前、后两个固化过程，在胺催化作用下快速固化形成的初强度一般占终强度的 40%~70% ，还有 30%~60% 的强度需在后期形成。如不对影响前期固化的胺的数量、浓度、温度、压力和时间，以及影响后期固化的上涂料时间、烘干温度、仓储时间、温度、湿度进行优化组合，将无法保证砂芯的成形和后期固化的如期完成。& B+ \- h' [( b% _# u1 X# I
( y. I5 X0 e0 U, p) `8 {1.2 对策/ Z0 y( [/ H: o6 R7 V. i) @
在充分了解冷芯工艺的基本原理和特性的基础上，笔者在整体水套砂芯的工艺攻关过程中，创建了“水分、温度、压力、时间”优化组合的冷芯盒工艺现场八字作业法，到 2006 年底，已累计生产了缸盖水套砂芯 50 多万台套，砂芯废品率＜ 1% ，综合利用率大于 94% ，铸件废品率≤ 5% 。
9 I0 K1 }% |( v. N/ E 在水套制芯过程中，如果某一工序受到水的侵害都将导致某种缺陷。有时，这种缺陷将会非常严重。这是因为水分将消耗大量的Ⅱ组分聚异氰酸酯中 -N=C=O 基团，从理论上计算， 1 mol 的水将消耗 2 mol 的 -N=C=O 基团。而Ⅱ组分聚异氰酸酯中含有 -N=C=O 基团一般在 20% 左右，也就是说，每克水与 -N=C=O 基团完全反应将消耗 10 g 左右的聚异氰酸酯，这不仅使水套砂芯强度大幅度地降低，甚至有时会无法顶芯脱模，而且其反应生成的胺化合物降低了水套砂芯的高温塑性，并增加发气量。因此，我们对原砂、压缩空气、三乙胺、涂料、大气及型砂中的水分都进行了严格监控。
! z+ X0 W( E/ a3 I% i1 e 冷芯盒工艺的过程实际上是一种化学、物理过程，其中化学过程起着决定性的作用。研究和分析其过程的影响参数，合理设置这两个过程工艺参数，进而进行优化组合，是保证水套砂芯质量稳定、生产正常的必备条件。分析其过程的影响参数主要有温度、压力和时间。“温度”主要是指原砂、树脂、压缩空气（射砂和吹胺）、三乙胺、涂料烘干时的温度；“压力” 主要是指射砂、吹胺、清洗时的压力；“时间”主要是指树脂仓储、混砂、可使用、射砂、吹胺、清洗、上涂料、烘干、砂芯仓储及砂芯落入铸型后所经历的时间。优化组合后的( n# x( K: j. e# F+ D3 M$ J9 i- [
水套砂芯控制参数如表 1 所示。
7 M* l+ d6 F B% L5 K4 u1 c表 1 优化组合后的水套砂芯控制参数 [1]
1 }4 n& F- T. w2 d/ U# O7 W6 ]Tab.1 Optimized combination of controlling parameters for producing jacket cores [1] / N% I, x* M% ^+ x( I! ^) b
主要参数 水分 温度 / ℃ 压力 /MPa 时间 . N2 Q8 Q9 w9 r1 V& j& p4 M* X
混和料 " K ?/ L! ^; G( w5 {2 V
配制工序 原砂≤ 0.15% 原砂 15 ～ 35
; A: D; U2 N6 K" { a) x树脂 15 ～ 35 混砂 90 s
5 l$ K, C' o k% S3 W可使用 30 ～ 60 min
$ O; M, t, x7 p6 B* v1 f制芯工序 射砂用气 * V q- `% m4 [$ ^7 L
-40 ℃ 不结露 射砂 0.5 射砂 3 s - y( k8 W, n! A8 d; z. V0 c3 ^
三乙胺 20 ℃ 水溶解度 4.6% 三乙胺 * P% V: v& J" O$ `
80 ～ 120 吹胺 0 ～ 0.3 吹胺 1.2 ml/kg
7 B* J1 u/ p2 H+ o! f5 \9 W+ W) i吹胺时间 6 s
1 g/ l. f7 ^$ k 吹气用气
h8 }6 Q, R) w/ z8 \! h) F) y-40 ℃ 不结露 吹气 $ F* K- g2 h+ l/ c! ?1 ]% Q
80 ～ 120 吹气 0.6 吹气 45 s
, z- B5 z. w: t* B) f5 K6 ]+ ]* @后处 % p. I) E, j8 ]. C1 M& f F `
理工序 水基涂料 烘干 120 ～ 150 烘干时间 45 min & W& n. H$ P' ^, d3 ~
相对湿度≤ 75% 15 仓储≤ 10 天 7 }# V C1 g+ Y; q
下芯至浇
* y( O2 o: `% }1 B注的时间 ≤ 30 min
" ?' q8 [1 V3 q& Q: _2 局部疏松失效分析与对策
5 Z/ k% Q9 r0 V. B. ^+ k% i2.1 失效原因
# u% I+ R' W1 H* H8 ?$ p 冷芯盒砂芯的紧实过程是动能和压力差综合作用的结果，射砂压力为芯砂紧实提供动能，高速砂流碰到静止的芯盒产生强烈的撞击，使芯砂紧实。在射砂管垂直散射角大于 30 °的其它部位，则主要依靠该部位与射口之间的压力差而紧实。对形状呈扁平网状结构的水套砂芯而言，很多部位的紧实则是压力差紧实为主，而动能紧实为辅。如果芯盒排气塞位置设置不合理，排气面积过小，或者在生产过程中，排气塞堵塞而没有及时清理，在射砂过程中，与芯腔同等体积的空气没能在射砂时间内及时排出，形成气垫，没有形成压力差，砂芯就会产生局部疏松，例如活块、圆角、凸台等处，严重时还会出现射不满的现象。6 l% x' {* ~. m2 d2 B$ g
2.2 对策
9 c, ?0 b7 u/ q' ]2 w3 \$ h7 K, o6 t （ 1 ）调整保养好制芯机。
) O: [6 k" P% x K. T- n% \8 i6 U 由于水套砂芯结构复杂，最薄处仅 3 mm 左右，往往需要较高的射砂压力和更快的建压速度来保证砂芯的致密度。因此，用于生产水套砂芯的冷芯盒制芯机需要更大的芯盒夹紧力和更快的射砂阀开启速度。通常单位射砂面积的芯盒夹紧力至少应在 1 ～ 2 kg/cm2 ，以防止“喷砂”和射砂时芯盒位移。在实际生产过程中，要十分注意做好射砂筒料位的维护保养工作，确保定量准确地向射砂筒中加砂，每次射砂时，射砂筒中能储存 2 倍的射砂量，可有效降低气砂比，减少芯盒排气负担；另外，制芯机射砂阀排气网要每班清洗，防止堵塞和排气背压太高。
1 V9 j! s8 a- C8 o1 I （ 2 ）芯盒排气合理并及时保养。( @2 A5 R1 {8 A; A
芯盒排气塞数量和位置恰当，与射砂（吹气）管夹角尽可能大于 300 ，射口与排气塞之间能形成较大的压力差。对于水套砂芯而言，芯盒设计时，排气面积约为吹气面积的 85% ～ 90% ，略大于一般砂芯。在实际生产时，总会有些排气塞尤其是芯盒细而深处的排气塞部分堵塞而失效，所以在夏天芯盒应每 2 h 保养一次，在其他季节每 4 h 保养一次。& P/ o" w+ w, Q' B
（ 3 ）优化组合工艺参数。* S& ]" `" f' Y. p
调整射砂压力、时间（含射砂后的延时时间）和射砂次数，获得致密度均匀的砂芯；优化组合吹胺压力、时间和吹胺量，有效的吹胺可以使“雾化”良好的三乙胺气体均匀通过水套砂芯的每一个角落。应检查芯盒分型面或吹气管道是否泄漏，三乙胺通过砂芯时是否有排气塞提前排气等。通常可在吹气板适当的位置安装压力表，用以观察吹胺吹气时的压力变化，该压力应控制在 0.15 ～ 0.20 MPa ，以防止吹气管下方砂芯产生孔洞。砂芯在吹气以后，应基本闻不出三乙胺的气味，吹气时间与吹胺时间的比例应控制在 6 ～ 8 之间。
1 |: S0 }- m% n2 j# T （ 4 ）正确把握芯砂可使用时间。
6 Z) U/ r- x k* `7 b' y 影响芯砂可使用时间的主要因素有原砂中碱性化合物的含量（用 PH=3 时的耗酸值来度量）、水分和温度。在可使用时间内芯砂流动性很好，充填性优良，砂芯易于紧实。按照南方的气候特点和目前冷芯盒树脂的性能指标，在原砂耗酸值≤ 8 ，水分≤ 0.15% 的条件下，室温≤ 25 ℃ ，芯砂可使用时间 60 min ； 25 ℃ < 室温 < 35 ℃ ，芯砂可使用时间 45 min ；室温≥ 35 ℃ ，芯砂可使用时间 30 min 。以此来控制芯砂可使用时间可获得合格的水套砂芯。
! n( P# ~. Q' j0 D4 M: C9 [6 ~ （ 5 ）调整三乙胺净化塔的风量和风压，防止芯盒产生过大负压。1 t' l) t6 u) Y z! Y( A5 p) s
因为较大的负压将导致吹胺吹气产生紊流，导致吹胺量加大和局部不固化，为避免此种情况的发生，可在芯盒抽风框上安装真空压力表，表指示值通常应≤ 0.05 MPa ，并以此来调整三乙胺净化塔风量和风压。
2 O( c1 X3 R- J6 k3 涂料烘干后砂芯变形失效分析与对策
0 y7 o3 |! Q) v+ {# w3.1 失效原因" q0 ^, U4 o& Z$ z2 y% y9 _
水套冷芯盒砂芯脱模后，在自由状态下继续后期的固化过程，在此过程中，树脂粘结桥中不溶于水的溶剂将逐渐挥发，粘结桥将完全固化，强度将达到最大值。由于水套砂芯各部位的壁厚差异悬殊，圆角、尖角、凸台很多，不同部位的溶剂挥发和后期固化速度存在着明显差异。特别是在上水基涂料后的烘干过程中，烘干板表面不平度超差，升温速度过快、保温温度过高，将导致水套砂芯发生不同程度的变形，轻者会使缸盖水套与进排气道和主油管的相关壁厚超差，严重时会使缸盖铸件报废。, h% g0 t. B- E/ B. s
3.2 对策
+ r8 R2 i( A( |' p( N9 J/ Q% d; P （ 1 ）适当提高出盒强度，控制二次固化强度的上升百分比。
" U3 w3 V. I$ t) g, a4 J 一次固化是在高压压紧的芯盒中完成的，将吹胺量从常规的芯砂吹 0.8 ～ 1.0 ml/kg 提高到1.1 ～ 1.2 ml/kg ；吹胺时间也从常规的 3 ～ 4 s 延长到 5 ～ 6 s ，以提高水套砂芯的出盒强度，减少在自由状态下的二次固化上升的强度。对于水套这种容易变形的砂芯而言，二次固化上升的强度与出盒强度的百分比应控制在 50% 以内。1 F0 P4 c l5 d* ^+ i$ ~- T8 I
（ 2 ）工位器具要有足够的精度。
$ B! o7 g/ Z: \5 u5 p. H 水套砂芯出盒后要经过运输、加工、上涂料、烘干和组装工序，此时承载的工位器具应有足够的刚度，表面不平度≤ 0.5 mm 。应及时清除涂料滴，保持清洁，烘干时平放，冷至室温时侧放。6 [) W/ y. ~7 w, k% U8 f
（ 3 ）尽快涂覆水基涂料。
5 r# x! k y- T* j/ Q# |& l 水套砂芯出盒后，在可能的条件下应尽快涂覆水基涂料。此时，树脂桥中的溶剂大部分尚未挥发，它可以阻止水分向砂芯内层的过度渗透，既可以预防水分对尚未完全固化树脂桥的损伤，又可以缩短干燥时间。: C7 Z* r# q4 _9 S
（ 4 ）适宜的升温速率和烘干温度。9 b6 m' {% o. Z; w) r
水套砂芯二次固化的速度随着温度的升高而加快，过快的反应速度则使砂芯内产生较大的内应力，据测定，冷芯盒砂芯在 3 min 内温度升至 250 ℃ 时，将会产生 1 ‰～ 1.5 ‰的热变形。因此，对水套这种质量要求很高的扁平网状砂芯而言，适宜的升温速率和烘干温度就显得非常重要。通过多年的试验研究，笔者认为将水套砂芯上水基涂料后的升温速率调整至 25 ～ 30 ℃ /min ，烘干温度控制在 120 ～ 150 ℃，能收到较好的效果。
4 E6 Z) @" i% U6 m& D4 砂芯断裂失效分析与对策
; S2 D+ h D, s. O% S9 z6 Z/ Q4.1 失效原因; J) n$ C$ @; g3 w) _9 {
水套砂芯形状复杂，表面积很大，在顶芯时为了克服砂芯与芯盒之间过大的表面张力， ; g( ]# m8 _$ I* N! T
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发表于 2009-1-5 13:52:18
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