灰铁缸盖整体水套砂芯冷芯工艺的失效与对策

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灰铁缸盖整体水套砂芯冷芯工艺的失效与对策灰铁缸盖整体水套砂芯冷芯工艺的失效与对策
                  --吉祖明  瞿之碧
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。本文仅以某一型号的灰铁六缸缸盖整体水套砂芯为例，（如上图所示，它呈扁平网状结构，外形尺寸965×185×196mm，最细部位6 mm，最薄3.5mm），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。

1.九十年代黄梅季节冷芯水套芯失效分析与对策
在上世纪80年代末期冷芯盒工艺在我国刚刚起步，还仅有属于北方地区的一汽和一拖两家应用冷芯工艺生产缸体主轴箱砂芯，而我们地处气候潮湿的江南地区，在铸造学术界也有“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又高达50%。
1.1失效原因
冷芯盒工艺使用的树脂有二个组份，Ⅰ组份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组份是用高沸点的芳烃溶剂而稀释的含有适量—N=C=O基团的聚异氰酸酯。实际应用时，将它们和原砂混合在一起，射入芯盒，在三乙胺的催化作用下，Ⅰ组份酚醛树脂中的羟甲基（-CH2OH）和Ⅱ组份聚异氰酸酯中的—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）Ⅱ组份聚异氰酸酯中—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，其反应活性受水份浓度、温度、催化剂的影响。水份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。
2）Ⅰ组份和Ⅱ组份树脂一旦和原砂混合后，即会发生缓慢的聚合化学反应，在原砂中铁、钙、镁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。
3）Ⅰ组份和Ⅱ组份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，和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。
1.2.对策
在充分了解冷芯工艺的基本原理和特性的基础上，我们在整体水套砂芯的工艺攻关过程中，创建了“水份、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，巳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%。
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。这是因为水份将消耗大量的Ⅱ组分聚异氰酸酯中—N=C=O基团，从理论上计算，1摩耳的水将消耗2摩耳的—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克左右的聚异氰酸酯，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起模。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。
冷芯盒工艺的过程实际是一种化学、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，优化组合后的水套砂芯控制参数如下表所示：

主参数        水分        温度        压力        时间
混和料
配制工序        原砂≤0.15%        原砂15～35℃                混砂90秒
                树脂15～35℃                可使用30～60分钟
制芯工序        射砂用气
-40℃不结露                射砂0.5MPa        射砂3秒
        三乙胺20℃水溶解度4.6%        三乙胺80～120℃        吹胺
0～0.3 MPa        吹胺1.2ml/Kg
吹胺时间6秒
        吹气用气
-40℃不结露        吹气
80～120℃        吹气
0.6 MPa        吹气45秒
后处
理工序        水基涂料        烘干
120～150℃                烘干时间45分钟
        相对湿度≤75%        ≧15℃                仓储≤10天
        下芯至浇
注的时间                        ≤30分钟

2.局部疏松失效分析与对策
2.1失效原因
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300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，产生了气垫现象，没有形成压力差，砂芯就会产生局部疏松，例如活块、园角、凸台等处，严重时还会出现射不满的现象。
2.2.对策
1）调整保养好制芯机：由于水套砂芯结构复杂，最薄处仅3mm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。通常射砂面积芯盒夹紧力至少应在1～2Kg/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。
2）芯盒排气合理并及时保养：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小时保养一次，在其他季节每4小时保养一次。
3）优化组合工艺参数：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，有效的吹胺是让“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应控制在6～8之间。
4）正确把握芯砂可使用时间：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），水份和温度。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，水份≤0.15%的条件下，室温≤25℃，芯砂可使用时间60分钟，25℃<室温<35℃，芯砂可使用时间45分钟，室温≧35℃，芯砂可使用时间30分钟，以此来控制芯砂可使用时间可获得合格的水套砂芯。
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。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。

3.涂料烘干后变形失效分析与对策
3.1. 失效原因
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，园角、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，轻者将使缸盖水套与进排气道和主油管的相关壁厚超差，严重时将使缸盖铸件报废。
3.2.对策
1）适当提高出盒强度，控制二次固化强度的上升百分比。一次固化是在高压压紧的芯盒中完成的，将吹胺量从常规的每公斤芯砂吹0.8～1.0毫升提高到1.1～1.2毫升，吹胺时间也从常规的3～4秒廷长到5～6秒，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%。
2）工位器具要有足够的精度。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，表面不平度应≤0.5mm，应及时清除涂料滴，保特清洁，烘干时平放，冷至室温时侧放。
3）尽快涂覆水基涂料。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渡渗透，这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。
4）适宜的升温速率和烘干温度。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分钟内将温度升至250℃时，将会产生1～1.5‰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，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℃内，收到了较好的效果。

4.砂芯断裂失效分析与对策
4.1. 失效原因
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，砂芯很容易发生断裂而报废。按照树脂砂芯断裂功的概念，这种断裂是由两个部分的能量组成，一是水套砂芯由断裂而增加的表面积所消耗的能量，二是水套砂芯断裂前发生塑性变形所消耗的能量，它可以由抗拉或抗弯试验所测及的应力-应变曲线下包含的面积来计算。如右图所示。图中A虽然极限应力最高，C极限应变量最大，但它们的断裂功都没有B大，在顶芯时都会断裂，而强度和韧性都适中的B砂芯却因为它具有最大的断裂功，顶芯时不会断裂。
4.2.对策
1）适宜的出盒强度和断裂变形量。实践证明：冷芯盒砂芯的断裂形式和断裂功是固化时间的函数，吹胺量少、时间短，砂芯具有明显的塑性变形的特征，能承受的顶芯载荷不大，变形量比较显著。过度吹胺和延长吹胺吹气时间，砂芯具有显著的脆性特征，能承受的顶芯载荷加大，而变形量却小了。只有在适中的吹胺量和吹胺吹气的条件下，砂芯才具有最大的断裂功，在顶芯时方可不出现断裂现象，对于本文所述的水套砂芯而言，每公斤芯砂吹胺1～1.2ml、吹气40～45秒基本无断芯现象。
2）定时保养芯盒。水套芯盒结构复杂，随行活块较多，及时清理表面，尤其是活块、顶芯装置处的浮砂、树脂污垢等，这对保持芯盒及顶芯机构必要的尺寸及位置精度就显得非常重要，顶芯机构的精度及稳定性是保证砂芯不断裂的前提条件，如顶芯机构顶芯时稳定性超差，砂芯虽具有最大的断裂功也将无济于事。

5.水腔脉纹失效分析与对策
5.1失效原因
用冷芯盒工艺生产的水套砂芯，缸盖水腔内出现脉纹的倾向较大，所谓脉纹是形状像锯齿状的金属网状凸起物，见附图。它产生的基本原因有两个：一是石英砂在573℃发生相变，体积膨胀致使水套砂芯表面开裂成缝，二是水套砂芯被高温铁水所包围，产生大量气体难以快速排出，腔内瞬时压力大于铁水渗透阻力，致使铁水渗入裂缝形成脉纹。另外水套砂芯薄壁处渗满铁水，形成烧结，堵塞水道。缸盖内腔脉纹、烧结难以清理，它不但影响缸盖内腔清洁度，而且还严重影响冷却水的流量与方向，引起缸盖热应力高度集中而导致裂纹的严重后果。
5.2对策
1）灰铁缸盖水套砂芯所用的石英砂，不宜选用高纯度石英砂，二氧化硅含量应小于95％。二氧化硅在高温铁液的作用下会发生晶型转变而发生线性膨胀人们习惯称为“微观膨胀”，但是，这种膨胀只要工艺措施得当，可使水套砂芯在宏观上体积少产生或不产生膨胀，即砂芯不开裂成缝。其主要措施就是调整原砂粒度分布，选用粒度相对分散的原砂，即从常规的三筛法变为四筛或五筛法，此时原砂粒径差异较大，它们发生线性膨胀的时间亦有先后，可有效减少水套砂芯的“宏观膨胀”，减缓了砂芯的热开裂倾向。调整后的原砂粒度如下表所示：
改进前的粒度组成        改进后的粒度组成
55目        35～30%        55目        20～25%
75目        30～40%        75目        35～40%
100目        30～35%        100目        15～20%
                150目        10～15%
55+75+100        ≥95%        55+75+100+150        ≥93%
200+260+Pan         ≤2%        200+260+Pan        ≤2%
   2）选用第三代抗脉纹添加剂。第三代抗脉纹剂是继特种砂、有机复合物之后而研发成功的新一代原砂添加剂，它是一种硅酸盐、金属氧化物经特别处理的多元复合化合物。在常温条件下，它既不影响混合料可使用时间、流动性、固化速度、仓储时间等常规使用性能，又不增加砂芯的发气量。在高温条件下，它能和二氧化硅发生物理化学作用，形成低熔点的多元玻璃态物质，增加砂芯的热强度和热塑性，吸收石英砂在573℃发生相变时的体积膨胀，减少砂芯（型）热开裂的趋势，封堵裂纹，增加金属液渗透阻力，防止砂芯气体向铸件内扩散。加入原砂重量的5～10％可有效解决脉纹缺陷。
3）选用高温塑性好的树脂。目前国内市场冷芯盒树脂品种规格繁多，它们的高温塑性和热稳定时间存在较大差异，即它们对产生脉纹的倾向和程度各不相同。我们利用高温性能测试仪，用实际使用的原砂和待测树脂制成试样24小时后，加热至1350℃，在高温定载条件下分别测定它们的最大变形量、最小变形量和热稳定时间，作为衡量树脂高温塑性、耐热冲击稳定时间和试样热膨胀量高低的量化指标，所得曲线如图所示：
每种树脂测试10个试样，去掉最大和最小值，其余8个试样的算术平均值如下表所示：
序号        树脂组合        最大变形量
E（mm）        最小变形量
-E（mm）        热稳定时间
（s）        评价
1        Ⅰ01+Ⅱ01        3.62        -0.03        209.0        2
2        Ⅰ02+Ⅱ02        3.45        -0.02        194.0        6
3        Ⅰ03+Ⅱ03        4.18        -0.01        197.8        1
4        Ⅰ04+Ⅱ04        3.47        -0.024        197.5        5
5        Ⅰ05+Ⅱ05        3.72        -0.037        192.7        4
6        Ⅰ06+Ⅱ06        3.05        -0.013        190.4        7
7        Ⅰ07+Ⅱ07        3.18        -0.01        196.0        3
8        Ⅰ08+Ⅱ08        3.07        -0.02        162.0        8
   试验结果表明，某公司生产的3号树脂具有良好的高温塑性（E=4.18mm），急热膨胀量小（E=-O.1mm），耐热冲击稳定时间长（197.8秒试样断裂）的特点，因此，我们选用3号树脂作为生产水套这种容易产生脉纹缺陷的被铁水全包围的复杂砂芯的首选树脂。                                                                    

6.小结：
1）水份、温度、压力和时间是灰铁缸盖整体水套砂芯冷芯工艺的的四大控制要点，水份是主线，温度、压力和时间是基础。
2）整体冷芯盒水套砂芯的紧实是动能和压力差综合作用的结果，人为形成压力差是解决局部射不实的主要途径。
3）过大的后期固化和不合理的升温速率和烘干温度是导改水套砂芯变形的主要原因，应对它们进行有效的监控。
4）冷芯盒砂芯的断裂形式和断裂功是固化时间的函数，只有在适中的吹胺量和吹胺吹气的条件下，砂芯才具有最大的断裂功，在顶芯时才不出现断裂现象。
5）砂芯表面开裂成缝和型内瞬时压力大于铁水渗透阻力是铸件出现脉纹缺陷的两个充分而必要的两个条件。
参考文献
1. 瞿芝碧， 吉祖明，三乙胺冷芯盒工艺优化控制概略，铸造工程，2007（1）P11～14
2. 吉祖明，瞿芝碧等，三乙胺冷芯高温性能试验研究，造型材料，2000（3）P18～20
3.黄乃瑜，罗吉荣，叶升平，树脂砂断裂的新判据，华中理工大学学报，1992年，第20卷
P2～4

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名称/三乙胺冷芯高温性能试验研究
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