汽車缸體鑄件生產(chǎn)中造型材料的優(yōu)化

濟(jì)南重汽鑄鍛中心 （山東 250013） 郭文申 高秀武 王海平 程 鵬 王樹寶

一段時(shí)間以來，我廠在生產(chǎn)某型號的缸體時(shí)，一直被高達(dá)30%以上（該缺陷占廢品總數(shù)的90%以上）的熗火缺陷所困擾，缺陷位置主要集中在上箱的凸臺位置及水套面，如附圖所示。因?yàn)楫a(chǎn)品訂單不斷增多，該缸體能否及時(shí)供貨成了大問題，所以我們將減少熗火缺陷，降低產(chǎn)品廢品率作為一項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，集中技術(shù)力量進(jìn)行解決。

通常造成熗火缺陷的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，出氣針位置不正確或數(shù)量不足，造成排氣不順暢。

（2）砂芯發(fā)氣量過大。

（3）型砂水分過高，澆注時(shí)由水分造成的發(fā)氣量過大。

（4）型砂緊實(shí)度過高，透氣性低，不易排氣。

針對上述因素，我們組織專家組對各種可能性展開分析，經(jīng)過排查，基本排除了澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理的可能性，于是就將工作重心轉(zhuǎn)向了降低砂芯發(fā)氣量及優(yōu)化型砂性能兩個(gè)方面。

一、型砂

我公司鑄造車間現(xiàn)有兩座舊砂砂庫，系統(tǒng)砂量在1000～1200t，使用德國進(jìn)口愛立許混砂機(jī)混砂，HWS靜壓造型線造型，每天兩班正常生產(chǎn)時(shí)整個(gè)砂系統(tǒng)可以循環(huán)一遍。車間生產(chǎn)的產(chǎn)品較為混雜，包括灰鑄鐵和球墨鑄鐵兩種材質(zhì)，鑄件重量20～300kg，混砂配方主要根據(jù)鑄件材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，具體混砂配方見表1。

表1 混砂配方 （kg）

1.型砂現(xiàn)狀

我們統(tǒng)計(jì)了熗火嚴(yán)重的一段時(shí)間內(nèi)的型砂檢驗(yàn)指標(biāo)，典型的幾組數(shù)據(jù)見表2。

表2 型砂的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.調(diào)整過程

（1）型砂檢驗(yàn) 觀察統(tǒng)計(jì)的化驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)型砂的有效膨潤土含量在6.5%～8%變化時(shí)，型砂的濕壓強(qiáng)度十分接近，這顯然是不符合常理的，由此我們對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了懷疑，并對化驗(yàn)員的操作方法和實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了全面的檢查，發(fā)現(xiàn)并糾正了以下幾個(gè)問題：①化驗(yàn)員在滴定0.3g和0.4g膨潤土標(biāo)樣時(shí)滴定量不準(zhǔn)確，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)比實(shí)際含量高出了1.2%。②測定含泥量時(shí)，化驗(yàn)員在洗砂過程中攪拌靜置的時(shí)間不標(biāo)準(zhǔn)、虹吸排水時(shí)不使用虹吸管，排水后加水量未達(dá)到標(biāo)高等，對于該問題根據(jù)GB/T2684—2009的要求進(jìn)行規(guī)范操作。③每次檢驗(yàn)砂子的發(fā)氣量時(shí)，第一個(gè)試樣的發(fā)氣量總是比第二個(gè)和第三個(gè)試樣低，分析后發(fā)現(xiàn)是由于儀器內(nèi)部未填充還原性氣體造成的，于是我們采取了“先標(biāo)定后試發(fā)氣再檢測”的檢驗(yàn)方法，進(jìn)一步提高了發(fā)氣量的檢測精度。④相同的試樣，使用自動(dòng)透氣性測量儀和手動(dòng)測量儀檢驗(yàn)的結(jié)果相差60～70，經(jīng)過對目前使用儀器的校準(zhǔn)，透氣性的檢驗(yàn)數(shù)值上升了約10%，通過對檢驗(yàn)過程的整改，使之更能反映型砂的真實(shí)性能，為我們之后的調(diào)整打下了良好基礎(chǔ)。

（2）調(diào)整舊砂水分 澆注后的型砂經(jīng)高溫烘烤，型砂中的一部分膨潤土?xí)軣釤龘p，而未燒損的有效膨潤土則需在舊砂處理過程中補(bǔ)加適量的水并保存一段時(shí)間，以使其有效“復(fù)蘇”，從而在下次的混砂中繼續(xù)發(fā)揮粘結(jié)作用。實(shí)踐表明，舊砂的含水量需控制在型砂的1/2左右，而該車間有50%以上的舊砂水分不足型砂水分的1/3，所以現(xiàn)用的舊砂水分需要提高，以保證舊砂中有效膨潤土得到恢復(fù)，全部發(fā)揮其粘結(jié)作用。于是在保持混砂配方不變的情況下，我們對舊砂水分進(jìn)行了調(diào)整。首先，校對沸騰冷卻床的加水量，保證所調(diào)整變量有效；其次，分別將舊砂的水分調(diào)整到1.5%～2.0%，并存儲約10h后再混砂，獲得的型砂檢驗(yàn)性能見表3。

表3 提高舊砂水分后連續(xù)四天型砂的檢驗(yàn)數(shù)值

觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，雖然型砂的濕壓強(qiáng)度變化不大，但是型砂含水量卻下降了10%左右，且澆注過程中的“噴鐵”現(xiàn)象也明顯減輕（約減少70%的噴鐵次數(shù)），所以我們認(rèn)為保持1.5%～2.0%的舊砂水分對減少熗火缺陷有幫助，在之后的調(diào)整過程中也將含水量控制在該范圍內(nèi)。

（3）優(yōu)化混砂配方 生產(chǎn)中使用了大量的冷芯盒樹脂砂砂芯以及少量的覆膜砂砂芯，落砂時(shí)潰散的砂芯不可避免地混入到舊砂中，因?yàn)榛烊氲纳靶究梢哉J(rèn)為是補(bǔ)充的新砂量，所以如果將這一部分芯砂考慮到配方中，就會使配方發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致型砂濕壓強(qiáng)度下降，同時(shí)也使其韌性變差，對含水量的變化更加敏感，不利于穩(wěn)定地控制型砂性能。于是我們對樹脂砂的混入量進(jìn)行了檢測：將洗過含泥量的舊砂在1000℃的馬弗爐中灼燒1h，測定其灼減量為1.8%左右，這樣可以計(jì)算出砂系統(tǒng)中混入的樹脂砂量高達(dá)17%～18%，再加上配方中的新砂量，那么新砂加入量已經(jīng)達(dá)到了20%，這些新砂需要大量的膨潤土才能粘結(jié)，所以目前使用的混砂配方中膨潤土補(bǔ)加量是不足的，于是我們采?。孩倩焐皶r(shí)將膨潤土從45kg開始按每班增加5kg的速度調(diào)整至60kg并保持。②將新砂加入量從200kg開始按每班50kg的速度遞減至50kg并保持。③在保證濕壓強(qiáng)度的條件下，適當(dāng)降低混砂時(shí)的緊實(shí)率。

經(jīng)幾個(gè)班次的調(diào)整后，型砂性能較之前發(fā)生了較大改善且保持在小范圍內(nèi)變化，具體性能見表4。

表4 優(yōu)化型砂配方后的型砂性能

使用上述型砂造型澆注后發(fā)現(xiàn)，在澆注過程中“噴鐵”現(xiàn)象基本沒有再出現(xiàn)，鑄件的“熗火”缺陷下降了約20%，發(fā)生熗火的鑄件其凸臺上方的氣針長度有所延長，氣針內(nèi)部的氣孔體積有所減輕。于是我們在穩(wěn)定住型砂性能的同時(shí)，從砂芯的發(fā)氣量上入手，以求進(jìn)一步減少“熗火”缺陷。

二、芯砂

（1）生產(chǎn)現(xiàn)狀 目前，車間在生產(chǎn)該型號的缸體時(shí)使用冷芯盒樹脂砂（每件約240kg）和覆膜砂（每件約14kg）制芯，其中不同的冷芯盒砂芯在混砂時(shí)其樹脂的加入量有所不同，同時(shí)共有三種覆膜砂用于不同砂芯的制芯，并對所有的砂芯進(jìn)行了發(fā)氣量檢驗(yàn)，結(jié)果見表5。

觀察表5中的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)并對比一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前使用的冷芯盒樹脂砂其發(fā)氣量高約8%，而用于制作水套芯的3#覆膜砂其發(fā)氣量高出約80%，考慮到車間冬季溫度低，不利于發(fā)揮樹脂砂即時(shí)強(qiáng)度而影響砂芯質(zhì)量，因此暫時(shí)沒有調(diào)整樹脂的加入量，以進(jìn)一步降低冷芯盒樹脂砂的發(fā)氣量，而是將工作重心轉(zhuǎn)向如何降低覆膜砂的發(fā)氣量。

表5 砂芯的發(fā)氣量

（2）試驗(yàn) 因?yàn)楦材ど笆怯蓪I(yè)廠家提供，對其發(fā)氣量無法控制，所以我們考慮先用1#、2#兩種覆膜砂制作水套芯并進(jìn)行澆注，以觀察試驗(yàn)效果，如果方案有效，再聯(lián)系供貨商調(diào)整配方。制芯前我們對三種覆膜砂進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果見表6。

從表6中可以得出：①1#在覆膜砂的粒度最細(xì)（平均AFS＝50.67），3#最粗（平均AFS＝46.4）。②1#和2#覆膜砂的熱抗拉強(qiáng)度十分接近且比3#低0.38MPa。③2#覆膜砂的常溫抗拉強(qiáng)度最低，3#最高，1#居中。

獲到檢驗(yàn)結(jié)果后，我們使用1#覆膜砂制水套芯4件，并進(jìn)行澆注試驗(yàn)，檢查鑄件發(fā)現(xiàn)，雖然試驗(yàn)件均沒有發(fā)生“熗火”、出氣針內(nèi)部也沒有產(chǎn)生氣孔，但是試驗(yàn)件的水套位置產(chǎn)生了較嚴(yán)重粘砂，出現(xiàn)了1件斷芯、1件嚴(yán)重粘砂無法清理而致廢，從而可判斷是由于覆膜砂熱強(qiáng)度不足引起的。

表6 三種覆膜砂的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

（3）性能調(diào)整 根據(jù)之前在擦洗砂中加入適量的寶珠砂以解決冷芯盒砂芯沖砂問題的經(jīng)驗(yàn)，我們聯(lián)系了1#覆膜砂的供貨廠家，要求提供由寶珠砂、鉻鐵礦砂和焙燒砂混合，且樹脂加入量提高0.1%的覆膜砂，改良后的1#覆膜砂試驗(yàn)室檢驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 新1#覆膜砂的性能檢驗(yàn)

改良后的1#覆膜砂與之前相比，發(fā)氣量上升了6.45%，熱抗拉強(qiáng)度提高了9.6%， 我們使用該覆膜砂制水套芯10件，并進(jìn)行澆注試驗(yàn)，檢查鑄件發(fā)現(xiàn)：①10件試驗(yàn)件未出現(xiàn)熗火缺陷，部分出氣針內(nèi)部有氣孔但未涉及鑄件。②除了一件在水套芯芯頭位置因粘砂嚴(yán)重?zé)o法清理導(dǎo)致廢品外，其余9件水套位置有少量可清理的粘砂，不影響產(chǎn)品質(zhì)量。③有6件試驗(yàn)件出現(xiàn)輕微脈紋，增加了清理工作量但不影響產(chǎn)品質(zhì)量。④將廢品件進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)，水套內(nèi)部無粘砂、脈紋等缺陷。

三、結(jié)語

解決鑄件因發(fā)氣而產(chǎn)生的缺陷問題時(shí)，鑄造工作者不但要在材料發(fā)氣方面想辦法降低，也要在各種排氣手段上進(jìn)一步提高。在本次的技術(shù)攻關(guān)活動(dòng)中，我們在不斷優(yōu)化型砂和芯砂性能、解決熗火缺陷的同時(shí)，又遇到了粘砂和脈紋等缺陷，這也就要求我們在以后進(jìn)行工藝改進(jìn)時(shí)必須做好失效模式分析，合理有序地推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新工作。

（20130208）