一種冷芯盒殼體結(jié)疤的分析與控制

張百堂，魏長征，郝連客，譚業(yè)文，臧運(yùn)平(.山東鑫昊精密機(jī)械有限公司，山東諸城 633 .濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南 50306)

一種冷芯盒殼體結(jié)疤的分析與控制

張百堂1，魏長征1，郝連客2，譚業(yè)文1，臧運(yùn)平1
(1.山東鑫昊精密機(jī)械有限公司，山東諸城 262233 2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南 250306)

闡述了冷芯盒殼體鑄件結(jié)疤的特征，分析了結(jié)疤產(chǎn)生的機(jī)理，采取分散砂芯層的弱強(qiáng)度區(qū)措施，避免了在鐵液液面越過該結(jié)疤區(qū)域前，砂芯層發(fā)生開裂、剝落，產(chǎn)生結(jié)疤的風(fēng)險(xiǎn)，從而解決了鑄件局部結(jié)疤缺陷，穩(wěn)定獲得了健全的合格毛坯。

結(jié)疤；應(yīng)力；熱拉強(qiáng)度；小孔

某公司生產(chǎn)的變速箱殼體是一種運(yùn)輸車變速機(jī)構(gòu)的重要外殼，毛坯不僅要求致密，外觀也不允許存在明顯鑄造缺陷。變速箱殼體材質(zhì)選用HT250，單重182 kg，大部分壁厚為12 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該毛坯用靜壓線造型生產(chǎn)，圖2為型板模具布置圖，一模兩件，箱重421 kg，每包鐵液澆4箱，每箱澆注時(shí)間控制在32～45 s，澆注溫度在1 420～1 380 ℃，砂芯采用冷芯盒三乙胺法制造。自生產(chǎn)以來，在鑄件分型面以上上箱約20～200 mm，形成寬約30 mm的帶狀缺陷，圖3為鑄件上的帶狀缺陷，缺陷在內(nèi)腔與外皮相伴發(fā)生，這種現(xiàn)象可能發(fā)生在同包鐵液的首箱，也可能發(fā)生在同包澆注的尾箱，一箱中可能有一件發(fā)生，也可能兩件同時(shí)發(fā)生，發(fā)生缺陷即導(dǎo)致鑄件為不合格品，不合格品率嚴(yán)重時(shí)高達(dá)40%。

圖1　變速箱殼體示意圖

圖2　型板模具布置圖

圖3　內(nèi)腔與外皮夾砂結(jié)疤缺陷

1　變速箱殼體結(jié)疤缺陷的分析

1.1鑄件結(jié)疤的特征

結(jié)疤的一種表現(xiàn)形式為在鑄件表面有局部凸出的長條或塊狀疤痕，其邊緣與鑄件本體分離，下面夾有一薄層砂或涂料層。把金屬瘤狀物或夾砂層清除以后，鑄件表面就出現(xiàn)不規(guī)則的凹坑，凹坑中有一條形狀不規(guī)則的凸出物，在厚大鑄件的上型表面及下型的凸臺(tái)頂面和過渡面上，容易出現(xiàn)這種形式的缺陷。另一種表現(xiàn)形式為由于金屬液在砂型表面局部沖去了一塊砂的地方或者在發(fā)生攪拌或沸騰現(xiàn)象的地方出現(xiàn)了一塊凸出的疤［1］（約2～10 mm）。脫落的砂夾在疤塊中或鑄件的其它部位，也叫夾砂。總之，結(jié)疤是在鑄件表面產(chǎn)生的疤片狀金屬凸出物，其表面粗糙、邊緣銳利，有一小部分金屬與鑄件本體相連，疤片與鑄件之間一般夾有砂層。

1.2變速箱殼體結(jié)疤缺陷的識(shí)別

變速箱殼體結(jié)疤缺陷（圖3）是位于鑄件分型面以上上箱約20～120 mm，形成寬約30 mm的帶狀區(qū)域缺陷。這種缺陷使芯子內(nèi)表面形成的毛坯發(fā)生斷續(xù)的或者連成條狀的塊狀疤痕或者不規(guī)則的凹坑，在相對應(yīng)的外皮區(qū)域，形成以夾砂為主的缺陷，即可判定該缺陷為結(jié)疤。

2　結(jié)疤形成的機(jī)理分析

2.1結(jié)疤的機(jī)理

根據(jù)變速箱殼體夾砂、結(jié)疤缺陷特征以及從缺陷對稱的鑄件內(nèi)外表來看，芯子形成內(nèi)腔的一側(cè)經(jīng)常是結(jié)疤或夾砂嚴(yán)重，而對應(yīng)的外側(cè)，從外表面的結(jié)疤、夾砂的面積或者數(shù)量看明顯輕一些，因此可排除其與型砂有直接關(guān)系這個(gè)因素，可從冷芯盒樹脂砂制芯的特點(diǎn)上給予考慮。

冷芯盒三乙胺法制造芯子時(shí)采用的樹脂粘結(jié)劑，即在三乙胺參與但不消耗酶的催化作用下形成的聚氨酯，其交聯(lián)度低，受熱時(shí)產(chǎn)生軟化或進(jìn)一步交聯(lián)強(qiáng)化。在鐵液進(jìn)入型腔后，砂芯表面受到了急劇的熱作用，砂芯表層的水分以及粘結(jié)劑快速向砂芯內(nèi)里遷移，而已經(jīng)形成的飽和凝聚區(qū)因樹脂粘結(jié)力作用被軟化，其熱拉強(qiáng)度快速下降［2］。芯砂水分每提高0.1%，砂芯強(qiáng)度會(huì)降低20%～30%，因此在高濕環(huán)境下芯子的結(jié)疤傾向增大。同時(shí)，砂芯因表層與內(nèi)里受鐵液烘烤加熱的溫度場梯度過于陡變，導(dǎo)致產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力，且砂芯表層石英在573 ℃左右發(fā)生相變，由α相變成β相發(fā)生急劇膨脹，產(chǎn)生相變應(yīng)力［2］。

在熱應(yīng)力與相變應(yīng)力的雙重應(yīng)力作用下，表層砂芯在大約1～3 mm區(qū)域內(nèi)芯砂形成的弱強(qiáng)度區(qū)，其較低的熱拉強(qiáng)度無法抵抗雙重應(yīng)力作用，結(jié)果造成砂芯表層與里層發(fā)生脫落，或者從這個(gè)弱強(qiáng)度區(qū)向型腔方向拱起、開裂。鐵液填充因開裂或脫離的砂芯砂層空間，而脫離本體的砂芯層占據(jù)了型腔內(nèi)的鐵液空間，造成夾砂結(jié)疤缺陷。

2.2變速箱殼體結(jié)疤原因分析

某公司生產(chǎn)變速箱殼體的芯砂為50/100目的內(nèi)蒙古擦洗砂，SiO2含量以及粒度分布與角形因數(shù)等各指標(biāo)均符合國標(biāo)規(guī)定。冷芯盒制芯時(shí)樹脂的兩種組分按50∶50的比例配比，加入比例為砂量的1.5%～1.8%，固化劑為三乙胺，芯子制造出來存放3 h后刷黑色石墨粉醇基涂料，不點(diǎn)火，涂料比重為1.15～1.25 g/ml。在使用前用表干隧道窯烘干，出窯后不超過10 h使用完畢，水分要求控制在0.3%以下，用不完的芯子下次使用時(shí)二次烘烤。

由于缺陷集中在近似同一個(gè)區(qū)域，并且發(fā)現(xiàn)同包鐵液澆注的不同箱鑄件，或第一箱發(fā)生或末箱發(fā)生。同一箱內(nèi)的兩個(gè)鑄件要么1號或者要么2號模樣的鑄件發(fā)生，也可能一箱中的兩件同時(shí)都發(fā)生，這表明在鑄件結(jié)構(gòu)與澆冒口工藝布局一定的情況下，鐵液的溫度或者澆注速度對其有影響，因?yàn)殍F液的溫度或者澆注速度的變化在生產(chǎn)中是必然的；另一方面，對于芯砂、樹脂以及樹脂加入量等的微小變差，生產(chǎn)中也是存在的，所以上述變差不能是發(fā)生結(jié)疤的主要因素。

根據(jù)鑄件缺陷所表現(xiàn)出的特征分析，結(jié)疤與夾砂發(fā)生的時(shí)機(jī)是鐵液在型內(nèi)上升至分型面以上并且在沒有越過砂芯條狀結(jié)疤區(qū)域前發(fā)生。在砂芯弧形結(jié)構(gòu)區(qū)域，也是結(jié)疤發(fā)生的帶狀區(qū)域的砂芯，受鐵液烘烤時(shí)間相對較長，產(chǎn)生的雙重應(yīng)力超出了砂芯固有的熱拉強(qiáng)度，造成砂芯表層被迫開裂、剝落于母體，剝落砂塊隨著液面的上升粘附于外側(cè)或者內(nèi)側(cè)，形成結(jié)疤或夾砂。同一個(gè)砂芯在澆注系統(tǒng)的一側(cè)，即與結(jié)疤相對的芯子另一側(cè)，因其近乎直上直下的立面垂直結(jié)構(gòu)，使得這一側(cè)芯子形成的鑄件并沒有發(fā)生結(jié)疤，顯然是芯子外壁直上直下的立面垂直結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢發(fā)揮了作用，其受熱導(dǎo)致的雙重應(yīng)力低于了同樣弱強(qiáng)度區(qū)內(nèi)芯砂的熱拉強(qiáng)度。

因此，只有降低兩種應(yīng)力，或者提高高溫弱強(qiáng)度區(qū)區(qū)間內(nèi)的芯砂粘結(jié)力，即提高砂芯表層向砂芯里層大約1～3 mm區(qū)域內(nèi)砂芯的熱拉強(qiáng)度，是可以控制砂層發(fā)生變形、開裂甚至爆炸的有效手段。

3　解決措施

（1）提高冷芯盒芯子的熱拉強(qiáng)度

為了冷芯盒芯子具備足夠的熱拉強(qiáng)度抵抗相變應(yīng)力與熱應(yīng)力的雙重作用，在形成結(jié)疤區(qū)域以及相鄰區(qū)域，且涂刷過涂料的芯子上，不均勻的打上深5～10 mm、大小約φ5 mm的小孔，小孔的數(shù)量比剛剛不發(fā)生結(jié)疤時(shí)再多一些為好。這些小孔不僅具有排氣作用，更主要是分化了弱強(qiáng)度區(qū)的區(qū)域分布使其深淺區(qū)域形成錯(cuò)層，等于變相提高了砂層的熱拉強(qiáng)度，使同層的芯砂熱拉強(qiáng)度的合力大于此時(shí)的雙重?zé)釕?yīng)力。這些小孔也可以換成一定深度的網(wǎng)狀條紋，可到達(dá)同等效果，但網(wǎng)狀條紋不如小孔帶來的金屬多肉便于清理去除。圖4為裸露的砂芯和刷過涂料后打小孔的砂芯，圖5為打過小孔的芯子形成的鑄件內(nèi)腔原貌。此外，還可以在芯子上打上一定數(shù)量的小釘子，目的即提高弱強(qiáng)度區(qū)內(nèi)樹脂砂層的熱拉強(qiáng)度，使弱強(qiáng)度區(qū)的砂芯層牢固的固定在芯子母體上。

圖4　裸露的砂芯和刷過涂料后打小孔的砂芯

（2）控制鐵液對砂芯的烘烤時(shí)間

嚴(yán)格控制砂芯在型腔內(nèi)澆注過程中鐵液對砂芯的烘烤時(shí)間，確保砂芯表層含水量不超過0.3%，并且在短時(shí)間內(nèi)把芯子盡量使用完畢，對當(dāng)班使用不完的要二次烘烤以滿足規(guī)定要求，這是減少弱強(qiáng)度區(qū)有機(jī)物或水分的措施之一。

（3）控制樹脂加入量

在熱拉強(qiáng)度不降低的情況下，盡量減少樹脂加入量，而不是通過提高樹脂加入量以提高芯砂高溫抗拉強(qiáng)度，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)證明：提高樹脂加入量的效果遠(yuǎn)不如降低樹脂加入量的作用可靠。

（4）盡量分散砂粒粒度分布

將砂粒粒度分布由三篩變?yōu)樗暮Y，以降低硅砂相變應(yīng)力帶來的危害。

（5）分散鐵液的熱量分布

分散進(jìn)入型內(nèi)鐵液的熱量分布，優(yōu)化進(jìn)水工藝，減少對固定結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的弧形局部區(qū)域烘烤時(shí)間，其作用等于減少了熱應(yīng)力以及減弱了熱濕拉強(qiáng)度的降低幅度。

圖5　打過小孔的芯子形成的鑄件內(nèi)腔原貌

4　結(jié)論

控制相變應(yīng)力和熱應(yīng)力，或者提高弱強(qiáng)度區(qū)區(qū)間內(nèi)的砂子粘結(jié)力，即提高三乙胺冷芯盒砂芯表層向砂芯里層大約深1～3 mm區(qū)域內(nèi)砂芯的熱拉強(qiáng)度，或者使弱強(qiáng)度區(qū)不在一個(gè)深度，這些措施是控制砂層發(fā)生變形、開裂的有效手段，也是控制該類夾砂結(jié)疤的根本措施。本變速箱體目前主要采用了打小孔和降低樹脂加入量0.2%～0.3%等措施，雖然還要清理由此帶來的金屬多肉，但是因結(jié)疤導(dǎo)致的不合格品率已控制在0.8%以內(nèi)，保證了品質(zhì)并使毛坯穩(wěn)定生產(chǎn)，為后續(xù)繼續(xù)探索更先進(jìn)的解決方案提供了參考依據(jù)。

［1］ 中國機(jī)械工業(yè)學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)編.鑄造手冊第五卷鑄造工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］ 于明道，邢其民，徐志新，等.冷芯盒缸體鑄件內(nèi)腔結(jié)疤分析與防止措施［J］.鑄造，2003（3）：207-208.

［3］ 于明道.冷芯盒缸體結(jié)疤分析與防止措施［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2003（1）.

A Cold Core Box Shell Analysis and Control of Scarring

ZHANG BaiTang1， WEI ChangZheng1，HAO LianKe2，TAN YeWen1， ZANG YunPing1
（1.Shandong XinHao Precision Machinery Co.Ltd.，Zhucheng 262233，Shangdong，China；2.Jinan Foundry & Metalforming Machinery Research Institute Co.Ltd.，Jinan 250306，Shangdong，China）

The characteristics of scarring have been expounded， the mechanism of scar has been analyzed，measures of scattering weak intensity area in sand core layer have been taken，cracking and spalling in sand core layer has been avoided in front of the iron liquid surface over the scar area，casting scar has been avoided，so local scar has been solved in the casting defects，qualifi ed blank has been obtained inStability.

Scar； Stress； Hot tensile strength； The holes.

TG245;

A；

1006－9658（2015）02-0034-03

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.010

2014-10-13

稿件編號：1410-684

張百堂（1968—），男，高級工程師，從事鑄造質(zhì)量與技術(shù)工作.