鑄件夾砂缺陷原因分析及對策

毛永濤，厲運杰，孫志揚，杜紀(jì)柱，伍啟華，莊肅棟

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊261199）

氣缸體是高速柴油機中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、機械性能要求很高的鑄件，對鑄造工藝的要求比較高。本文對氣缸體鑄件在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的夾砂缺陷原因進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)措施。氣缸體鑄件造型線采用氣流預(yù)緊實加壓實造型，砂處理采用轉(zhuǎn)子式混砂機、在線V ED I MAT型砂性能檢測控制儀、ASK180雙盤冷卻器，全系統(tǒng)采用中央PC控制，各種輔料采用電子秤定量自動加入；舊砂回收系統(tǒng)采用3級磁選、2級滾筒破碎篩分，通過雙盤冷卻器對舊砂增濕、冷卻、預(yù)混。澆注系統(tǒng)采用底注與中注相結(jié)合。

1 夾砂缺陷原因分析

夾砂缺陷是鑄件生產(chǎn)中常見的一種表面缺陷，多產(chǎn)生于潮模砂鑄造時鑄件較大的表面。通過對夾砂缺陷進(jìn)行統(tǒng)計，夾砂的廢品率高達(dá)1.90%，嚴(yán)重影響了鑄件質(zhì)量。氣缸體鑄件夾砂缺陷主要有兩大類，一類是出現(xiàn)在下箱的位置，如圖1所示，第二類出現(xiàn)在上箱處的位置，如圖2所示。

圖1 下箱位置處產(chǎn)生的夾砂

圖2 上箱位置處產(chǎn)生的夾砂

對于下箱位置處的夾砂缺陷，主要由于澆注系統(tǒng)中內(nèi)澆道口直接對準(zhǔn)產(chǎn)生夾砂的砂胎位置，造成夾砂部位在高溫金屬液的沖刷、擾動、沸騰熱作用下，砂型表面急劇受熱，形成高濕度、低強度的凝聚層[1]，由于型砂的強度不能阻止膨脹砂層的橫向滑移，砂層表面發(fā)生分層和破裂，金屬液就有可能鉆入砂層形成夾砂。

對于上箱位置的夾砂缺陷，其產(chǎn)生的主要原因是由于澆注高溫液態(tài)金屬時，砂型的表面層受鐵水輻射傳熱，體積膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下，最可能的破壞方式是失穩(wěn)，所以夾砂的力學(xué)實質(zhì)是薄板的受壓失穩(wěn)[2]，其產(chǎn)生過程是鑄型上表面受熱膨脹，受到周圍鑄型阻礙，內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過某一臨界值時，砂型表面失去水分形成干燥層，失穩(wěn)而彎曲，尺寸增大，干燥層宏觀膨脹量越大，失穩(wěn)拱起也就越大，在撓度大于水分飽和區(qū)可能產(chǎn)生的伸長量的區(qū)域，干燥層與水分凝聚區(qū)分離，熱應(yīng)力大于抗拉強度時產(chǎn)生裂紋，干燥層斷開，產(chǎn)生夾砂。

2 夾砂缺陷解決措施

2.1 提高型砂熱濕拉強度及增大型砂退讓性

由于夾砂缺陷實際上是由于砂型與鐵水直接接觸使其表層的型砂失去水分，形成干燥層，干燥層受壓失穩(wěn)而產(chǎn)生，若垂直于干燥層方向的熱濕拉應(yīng)力（由水飽和凝聚區(qū)產(chǎn)生）作用于干燥層的剛性差的方向，則很小的熱濕拉應(yīng)力就能產(chǎn)生較大的抵抗失穩(wěn)的彎矩，增大熱濕拉強度可以減少鑄件的夾砂缺陷[3]，因此采用熱濕拉強度較高的優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土有利于降低夾砂缺陷。在型砂中當(dāng)煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.4%逐步降低到0.1%時，鑄件的夾砂缺陷明顯增多，這說明降低型砂退讓性，夾砂缺陷將明顯增加[4]。

為此進(jìn)一步優(yōu)化砂處理工藝以降低鑄件的夾砂缺陷：

1）在每次生產(chǎn)時，6000kg砂型中比原來增加3kg膨潤土，同時保證緊實率在36%以上；

2）在混制的型砂中發(fā)現(xiàn)有小砂塊及混不勻的現(xiàn)象，為減少混砂機圓盤出來大塊型砂，延后了粉塵加入時間，將18 s改為28 s；延長了二次加水前的混砂時間，將69 s改為77 s；延長了二次加水后的混砂時間，將133 s改為144 s；

3）增加舊砂的排除，新砂的加入，避免死灰含量過高及鮞化現(xiàn)象加重造成的型砂變脆；

4）增加煤粉的添加量，不僅可以提高型砂的退讓性，分散減少型砂膨脹時的力，同時煤粉受熱時的焦化性提高了型砂表層的抗拉強度。

通過以上砂處理優(yōu)化，型砂熱濕拉強度及退讓性均有了較大改善，改善結(jié)果見表1.

2.2 增加應(yīng)力釋放槽及防夾砂釘

當(dāng)濕型鑄造的鑄件為大平面，型砂膨脹率大，濕強度低，水份過多，透氣性差，鑄型排氣不良，鑄件的高水層強度低，以及由于鑄型表面干燥層膨脹而與鑄型本體分離開來，能自由地滑動，而且臨界應(yīng)力與鑄型頂面尺寸的平方成反比，臨界壓應(yīng)力將隨鑄件尺寸的增大而急劇減小，所以具有大平板結(jié)構(gòu)的鑄件特別容易產(chǎn)生夾砂，同時尺寸越大，最大撓度越大，分層區(qū)域越大，鑄件易產(chǎn)生夾砂缺陷，因此解決大平面夾砂問題就需要破壞大平面。通常在容易產(chǎn)生夾砂的大平面劃出應(yīng)力釋放筋或增加防夾砂釘。

應(yīng)力釋放筋的尺寸，會影響夾砂的預(yù)防效果，干燥層的厚度一般為5 mm～7 mm，而應(yīng)力釋放筋的厚度應(yīng)該超過干燥層，釋放筋的寬度應(yīng)盡量小[5]。為此，在下型夾砂位置增加寬度為5 mm，深度為8 mm的筋，如圖3所示，造型時在型砂表面形成網(wǎng)格切槽，分割了平面，增加型砂的退讓空間，同時還可以加強鑄型，減少夾砂缺陷的傾向。

對于上型位置的夾砂缺陷，采取了增加直徑為φ6 mm防夾砂釘，如圖4所示，同樣可以破壞夾砂平面，此種方法對于解決夾砂缺陷效果明顯。

圖3 應(yīng)力釋放筋

圖4 防夾砂釘

2.3 優(yōu)化澆注系統(tǒng)

圖5 原澆注系統(tǒng)

圖6 更改后澆注系統(tǒng)

表1 砂處理工藝調(diào)整前后型砂的性能對照

澆注工藝是否合理對鑄件產(chǎn)生夾砂類缺陷有很大的影響[6]。對于下箱位置的夾砂缺陷，通過對澆注系統(tǒng)與夾砂位置進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)第5瓦口的內(nèi)澆道直接對準(zhǔn)了產(chǎn)生起皮夾砂臍子的砂胎位置，如圖5所示，高溫鐵水注入時，對此處的砂型容易產(chǎn)生沖刷，特別是當(dāng)澆注速度較快時，對型砂的沖刷作用力更大，使砂型表面急劇受熱發(fā)生水分的遷移和體積膨脹，熱壓應(yīng)力超過水分飽和凝聚區(qū)的熱濕拉強度，砂型表面產(chǎn)生破裂，從而產(chǎn)生夾砂。為此，將5瓦口的靠近夾砂位置內(nèi)澆道去掉，如圖6所示，避免鐵液直接對準(zhǔn)臍子位置的砂胎，減小沖刷。更改后下型此位置的夾砂缺陷消失。

3 結(jié)論

根據(jù)上箱、下箱兩種不同位置處的夾砂缺陷產(chǎn)生原因的分析，采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施：

1）對于上箱位置處的夾砂缺陷，主要通過增加防夾砂釘措施，破壞夾砂位置的大平面，減小熱壓應(yīng)力；

2）對于下箱位置處的夾砂缺陷，主要是通過優(yōu)化澆注系統(tǒng)，避免內(nèi)澆道口直接對準(zhǔn)產(chǎn)生夾砂的砂胎位置，防止沖蝕夾砂，同時在夾砂位置增加合適尺寸的應(yīng)力釋放槽，使型砂表面形成網(wǎng)格切槽；

3）對于以上兩種位置的缺陷我們同時采取了提高膨潤土、煤粉加入量，降低死灰含量，保證型砂混制的均勻性等工藝措施來提高型砂的熱濕拉強度及型砂的退讓性，從而提高型砂的抗夾砂能力；

通過此措施的實施氣缸體兩種位置的夾砂缺陷已經(jīng)全部消除。