濕型砂鑄造灰鑄鐵發(fā)動機(jī)缸體結(jié)疤缺陷的解決

糜海飛

重慶渝江壓鑄有限公司 重慶 401121

某型號汽車發(fā)動機(jī)缸體灰鑄鐵件，鑄件最大輪廓尺寸為371mm×329mm×256mm，重量35kg，基本壁厚3.5mm，外形形狀相對較為簡單。該鑄件在HWS造型線上生產(chǎn)，潮模砂工藝，砂芯預(yù)組整體清吹后由自動下芯機(jī)直接下入砂型內(nèi)進(jìn)行澆注。鑄件要求機(jī)加后不能有氣孔、砂眼缺陷，并需經(jīng)水套、油道滲漏試壓檢查，對鑄件質(zhì)量要求很高。

1 存在的問題

在批量生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)油水道加工泄漏，泄漏率高達(dá)到7%，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。得到加工反饋信息后，通過對鑄件加工廢品的分析，發(fā)現(xiàn)鑄件主油道及堵孔等多個位置有明顯的“多肉”現(xiàn)象，如圖1所示，并有大部分“多肉”缺陷存在分層現(xiàn)象，且對該“多肉”缺陷進(jìn)行打磨后，內(nèi)部有小團(tuán)狀或塊狀砂粒存在。

圖1 產(chǎn)品缺陷特征

鑄件試壓后有明顯液體滲出，試壓泄漏外觀缺陷如圖2所示，經(jīng)解剖在內(nèi)腔進(jìn)行著色無損檢測，如圖3所示。在外表面噴涂顯影劑，可明顯觀察到有著色劑從鑄件內(nèi)腔滲透至鑄件表面，如圖4所示，表明該缺陷為貫穿性缺陷。結(jié)合以上特征判定該缺陷為夾砂結(jié)疤缺陷。

圖2 試壓泄漏點(diǎn)

圖3 解剖后著色無損檢測

圖4 顯影

2 缺陷的形成原因

結(jié)疤的成因盡管有不同的見解，但大多數(shù)認(rèn)為型砂的體積膨脹及水分遷移是結(jié)疤缺陷的基本成因[1]。澆注金屬液后，隨著金屬液流的加熱作用，導(dǎo)致鑄型表層水分向內(nèi)遷移。水分的遷移，導(dǎo)致鑄型表面形成了干燥層，強(qiáng)度提高，往里逐漸形成高濕層，形成薄弱層，當(dāng)薄弱層強(qiáng)度及韌性不足時便可能使型砂表層開裂，使砂層翹起，形成結(jié)疤缺陷。隨著金屬液的不斷沖刷，翹起砂層可能斷裂而破碎，砂層留在原處或被帶入其他部位。

通過對缺陷的觀察，可以發(fā)現(xiàn)該缺陷符合結(jié)疤缺陷特征，即澆注過程中表層砂層翹起或出現(xiàn)部分?jǐn)嗔衙撀?，而在該位置形成結(jié)疤缺陷，加工后出現(xiàn)油、水道泄漏。另外，部分脫落型砂被沖刷至鑄件頂面等位置，可能形成砂眼缺陷，導(dǎo)致鑄件報廢。

3 缺陷的解決

通過對該缺陷的認(rèn)識，首先從型砂性能入手，主要關(guān)注型砂的性能[2]。對近段時間的型砂數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：水分含量達(dá)到3.7%，含泥量高達(dá)11.5%以上，而CB值（緊實率）僅為31%～32%，水分比僅為8.5～9.0，處于很低的范圍。通過分析可以發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)變化主要原因為含泥量的上升，導(dǎo)致型砂水分上升，而CB值卻處于較低范圍內(nèi)，使型砂韌性變差，導(dǎo)致澆注時形成夾砂、結(jié)疤缺陷。

3.1 含泥量的調(diào)整

通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近兩月以來，型砂除塵量每天僅有300～500kg，正常情況下除塵量應(yīng)該在2t左右，除塵量減少，導(dǎo)致型砂含泥量持續(xù)處于高位，從而惡化型砂質(zhì)量。通過更換除塵布袋，并連續(xù)加入新砂的方式快速降低型砂的含泥量，通過兩個班次的循環(huán)及調(diào)整，型砂數(shù)據(jù)基本恢復(fù)正常，含泥量降至10.5%左右，水分降至3.2%～3.5%，保證水分比值處于10～11。

調(diào)整后，進(jìn)行試澆注224件產(chǎn)品，有32件產(chǎn)生結(jié)疤缺陷，且結(jié)疤缺陷面積變小，經(jīng)加工驗證，泄漏5件，泄漏率為2.23%，調(diào)整前后的對比驗證結(jié)果見表1。

表1 型砂調(diào)整前后對比驗證

通過驗證表明，通過調(diào)整型砂保證型砂數(shù)據(jù)處于合理狀態(tài)，能夠明顯改善鑄件結(jié)疤缺陷的產(chǎn)生，并極大地降低產(chǎn)品泄漏率。

3.2 澆注溫度的調(diào)整

通過調(diào)整型砂性能后，雖基本遏制了加工泄漏問題，但是澆注后仍有大量工件出現(xiàn)有結(jié)疤缺陷，且當(dāng)型砂出現(xiàn)波動時，仍會出現(xiàn)夾砂、結(jié)疤缺陷，導(dǎo)致加工廢品風(fēng)險。

從結(jié)疤缺陷產(chǎn)生機(jī)理看，鐵液溫度的高低是水分遷移速度的決定性影響因素。通過降低澆注溫度，降低型砂水分的過快遷移所引起的表層型砂與內(nèi)層型砂強(qiáng)度變化，從而減輕或消除夾砂、結(jié)疤缺陷。

通過調(diào)整澆注溫度并進(jìn)行小批量澆注試驗，按1430℃、1425℃、1420℃、1415℃依次遞減澆注溫度進(jìn)行澆注試驗，每組澆注產(chǎn)品36件。試驗對比數(shù)據(jù)見表2。

表2 降低澆注溫度試驗對比

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，依照遞減溫度的方式進(jìn)行缺陷對比，隨著澆注溫度的降低，結(jié)疤缺陷面積明顯變小，直到?jīng)]有缺陷。通過試切發(fā)現(xiàn)，隨著澆注溫度降低至一定范圍，氣孔類缺陷有急劇上升的趨勢。降低澆注溫度雖可以改善甚至消除結(jié)疤缺陷，但是氣孔、砂孔類缺陷卻有明顯升高，不能改善加工良品率。

3.3 涂料

在型砂表面均勻的噴涂一層耐火涂料，該耐火涂料經(jīng)鐵液燒結(jié)后，在型砂表面形成一層堅固的類似于陶瓷形狀的薄膜并牢固地附著于型砂表面，且該陶瓷薄膜能夠起到隔熱作用，防止水分急劇遷移而引起結(jié)疤缺陷。

通過查閱相關(guān)資料，我們選擇了耐火度較高且價格相對低廉的硅鋁酸鹽涂料，波美度按照25～進(jìn)行配比，為防止溶劑揮發(fā)不良造成對型砂性能的惡性影響，我們選擇了硅鋁酸鹽的醇基涂料，并使用95%以上的工業(yè)酒精進(jìn)行配比，均勻地噴涂于產(chǎn)生缺陷的型砂表面。

經(jīng)試驗澆注發(fā)現(xiàn)，噴涂該涂料后，即使型砂性能在較為惡化的情況下，該部位均不會形成夾砂、結(jié)疤缺陷，在型砂性能出現(xiàn)波動的狀況下，仍能保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的適用工藝范圍。對比試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 涂料對比試驗

對以上數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，對比試驗組1與試驗組2可以發(fā)現(xiàn)，型砂性能恢復(fù)正常狀態(tài)下，可明顯降低結(jié)疤不良率。

通過試驗組3、試驗組4、試驗組5可以發(fā)現(xiàn)，不論型砂性能是否處于正常狀態(tài)，在產(chǎn)生結(jié)疤缺陷位置噴涂耐火涂料均能夠完全遏制結(jié)疤缺陷的產(chǎn)生，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)束語

1）在形狀較為簡單，特別是存在局部大平面部位的發(fā)動機(jī)缸體及其他灰鐵鑄件，在型砂性能惡化或變差的情況下，局部大平面位置極易形成結(jié)疤、夾砂缺陷。

2）若產(chǎn)品出現(xiàn)有結(jié)疤缺陷時，應(yīng)立即對型砂性能進(jìn)行分析，調(diào)整型砂性能參數(shù)，特別關(guān)注型砂含泥量及水分比值的調(diào)整。

3）對于產(chǎn)品出現(xiàn)的結(jié)疤缺陷，在產(chǎn)品質(zhì)量不受影響的前提下，降低澆注溫度，能夠明顯降低甚至遏制夾砂、結(jié)疤缺陷的廢品比例。

4）在產(chǎn)品夾砂、結(jié)疤部位噴涂硅鋁酸鹽耐火醇基涂料，即使在型砂性能出現(xiàn)波動的情況下，仍能夠完全消除結(jié)疤缺陷，從而提高產(chǎn)品合格率。