汽車缸體鑄件生產中造型材料的優化

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

一段時間以來，我廠在生產某型號的缸體時，一直被高達30%以上（該缺陷占廢品總數的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。因為產品訂單不斷增多，該缸體能否及時供貨成了大問題，所以我們將減少熗火缺陷，降低產品廢品率作為一項技術攻關項目，集中技術力量進行解決。

通常造成熗火缺陷的原因主要有以下幾個方面：

（1）澆注系統設計不合理，出氣針位置不正確或數量不足，造成排氣不順暢。

（2）砂芯發氣量過大。

（3）型砂水分過高，澆注時由水分造成的發氣量過大。

（4）型砂緊實度過高，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，經過排查，基本排除了澆注系統設計不合理的可能性，于是就將工作重心轉向了降低砂芯發氣量及優化型砂性能兩個方面。

一、型砂

我公司鑄造車間現有兩座舊砂砂庫，系統砂量在1000～1200t，使用德國進口愛立許混砂機混砂，HWS靜壓造型線造型，每天兩班正常生產時整個砂系統可以循環一遍。車間生產的產品較為混雜，包括灰鑄鐵和球墨鑄鐵兩種材質，鑄件重量20～300kg，混砂配方主要根據鑄件材質進行調整，具體混砂配方見表1。

表1 混砂配方 （kg）

1.型砂現狀

我們統計了熗火嚴重的一段時間內的型砂檢驗指標，典型的幾組數據見表2。

表2 型砂的檢驗數據

2.調整過程

（1）型砂檢驗 觀察統計的化驗結果，我們發現當型砂的有效膨潤土含量在6.5%～8%變化時，型砂的濕壓強度十分接近，這顯然是不符合常理的，由此我們對數據的準確性產生了懷疑，并對化驗員的操作方法和實驗儀器進行了全面的檢查，發現并糾正了以下幾個問題：①化驗員在滴定0.3g和0.4g膨潤土標樣時滴定量不準確，經過對比發現，當天的檢驗數據比實際含量高出了1.2%。②測定含泥量時，化驗員在洗砂過程中攪拌靜置的時間不標準、虹吸排水時不使用虹吸管，排水后加水量未達到標高等，對于該問題根據GB/T2684—2009的要求進行規范操作。③每次檢驗砂子的發氣量時，第一個試樣的發氣量總是比第二個和第三個試樣低，分析后發現是由于儀器內部未填充還原性氣體造成的，于是我們采取了“先標定后試發氣再檢測”的檢驗方法，進一步提高了發氣量的檢測精度。④相同的試樣，使用自動透氣性測量儀和手動測量儀檢驗的結果相差60～70，經過對目前使用儀器的校準，透氣性的檢驗數值上升了約10%，通過對檢驗過程的整改，使之更能反映型砂的真實性能，為我們之后的調整打下了良好基礎。

（2）調整舊砂水分 澆注后的型砂經高溫烘烤，型砂中的一部分膨潤土會受熱燒損，而未燒損的有效膨潤土則需在舊砂處理過程中補加適量的水并保存一段時間，以使其有效“復蘇”，從而在下次的混砂中繼續發揮粘結作用。實踐表明，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，全部發揮其粘結作用。于是在保持混砂配方不變的情況下，我們對舊砂水分進行了調整。首先，校對沸騰冷卻床的加水量，保證所調整變量有效；其次，分別將舊砂的水分調整到1.5%～2.0%，并存儲約10h后再混砂，獲得的型砂檢驗性能見表3。

表3 提高舊砂水分后連續四天型砂的檢驗數值

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

（3）優化混砂配方 生產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，落砂時潰散的砂芯不可避免地混入到舊砂中，因為混入的砂芯可以認為是補充的新砂量，所以如果將這一部分芯砂考慮到配方中，就會使配方發生較大的變化，導致型砂濕壓強度下降，同時也使其韌性變差，對含水量的變化更加敏感，不利于穩定地控制型砂性能。于是我們對樹脂砂的混入量進行了檢測：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，這樣可以計算出砂系統中混入的樹脂砂量高達17%～18%，再加上配方中的新砂量，那么新砂加入量已經達到了20%，這些新砂需要大量的膨潤土才能粘結，所以目前使用的混砂配方中膨潤土補加量是不足的，于是我們采?。孩倩焐皶r將膨潤土從45kg開始按每班增加5kg的速度調整至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在保證濕壓強度的條件下，適當降低混砂時的緊實率。

經幾個班次的調整后，型砂性能較之前發生了較大改善且保持在小范圍內變化，具體性能見表4。

表4 優化型砂配方后的型砂性能

使用上述型砂造型澆注后發現，在澆注過程中“噴鐵”現象基本沒有再出現，鑄件的“熗火”缺陷下降了約20%，發生熗火的鑄件其凸臺上方的氣針長度有所延長，氣針內部的氣孔體積有所減輕。于是我們在穩定住型砂性能的同時，從砂芯的發氣量上入手，以求進一步減少“熗火”缺陷。

二、芯砂

（1）生產現狀 目前，車間在生產該型號的缸體時使用冷芯盒樹脂砂（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其樹脂的加入量有所不同，同時共有三種覆膜砂用于不同砂芯的制芯，并對所有的砂芯進行了發氣量檢驗，結果見表5。

觀察表5中的檢驗數據并對比一些經驗數據，我們發現當前使用的冷芯盒樹脂砂其發氣量高約8%，而用于制作水套芯的3#覆膜砂其發氣量高出約80%，考慮到車間冬季溫度低，不利于發揮樹脂砂即時強度而影響砂芯質量，因此暫時沒有調整樹脂的加入量，以進一步降低冷芯盒樹脂砂的發氣量，而是將工作重心轉向如何降低覆膜砂的發氣量。

表5 砂芯的發氣量

（2）試驗 因為覆膜砂是由專業廠家提供，對其發氣量無法控制，所以我們考慮先用1#、2#兩種覆膜砂制作水套芯并進行澆注，以觀察試驗效果，如果方案有效，再聯系供貨商調整配方。制芯前我們對三種覆膜砂進行了檢驗，結果見表6。

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

獲到檢驗結果后，我們使用1#覆膜砂制水套芯4件，并進行澆注試驗，檢查鑄件發現，雖然試驗件均沒有發生“熗火”、出氣針內部也沒有產生氣孔，但是試驗件的水套位置產生了較嚴重粘砂，出現了1件斷芯、1件嚴重粘砂無法清理而致廢，從而可判斷是由于覆膜砂熱強度不足引起的。

表6 三種覆膜砂的檢驗數據

（3）性能調整 根據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驗，我們聯系了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#覆膜砂試驗室檢驗結果見表7。

表7 新1#覆膜砂的性能檢驗

改良后的1#覆膜砂與之前相比，發氣量上升了6.45%，熱抗拉強度提高了9.6%， 我們使用該覆膜砂制水套芯10件，并進行澆注試驗，檢查鑄件發現：①10件試驗件未出現熗火缺陷，部分出氣針內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重無法清理導致廢品外，其余9件水套位置有少量可清理的粘砂，不影響產品質量。③有6件試驗件出現輕微脈紋，增加了清理工作量但不影響產品質量。④將廢品件進行解剖發現，水套內部無粘砂、脈紋等缺陷。

三、結語

解決鑄件因發氣而產生的缺陷問題時，鑄造工作者不但要在材料發氣方面想辦法降低，也要在各種排氣手段上進一步提高。在本次的技術攻關活動中，我們在不斷優化型砂和芯砂性能、解決熗火缺陷的同時，又遇到了粘砂和脈紋等缺陷，這也就要求我們在以后進行工藝改進時必須做好失效模式分析，合理有序地推動技術創新工作。

（20130208）