功能性覆膜砂在CA4GA發動機鑄件上的研發與應用

天津市雅步芯型材料有限公司 （300380） 時 偉 錢 進

汽車發動機由幾十種鑄件組合而成，除平衡軸、飛輪等幾種鑄件外，大部分鑄件均采用覆膜砂制芯（型）生產，據不精確統計，組裝一臺經濟型轎車發動機其鑄件所用覆膜砂在50kg左右。隨著汽車性能的不斷提高，對覆膜砂使用的要求也越來越高 。為適應綠色環保要求，我公司開發出多種具有特定用途的覆膜砂。一汽夏利發動機主機廠和鑄件配套廠已累計使用超過10萬t覆膜砂用在發動機鑄件生產上。開發環保的高性能覆膜砂，不但能有效解決鑄件廠使用覆膜砂后產生的污染問題，還使鑄件水平有了進一步提高，為一汽夏利改型換代自主品牌的經濟轎車創造了有利條件。

1.低膨脹覆膜砂在凸輪軸鑄件上的應用

生產夏利凸輪軸使用的覆膜砂常溫抗拉強度＞40MPa，其是CA4GA發動機鑄件中唯一用覆膜砂造型而生產的鑄件。由于凸輪軸凸輪必須具有較高耐磨性，冷激層在4mm以上，造型射砂前應在凸輪軸型腔旁放置冷鐵，在凸輪軸澆注時產生激冷效果。由于凸輪軸砂型重20kg以上（不包括冷鐵），屬于厚大覆膜砂型，造型所用覆膜砂必須具有較高強度和較好的流動性，以保證造型后不變形，利于儲存、轉運及使用。但由于砂型過大，極易造成砂型斷裂和變形，特別是在冬季，由于冷鐵的冷隔作用，冷鐵周圍的覆膜砂比其他部位固化慢，斷裂的砂型超過50%，在澆注過程中，極易跑火和產生毛刺。我們采用沸騰式熱法再生廢覆膜砂，石英砂的結構轉變特性見表1。

表1 石英相變的性質特點

從表1可以看出，廢砂再生后，膨脹率比原砂有不同程度的降低。覆膜砂表面的有機樹脂在高溫焙燒的同時，砂表面的雜質也同時碳化去除，致使再生砂的灼減量和發氣量比原砂降低。廢砂再生過程中砂粒相互摩擦、擠壓和撞擊，提高了砂表面的圓整度，使再生砂的粒度也更加集中。

再生砂具有的良好性能，可配制高指標覆膜砂的同時，也對凸輪軸造型有關問題的解決提供了保證。需要較高造型、制芯溫度的凸輪軸砂型時，會導致樹脂粘結橋的熱應力及殘留應力的存在。這是因為硅砂與樹脂膜的線脹系數、熱彈性模量、導熱能力等熱物性指標存在較大差異造成的。覆膜砂造型、制芯后樹脂的收縮受到砂粒的剛性制約而引起殘留拉應力，使覆膜砂的強度明顯降低。因此用線脹系數較低的再生砂，可有效解決凸輪軸和缸體較高溫度造型、制芯時由殘留應力產生的斷（型）芯和裂紋等問題。

2.環保型覆膜砂的研發及在缸體芯上的應用

CA4GA缸體鑄件尺寸精度高，壁薄，重量輕，且鑄件結構復雜，其缸體鑄件要求覆膜砂強度高且發氣低。缸體覆膜砂需檢測兩個指標：常溫抗拉強度＞3.5MPa，灼減＜2.2%。覆膜砂強度的形成是由三種力形成的，即樹脂粘結劑的內聚力、樹脂和砂粒表面的附著力、內聚力和附著力并存的復合力。型芯的粘結強度取決于內聚力和附著力，所以覆膜砂的強度是附著強度和內聚強度的綜合結果。一汽的CA4GA發動機是一款環保型低油耗的經濟型發動機，其生產過程要趨向于“綠色鑄造”，體現在鑄造生產過程的清潔化，采用的原料、物料的無害化。覆膜砂生產酚醛樹脂因含有1.5%以上游離酚，在制芯、造型生產過程中游離酚會彌散性逸出，產生的煙氣危害工人健康，污染生產環境，影響鑄造生產的清潔化，其存在還影響覆膜砂使用性能。為達到缸體覆膜砂環保和灼減量控制下的高強度要求，我公司利用發明的兩項專利技術，即通過熱氣流除酚技術及多胺類齊聚物添加劑兩種物理-化學方法在覆膜砂混配過程中進行除酚。

其所依據的技術原理如下：

（1）分子擴散及薄膜蒸發原理 物質依靠分子運動從高濃度的地方轉移到低濃度的地方，成為分子運動。分子擴散是在靜止或層流的流體中進行，砂粒被樹脂液包覆成膜，此膜中的單體酚，向湍流空氣中擴散，此過程為單向擴散過程，符合費克定律。覆膜砂所用硅砂（原砂）具有較大的比表面積，包裹硅砂表面的樹脂膜均勻且薄。根據薄膜蒸發原理和酚低熔點（40.8℃）性質，小分子單體酚極易從薄膜單體中擴散出來，熱氣流的導入，更有利于這種傳質擴散趨勢，據此原理，可利用覆膜砂生產過程中產生的熱氣流進行除酚，在達到強度指標的同時，減少樹脂加入量，使樹脂粘結橋的效力減小，從而使內聚力提高，同時還可以減少砂芯變形傾向。

（2）在覆膜砂加入含氨基的齊聚物與酚醛樹脂的游離酚反應的生成物是具有一定化學反應活性的中間態物質，這種物質可以在制芯、造型熱固化反應中交聯成大分子，此種大分子具有不溶不融的特性，熱穩定性好，因此所生產出的覆膜砂強度和韌性得到提高，不會揮發出酚。添加劑對于游離酚具有捕集作用。

與國內外幾種先進指標樹脂制備的覆膜砂比較見表2。

表2

3.易潰散覆膜砂的使用

一汽CA4GA發動機有多種鋁合金鑄件，如缸蓋、進氣管等。這些鋁合金鑄件的生產對覆膜砂有著特殊要求。既要保證一定強度能夠制芯，還必須在750℃以下澆注時盡量在短時間內潰散，由于覆膜砂使用的熱塑性酚醛樹脂與六亞甲基四胺（烏洛托品）固化后在砂粒表面形成一層不易分解的樹脂膜。750℃以下的澆注溫度只能使接觸到鋁合金液的砂芯表層的極少數砂粒潰散。而鋁合金凝固放出的熱量不足以使砂芯內部的絕大部分砂粒潰散。因為不僅鋁合金液凝固時放出的熱量少，而且硅砂的熱傳導率還很低。因此，如何保證砂芯澆注強度的同時還要使砂芯澆注后潰散，需從樹脂和添加潰散劑兩方面來解決此問題。

（1）樹脂 樹脂是決定覆膜砂性能最主要、最核心的材料。在一定強度下樹脂加入量越低，則覆膜砂澆注后越易潰散。因此鑄鋁件用覆膜砂應選用低粘度、高流長、聚合速度恰當的高強度酚醛樹脂，其中圓形樹脂比條狀和片狀樹脂更適用。低粘度、高流長、圓形樹脂更容易與圓形砂粒相混合，確保樹脂與砂粒結合，使樹脂的粘結效用發揮最佳，從而達到少用樹脂的目的。

（2）添加潰散劑 在覆膜砂中添入加快樹脂分解的材料，來降低不溶、不融酚醛聚合物的熱穩定性，使覆膜砂在澆注后能在較低溫度和短時間內哀減其強度。需注意的是在加入添加劑的同時，要保證覆膜砂的強度，避免澆注時鑄件產生氣孔。

4.低發氣覆膜砂的應用

氣孔是發動機鑄件常見的缺陷之一。覆膜砂的發氣量大是造成氣孔的主要原因，因此覆膜砂的發氣量是其使用性能的重要指標。汽車鑄件使用的砂芯特別是鋁鑄件砂芯和水套芯，在保證強度的條件下對覆膜砂的發氣性能有較高要求。CA4GA發動機鑄件的覆膜砂強度和灼減指標為常溫抗拉強度2.2～2.5MPa，灼減＜1.7%。

從指標可以看出，鑄鐵件中的水套和鋁鑄件缸蓋等對覆膜砂的發氣要求最高，因為這些鑄件因發氣所引起的氣孔缺陷最嚴重。如何保證強度而最大可能地減少覆膜砂的發氣量，可以從原砂、樹脂、增強劑三個方面予以解決。

（1）原砂 覆膜砂測得的發氣量不僅是樹脂、輔料高溫下產生的氣體量，也包括原砂在高溫下產生的氣體量，這些氣體主要是硅砂中的碳酸鹽、堿土金屬氧化物，以及雜質中含有的微量結晶水汽化。即使采用烘干擦洗砂，如果不進行焙燒，這些雜質仍然存在，但如使用焙燒砂，經濟上不劃算、資源上也浪費 ，因此使用低發氣性的再生砂是最佳選擇。不同硅砂的發氣量見表3。

表3 不同硅砂的發氣量

（2）樹脂 配制低發氣覆膜砂應選擇高強度樹脂，以減少砂芯在澆注過程中樹脂的發氣量。高強度樹脂的聚合速度較慢，一般情況下超過50s。低聚速樹脂可以在制芯時增加固化時間，使有機氣體盡量在砂芯固化時發出，以減少澆注時的氣體量。

（3）增強劑 配制一定強度指標的覆膜砂時，加入適量增強劑如γ-氨基三乙氧基硅烷，以充分發揮樹脂和固化劑的粘結效率，達到少加樹脂的目的。

5.展望

隨著我國汽車工業的飛速發展，覆膜砂的用量越來越大，對覆膜砂性能要求也越來越高。因此，合理生產、選用各型覆膜砂，對汽車發動機鑄件毛坯精密化及近無余量鑄造有著現實意義。造型、制芯、澆注過程酚醛樹脂等有機物分解，對工人和環境造成嚴重影響，采用少污染的環保型覆膜砂不僅可以達到國家工業排放標準，還對發動機廠的清潔化和汽車的綠色生產過程有著深遠意義。

（20130120）