鋁合金冷硬樹(shù)脂砂在大功率柴油機(jī)鑄件中的應(yīng)用研究

摘要：柴油機(jī)是以柴油或劣質(zhì)燃料油為燃料，壓縮發(fā)火的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，在船用發(fā)動(dòng)機(jī)中，柴油機(jī)已經(jīng)取得了絕對(duì)統(tǒng)治地位，因此柴油機(jī)鑄件質(zhì)量的好壞決定了柴油機(jī)的使用壽命長(zhǎng)短，應(yīng)用鑄造鋁合金冷硬樹(shù)脂砂鑄造工藝，能較大幅度地提高柴油機(jī)鑄件的質(zhì)量，從而提高柴油機(jī)的使用壽命。

Abstract： Diesel engine is a reciprocating internal combustion engine with diesel or inferior fuel oil as fuel. In marine engine， diesel engine has obtained absolute dominance. Therefore， the service life of diesel engine is determined by the quality of diesel engine casting. The quality of casting aluminum alloy cold hardening resin sand casting can greatly improve the quality of diesel engine casting， so as to improve the quality of diesel engine casting The service life of diesel engine.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);鑄造鋁合金;冷硬樹(shù)脂砂

Key words： diesel engine;cast aluminum alloy;cold setting resin sand

中圖分類號(hào)：TG24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0092-02

0? 引言

在鑄造生產(chǎn)中，造型材料及工藝的研究是一直是鑄造領(lǐng)域的重點(diǎn)，上世紀(jì)八十年代以來(lái)，國(guó)際上出現(xiàn)了許多新型的冷硬樹(shù)脂砂粘結(jié)劑，隨之產(chǎn)生了多種冷硬（芯）砂。新的工藝中，鑄型和砂芯能在常溫下硬化，使得傳統(tǒng)的造型工藝發(fā)生了根本的變革，從而取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，冷硬樹(shù)脂砂新工藝的應(yīng)用也日益廣泛。

我廠對(duì)鑄造有色合金冷硬樹(shù)脂砂工藝作了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并在大功率柴油機(jī)各種復(fù)雜鑄件上得到初步的應(yīng)用，取得了較好的效果。大功率柴油機(jī)是船舶的主要?jiǎng)恿?lái)源，它具有經(jīng)濟(jì)性好、功率范圍廣、尺寸小、重量輕、機(jī)動(dòng)性好、可靠性高、壽命長(zhǎng)、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在船用發(fā)動(dòng)機(jī)中，柴油機(jī)已經(jīng)取得了絕對(duì)統(tǒng)治的地位[1]，這對(duì)柴油機(jī)鑄件的質(zhì)量提出了更高的要求。下面就鑄造鋁合金冷硬樹(shù)脂砂在大功率柴油機(jī)鑄件中的應(yīng)用研究提出一些自己的看法。

1? 鑄造鋁合金冷硬樹(shù)脂砂工藝

應(yīng)用冷硬樹(shù)脂砂生產(chǎn)的鑄件具有尺寸精度高、表面光潔度高的特點(diǎn)，可有效地提高復(fù)雜型腔鑄件的成品率[2]，同時(shí)還有節(jié)能、環(huán)保、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛使用中。

1.1 冷硬樹(shù)脂砂鑄型

鑄型我們采用冷硬樹(shù)脂砂作面砂，而背砂仍使用傳統(tǒng)的粘土砂這樣一種鑄造工藝來(lái)制造。實(shí)踐證明：面砂的厚度僅需要8～15mm就足夠了。采用這種鑄造工藝既減少了冷硬樹(shù)脂砂的配砂量，又節(jié)省了樹(shù)脂用量。背砂可以反復(fù)利用，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作條件。

1.2 泥芯的出氣和芯骨

原砂相同時(shí)，冷硬樹(shù)脂砂的透氣性比油砂高出1.5～3倍，所以，泥芯一般可以不設(shè)置出氣孔。對(duì)于排氣極為困難的部位，我們使用Ф2-3mm的導(dǎo)火線埋入泥芯中，待泥芯固化后引燃導(dǎo)火線即可在泥芯中留下與導(dǎo)火線同樣直徑的通氣孔。冷硬樹(shù)脂砂與油砂相比可以少放或不放芯骨，表1就是使用冷硬樹(shù)脂砂工藝后，幾種泥芯芯骨減少情況。

1.3 型砂的脫模時(shí)間與強(qiáng)度

脫模時(shí)間是指型芯可以從模型或芯盒中取出來(lái)，而不至于變形和塌箱的起碼時(shí)間。它主要取決于型芯的硬化速度、大小和復(fù)雜程度。換句話說(shuō)它是以型芯達(dá)到某一定強(qiáng)度所需要的時(shí)間來(lái)表示的，對(duì)此英國(guó)規(guī)定為3.57Kg/cm2，美國(guó)規(guī)定為1.4Kg/cm2。根據(jù)我廠試驗(yàn)的情況看達(dá)到1.4Kg/cm2時(shí)的時(shí)間要長(zhǎng)達(dá)60分鐘。為了提高生產(chǎn)效率和工裝模具利用率，實(shí)際生產(chǎn)中僅用10～20分鐘即行脫模。簡(jiǎn)單泥芯脫模時(shí)間可以更短些，而且無(wú)需采取措施。對(duì)于形狀復(fù)雜的泥芯，我們采取了墊砂墊塊措施，避免了脫模后由于樹(shù)脂砂強(qiáng)度較低而發(fā)生變形、斷裂的可能性。

1.4 芯盒及模具結(jié)構(gòu)

模型的幾何形狀和尺寸必須準(zhǔn)確，表面光滑且留有拔模斜度。為了不影響尺寸精度，模型宜做成可拆卸式，芯盒做成脫落式。模具表面最好不刷任何漆，一則避免刷漆不當(dāng)產(chǎn)生粘模;二則木質(zhì)表面比刷漆表面易于吸收樹(shù)脂砂固化反應(yīng)的生成水，利于砂芯表面固化。對(duì)于金屬模具而言，可配以滑石粉、松子粉等，也不會(huì)粘模。

1.5 砂芯的墊塊和墊砂

大功率柴油機(jī)鑄件中，很多鑄件的砂芯是長(zhǎng)而薄的水夾層泥芯，懸空面積大90%以上。雖然脫模時(shí)泥芯已具備一定的強(qiáng)度，但它的固化反應(yīng)仍處在激烈進(jìn)行的過(guò)程中。如果此時(shí)脫模將會(huì)導(dǎo)致泥芯變形、開(kāi)裂。但又不能使用常規(guī)的水砂墊砂，這是因?yàn)樗鶋|砂中的水分將稀釋催化劑，使局部磷酸濃度降低，削弱樹(shù)脂的固化反應(yīng)，還有也是最主要的，墊砂中水分將導(dǎo)致砂芯與外界的濕度差減少，甚至形成負(fù)的濕度梯度，嚴(yán)重地阻礙了固化反應(yīng)生成水的排出，從而導(dǎo)致終強(qiáng)度下降。經(jīng)水基墊砂墊置的冷硬樹(shù)脂砂試樣的強(qiáng)度值僅有不墊砂強(qiáng)度的50～60%左右，這樣的強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)要求的。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐摸索，我們找到了下列三種解決辦法：①對(duì)于懸空部位不大，而且形狀較為簡(jiǎn)單的砂芯，采用薄膜塑料墊水砂墊置脫模。②對(duì)于懸空部位大，且形狀較規(guī)則的泥芯，可采用成型墊塊，有條件地加工成金屬墊塊，也可做成木質(zhì)的。我們?cè)谠嚿a(chǎn)排氣集管時(shí)就說(shuō)采用的木質(zhì)墊塊，效果很好。③對(duì)于懸空部位大，且形狀不規(guī)則的泥芯，可采用H3PO4墊砂。這種墊砂不用混碾，人工攪拌即可，其配比見(jiàn)表2。

這種墊砂可反復(fù)使用，經(jīng)濟(jì)性較好，經(jīng)墊砂硬化后的泥芯表面強(qiáng)度和光潔度不受影響。

2? 典型柴油機(jī)鑄件在生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 柴油機(jī)進(jìn)氣連接管

材料為ZL104，毛坯重3.5kg，壁厚4.5mm，法蘭厚15mm，輪廓尺寸為265×195×125mm。這是一種形狀比較簡(jiǎn)單的典型小件，毛坯需經(jīng)水壓試驗(yàn)不得滲漏。上下兩箱開(kāi)模，可采用面砂造型新工藝，砂芯取消全部芯骨。生產(chǎn)表明，各道工序正常，鑄件清理容易，表面光潔，尺寸精確。

2.2 柴油機(jī)氣缸頭

材質(zhì)ZL104，毛重91kg，鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由大小58個(gè)泥芯在鐵套箱內(nèi)組芯造型，高壓澆注，鑄件需經(jīng)水壓試驗(yàn)。其中水腔泥芯是典型的Ⅰ級(jí)泥芯，形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)單薄、細(xì)長(zhǎng)，輪廓尺寸為1480×200×105mm，外形酷似一條完整的大魚(yú)刺，只有少數(shù)幾個(gè)小芯頭支撐，澆注環(huán)境惡劣，排氣和出砂困難，對(duì)泥芯的強(qiáng)度和發(fā)氣性要求都很嚴(yán)格。生產(chǎn)中，大小泥芯全部采用冷硬樹(shù)脂砂制造，裝箱下芯比油砂順利，容易符合樣板檢查，尺寸精度高。經(jīng)劃線等各道工序檢查，全部符合圖紙要求。

2.3 柴油機(jī)排氣集管

材質(zhì)ZL104，毛重30kg，輪廓尺寸1510×200×210mm，是一種典型的細(xì)長(zhǎng)雙層壁厚鑄件，壁厚8mm，經(jīng)水壓試驗(yàn)不得滲漏。生產(chǎn)中，形成水腔的泥芯厚度僅有10mm，澆注過(guò)程中，除了幾個(gè)Ф30mm的芯頭支撐外，其余全部為鋁水包圍，因此對(duì)強(qiáng)度、發(fā)氣性要求嚴(yán)格，而且出砂性差，屬于Ⅰ級(jí)泥芯。生產(chǎn)表明：制芯、組裝、澆注都很順利。鑄件外形和剖面劃線尺寸準(zhǔn)確，解決了油砂不易解決的尺寸偏差問(wèn)題。

2.4 抽氣箱

抽氣箱是外協(xié)件，按照原有生產(chǎn)條件可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：一是尺寸精度難以達(dá)到圖紙要求。這是因?yàn)檎惩辽啊⒂蜕霸谠煨椭菩具^(guò)程中存在著尺寸的不確定性，壁厚偏差不易保證;二是鑄件表面質(zhì)量和光潔度達(dá)不到要求。因此我們決定采用冷硬樹(shù)脂砂組芯造型，配以白色快干擦刷樹(shù)脂涂料工藝生產(chǎn)。抽氣箱鑄件材質(zhì)為ZL104，毛重4kg，主要壁厚4.5mm。為了保證尺寸精度，所有泥芯在芯盒內(nèi)固化10～20分鐘才脫模。經(jīng)抽樣劃線檢查，其幾何尺寸、機(jī)械性能均符合技術(shù)要求。

3? 生產(chǎn)中芯砂配方及配砂工藝

3.1 配方

根據(jù)不同鑄件和泥芯復(fù)雜程度，制定出兩種芯砂配方，見(jiàn)表3。

3.2 配砂工藝

①單砂雙混：原砂+磷酸，經(jīng)過(guò)30s變成樹(shù)脂，再經(jīng)過(guò)60s出砂。②雙砂三混：原砂+磷酸經(jīng)過(guò)30s和原砂+樹(shù)脂經(jīng)過(guò)60s相混合，然后經(jīng)過(guò)60s后出砂。

4? 結(jié)論

從生產(chǎn)實(shí)踐效果來(lái)看，無(wú)疑冷硬樹(shù)脂砂要比油砂優(yōu)越得多。通過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐，我們認(rèn)為冷硬樹(shù)脂砂是一項(xiàng)投資少、見(jiàn)效快、經(jīng)濟(jì)效益顯著、實(shí)用價(jià)值高的新工藝。采用冷硬樹(shù)脂砂工藝時(shí)，樹(shù)脂和硬化劑都在混砂時(shí)加入，造型、制芯后，樹(shù)脂在硬化劑的催化作用下逐漸發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而自行硬化，鑄型或芯子也就逐步得到所需的強(qiáng)度。[3]另外，它不受機(jī)械化程度高低、企業(yè)規(guī)模大小的限制，比較適用于制造鑄型和較大的芯子，而且多用于小批量的生產(chǎn)，對(duì)大功率柴油機(jī)鋁合金鑄件來(lái)說(shuō)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)于大功率柴油機(jī)鑄件特別是復(fù)雜水腔芯、薄壁夾層砂和普通泥砂鑄件而言，應(yīng)用鑄造鋁合金冷硬樹(shù)脂砂工藝生產(chǎn)，基本上可以滿足其性能要求。②冷硬樹(shù)脂砂強(qiáng)度較高，尤其是表面強(qiáng)度穩(wěn)定，不易掉砂，流動(dòng)性好，不吸潮。配以白色快干擦刷樹(shù)脂涂料，是完全可以獲得尺寸精確、表面光潔的高質(zhì)量鑄件的。③鄭庵砂品味低，SiO2含量少，氧化雜質(zhì)多，泥量較高，樹(shù)脂加入量需達(dá)2.0%，成本較高，若能就近解決高質(zhì)量原砂需求，每年可節(jié)約大量成本。④配制冷硬樹(shù)脂砂需要配備高效的混砂設(shè)備，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，這樣一來(lái)就可大大降低生產(chǎn)和人工成本，顯著提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)海事服務(wù)中心組織編寫(xiě).主推進(jìn)動(dòng)力裝置[M].大連海事大學(xué)出版社，2012：249.

[2]程先軍.鑄造鋁合金冷硬樹(shù)脂砂工藝研究[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（2）：33-35.

[3]鑄造工程師手冊(cè)編寫(xiě)組.鑄造工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003（2）：423.