四方面解决湿砂型冷芯铸造缸体的常见缺陷

笔者公司为大众公司主流车型提供的缸体，均属于典型的薄壁铸件，主要水套壁厚3mm左右，材料牌号为HT220。使用粘土湿型砂造型，每型两件，高压造型，浇注质量120kg左右，浇注温度因品种不同控制在1410~1450℃，浇注时间10~14s。砂芯由三乙胺法冷芯盒制成，采用抗湿型树脂，浸涂FOSECO水基涂料并烘干，砂芯使用内蒙50/100目原砂，三筛集中粒度≥80%，SiO2含量≥92%。

在先后开发和生产过程中遇到了一系列质量问题，通过不断改进工艺、使用新材料、深化操作、严控工序质量，各种质量问题都有了相应的解决措施。现对所作的工作加以介绍，仅供同仁参考。

1缸体水套内腔局部断芯原因分析与解决措施

1.1现状描述及原因分析

笔者公司早期开发的大众系列产品———缸体A，其水套两端底部中心位置曾批量出现局部断芯缺陷（见图1），风动铣刀及其它清理工具鞭长莫及，严重影响发动机缸体内腔冷却水循环，必须报废，有时仅此单项废品率高达10%以上，且一直居高不下，严重影响经济效益和质量信誉。

经过分析认为，产生局部断芯的部位是整个砂芯较薄弱处，壁厚只有3mm左右，且处于射砂嘴边缘，故粘结力较弱，又极易产生疏松缺陷，浇注过程中该处石英砂温度达到573℃时结构发生转变，由β石英砂转变为α石英砂，体积急剧膨胀，产生较大的相变应力，当其大于该部位砂芯高温粘结力时产生龟裂现象，在铁液的冲击力作用下脱离水套芯母体而形成局部断芯缺陷。

1.2解决措施

1.2.1 使用特种砂替代硅砂

从硅砂高温晶变膨胀方面考虑，采用低膨胀率或无高温膨胀的特种砂替代硅砂，减少由熔融金属热引起的砂粒膨胀，如铬铁矿砂、陶瓷砂及高温焙烧砂等，能有效地抑制水套砂芯龟裂现象。

在同样生产条件下，笔者在2007年曾对水套产生局部断芯特别严重的缸体A使用不同种类的特种砂进行试验，结果断芯废品均比同批次正常使用硅砂所生产的铸件明显减少，见表1。

1.2.2 改进水套砂芯涂料工艺

冷芯盒涂料工艺多数采用砂芯脱模后只浸水基涂料然后烘干的工艺，这样增加了砂芯的吸湿性，降低砂芯强度，对防止薄壁水套局部断芯尤为不利。为提高局部砂芯耐高温性能，改为对水套砂芯龟裂处的两端先刷一层防脉纹涂料后再浸水基涂料然后烘干的工艺，结果水套两端局部断芯废品明显减少，这是由于浇注过程中防脉纹涂料一方面被玻璃化，延缓局部水套砂芯因硅砂膨胀引起的龟裂现象，另一方面和SiO2反应形成熔融的烧结层，强化其隔热作用、避免水套砂芯受到剧烈热辐射而首先龟裂。试验效果较好，目前已经纳入正式工艺生产，现仅列举初期两次试验结果，见表2。

1.2.3 严格控制原材料工艺参数

严格控制原砂需酸值与含泥量及水分等参数。原砂需酸值过高时，缸体A水套局部断芯废品明显增加，一方面说明原砂含杂质过多，擦洗不净；另一方面也表明原砂中碱性物质过多，从而弱化冷芯盒树脂中的组分Ⅱ聚异氢酸脂，使其不能和组分Ⅰ酚醛树脂充分反应生成氨基甲酸脂树脂彻底固化砂粒。表3为缸体A水套局部断芯统计表。

生产实践证明，原砂需酸值较低时，水套局部断芯缺陷均小于1.5%，因此原砂需酸值已纳入笔者公司正式工艺文件。另外，原砂水分、温度和含泥量也已严格按笔者公司多年积累的参数检验标准进行控制。

1.2.4 保证砂芯具有足够强度

（1 ）禁止使用超期砂芯多数资料表明：冷芯盒砂芯抗拉强度随存放时间加长而不断降低，三乙胺法冷芯盒树脂粘结剂反应产物聚胺脂呈孔洞结构，吸湿性大，砂芯存放时间过长时，砂芯返潮强度降低，抗烧结、断芯能力下降。生产实践也多次证明，超过3天以上的水套砂芯浇注出的铸件断芯及气孔废品明显增加。图2是在同样条件下，3组芯砂的∞字样抗拉强度平均值随存放天数变化的波动图。

可以看出，3天后抗拉强度明显下降且幅度较大，因此规定水套砂芯可使用时间为3天， 以保证砂芯强度、防止断芯缺陷，同时对铸件气孔防止也极为有利。

（2）严防制芯设备漏气跑砂及芯盒排气道堵塞制芯设备漏气跑砂、芯盒排气道堵塞及使用坏的射砂嘴，都会导致砂芯射不实，尤其会造成砂芯末端疏松，特别是薄壁水套砂芯末端尤为严重，极易导致内腔局部断芯，通过对设备漏气跑砂及芯盒排气道和射砂嘴进行彻底修复和治理，水套砂芯整体质量明显好转，铸件断芯缺陷大幅度降低，因此随时更换坏射砂嘴、定期用干冰清理芯盒、及时修复设备的漏气和跑砂现象，对提高砂芯强度极为重要。

1.3体会

通过上述工艺方案的实施及对其它种类缸 体的应用，笔者公司缸体水套烧结、局部断芯等铸造缺陷得到良好控制：

（1） 采用低膨胀率或无膨胀制芯材料是行之有效的方法；

（2 ）保持砂芯具有一定强度，严格控制在实践中摸索出的原材料工艺参数是前提条件；

（2） 改进涂料工艺是强化砂芯耐高温的一种工艺方法。

2冷芯缸体上型水套外壁夹砂缺陷分析及对策

2.1 夹砂缺陷描述与分析

某缸体B投产以来，上型水套外壁（也就是浇注位置的铸件顶面）时常出现批量夹砂缺陷（见图3、 图4），有时仅此单项废品率高达3%以上，造成较大的经济损失。分析发现，上型水套两油道管之间为大平面，较容易产生夹砂缺陷，加上浇注过程中油道管根部形成较大的热节圆，也为产生夹砂缺陷提供有利条件，这两种因素导致此缸体易产生夹砂缺陷，通过针对性地采取多项措施才得以缓解。

2.2解决夹砂缺陷工艺的措施

2.2.1 应用天然钠土替代部分人工活化土由于天然钠土无需钠化处理过程，具有稳定的热湿拉强度和湿压强度，无钠化不良等弊端，对抑制夹砂缺陷会起到一定作用，2011年4月2日使用四平刘房子爱思克天然钠土试验，随着天然钠土的加入，型砂溃散性越来越差，落砂团块明显增多，跑砂现象非常严重，储砂仓物料难以维持平衡，这正说明天然钠土的复用性好、热强度高，为维持砂系统平衡加入一定比例的钙土，增加型砂的溃散性，保证落砂性能，促使型砂系统处于良性循环状态。

图5所示的夹砂废品率波动图是在生产试验中截取的一组质量数据。

从图5中可以清晰地看出，夹砂废品从4月6日开始明显下降，且趋于稳定。虽然笔者公司是从4月2日开始加入天然钠土，但砂系统需经过3天左右才能彻底转换为天然钠土，因此缸体B夹砂废品直至4月6~18日这段时间才得到良好控制。

天然钠土能使型砂参数保持稳定、无波动、易于控制，能有效地解决上型鼠尾、夹砂等铸造缺陷，而且对提高铸件表面光洁度，抑制铸件粘砂及砂眼等不良品均有良好效果。

2.2.2 缩短上型水套外壁受热辐射时间浇注过程中经常发现水套和曲轴箱砂芯之间有钻铁液现象，由于浇注时间过长，导致上型水套外壁受热辐射时间较长，砂型膨胀开裂、脱落之前铁液没能及时覆盖到上型水套外壁，致使该处产生夹砂缺陷。曾多次对水套和曲轴箱砂芯之间的间隙进行调整，确保下芯到位的准确性，同时在水套和曲轴箱圆棒砂芯之间加一层封火石棉垫（见图6），实现预期封火效果，彻底解决钻铁液问题，上型夹砂缺陷明显减少，铸件尺寸更加精确，应该说明的是：当下芯夹具波动时，影 响下芯到位的准确性，在控制砂芯尺寸符合工艺要求的同时，应及时调整下芯夹具到位。

2.2.3 增强铸型排气效果，减少砂芯发气量经测算，缸体B排气系统的截面积仅仅是浇注系统截面积的1.15倍，在浇注过程中铸型排气不畅，型内压力过大，通气针经常出现“窜水”现象，既加剧上水套外壁铸型开裂倾向，又延缓铁液上升速度，为产生夹砂缺陷提供良好的条件，为此从减少砂芯发气量和提高铸型排气能力两方面着手解决，具体方案见图7、图8、图9。

通过上述两项工艺方案的实施，促使铁液在浇注过程中迅速建立起液面，很少出现过“窜水”现象，避免了上水套外壁因砂型膨胀脱落形成夹砂缺陷。

2.3解决铸件夹砂缺陷的体会

（1） 正确处理好浇注系统与排气系统的关系，使二者成为和谐统一体；

（2） 尽量缩短浇注时间，能有效地抑制夹砂缺陷的产生；

（3 ）天然钠土能使型砂具有足够、稳定的热湿拉强度，对预防夹砂缺陷起到积极作用。

3冷芯缸体外表粘砂原因分析及对策

3.1 现状描述

笔者公司近期开发的缸体C，属于高端产品铸件，结构较为复杂、壁厚为3.5±0.8mm，为保证缸体成型和减少铸造缺陷（气孔等）的产生，其浇注温度均比其它缸体浇注温度高10℃左右，几乎达到1450℃，如此高的浇注温度对于砂型铸造生产薄壁缸体而言，表面粘砂、内腔烧结等铸造缺陷必然较容易发生，曾出现因该类问题造成清理难度大而积压缸体千余件，同时因加工打刀而导致用户对粘砂、烧结件的抱怨很大，并且在加工后出现缸孔缺陷及水漏、油漏、裂纹等一系列问题，曾使外废率高达5%以上。

3.2外表粘砂种类的鉴别及原因分析

3.2.1 粘砂种类的鉴别

铸件粘砂大致可分为机械粘砂和化学粘砂，为弄清楚缸体C粘砂是哪种类别的粘砂，分别用万用表测量法与浓盐酸化学反应法两种方法进行鉴别。

万用表法是将万用表旋钮开到电阻测定档，用一个电极接触铸件，另一电极接触粘砂部位。如果电阻接近零，表明粘砂是金属包裹砂粒形成的机械粘砂。如果显示巨大电阻，表明粘砂部位已经形成不导电的硅酸亚铁，属于化学粘砂。

盐酸法是用扁铲凿下一小块粘砂块，浸入盛有浓盐酸的试管中。如果缓慢发生气泡，一夜之后液体颜色由无色透明变为棕红色，反应终了时粘砂块消失，试管底部留下少数单个砂粒，说明是机械粘砂，铁质部分已被盐酸溶解成为氯化铁，反应式为：2Fe+6HCl→2FeCl3+3H2↑。如是化学粘砂，则气泡产生很少，盐酸也没有明显的变化，最后的残留物是多孔性团絮状物质。

采用上述方法抽取10个生产批次100件粘砂样本进行鉴别，得出缸体C粘砂发生的频率为：机械粘砂88%，化学粘砂5%，机械与化学混合粘砂7%。因此可以认为，缸体C粘砂主要是机械粘砂；而化学粘砂与混合粘砂只是一小部分，不做为研究和解决对象。

3.2.2 机械粘砂原因分析

机械粘砂是高温金属液渗入砂型孔隙形成的。渗入的金属液越多、越深，机械粘砂越严重，促使金属液渗入砂型孔隙的力（最主要是金属液对砂型的动压力与静压力）越大，金属液越容易渗入砂型孔隙。由于缸体C浇注温度较高，金属液流动能力更强，故导致铸件粘砂的动压力会加大，促使铁液渗透砂粒之间的孔隙加深，从而加剧此缸体表面粘砂的倾向。另外，该缸体下型底法兰处有底注浇道，造成此处金属液处于可流动状态较长，渗入深度会更加突出，因而下型法兰处机械粘砂比其它部位更加敏感。

3.3型砂质量现状对机械粘砂缺陷的影响

自缸体C投产以来，下表面经常发生粘砂缺陷，经多次探讨原因后认为除浇注温度偏高外，型砂质量波动也是产生粘砂缺陷的主要原因，而导致型砂质量波动的因素主要有以下一些：

（1 ）笔者公司砂处理系统主要设备是上世纪80年代美国辛普森公司制造的混砂机，已无任何在线检测功能，其中碾砂机为碾轮式连续碾砂，混碾时间严重不足，双盘冷却器仅起到简单的预混作用，增湿与冷却功能已彻底丧失，紧实率完全靠操作者控制加水量进行调整，这些都是导致型砂质量随时波动的因素。

（2）两条生产线缸体产量日益增加，促使型砂大约每4h循环使用一次，且每天24h处于长期使用状态，旧砂又无增湿、冷却功能，既不能使膨润土充分陈化又不能有效降低旧砂温度，导致型砂性能大幅度下降。

（3）型砂性能除受旧砂温度影响外，还受环境温度的制约。在旧砂无冷却的前提下，环境温度越高，旧砂温度也越高。在炎热的夏季现场温度高达35℃左右，从而导致旧砂散热较慢，型砂温度居高不下，引起型砂含水量及其性能波动较大。

（4）随着生产线缸体产量日益增加，50/100目芯砂大量涌入型砂系统，致使型砂粒度不断粗化，导致砂型孔隙变大，阻止金属液渗入砂粒之间的阻力减小，对防止粘砂缺陷极为不利。

3.4解决表面粘砂缺陷的工艺措施

3.4.1 细化型砂粒度、增加砂型孔隙阻力对于上述原因中型砂粒度粗化问题，通过在型砂系统中大量加入70/140目原砂来细化型砂粒度，使其从50/100目三筛砂变成50/140目四筛砂，减少砂型孔隙，增加砂型孔隙阻力，以阻止因金属液渗入而形成粘砂缺陷。

3.4.2增加砂型气体背压，阻止金属液侵入砂 型孔隙 砂型气体背压是指在砂型孔隙的气体压力，其大小取决于型砂发气量和透气性。

发气量大透气性小，背压就越大，金属液就越难渗入砂型。经过多轮试验验证，把型砂发气量上调到某一合理范围内，既达到了增加型砂背压的目的，又不至于造成气孔缺陷，对防止铸件粘砂起到一定的缓解作用。

3.4.3 控制旧砂温度与水分、减少铸件热粘砂型砂中每蒸发1%的水，砂温能下降大约25℃，由于双盘冷却器丧失对旧砂的增湿与冷却功能，致使型砂性能恶化，特别在炎热的高温季节，砂温高达50℃以上且水分极低，铸件粘砂矛盾非常突出，对此在每条回砂皮带上安装喷水雾装置，并利用风扇吹散蒸发出的水蒸气来带走旧砂热量，达到增湿冷却的目的。

3.4.4 优化型砂参数，预防粘砂缺陷 针对不同季节与型砂温度，对有效土含量、添加剂含量、含泥量、水分、紧实率、强度等参数进行合理优化，如在夏、秋季型砂紧实率应控制在上线，以适量弥补型砂因气温高而失去的水分；在春、冬季紧实率控制在下线，使型砂含水量在合理的范围内，以保证型砂质量。通过上述措施的实施，缸体外表光洁度明显好转，可以说发生质的飞跃，赢得用户的好评，图10与图11是整改前后铸件外观质量的鲜明对比图。

4冷芯缸体内腔烧结与粘砂等铸造缺陷情况与工艺措施

4.1 缺陷情况

由于缸体C浇注温度高、结构复杂，其油道和水套砂芯所形成的铸件内腔某些弯角和热节局部烧结与粘砂缺陷非常严重（见解剖图12、图13），开始生产的所有样件每件都得采用特殊工具将烧结、 粘砂部位逐一清理，非常困难，根本不能满足产量要求，严重影响生产节拍，在正常生产过程中又无规律出现，而且发生这种缺陷比例也不固定。经过大量的对比与反复验证试验，最终较好地解决了该缸体内腔烧结与粘砂等棘手问题。

4.2工艺措施

（1）对缸体C油道装配方式进行改进，减少装配螺钉尺寸，降低由装配螺钉对油道芯产生的应力。

（2）改进油道砂芯材料和制作工艺，使用特种混合砂，增加芯砂流动性，提高砂芯致密度与耐高温强度。

（3）降低油道芯烘干温度，避免由于油道芯烘干温度过高而导致油道芯强度下降。

（4）改小油道芯的圆角半径，提高断芯位置处的砂芯强度。

（5）通过多次工艺试验，摸索出能够满足高温浇注条件下确保水道内腔没有或只有少量烧结与粘砂的涂料配方。

上述工艺方案实施后水套及油道内腔清洁，粘砂与烧结等缺陷明显降低，清效理率也得到大幅度提升，同时也达到主机厂对缸体内腔残留物的技术标准。