防脉纹添加剂在汽车铸件上的应用

济南圣泉集团股份有限公司 （山东 250204） 赵远明 何书恒

生产汽车缸体、缸盖时，进排气道、水套内腔及热节内角部位经常出现较薄的毛刺即脉纹缺陷，因毛刺位置在内腔很难清理，水套腔内脉纹缺陷会阻碍冷却水的正常流动，严重时造成发动机烧缸；进排气道内的脉纹会影响气道涡流特性，严重影响发动机的性能，因此解决脉纹缺陷对于缸体、缸盖等汽车铸件来说至关重要。

一 、脉纹缺陷的产生原因

在573℃温度下，石英砂发生晶型转变，从β石英变为α石英，相变膨胀引起的热应力导致砂芯表层开裂，铁液渗入裂纹中形成脉纹。脉纹产生的基本条件，一是相变膨胀产生的热应力大于砂芯表面强度；二是铁液呈液态且具足够流动性。脉纹缺陷就是一种膨胀类的铸造缺陷，生产实例如图1所示。一般认为：①原砂SiO2含量越高，脉纹缺陷越严重。②原砂粒度集中度越高，脉纹缺陷越严重。③浇注温度越高，脉纹缺陷越严重。但浇注温度是根据铸件结构、壁厚确定的，不能随意改变。

凡能减少热应力的因素，提高砂芯高温强度及韧性的因素，以及加速铁液凝固的因素，均会减少脉纹产生。实践证明，树脂砂产生脉纹缺陷的倾向大小顺序依次为：冷芯盒树脂砂→PEPSET树脂砂→覆膜砂→呋喃树脂砂→碱性酚醛树脂砂。

二、解决脉纹缺陷的措施

针对脉纹缺陷所采取的措施，具体可归结为以下几方面。

（1）降低砂芯的膨胀 原砂膨胀是脉纹产生的根本原因，因此降低原砂膨胀是解决脉纹缺陷首先考虑的因素，原砂在高温下存在晶相转变，同时伴随体积的膨胀，如果石英砂经过900℃以上高温焙烧冷却后晶相转变将不可逆，所以原砂再生或焙烧使用会显著改善脉纹缺陷；生产铸铁件时不需要原砂有过高的SiO2含量，达到92%即可，因SiO2含量越高，其热膨胀率越大，一般生产时可尽量使用再生砂。

（2）调整原砂粒度分布 如果原砂粒度过于集中，整体膨胀将体现得更明显，一般采用三筛或四筛砂，汽车缸体、缸盖推荐用粒度为0.355～0.154mm（50/100目）擦洗砂，尽量避免采用粒度为0.224～0.106mm（70/140目）及更细原砂。

（3）提高砂芯的常温、高温强度 在原砂相同的情况下，砂芯强度取决于粘结剂类型及砂芯紧实度，由于冷芯盒是高压射砂，砂芯紧实度高，高温下砂粒的膨胀空间小，所以容易产生脉纹缺陷。

（4）采用特种砂 ①铬铁矿砂主要靠激冷效果防止脉纹，可与石英砂按一定比例混合使用。②锆砂耐火度高，膨胀系数小，但价格较高，很少使用。 ③焙烧砂是将擦洗砂加热到870℃以上，并保温一定时间，使硅砂充分膨胀实现相变，因此焙烧砂又称相变砂。经相变处理后，不仅使膨胀率大幅下降，而且砂粒中的结晶水、有机污染物、碳酸盐及氧化物等经高温焙烧后被大量清除，因此焙烧砂与擦洗砂相比不仅酸耗值低，灼减量和发气量低，含泥量少，更主要的是膨胀率低。不仅能够减少粘结剂加入量，更能有效防止铸件产生脉纹、热裂、粘砂等缺陷，提高铸件精度。④宝珠砂呈球状粒形，表面光滑，无凹凸脉纹。其流动性及填充性好，能得到良好的成型性和铸模强度，溃散性好，易于清砂作业，粘结剂使用量较其他同类型砂有较大的节省，热膨胀率之低与铬矿砂等特殊砂相同，因此生产铸件的尺寸精度高，破裂及表面缺陷少，铸件成品率高。宝珠砂的致密性好，强度高，即使重复再生使用也很少破碎，可减少铸造生产过程中的粉尘对生产环境的污染，再生性好，可减少产生的废物排放，利于环境保护。由于其主要成分是氧化铝，耐火度≥1790℃，能满足铸造各种金属及合金，易于回收，因此对解决内腔烧结和脉纹缺陷是不错的选择。

（5）特种涂料的作用 激冷涂料可以加快铁液冷却凝固，一般适用于汽车铸件，简便易行；对于厚大件来说效果不明显。

（6）防脉纹添加剂 目前，市场上防脉纹添加剂种类繁多，按成分分主要是有机物和无机物，第一是硅酸盐与金属氧化物的混合物，其熔点低，在高温下可与硅砂形成玻璃体填补砂芯裂纹，防止铁液进入裂缝，这种添加剂可做成圆整的粒状，对砂芯强度影响较小，加入量一般为1.0%～5.0%；第二种是有机添加剂，加入量一般为0.3%～1.5%，强度影响比无机物明显，但发气量大。

三、防脉纹添加剂的应用实例

1. AF#2M的防脉纹添加剂

（1）试验零件 4缸缸盖排气道部位有脉纹缺陷，脉纹高度约4～6mm。排气道部位的脉纹缺陷可以用机械清除掉，试验目的主要是验证AF#2M的防脉纹效果，脉纹缺陷如图2、图3所示，排气道砂芯如图4所示。

（1）方案 福建砂粒度为0.355～0.154mm（50/100目），原砂200kg，冷芯盒树脂Ⅰ组分（GP201AK）2.0kg，Ⅱ组分（GP202KT）2.0kg，防脉纹添加剂AF#2M先与原砂混匀。

（2）结果 ①AF#2M添加剂加入0.5%，脉纹毛刺高度下降20%，并且变短。②AF#2M添加剂加入1.0%，铸件中有一半脉纹消失，剩下的铸件脉纹毛刺高度下降50%。③AF#2M添加剂加入1.5%，脉纹缺陷消失。

AF#2M为有机防脉纹添加剂，显著特点是极少的加入量就可降低或避免脉纹的产生，一般建议加入量只占原砂比例的0.5%～1.5%（某一韩资企业在制动盘芯砂中添加这种添加剂0.3%，即解决了制动盘脉纹缺陷）。

2.SQ—1防脉纹添加剂

SQ—1为我公司生产的无机防脉纹添加剂，显著特点是加入量占原砂比例1%～5%时，对树脂砂抗拉强度影响较小，24h强度无影响，2h抗拉强度衰减量低于10%，SQ—1防脉纹添加剂发气量一般在10mL/g左右，成本低。

（1）试验零件 4缸缸体，水道砂芯。试验前水道部位脉纹如图5所示。

（2）方案 福建砂粒度为0.355～0.154mm（50/100目），原砂200kg，冷芯盒树脂Ⅰ组分（GP201AK）2.0kg，Ⅱ组分（GP202KT）2.0kg，SQ—1添加剂分别按不同比例加入原砂并混匀。

SQ—1 加入量2%时，脉纹高度下降15%，脉纹个数仍为4条。

图5 试验前水道部位脉纹

SQ—1 加入量3%时，脉纹高度下降50%，脉纹个数有3条（见图6）。

SQ—1 加入量4%时，脉纹高度下降60%，脉纹个数有2条。

图6 试验件水道部位脉纹

SQ—1 加入量5%时，脉纹高度下降80%，脉纹个数有1条。

SQ—1 加入量6%时，共生产10件，脉纹缺陷消失。

四、结语

汽车铸件脉纹是较常见的缺陷，通过大量实践证明，采取以下几种措施完全能解决问题。

（1）添加防脉纹添加剂SQ—1或AF#2M，简便易操作且成本低。

（2）宝珠砂制芯，原砂成本较高，若能回收再生也是不错的选择。

（3）防脉纹涂料可以去除较轻的脉纹缺陷。

（4）焙烧砂配合宝珠砂按一定比例混合也可解决脉纹缺陷，但如何回收旧砂是需要考虑的问题。

（5）生产汽车铸铁件时最好选择大林砂或围场砂，粒度选择0.355～0.154mm（50/100目），原砂SiO2含量达92%即可。

（20130125）