低成本砂在D30气缸体生产中的应用

2015-02-23胡世安黄进达

金属加工(热加工) 2015年5期

胡世安，黄进达

低成本砂在D30气缸体生产中的应用

胡世安，黄进达

【摘要】阐述了低成本砂——“抗脉纹剂冷芯砂”在D30气缸体顶杆室芯、水道芯上的生产应用，并通过开展与白刚玉复合冷芯砂生产砂芯的性能及铸件内腔清洁度的对比试验，从而替换了高成本的白刚玉复合冷芯砂，实现低成本砂在D30气缸体顶杆芯、水道芯批量生产应用，达到了降低D30气缸体生产成本的目的。

D30气缸体属于玉柴4D系列缸体，在我厂HWS静压造型线生产。从D30气缸体铸件批量生产以来，一直存在顶杆室、水道内腔粘砂、烧结及脉纹等铸造缺陷。因此，为了保证D30气缸体顶杆室、水道内腔质量，其顶杆室芯、水道芯一直使用高成本的白刚玉复合砂生产。刚玉砂是高铝矾土（主要成分Al2O3）经粉碎、洗涤后在电炉内于2000～2400℃高温下熔融而制得的，具有耐火度高，在高温时体积稳定且不易龟裂的特点。铸造用的刚玉砂分白刚玉砂和棕刚玉砂两种。白刚玉复合砂是由白刚玉砂+普通硅砂按一定的比例进行混配而成。使用刚玉砂作为铸造芯砂，能减少铸件内腔粘砂、烧结等缺陷，并且不易出现脉纹，提高铸件内腔质量。但是由于其价格较贵，批量生产时相应提高了铸件的成本。为有效控制成本，笔者所在铸造厂要求在不降低铸件内腔质量的前提下，减少制芯用砂成本，需要在D30气缸体顶杆室芯、水道芯上开发应用低成本砂。

根据我厂的实际生产情况及工艺特性，在D30气缸体顶杆室芯、水道芯上开发的低成本砂，选用了SiO2含量适中且含泥量低的大林砂，并且为减少铸件内腔粘砂、脉纹等缺陷，在大林砂中适量添加了某公司生产的抗脉纹剂。

一、芯砂性能对比

1. 混砂工艺

白刚玉复合冷芯砂（配比见表1），是白刚玉复合砂（见图1）与冷芯盒用树脂按一定的比例混制10～20s后而得。

用白刚玉复合冷芯砂生产D30气缸体顶杆室芯和水道芯，铸件顶杆室和水道内腔粘砂、烧结和脉纹等铸造缺陷较少，此工艺已批量应用于D30气缸体。

低成本砂，即抗脉纹剂冷芯砂（配比见表2），是用大林砂（见图2）与树脂、抗脉纹添加剂（见图3）按一定的比例进行混制而成。由于SiO2在高温铁液的作用下会发生晶型转变而产生线性膨胀，从而使砂芯开裂成缝，铸件出现“脉纹”缺陷，而抗脉纹剂可作为芯砂中的退让性添加剂，能减少砂芯的膨胀应力。在芯砂中加入占原砂重量5%～10%的抗脉纹剂，可有效预防铸件“脉纹”缺陷。

图1　白刚玉复合砂

表1　白刚玉复合砂冷芯砂材料配比　（%）

2. 芯砂强度对比

从即拉强度、常拉强度两方面对比分析两种芯砂的性能。根据批量生产及试验过程收集到两种芯砂性能的数据，得到两种芯砂的即拉强度、常拉强度的分布情况，分别如图4、图5所示。

从图4、图5中两种芯砂的性能分布范围情况看，白刚玉复合砂与低成本砂的芯砂性能相当。

使用低成本砂射制D30气缸体顶杆室芯、水道芯，砂芯饱满，射芯过程无异常，与白刚玉复合砂生产的砂芯对比，分别如图6～图9所示。

二、铸件质量对比

1. 内腔清洁度

使用低成本砂试验生产D30气缸体顶杆室芯、水道芯，按批量生产工艺进行组芯、下芯和浇注。试制铸件的顶杆室和水道内腔清洁度良好，无大块粘砂、脉纹出现，与白刚玉复合砂生产的D30气缸体顶杆室、水道内腔质量相当，分别如图10～图13所示。

2. 铸件尺寸及废品率

低成本砂生产D30气缸体顶杆室芯、水道芯，对铸件相应位置的尺寸进行划线检测，结果符合铸件尺寸精度要求。

统计低成本砂验证期间生产的D30气缸体的数量及废品率，并与白刚玉复合砂生产铸件的废品率进行对比得出，使用低成本砂生产对铸件的废品率无较大影响，见表3。

三、批产验证及成本对比

图2　大林砂

图3　抗脉纹添加剂

表2　抗脉纹剂冷芯砂材料配比　　（%）

图4　即拉强度按芯砂类型的单值控制曲线

图5　常拉强度按芯砂类型的单值控制曲线

图6　白刚玉复合砂生产的顶杆室芯

图7　低成本砂生产的顶杆室芯

在D30气缸体顶杆室芯、水道芯上使用低成本砂进行批量生产验证，铸件顶杆室、水道内腔无异常粘砂、烧结和脉纹等缺陷，内腔清洁度满足铸件外观质量要求，并且与白刚玉复合砂生产的铸件内腔质量相当。同时，

低成本砂是由成本低的大林砂，并添加适量抗脉纹剂混制而得，从而降低了D30气缸体制芯用砂成本（见表4），进而降低了D30气缸体铸件的生产成本。

四、低成本砂应用机理探讨

我厂开发应用的低成本砂，是大林砂中加入适量的抗脉纹剂混制而成，在降低制芯用砂成本的同时，能减少铸件内腔脉纹等缺陷。铸件脉纹产生的基本原因有两个：一是石英石在573℃发生相变，体积膨胀致使砂芯表面开裂成缝；二是砂芯被高温铁液所包围，产生大量的气体难以快速排出，腔内的瞬时应力大于铁液的渗透阻力，金属液就通过砂芯裂纹或孔隙渗透到砂芯的整个截面上，形成脉纹或渗透型机械粘砂。大林砂中含的长石多于海砂，长石在1200～1300℃软化而发生收缩，从而为硅砂高温膨胀提供了空间，降低了砂芯的膨胀开裂。抗脉纹剂主要成分为复合无机物，可作为芯砂中的退让性添加剂，能减少砂芯的膨胀应力，增加砂芯的热强度和热塑性。芯砂中加入适量的抗脉纹剂，可有效预防铸件“脉纹”缺陷，并且对铸件的尺寸无影响。