新型水基涂料在发动机气缸体气缸盖上的应用

贾万军，梁成振

（玉柴机器股份有限公司，广西玉林 537005）

1 问题的提出

随着汽车行业的发展，市场对发动机性能和行驶里程要求不断提高，气缸体气缸盖内腔清洁度是影响发动机性能的关键因素，对其质量提出了更高的要求。玉柴铸造事业部生产的发动机气缸体气缸盖主要以四缸机和六缸机为主，铸件内部结构紧凑、形状复杂，在内腔很容易形成烧结和脉纹缺陷，影响铸件清洁度。

铸件内腔烧结和脉纹缺陷受多种因素影响，如模具状态、砂芯疏松、芯砂耐火度、涂料耐火度、涂层渗透深度等。

本单位生产的铸件大部分用冷芯盒砂芯，某些砂芯位置非常细小复杂，生产的砂芯局部存在不紧实问题；在高温铁水浇注后，部分芯砂在化学作用和机械作用下，会发生反应或铁水渗入，导致相互粘结烧结；部分砂芯受热膨胀，砂芯开裂，铁水渗入裂缝中形成条形脉纹。铸件内腔烧结和脉纹缺陷，给清理带来很大工作量，甚至有些铸件内腔无法清理到，严重的烧结残留铸件内腔，导致铸件报废。图1所示为某机型气缸体水套烧结情况。所以，气缸体气缸盖内腔烧结和脉纹缺陷是亟需解决的问题。

2 技术方案的确定及验证效果

2.1 确定技术方案

图1 某机型气缸体水套烧结，水道不通

为解决铸件烧结和脉纹缺陷问题，使用不同种类新砂和抗脉纹剂，砂芯整体浸涂水基涂料，个别砂芯浸涂两遍水基涂料。有些材料对铸件防烧结和脉纹缺陷有很好的效果，但材料成本高，并且仍有铸件局部位置烧结和脉纹缺陷难以消除。根据对发动机气缸体气缸盖结构综合分析，不同位置的砂芯可以用不同的材料，整个砂芯全部用涂料包围。开发一种抗高温性能好、强度高、表面致密、延缓高温传递的新型水基涂料是解决上述问题的有效途径。

对不同厂家不同型号的涂料做了大量实验验证工作。经过验证，有一种新型水基涂料（3454）对预防铸件烧结和脉纹缺陷有良好的效果。目前已大批量投入使用。

2.2 水基涂料（3454）的综合性能

水基涂料（3454）为水基复合涂料，具有优异的综合性能：

1）超高的耐火性能；

2）保温性能优良；

3）高温强度高；

4）剥离性能好；

5）极好的悬浮性能；

6）优异的浸涂流变性能，涂层均匀、光滑、平整，无滴挂流痕；

7）烘干后涂层常温强度高，不起皮，无裂纹；

8）涂层厚度有保障，浸涂后的砂芯涂料在没有滴挂流痕的前提下，其湿态涂层平均厚度可达到400μm～450 μm（一般常规涂料湿态涂层厚度在200 μm～300 μm），保证了涂料烘干后的涂层厚度。

2.3 水基涂料（3454）使用技术指标

水基涂料（3454）主要技术指标见表1.

表1 水基涂料（3454）与普通涂料主要技术指标对比

水基涂料经过24 h静置，悬浮率高的涂料流平性好，在砂芯上不容易堆积，并且发气量、耐火度都能满足使用需求。

3 验证效果

3.1 生产试验条件及方法

本公司主要用冷芯盒砂芯，新砂种类有大林砂、再生回收砂、铬铁矿复合砂、铬铁矿砂、CUB砂等，砂目数为50/100，砂芯浸涂水基涂料分为单件砂芯浸涂和砂芯组整体浸涂两种方法。浸涂砂芯用涂料比重根据砂芯和使用涂料而变化，一般控制在1.30 g/cm3～1.38 g/cm3范围内，砂芯浸涂涂料完成后利用砂芯烘干炉烘烤。

3.2 与普通涂料对比砂芯试样涂层厚度

3454涂料与普通涂料涂层厚度对比见表2，从表2可以看出3454涂料比普通涂料涂层厚。在同等条件下，涂层厚度高的涂料涂挂性能好，保证一定的涂层厚度，使铁水与砂芯隔开，铁水不能渗入砂芯内，保证铸件不粘砂，同时延缓热量传递，减少砂芯膨胀开裂，以此消除脉纹的产生。

表2 同等条件下的砂芯涂层厚度

3.3 水基涂料（3454）在实际生产中的试验应用及结果

3.3.1 水基涂料（3454）在干式气缸体水套芯上的试验

水基涂料（3454）在干式缸套水套砂芯生产中试验条件见表3.

使用水基涂料（3454）试验前后砂芯对比，如图2、图3、图4所示。原有工艺是浸涂两遍涂料，使用水基涂料（3454）只浸涂一遍涂料，两者对比，砂芯表面涂层水基涂料（3454）更光滑和致密，并且无涂料堆积现象。

图2 浸涂水基涂料（3454）

图3 原有工艺浸涂两遍耐高温涂料

图4 原有工艺浸涂两遍普通涂料

表3 水基涂料（3454）在干式气缸体水套芯上的试验条件

用不同的涂料生产的铸件水套内腔情况见图5、图 6、图 7.

图5 使用普通涂料的铸件内腔

图6 使用水基涂料（3454）的铸件水套内腔

图7 用水基涂料（3454）生产的铸件

从图5可以看出用普通涂料生产铸件水套内腔局部有烧结和脉纹缺陷。图6、图7说明，试验水基涂料（3454）铸件水套内腔局部没有烧结和脉纹缺陷，并且没有对铸件质量造成其他缺陷。说明使用水基涂料（3454）的铸件水套内腔比正常生产铸件质量好。

3.3.2 水基涂料（3454）在某机型气缸盖砂芯上的试用

某机型气缸盖是大功率发动机使用，内腔结构复杂，用铁水量多，采用侧浇方式浇注，一直存在铸件内腔烧结问题。

将水基涂料（3454）涂在该机型气缸盖主体砂芯上进行试验，试验条件见表4，试验结果见图8～图10.

图8为普通涂料正常生产的铸件，内腔有9处烧结。图9为水基涂料（3454）气缸盖砂芯组整体浸涂水基涂料（3454）情况，可以看到涂层表面光滑、致密，图10为用图9所示砂芯生产的铸件，从图10可以看到，铸件内腔无大块烧结，只有两处轻微脉纹，水道畅通。使用水基涂料（3454）铸件内腔质量改善明显。

3.3.3 水基涂料（3454）在气缸体顶杆室砂芯上的试用

将水基涂料（3454）涂在某机型气缸体水道、顶杆室芯上进行试验，试验条件见表5，试验结果见图11～图14.

表4 水基涂料（3454）涂料在某机型气缸盖主体砂芯上的试验条件

试验结果：正常生产铸件20%～30%有脉纹和烧结，不加抗脉纹剂铸件100%有烧结和脉纹缺陷，如图11、图13所示；从图12和图14可以看出试验用水基涂料（3454）铸件内腔无烧结和脉纹缺陷，并且使用水基涂料（3454）不加抗脉纹剂，减少树脂加入量，降低材料成本。

图8 使用普通涂料铸件情况

图9 水基涂料（3454）砂芯

图10 水基涂料（3454）铸件

表5 水基涂料（3454）涂在某机型气缸体水道、顶杆室芯上试验条件

图11 普通涂料水道铸件

图12 试验水基涂料（3454）水道铸件

图13 普通涂料顶杆室铸件

图14 试验水基涂料（3454）顶杆室铸件

3.3.4 用普通低成本砂生产砂芯，用水基涂料（3454）浸涂试验

1）试验条件

为了进一步验证水基涂料（3454）有很好的抗烧结和脉纹缺陷能力，决定在生产砂芯用低价格新砂替代高成本新砂情况下进行试验。验证生产条件见表6.

表6 水基涂料（3454）浸涂普通砂制作的砂芯生产条件

用水基涂料（3454）后，生产砂芯用的芯砂用低价格材料替代，抗脉纹剂和冷芯盒树脂加入量都相应减少。

2）试验结果

用改进工艺后生产的砂芯见图15，从图15可以看出生产射制的砂芯强度正常，表面质量无异常；浸涂水基涂料（3454）后的砂芯见图16，从图16可以看到砂芯表面光滑；用图16生产的铸件内腔情况见图17，用内窥镜检查铸件内腔，无异常，无烧结。

3）试验结论

使用水基涂料（3454）后，生产砂芯的材料由高成本砂改为低成本砂，并且部分砂芯减少或取消加入抗脉纹剂，降低了树脂加入量，生产出的铸件内腔无烧结和脉纹缺陷情况，其他缺陷率也没有增加。说明水基涂料（3454）有较好的抗烧结和脉纹缺陷能力。

图15 改进混砂工艺的砂芯

图16 浸涂水基涂料

图17 试用水基涂料（3454）后生产的气缸盖铸件内腔

3.4 使用水基涂料（3454）过程中出现的问题

1）使用该水基涂料（3454）后，出现了砂芯整体尺寸偏大难下到型腔的问题。

解决方法：

① 通过调整涂料比重，在保证铸件不烧结前提下，降低涂料比重，减少涂层厚度；

② 调整外型模具尺寸。

2）使用水基涂料（3454）后，曾出现砂芯表面有气泡问题。

解决方法：

① 改善消泡剂，调整涂料的消泡剂加入量；

② 砂芯底部增加排气孔，浸涂时排除气泡。

4 经济效益

4.1 材料成本节约情况

使用水基涂料（3454）后，对铸件冷芯盒砂芯生产工艺进行优化，用低成本砂替代高成本砂，减少或取消抗脉纹剂，降低冷芯盒树脂的加入量。各机型铸件材料成本有不同程度的下降，下降幅度最大的铸件达到700元/t.

4.2 清理生产效率提升

使用水基涂料（3454）后，由于铸件内腔烧结和脉纹缺陷减少，大幅减少了清理工作量。在同等条件下，清理铸件平均送仓量由2877件/天提升到3167件/天，提高效率10.08%.

5 结束语

1）在冷芯盒砂芯生产过程中，合理使用水基涂料（3454）是防止铸件产生烧结和脉纹缺陷的有效途径；可以大幅降低制造成本；可以降低铸件清理工作量，提高生产效率。

2）经过验证，合理使用新型水基涂料（3454）是解决发动机气缸体气缸盖烧结和脉纹缺陷的有效措施，能大幅提高产品质量和生产效率，降低制造成本。

参考文献：

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