陶瓷砂制芯工藝在汽缸水套芯制作中的應用

在我廠的干缸套筒中生產氣芯時，水套筒的芯采用了英石砂和合格砂的芯工藝。所制砂芯強度高，耐火性強，腫脹變形小，蓄熱能力強，冷卻速度快。它有效地減少了氣芯和回波芯之間壁厚的泄漏趨勢。其缺點是,由于砂粒粗大且呈尖角狀,射砂時對模具的沖擊磨損大,砂芯的脫模效果不好,對模具的使用壽命影響很大。藍擎系列柴油機是我廠的新產品,氣缸體水套芯的設計對制芯工藝中砂芯的頂芯考慮明顯不足。由于頂芯面積太小,砂芯要從模腔中頂出非常困難,廢芯率高且效率低。為解決上述問題,決定采用陶瓷砂制芯工藝解決砂芯脫模問題、提高砂芯制芯效率,同時可以提高模具使用壽命。但是制芯工藝變更會一定程度的影響產品尺寸和理化性能,需要進行生產工藝試驗。1陶瓷砂1.1莫來石砂的特點陶瓷砂是人工燒制的陶瓷球形顆粒。最早由美國的CarbCeramics公司于20世紀80年代研制問世,90年代美國和日本先后將其應用于鑄造行業,作為鋯英砂的代用品。陶瓷砂具有以下優異的性能:(1)顆粒為球形,流動性好,易于緊實;(2)熱膨脹系數小,用其配制型砂,鑄件不會產生膨脹缺陷;(3)脫模性能好;(4)抗金屬液潤濕能力大,抗金屬氧化物作用好,可提高鑄件內腔表面質量,消除粘砂缺陷;(5)耐火度高、透氣性好、易潰散,其莫來石相大大高于燒結產品,具有良好的耐火性能,抗燒結能力強;(6)回用再生性能好,性價比高,與鉻鐵礦砂相比,其價格相對低廉。同時,因粒形為球形,樹脂的加入量明顯減少,從而降低了生產成本;(7)由于樹脂加入量少,減少了氣體的散發量,鑄造氣孔缺陷減少,從而提高了鑄件的成品率;(8)熱導率大,蓄熱能力強,一定程度上提高相鄰鑄件壁厚處的材料性能。其物理化學性能指標見表1。1.2al2o380%、fe2o33.目前市場上的陶瓷砂價格差距較大,主要是由于其成分的差距。質量好的陶瓷砂其Al2O3≥75%、Fe2O3≤3%。市場上很多陶瓷砂的Al2O3≤70%,Fe2O3的含量偏高,粒度分布不集中,質量一般。經過市場調研,我們選用了河南金耐源公司的陶瓷砂,其產品質量要優于市場上同類產品,表2和表3是其某批次產品抽樣檢測結果。2水套芯混砂機加砂料斗的改造為進行上述工藝試驗,進行了生產試驗前的準備,對水套芯混砂機的加砂料斗進行了改造。為降低生產成本,計劃使用陶瓷砂與焙燒砂制芯工藝進行試驗,陶瓷砂與焙燒砂的配制比例為1∶1。2.1陶瓷砂的使用效果試驗對象為藍擎氣缸體鑄件。在水套芯芯砂混砂工序混制陶瓷砂,在水套芯制芯工序觀察陶瓷砂的脫模效果,在上涂料工序試驗涂料的涂覆性,在清理工序分析陶瓷砂制芯工藝對水套芯內腔質量的影響情況。需要解剖樣件測量水套芯對材料收縮的影響及產品形狀的變形情況。跟蹤機加工情況,分析水套芯制芯工藝對氣缸體加工精度和滲漏缺陷的影響。2.2試驗過程2.2.1生產煙氣體鑄造工藝(1)在化驗室進行陶瓷砂、焙燒砂原砂性能檢驗,并得出制芯工藝混砂配比。(2)試驗陶瓷砂混砂工藝和水套芯制芯、上涂料、烘干等工藝;使用陶瓷砂制芯工藝生產的水套芯生產氣缸體。(3)氣缸體劃線、解剖,檢查陶瓷砂水套芯變形情況和內腔質量,測量鑄件水套內腔尺寸計算陶瓷砂水套芯內腔收縮率。(4)加工氣缸體,檢查水套芯收縮和變形情況對機加工定位和加工精度的影響。進行打壓試驗,檢驗水套腔氣密性。2.2.2生產結果及分析(1)通過化驗室試驗,獲得鉻礦砂與熟料砂、陶瓷砂與焙燒砂的混制結果,可以用于指導生產,同時對比兩種制芯工藝的砂芯的性能差別。詳見表4和表5。按照表5中的配比在車間進行了試驗,詳見表6。通過試驗結果分析,陶瓷砂與焙燒砂的樹脂加入量為1.8%、固化劑加入量0.8%時,發氣量小,流動性好,抗拉強度遠遠滿足技術條件要求。通過比較,抗彎強度略低于硌礦砂制芯工藝的車間混制試樣值。(2)射芯機工作參數為:射砂壓力0.4～0.6MPa、固化時間170～260s。通過實際生產數據統計,砂芯的成型率93%,脫模性明顯優于硌礦砂制芯工藝。圖1為砂芯局部示意圖。(3)鑄件毛坯清理工序發現陶瓷砂與焙燒砂制芯工藝生產的氣缸體水套內腔清理容易,未發現水套粘砂現象,內腔質量明顯好于硌礦砂制芯工藝生產的氣缸體,充分驗證了陶瓷砂和焙燒砂制芯工藝的耐火度高和潰散性好的優點。圖2為氣缸體水套芯內腔解剖圖。(4)對生產的氣缸體毛坯進行了解剖測量,分析水套芯在澆注過程中的變形情況,以及鐵水的收縮情況。通過實測數據證明,使用陶瓷砂與焙燒砂制芯工藝的水套芯變形情況和使用鉻礦砂與熟料砂制芯工藝的水套芯相近。鑄件在水套芯部分的縮尺與鉻礦砂與熟料砂制芯工藝的基本一致。(5)根據氣缸體指定檢驗位置(即水套芯周圍壁厚區)進行理化檢驗,數據滿足本體理化性能要求。同時還對水套芯與挺桿芯薄壁區進行了理化分析,結果顯示薄壁區也能滿足本體理化性能要求。圖3是理化檢驗的金相圖片。(6)氣缸體左右方向和長度方向粗加工定位基準均為水套芯的水腔,使用陶瓷砂與熟料砂制芯工藝生產的氣缸體經加工驗證,尺寸合格。對加工后的氣缸體毛坯進行了打壓試驗,結果顯示水套芯砂的更換不會對氣缸體氣密性產生影響。(7)基于陶瓷砂與焙燒砂水套芯成型率與鉻礦砂水套芯一樣,根據配料的百分比和單價計算得出每個氣缸體水套芯的成本,詳見表7。由于陶瓷砂制芯工藝的砂芯成型率高于硌礦砂制芯工藝,因此實際制芯成本還要降低。3鑄造工藝對模具壽命的影響(1)陶瓷砂與焙燒砂按照質量比6∶4混制水套芯砂,射芯機制芯工作參數、上涂料工藝和烘干工藝與硌礦砂水套芯一樣。毛坯解剖與加工結果顯示滿足產品生產與技術要求