宝珠覆膜砂在缸体铸造中的应用.pdf

·414·铸 造FOUNDRYADr．2017VOI．66 NO．4P‘·、，“-^·u-^_、·√、●，‘叫{经验交流}自’1■、‘y■‘／●_■，'n●、‘■一宝珠覆膜砂在缸体铸造中的应用聂越，刘增林，苏鹏，赵发辉(成都桐林铸造实业有限公司，四川成都611337)摘要：介绍了宝珠覆膜砂的性能特点及适用场合。利用宝珠砂为原砂，制作覆膜砂，解决了缸体油道芯变形、缸筒缺口、粘砂、气孔和壁厚超差等铸造缺陷。生产实践表明，利用宝珠砂可以有效减少铸件缺陷，提高缸体铸件品质。关键词：宝珠砂；覆膜砂；热膨胀；发气量；气孑L中图分类号：TG221 文献标识码：B 文章编号：1001—4977(2017)04一0414—04Ap pl-cations of the Ceramsite-RCS to Cylinder Blocks CastingNIE Yue，LIU Zeng-1in，SU Peng，ZHAO Fa-hui(Chengdu Tonglin Casting 111dustrial Co．，Ltd．，Chengdu 6 11 330，Sichuan，ChiIla)Abs仃act：The propenies characteristics and appl础ion ofcer锄s酶RCS were introduced．The casting defectsincluding，oil passage core deflectio玛bore g印，buming·011，blowh01e and thicl(Iless out—oftolerance ofcylinderbore were s01ved．The result show that the casting defect was eliminated and the quality of cylinder block wasincreased by using ceramsite．Key words：cer锄site； RCS； themal expansion； gas eV01ution；blowh01e伴随发动机技术的进步，近年出现的一些新型缸体，携带工艺难度较大的结构。比如水腔侧面没有出砂孔，油道腔贯通整个缸体而且曲率大，水腔内有窄细过水结构(4G20B)，甚至出现了缸筒、缸盖一体化铸造的铸件，如图1所示。高难度缸体铸件结构，对覆膜砂射芯性能提出了新的需求。为适应缸体铸造技术进步，满足客户需要，桐林引进了一些新型造型材料以应对新问题，宝珠砂就是其中的一种。(a)新油道结构 (b)新缸侗、缸忝组合结构图1缸体的结构Fig．1 New stmcture ofcylinder block1 宝珠砂基本性能宝珠砂又名电熔陶粒，是以铝矾土为原料，经过煅烧、电熔、造粒、筛分形成的人造砂。主要化学成分如表1所示。同硅砂相比，宝珠砂理化特性差异见表2【1]。表1宝珠砂主要化学成分Table l The compositions of ceramsite缈棚2宝珠砂在缸体铸件生产中的应用宝珠砂同硅砂相比，在热膨胀、耐火度和角形系数等方面更加适合于砂型铸造。2．1 长油道芯的弯曲变形为了保证发动机紧凑排列，当今的发动机缸体结构设计，油道腔自上而下贯通缸体，而且伴随曲轴腔有随形弯曲的特征，甚至可能伴有分叉等结构。所以较长油道芯在浇注受热情况下由于自身膨胀会发生变形，严重时甚至导致断裂。根据硅砂特性结合砂芯几何形状进行分析计算，发现该砂芯在浇注时会发生偏移，最大偏移量达到6．28 mm。在实际中有一些油道芯浇注后变形案例如图2。图2中所示的案例，原因是油道芯在浇注时受热膨胀。硅砂受热会发生热膨胀和相变膨胀，即在573℃左右，发生同质异晶转变，膨胀率约0．82％；而在870～1 400℃之间，发生d一方石英转变，膨胀率约4．7％。线长度较长的硅砂油道芯，受热时膨胀绝对值更大，在两端有芯头固定的条件下，发生了“弯弓”变形。收稿日期：2叭6-09-27收到初稿，2016一ll_25收到修订稿。作者简介：聂越(1983一)，男，学士，从事发动机缸体铸造技术工作，主要研究砂型铸造工艺和造型材料。E·mail：nie”ewindows@outlook．com一一万方数据铸造 聂越等：宝珠覆膜砂在缸体铸造中的应用 ·415．1刳2油道芯变形案例Fig．2 Ex釉ple ofoil passage core denection根据上述分析，降低型砂膨胀率可以从根本上解决弯曲变形的问题。利用宝珠砂热膨胀低的特点，将宝珠砂制作成覆膜砂，配方如表3。表3新型覆膜砂配方表Table 3 The RCS formllIationⅣ√％宝珠砂 树脂 固化剂 偶联剂 润滑剂 其他辅料 硅砂85 2 0．7 0．06 0．3 0．5 余量新型覆膜砂用来制造油道芯，铸造出壁厚均匀的油道腔壁，成功解决了图2所示壁厚超差的问题，如图3所示。幽3消除变彤案例Fig。3 Example ofeliminating denection2．2狭窄内腔部分的机械粘砂某些缸体的水腔在缸筒之间设计有通水结构，有的通水结构窄而细，根据这种结构设计的砂芯拥有薄片结构，比如4G20B缸体水套芯如图4。图4水套砂芯Fig．4 The waterjacket core图4中的四缸机水套有三处过水结构，跨度均为17 mm，中间部分薄片的高度为80 mm，厚度4 mm，两侧两个薄片高度仅40 mm，厚度3 mm。解剖检查该缸体铸件，发现过水结构在两侧高度40 mm部位出现粘砂并伴随有缺口，如图5和图6所示。图5粘砂缺陷Fig．5 The defect of Sand Buming图6缺口缺陷Fig．6 The cylinder bore g印出现缺口是因为浇注时水套芯薄片部位膨胀而产生压应力(挤压)和砂芯强度不足造成的。出现粘砂，是由于砂型变形和薄片部位砂粒排列不够致密造成的。图4中的薄片砂芯部位在射芯时由于模具内空间狭小，砂粒进入困难，而且狭小空间的表面积与体积比较大，热芯模具对覆膜砂加热迅速，覆膜砂固化早，流动性丧失快，导致填充砂粒困难，难以紧实。使用宝珠砂作为覆膜砂原砂，制作水套芯，理由如下：(1)宝珠砂真密度较大(表2)，同直径同速率的砂粒在射芯时拥有的动能为硅砂砂粒的1．28倍，能提高砂芯致密程度。根据机械粘砂的渗透压公式：户筋cosd／r(式中6为金属液体表面张力，d为液体金属与铸型的润湿角，r为铸型孔隙半径)，致密的砂芯的砂粒间孑L隙半径r较小，能够抵抗粘砂【”。(2)宝珠砂粒形圆整(表2)，可以提高覆膜砂流动性，射芯过程中砂粒阻力小，动能损失低，保证射芯填充效果，从而减小砂粒间孔隙半径r，抵抗粘砂。万方数据·416· FOUNDRYADr．2017V01．66 No．4(3)宝珠砂热膨胀低，降低高温时薄片砂芯承受的压力，提高该薄片砂芯高温时的稳定性【2]。(4)宝珠砂有较大的比热容(表2)，在体积相同的情况下，能够吸收铁液更多的热量，让铁液流动性减弱，更早结壳，从而抵抗粘砂。浇注后检查发现消除了粘砂和缺口的问题，如图7所示．图7合格铸件Fig．7 The qualified example ofcylinder2．3侵入性气孔伴随汽车发动机缸体设计复杂程度的上升，覆膜砂芯也变得更加复杂精细，对覆膜砂强度提出了更高的要求，而常规情况下高强度覆膜砂的发气量也相对较高。2．3．1侵入性气孔案例某缸体为缸筒、缸盖连体铸造，缸体水道腔位于铸件的中部，距离两个面有一定距离，水腔结构复杂，需要较高砂芯强度，铸件剖面结构如图1b。曾经采用以硅砂为原砂的强度较高的SD．3覆膜砂的制芯方案，覆膜砂性能如表4所示。使用高强度的sD．3覆膜砂方案进行浇注，得到毛坯的气孔缺陷率约30％，气孔情形如图8所示。表4 sD一3覆膜砂参数Table 4 The parameters of SD一3俐8气扎缺陷F培8 The defcct ofblowh01e2．3．2气孑L案例分析这些气孔体积大，内表面光洁，有金属光泽或氧化皮，梨形气孑L的尾部有指向性[4】，是典型的侵入性气孔且位置集中在水套芯上方，可以判定是由于水套芯发气量过大导致的侵入性气孔。由于浇注时形成水道腔的覆膜砂芯深埋在铁液中，难以排气，砂芯产生的气体容易累积在型腔中形成较高压强，当气体压强P气>P液+P腔+P阻时，形成侵入性气孔同。2．3．3解决气孔措施及实施效果根据分析得知，降低水套芯的发气量可以解决侵入性气孑L的问题。本案例中的要求包含两方面：发气量降低和强度保持现状。宝珠砂粒形好，角形系数<1．1，近似球形(表2)，同硅砂相比，较少的树脂加入量可以满足强度设计要求。使用宝珠砂和硅砂按照一定比例混合，制成覆膜砂TL—M12，显著降低了发气量，SD．3覆膜砂与新制成的TL．M12覆膜砂性能对比如表5所示。经过批量浇注试验，质量统计显示，气孔率≤3％，显著提高了铸件合格率。2．4缸筒壁厚差超差薄壁化和轻量化是未来缸体发展的主要趋势之一，缸体壁厚越来越薄，精度不断提高是目前缸体铸件的特点。对于薄壁化的缸体，水腔不设计出砂孔，缸筒壁厚减薄可以保证冷却效果同时降低缸体重量。某三缸发动机缸体为一种薄壁设计原型机。壁厚设计为9～9．5 mm，加工余量均为3 mm。过去某铸造企业采用高强度sD．3覆膜砂制造水套芯，浇注后出现缸筒壁厚超差的问题。对20个位置进行检测，壁厚最大值和最小值之间差异高达3．5 nun，不合格。铸件侧面没有设计出砂孑L，水套芯浇注时侧面没有提供支撑约束的芯头，这种结构砂芯在高温时近似自由膨胀，形状的保持主要依靠覆膜砂本身强度，这种膨胀变形产生的砂芯位移和覆膜砂强度不足共同造成壁厚超差网。采用宝珠砂为原料制造覆膜砂，设计时考虑发气量不能过高，避免产生气孔缺陷，新混制TL．50AG覆膜砂和原硅砂覆膜砂参数对比如表6所示。表5 SD一3和TL—M12覆膜砂对比Table 5 Comparison of SD一3 and TL—M12万方数据铸造 聂越等：宝珠覆膜砂在缸体铸造中的应用 ·417·对比参数得出TL．50AG覆膜砂具备低发气量和高强度的特点。采用这种覆膜砂生产的铸件经过解剖检查，缸体缸筒壁厚差控制在1 mm以内，产品合格。客户对采用新的TL一50AG覆膜砂的缸体毛坯进行加工，解剖件发现缸筒壁厚均匀一致，尺寸合格，符合要求。3结束语发动机缸体薄壁化、轻量化是发动机设计核心思路；紧凑、复杂的结构是未来缸体铸件的常态特性。将宝珠覆膜砂应用在汽车发动机缸体铸造中，在特定的场合能有效消除和降低了油道芯变形、缸筒缺口、粘砂、气孔、壁厚超差等铸造缺陷，提高了铸件品质。利用宝珠覆膜砂解决缸体铸件缺陷的经历，为将来应对更高难度的铸造技术挑战积累了经验，也为全面实现立浇薄壁化缸体提供了技术储备。(上接第410页)能的影响[J】．中国铸造装备与技术，2007(2)：23—26．[3] 磁shore，SaInpatllkllInaran P，seethar蛐u S．Emsion and abmsioncharacteristics of high manganese cllromium irons [J]． wear，2005，259 (1—6)： 70—77．[4] Shimizu K，N锄se T，Ⅺnba Y．ErosiVe wear propenies of hi曲V—Cr_Ni stainless spheroidal carbides cast iron at hi曲temperalllre[J]．wear，2009，267(1．4)：104—109．【5]子澍，张学昆．镍硬铸铁的硬化原则及影响因素[J】．现代铸铁，2010(10)：39—44．[6]子澍，张学昆．镍硬白口铸铁的强化原则【J]．铸造设备与工艺，2009 (6)： 45—48．[7] Zhang M x， Kclly P M．The e髓ct ofheat骶atment on the(上接第413页)(3)添加稀土ce可以提高铬锰氮不锈钢的硬度，当铈含量为0．067％时，硬度值最大为HV233．6。参考文献：[1】徐匡迪，高玉来，翟启杰．低镍不锈钢生产中的若干冶金学问题[J]钢铁，2004，39(7)：1—6．[2】周振平，李荣德．定向凝固技术的发展[J]中国铸造装备与技术，2003(2)：1—3．[3]陈邦迪，舒震．凝固与铸造【M]．北京：机械工业出版社，198l：1．3．[4】朱亮，梁新斌．冷却速度对奥氏体不锈钢crl5Mn9cll2NilN组织参考文献：[1】张丽晓，徐素峰，董必义．宝珠砂在高锰钢铸件上的应用[J]．铸造设备与工艺，2012(1)：34—36．【2]刘增林，陈科，聂越，等．4G20B缸筒缺口形成原因及解决措施[J]．铸造技术，2014(10)：2140一2142．[3]张学峰，张芳，郭芳芳．铸件粘砂机理以及质量控制简析[J]_河北冶金，2007(2)：43—45．[4】唐平，陈世岗，陈赞，等．缸体铸件气孔缺陷的控制[J]铸造，2006 (12)： 1316—1318．【5]孙清州，张普庆，荆海鸥，等．石英石热膨胀性的研究[J]铸造技术，2005(26)：103一105．[6]聂越．DK4缸体毛坯气孔缺陷的消除[J]铸造，2015(11)：1 142—1144．[7]刘增林．汽车发动机铸铁缸体在立浇条件下缸筒壁厚均匀性控制的研究[J]．铸造技术，2015(10)：2586—2590．(编辑：刘冬梅，1dm@foun奶州orld．com)touglllless， hardness锄d microstmctLIre of low carbon white castirons【J]．Jo啪al of Materials Science，2001，36(16)：3865—3875．[8】 踟姐tzalis A E，Lekatou A．E仃ect of destabilization heat仃eatmcntson the microsmlcmre of high—chromium cast iron： A microscopyex锄ination approach[J]Jo啪a1 of Matedals En百nee曲g andPerfomance，2009，18(8)：1078—1085．[9]文九巴．材料科学与工程[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008：242—246．[10】Kown—yeong Lee， Sung-hoon Lee， YangdoⅪm．The e仃ects ofadditive elemems on me sliding wear behavior of Fe-base hardfac咄alloys[J]．wear，2003，255(1-6)：481—488．(编辑：刘冬梅，1m@矗)un奶州orld．com)与凝固模式的影响[J]．铸造技术，2009，30(7)：864—867．[5]李春龙．稀土在钢中应用与研究新进展[J】稀土，2013，34(03)： 78—85．[6】卢百平．定向凝固技术的若干进展[J]铸造，2006，55(8)：767—771．【7】李思渊，李寿嵩，张同军，等．稀有金属界面效应的作用机理[J]兰州大学学报，1983，19(3)：156—157．【8]袁付庆，张静，方超．稀土元素对镁合金晶粒细化的研究[J]．热加工工艺，2012(2)：30一33．【9]于雯．稀土微合金低镍奥氏体不锈钢的凝固特性[D]．包头：内蒙古科技大学，2014．(编辑：刘冬梅，1d111@foull奶nⅣorld．com)万方数据