覆膜砂在直喷型发动机缸体、凸轮轴生产中的应用

覆膜砂在直喷型发动机缸体、凸轮轴生产中的应用

芯生产工艺是壳体精炼的重要组成部分，对铸造的质量极为重要。许多铸造缺陷是由芯造成的。缸体型芯用于形成内腔的复杂几何形状、水套、油腔,它几乎全被高温铁液包围,受液体金属的热、水和化学作用较砂型更为激烈,所以要求它比砂型有更高的强度、刚度和耐火度。4DA1发动机缸体油泵、顶杆芯采用覆膜砂热芯盒制芯工艺,本文以3种国内典型的缸体、缸盖用商品覆膜砂为例,检测比较在不同固化时间和固化温度下覆膜砂的强度、发气性及溃散性,从而确定每种覆膜砂的最佳固化参数。1试验条件1.1试验材料试验采用3种典型商品覆膜砂,即北方覆膜砂、安徽覆膜砂及南方覆膜砂均为70~140目,以下分别记为A砂,B砂,C砂。1.2压力显式液压流量现场系统试验制备“8”字形标准试样用SAF型覆膜砂制样机。常温抗拉强度测定在SWY-2数显式液压万能强度试验机上进行。试样在850℃、3min,测量发气性用SFL型发气性试验仪,称量用MP5002电子天平(感量0.01g),溃散性测定用的TDW箱式电阻炉(0~1600℃)和SSZ震摆式筛砂机。1.3计算相关系数的数值将SAF覆膜砂制样机预热到200℃,保温10min,然后分别对覆膜砂A、B、C制样,每种砂制样8个,待其冷却至室温后,将其放到SWY液压万能强度试验机上测量“8”字试块的抗拉强度,记录数值并计算其平均值。将测量抗拉强度试验后的“8”字试样断块按工艺条件编号,然后沿断面处将其摩擦成细小颗粒后取样,用MP5002电子天平称取1.0g试样放入小瓷舟中,并将小瓷舟迅速送入预热到850℃的SFD型发气性测定仪,经过3min可以从记录纸上直接读出发气量的大小,记录数据并计算其平均值。溃散性的测量在SAF覆膜砂制样机对3种覆膜砂制样,每组制5个样,然后将其冷却至室温,再放入预热到600℃的TDW型箱式电阻炉中恒温加热5min,取出并冷却至室温,接着将其放在30目的筛子上进行震动,最后用MP5002电子天平称取托盘上砂的重量,代入溃散率的计算公式进行计算。2审查和分析聚膜砂的性能2.1固化温度对覆膜砂力学性能的影响强度是覆膜砂的主要性能指标,为了适应砂型和砂芯在生产过程中翻箱、搬运的要求及浇注时不会因铁液的冲刷、静压力作用使铸件产生冲砂、砂眼、粘砂、胀箱等缺陷,要求覆膜砂经加热紧实后制得的泥芯有足够的强度。用“8”字形标准试样测量试样在常温下的抗拉强度。试验目的在于比较同一固化时间(120s)下检测固化温度对覆膜砂常温抗拉强度的影响,以及同一固化温度(230℃)不同固化时间对覆膜砂强度的影响。实验结果见表1和表2。对应相互关系如图1和图2所示。从图1可以看出,在固化时间t=120s的条件下,3种覆膜砂的抗拉强度都是随固化温度的升高而增大,直至达到最大值,然后随着固化温度的进一步提高,固化强度开始下降。其中A砂和C砂在210~220℃温度区间内常温抗拉强度达到最大值,B砂在220~230℃温度区间内抗拉强度达到最大值,并且可以明显的看出A砂的抗拉强度要高于B砂和C砂。由于覆膜砂在固化过程中,在没有达到最大强度时,随着固化温度的增加树脂逐渐硬化,故强度随着固化温度的升高而增加。当固化温度继续上升,使得树脂完全硬化,此时强度达到最大值。但当固化温度达到强度最大值的温度区间之后,树脂开始分解,随温度升高,粘结桥出现收缩,直至树脂颈成为棍状。树脂膜断裂也从开始的撕裂状断裂变为整体的脆断,直至出现树脂膜消失,温度继续升高,覆膜砂强度迅速下降,直至丧失强度。由图2可以看出,在固化温度T=230℃下,3种覆膜砂随着固化时间的延长,其常温抗拉强度都是先升后降。其中A砂在100~120s的固化时间范围内常温抗拉强度处于最大值区域,并且在固化时间110s处强度达到最大;B砂在110~130s的固化时间范围内常温抗拉强度处于最大值区域,并且在固化时间120s处强度达到最大;C砂在90~110s的固化时间范围内常温抗拉强度处于最大值区域,并且在固化时间为100s处强度达到最大。这是由于随固化时间的延长,芯盒温度传递的较深,使更多覆膜砂得到固化,从而使固化状态区的厚度变厚,所以在开始阶段,3种覆膜砂都随着固化时间的延长低温强度增加;但过分的延长固化时间会使其表面已形成好的粘结桥变细,表面的局部也会发生碳化,从而导致其强度的降低。2.2固化温度和固化时间对覆膜砂发气性的影响发气性能也是覆膜砂性能的一个重要衡量标准。覆膜砂的发气量大,往往会影响到金属液的充型,同时也是铸件气孔缺陷产生的主要原因。本试验是在考察固化温度对强度影响的基础之上,进一步考察固化温度对覆膜砂发气性能的影响规律,从而使上述的固化温度参数更好的满足高强度、低发气量的制芯要求。对发气性的测量,目的在于比较在同一固化时间(120s)下固化温度对覆膜砂发气性的影响,以及在同一固化温度(230℃)下不同固化时间对覆膜砂发气性的影响。试验数据见表3和表4。对应相互关系如图3和图4所示。从图3中可以看出,在固化时间t=120s时,3种覆膜砂的发气量都随固化温度的提高而降低;并且3种覆膜砂中,B砂的发气量要明显高于A砂和C砂,3种覆膜砂的发气量曲线从高到低依次顺序为:B砂>C砂>A砂。3种覆膜砂发气量出现上述变化规律的主要原因是随着固化温度的升高,发生固化的树脂量增多,反应生成的NH3量增多,使得“8”字试样中所含有机物降低造成的。当固化温度继续升高,“发气源”将进一步减少,这就导致覆膜砂的发气性也随之而降低。从图4中可以看出,在固化温度T=230℃时,固化时间对发气量的影响规律和固化温度对发气量的影响规律非常相似,随着固化时间的延长,3种覆膜砂的发气量随之降低,其中还是B砂的降低幅度最大,A砂次之,C砂最小。3种覆膜砂发气量出现上述变化规律的原因主要是随着固化时间的延长,参与固化反应的树脂量增多,反应产生的NH3量也相应增多,所以“8”试样中残留有机物的量相对减少,从而导致覆膜砂发气量的降低。2.3种覆膜砂矫正效果分析溃散性是指铸件冷凝后泥芯是否容易破坏,是否容易从铸件上清除的性能。溃散性的好坏可以用溃散率来衡量,它是由砂芯烧结后的残留强度来决定的。溃散率大,说明砂芯烧结后的残留强度小,后续清理工作比较容易;反之,情况则相反。4DA1缸体生产中,水套芯中的粘砂现象主要是由于砂芯的溃散率较低造成的。所以对3种典型覆膜砂在优选工艺条件下的溃散性分析研究具有十分重要的意义。目前,国内对易溃散覆膜砂的溃散率检测尚未制订标准,但有的企业自订了一些定性或定量的检测方法。我们采用的检测方法是:将“8”字试样置于600℃的电炉中恒温加热5min,而后取出放在28目的振动筛上振动1min,称量通过该筛网的砂量,此砂量占“8”字试块总砂量的百分数即作为该腹膜砂的溃散率。实验测得3种覆膜砂的溃散率如表5所示。从表5看出,3种覆膜砂在优选工艺条件下,在500、600℃的溃散率大小顺序依次为:A砂>C砂>B砂。而在700℃下,3者都具有高达100%溃散率。通过优化工艺条件下溃散率的测定得出,在600~700℃的温度区间内,泥芯的溃散性能较佳。4b、覆膜砂与b砂强度和发气性的对比(1)3种腹膜砂性能比较,A砂在测试条件下的常温抗拉强度远远高于B砂和C砂,发气性也比B砂和C砂低很多。(2)A砂在固化温度220℃、固化120s以及在固化温度230℃、固化110s时的常温抗拉强度较高,发气性较低,溃散性也较高。B砂在固化温度220℃固化120s时强度和发气性达