三乙胺法冷芯盒制芯工艺的优化

三乙胺法冷芯盒制芯工艺的优化

作者的公司为外国客户提供了大量的壳体材料。第一个采用了森脂砂法的自动芯生产。每个铸造材料需要12.15种类型的砂芯，生产效率低。随着铸件产量的增加和用户对铸件质量要求的不断提高,制芯逐渐成为制约产能的瓶颈。自2012年起,引进三乙胺法冷芯盒树脂砂制芯工艺,经过多次试验和工艺改进,取得了成功,并逐步取代传统的手工制芯工艺,生产效率得到大幅提升。1三乙酰法冷芯盒的制造特点1.1粘结桥及冷芯盒射芯的制备三乙胺法冷芯盒制芯工艺从热力学上分析,其主要围绕以下2个反应进行:(1)组分Ⅰ和组分Ⅱ在三乙胺的催化作用下按照反应式(1)形成粘结桥;(2)组分Ⅱ与水按照反应式(2)进行。冷芯盒射芯的所有技术参数均以满足反应(1)、避免反应(2)为目的。由于温度是影响化学反应的重要因素,而水又优先与组分Ⅱ反应,进而阻止组分Ⅰ和Ⅱ反应,因此,环境温度、水分含量(空气水分、原砂水分)是冷芯盒射芯工艺的最重要的影响因素。1.2影响三乙胺法冷芯盒射芯砂芯透气性的因素三乙胺法冷芯盒工艺生产阶段大体分为2个阶段:充盒阶段和硬化阶段,如图1所示。在充盒阶段,砂子与压缩空气形成气固二相流,充入盒腔,载体气体主要通过模具的排气塞及分盒面的间隙排出,使砂子充满型腔;在硬化阶段,三乙胺从射砂嘴进入盒腔。在负压作用下,形成自上而下的浓度梯度,最终充满盒腔,促进组分Ⅰ和Ⅱ反应,形成粘结桥,使砂子粘结在一起而硬化。因此,从动力学方面分析,影响三乙胺法冷芯盒射芯工艺的主要因素除了模具本身排气系统的排气能力外,芯砂的粒度、角形系数、微粉含量也是关键因素,因为这些因素直接影响砂芯的整体透气性。根据以上特点,三乙胺法冷芯盒射芯工艺所采用的工艺参数应从环境温度、湿度、原砂粒度、角形系数、含水量、微粉含量等因素考虑。2芯生产2.1砂压力对砂芯强度的影响冷芯盒射芯工艺原砂一般采用硅砂,原砂粒度是影响砂芯表面质量、强度、树脂加入量、生产效率的重要因素。一般铸造用砂的粒度选择为40/70目、50/100目、70/140目。图2是组分Ⅰ加入量0.9%、组分Ⅱ加入量0.9%,射砂压力0.5MPa的情况下,砂芯强度的变化。由图2所示,随着粒度的变细,砂芯的表面质量提升,同时在树脂加入量相同的条件下,随着原砂粒度的变细,在同样的射砂压力条件下,砂芯强度升高。但由于射芯模具所采用排气塞槽宽一般在0.25~0.3mm,当原砂粒度大于70目(筛孔尺寸0.21mm)时,原砂的尺寸已低于排气塞的槽宽尺寸,随着粒度的变细,排气塞堵塞的几率增大。在同样射砂压力条件下,生产时需要清理模具排气塞的平均模次数大幅降低,对生产效率有较大影响。因此,在粒度选择上,综合考虑砂芯表面质量、强度及生产效率,在铸件表面质量无特殊要求的情况下,选用50/100目原砂,并严格控制200目及以上砂的比例,原砂的粒度分布标准如图3。2.2芯取下限的影响根据砂芯壁厚及复杂程度的不同,树脂加入量为0.8%~2.0%,薄小复杂类砂芯取上限,厚大简单类砂芯取下限。由于受混砂后芯砂可使用时间的限制,一般射芯机的储砂量为射砂量的3~5倍。当需要降低原砂粒度以提升铸件表面质量时,在砂芯强度可以满足要求的条件下,应减少树脂加入量,提高芯砂的流动性,以保证消耗完储砂量的最后一次射砂时,砂芯得到完全充满。不同粒度情况下树脂加入量与可使用时间的关系如图4。2.3选取壁厚、砂芯最小壁厚三乙胺按每千克砂加入0.8~1.2g,砂芯最小壁厚小于20mm时取上限,砂芯最小壁厚大于50mm时取下限。如图5所示,当砂芯出现因吹胺过量导致明显的“发白”现象时,应降低三乙胺的加入量。2.4、30取上限混砂时间为60~80s,当室温低于20℃时取上限,高于30℃取下限。如果需要混入特种砂或添加剂,为保证混砂均匀,一般先进行80s初混砂,再加入树脂进行终混砂。2.5砂芯浸涂前后强度的变化由于射芯砂芯的即时强度为砂芯终强度的60%~70%,在采用醇基涂料浸涂工艺的情况下,为保证砂芯浸涂后的完整性,需要将砂芯放置一段时间待边角部位能完全硬化后,再进行浸涂、点燃。砂芯浸涂前后抗拉强度对比如图6。当砂芯存放时间超过3h后,浸涂后抗拉强度有不同程度的降低,最大降低幅度为21%。因此,为保证砂芯终强度,最好在射制3h后立即完成浸涂,此时涂料的渗透深度可达2~3mm。3ht400的铁液化学成分为防止铸件产生皮下气孔,应严格控制熔炼工艺[2~3],保证铁液中w(N)量在较低水平,同时也应该控制Mn/S比,HT300的铁液化学成分控制为:w(C)3.139%,w(Si)1.700%,w(Mn)0.600%,w(P)0.029%,w(S)0.080%,w(Cu)0.070%,w(Ti)0.016%,w(N)0.006%,w(Al)0.003%。4典型的错误和预防措施4.1模具中射砂鼻及排气塞分布砂芯不完整是冷芯盒射芯工艺条件下的典型射砂缺陷,此缺陷除了受排气系统排气不畅的影响外,还主要受芯盒模具中射砂嘴及排气塞分布情况影响。一般情况下,当芯盒采用水平分盒方式时,排气塞应布置于芯盒中的较高位置。上芯盒排气塞主要用于排出载体气体,下芯盒排气塞用于排出固化气体。在上芯盒排气塞面积增大的情况下,仍不能解决砂芯不完整缺陷时,可以将此处的排气塞改为射砂嘴,提高芯盒的射砂能力,来保证芯砂充盒完整。4.2砂芯的b特性砂芯由于壁厚不均匀,在射制过程中砂芯整体存在应力集中部位,易在转运和合箱浇注过程中因外力和高温铁液的冲击发生变形、开裂。砂芯断裂能量由两部分形成:一是砂芯由断裂而增加的表面积所消耗的能量;二是砂芯断裂前发生塑性变形所消耗的能量,它可以由抗拉或抗弯试验所测的应力-应变曲线下包含的面积来计算,如图7所示,具有B特性的砂芯抵抗断裂的能力最强[5~6]。过度吹胺和延长吹胺、吹气时间,砂芯具有显著的脆性特征。因此,为保证砂芯不发生断裂,应尽量降低吹胺量,降低砂芯脱盒时初始强度,增大砂芯二次硬化时强度的提升比例,最终提升砂芯的整体韧性。通过对吹胺量的调整,砂芯的断裂率由50%降低至3%以内。4.3调整组分比例由于冷芯盒工艺所采用树脂中组分Ⅱ中存在一定的w(N)量,部分铸件存在N2气孔,如图8所示。为消除此类缺陷,除严格控制熔炼过程参数外,需要及时对射芯工艺中树脂加入量尤其是组分Ⅱ进行调整,将组分Ⅰ和Ⅱ的比例由50:50调整为60:40,且降低树脂的总加入量。通过生产验证,每批次生产10个铸件,树脂加入量与不同批次铸件合格率关系如图9。5模具排气塞与射砂敞(1)根据三乙胺法冷芯盒制芯工艺的热力学及动力学特点,应严格控制生产环境温度、湿度、原砂的粒度、含水量。同时也应调整后续的浸涂、烘干、熔炼工艺参数,使之与射芯砂芯的工艺特性相适应。(2)射芯模具排气塞与射砂嘴布置要相适应,通过调整排气塞位置无法解决射砂不全时,需要调整射芯嘴位置或增加射砂嘴。(3)砂芯易断裂的原因是砂芯塑性不足,通过调整吹胺量来降低砂芯起模