淺析發(fā)動(dòng)機(jī)缸體水套刷醇基碲涂料對(duì)粘砂的影響及對(duì)策

何宗南

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

我廠(chǎng)生產(chǎn)的主要產(chǎn)品為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體毛坯，牌號(hào)為HT250 合金鑄鐵，年產(chǎn)銷(xiāo)達(dá)到72 萬(wàn)件，屬于薄壁、復(fù)雜、高強(qiáng)度的箱體式鑄件。鑄件毛坯重約42 kg，最大外形尺寸為358 mm × 250 mm × 360 mm，壁厚要求為3.5 ～5.0 mm。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，鑄造難度較大，缸體水套良好的密封性是加工后缸體的基本要求，通常，導(dǎo)致缸體試漏不合格的原因比較多，如加工表面粗糙度差、密封墊不良，鑄造缺陷如貫穿性砂孔、氣孔、縮孔、縮松等，我司開(kāi)發(fā)的某一主要機(jī)型缸體毛坯產(chǎn)品，在客戶(hù)端加工后試漏不合格率出現(xiàn)異常升高，比例高達(dá)5.0%左右，通過(guò)電鏡掃描分析，確認(rèn)缸體水套壁具有典型的縮松缺陷、導(dǎo)致水套與缸孔之間出現(xiàn)貫穿性的通道，且位置比較集中1#缸、4#缸筒對(duì)應(yīng)的上型水套壁上，模流分析顯示，該區(qū)域?yàn)榫植繜峁?jié)，通過(guò)采取降低Cr 元素含量，控制在0.30%以下；并在水套砂芯熱節(jié)區(qū)域刷涂醇基碲粉涂料，缸體水套壁縮松問(wèn)題得到徹底解決，試漏不合格率下降至0.4%左右[1]。但是，存在刷碲粉醇基涂料后，水套區(qū)域有較高比例的粘砂問(wèn)題，通過(guò)分析水套刷醇基碲涂料對(duì)粘砂的影響及對(duì)策，為解決發(fā)動(dòng)機(jī)缸體刷碲粉醇基涂料導(dǎo)致的粘砂提供了解決思路。

1 鑄件水套粘砂

1.1 水套粘砂情況簡(jiǎn)介

我司生產(chǎn)的某機(jī)型缸體毛坯自量產(chǎn)以來(lái)，水套粘砂比例比較高，1#缸、4#缸上型刷激冷涂料區(qū)域附近芯撐鐵片粘砂很集中，比例高達(dá)20% ～50%，水套底部粘砂比例也很高，比例高達(dá)15% ～40%，嚴(yán)重影響清理工段生產(chǎn)節(jié)拍及鑄件質(zhì)量，粘砂嚴(yán)重的甚至造成鑄件報(bào)廢，鑄件粘砂實(shí)物照片如圖1 所示。

圖1 鑄件水套粘砂

1.2 刷碲粉醇基涂料工藝

因該機(jī)型的缸體毛坯在客戶(hù)端加工出現(xiàn)了因貫穿性的水套壁縮松缺陷導(dǎo)致的泄漏問(wèn)題，且比例高達(dá)5.0%左右，客戶(hù)嚴(yán)重抱怨，為解決鑄件水套壁縮松導(dǎo)致的泄漏問(wèn)題，對(duì)水套壁熱節(jié)區(qū)域刷涂醇基碲粉涂料，刷涂區(qū)域照片如圖2 所示，具體工藝如下。

圖2 1#、4#缸水套內(nèi)壁刷激冷涂料區(qū)域

工藝要求：首先，使用某廠(chǎng)家生產(chǎn)的M590A 涂料、波美度要求為35°，采用浸涂工藝對(duì)水套芯上底層涂料；然后，通過(guò)溫度設(shè)定為200 ℃的烘干爐加熱坭芯，去除水分，出烘爐后，立即在水套壁熱節(jié)區(qū)域使用刷子刷醇基碲粉涂料，刷涂范圍為：寬度為50 mm，深度為50 mm，具體如圖3 所示，濃度要求為波美度39°。

圖3 水套芯壁刷碲粉區(qū)域范圍尺寸

2 碲粉涂料作用機(jī)理及對(duì)鑄件粘砂的影響分析

2.1 碲的白口化作用

應(yīng)用碲的冶金效應(yīng)原理及鑄滲工藝能夠有效地解決薄壁復(fù)雜鑄件，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱水套區(qū)域縮松滲漏問(wèn)題。當(dāng)碲粉遇到鐵液時(shí)，能夠促進(jìn)鐵液快速冷卻，加速凝固，阻礙石墨化，細(xì)化晶粒，從而獲得致密組織，正是由于碲具有顯著的表面合金化作用，通過(guò)對(duì)局部區(qū)域合金化處理后，水套壁表面能夠形成白口層，達(dá)到消除局部縮松造成的滲漏缺陷。

碲促使鑄件表面形成白口層，其形式主要有以下兩方面：

（1）氣化過(guò)程：碲遇到鐵液時(shí)，由于升華吸收大量的熱量，從而造成鑄件表面過(guò)冷，改變鐵液的臨界冷卻率，使鐵液快速冷卻，加大結(jié)晶過(guò)程所需的過(guò)冷度，從而產(chǎn)生致密的白口組織。

（2）熔解過(guò)程：涂料中較低熔點(diǎn)的碲粉接觸到金屬液時(shí)，即變成熔融狀態(tài)，部分碲熔入到鐵液中，由于碲的強(qiáng)烈反石墨化作用，阻礙了石墨的析出，形成致密的白口組織，防止縮松的產(chǎn)生，這就是碲粉產(chǎn)生合金化作用的原理[2-3]。

2.2 粘砂成因分析

刷碲粉涂料部位產(chǎn)生粘砂，是由于低熔點(diǎn)的碲粉從涂料中熔化出來(lái)的緣故，使鑄件此處表面變得粗糙，嚴(yán)重時(shí)即變?yōu)檎成癧4]，觀察粘砂鑄件，水套粘砂部位集中在刷碲涂料區(qū)域及其附近區(qū)域，其他區(qū)域表面光潔、無(wú)粘砂，據(jù)此判斷，鑄件水套粘砂應(yīng)與刷碲粉涂料關(guān)聯(lián)性較大。

3 鑄件水套粘砂改進(jìn)措施

一般鑄造經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，隨著激冷涂料濃度越高，粘砂比例越高，刷涂區(qū)域越大，粘砂區(qū)域也越大，粘砂也越嚴(yán)重。我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與粘砂關(guān)聯(lián)性較大的兩個(gè)因素：

因素1：刷涂區(qū)域范圍大小的影響；

因素2：碲粉涂料濃度的影響。并且，醇基的碲粉涂料濃度存在隨時(shí)間變化、沉降等特點(diǎn)，需要通過(guò)分析、實(shí)驗(yàn)探尋其規(guī)律性。

3.1 刷碲粉涂料區(qū)域?qū)嶒?yàn)

基于前期工藝確認(rèn)的1 缸、4 缸刷激冷涂料范圍是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)積累及參考相關(guān)文獻(xiàn)制定的，其范圍覆蓋可能偏大，為進(jìn)一步確認(rèn)縮松區(qū)域范圍，分析不刷激冷涂料鑄件1# 缸、4# 缸水套壁縮松區(qū)域分布情況，目前的刷激冷涂料區(qū)域覆蓋范圍偏大，存在優(yōu)化空間。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)水道芯不刷激冷涂料，數(shù)量8件，解剖鑄件、層銑水套壁（每次小于0.5 mm），以確認(rèn)準(zhǔn)確的縮松區(qū)域范圍。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)鑄件水套區(qū)域表面光潔，無(wú)粘砂，由此可以進(jìn)一步證實(shí)刷碲粉涂料對(duì)粘砂有直接、明顯的影響；解剖、層銑鑄件水套壁，統(tǒng)計(jì)縮松發(fā)生概率為87.5%，鑄件水套壁縮松實(shí)物照片如圖4 所示。通過(guò)建立測(cè)量縮松區(qū)域坐標(biāo)示意圖，測(cè)量出水套壁1 缸和4 缸縮松區(qū)域的分布范圍，如圖5 所示，1缸縮松區(qū)域分布范圍：從水套底部往頂面10 ～40 mm，從1 缸中心往端面方向5 ～28 mm，范圍大小涵蓋區(qū)域：30 mm × 23 mm。 1 缸縮松區(qū)域分布范圍：從水套底部往頂面12 ～33 mm，從1 缸中心往3 缸中心方向11 ～27 mm，范圍大小涵蓋區(qū)域：21 × 16 mm。

圖4 水套壁縮松實(shí)物照片

圖5 測(cè)量縮松區(qū)域坐標(biāo)示意圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的縮松發(fā)生比例及樣塊檢測(cè)縮松區(qū)域散布分布區(qū)域，是可以適當(dāng)縮小碲粉醇基刷涂區(qū)域，綜合考慮到生產(chǎn)操作的方便性，刷涂區(qū)域深度方向減少20 mm，優(yōu)化為寬度為50 mm，深度為30 mm，如圖6 所示。

3.2 刷碲粉涂料工藝梯度濃度實(shí)驗(yàn)

在縮松泄漏區(qū)域刷碲粉涂料，對(duì)于鑄件水套壁縮松具有明顯的改善效果，有資料表明，碲粉的刷涂厚度大于0.1 mm 時(shí)，可以達(dá)到組織白口，避免縮松缺陷[4]，因此，通過(guò)設(shè)計(jì)碲粉刷涂梯度實(shí)驗(yàn)，找到既能滿(mǎn)足白口化組織、防止縮松，又能解決粘砂缺陷的合適濃度。

將碲粉刷涂濃度作為自變量，設(shè)計(jì)濃度從波美度10° ～30°變化值，總計(jì)6 個(gè)實(shí)驗(yàn)組方案，并與目前正常工藝濃度（39°）作為對(duì)比組實(shí)驗(yàn)，澆注鑄件樣本均為300 件，統(tǒng)計(jì)拋丸后鑄件水套粘砂數(shù)量、計(jì)算粘砂比例。 對(duì)廢品（每個(gè)批次約15 件）進(jìn)行解剖、按每次小于0.5 mm 的要求進(jìn)行層銑，觀察水套壁縮松情況，測(cè)量刷碲粉區(qū)域白口層深度，通過(guò)統(tǒng)計(jì)、測(cè)量，獲得表1 刷碲粉醇基工藝梯度濃度實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制粘砂率、白口層深度與碲粉濃度的關(guān)系圖，如圖7 所示。

表1 刷碲粉工藝梯度濃度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 粘砂率、白口層深度與碲粉濃度的關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)效果：實(shí)驗(yàn)組鑄件水道底部燒結(jié)、芯撐燒結(jié)明顯優(yōu)于對(duì)比組（正常工藝件），如圖8 所示，隨著碲粉濃度的降低，粘砂率的降低尤其明顯，實(shí)驗(yàn)組鑄件及對(duì)比組（正常工藝件）層銑水道壁均未發(fā)現(xiàn)縮松，且有一層比較明顯程度不一的白口層，如圖9 所示，但當(dāng)濃度降至10°時(shí)，白口層深度比較小，至0.10 mm。

圖8 鑄件精拋丸后水套無(wú)粘砂，表面光潔

圖9 水套壁刷碲粉區(qū)域白口層

從數(shù)據(jù)及圖表可以看出，隨著碲粉濃度的降低，粘砂率同步下降，白口層深度也逐步下降，當(dāng)濃度降至10 度時(shí)，白口層深度僅為0.10 mm 左右，而當(dāng)濃度下降至13 度時(shí)，鑄件水套刷碲粉區(qū)域已經(jīng)無(wú)粘砂。為保證刷碲粉涂料能夠達(dá)到防止?jié)B漏的目的，需確保一定的白口層深度（一般要求為大于0.1 mm），并兼顧降低粘砂的實(shí)際生產(chǎn)要求，將碲粉濃度確定為13度比較合適。

3.3 碲粉醇基涂料濃度變化探討與分析

碲粉涂料為醇基涂料，存在自然揮發(fā)的特性，酒精揮發(fā)后，碲粉濃度自然將升高，粘砂比例將會(huì)隨之增加，為掌握生產(chǎn)時(shí)碲粉濃度的變化規(guī)律，分析了在自然敞開(kāi)狀態(tài)及密閉條件下碲粉醇基涂料濃度隨時(shí)間的變化。

（1）自然敞開(kāi)條件下：配置初始配制濃度為波美度18 度的碲粉醇基涂料，在連續(xù)90 min 時(shí)間內(nèi)，每間隔10 min，測(cè)量一次碲粉濃度，并對(duì)2 個(gè)操作員甲、乙分別獨(dú)立進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)圖10，自然敞開(kāi)狀態(tài)碲粉濃度變化曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)可以看出，使用90 min，濃度從18 度變化到32 度左右，平均每6.4 min 左右升高1 度。第一個(gè)30 min 升高3 度，第二個(gè)30 min，升高4～5 度；第三個(gè)30 min，升高6 度，前期濃度增加相對(duì)平緩，后期濃度增加相對(duì)幅度逐步加快，說(shuō)明在自然敞開(kāi)狀態(tài)下，碲粉醇基涂料濃度變化很大。

圖10 自然敞開(kāi)狀態(tài)碲粉醇基涂料濃度變化曲線(xiàn)

（2）密閉靜置條件下：配置初始配制濃度為波美度18 度的碲粉醇基涂料，在連續(xù)90 min 時(shí)間內(nèi)，每間隔30 min，測(cè)量一次碲粉濃度，測(cè)量5 次，最后一次在23 h 后測(cè)量，結(jié)果如圖11 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：從測(cè)量數(shù)據(jù)看，在初始的30 min，濃度曲線(xiàn)平穩(wěn)，基本無(wú)變化，隨著靜置時(shí)間的增加，濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但幅度比較小，在最后確認(rèn)密封良好的情況下，靜置時(shí)間長(zhǎng)達(dá)21 h，濃度只上升1Be°，可見(jiàn)密封良好的情況下，碲粉醇基涂料濃度變化較小。

圖11 密閉靜置條件下碲粉濃度變化曲線(xiàn)

3.4 碲粉醇基涂料懸浮率變化

碲粉的密度為6.25 g/cm3，酒精的密度為0.789 g/cm3，碲粉的密度比酒精的密度大，因此，配置好的碲粉醇基涂料存在沉降現(xiàn)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)確定其沉降速度：配置波美度為24°的碲粉醇基涂料，盛裝99 ml，間隔讀取量筒分界線(xiàn)刻度值，在50 min 內(nèi)，讀取6 次數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2 所列，測(cè)試結(jié)果表明：碲粉醇基涂料隨靜置時(shí)間逐漸沉降，且沉降速度比較快，50 min 內(nèi)，刻度值下降了7 ml，因此，使用時(shí)需不停的攪拌，規(guī)定每次取用時(shí)需攪拌。

表2 懸浮率測(cè)試記錄表

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)碲粉醇基涂料的應(yīng)用，解決了鑄件水套壁熱節(jié)區(qū)域縮松導(dǎo)致的滲漏問(wèn)題，但引起了鑄件水套底部，芯撐附近等刷碲粉區(qū)域或附近區(qū)域的粘砂，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索合適的刷涂區(qū)域，涂料濃度，確定刷涂區(qū)域范圍為50 × 30 mm，濃度為13 波美度。同時(shí)，根據(jù)碲粉醇基涂料中酒精揮發(fā)的特性，在使用時(shí)，必須明確工藝使用條件即保持碲粉涂料的密閉條件，不允許敞開(kāi)保存，涂料取用后，允許使用時(shí)間為30 min，超過(guò)時(shí)間需重新配置，并測(cè)量濃度。而碲粉醇基涂料中碲粉密度大于酒精密度，因此，根據(jù)其沉降的特點(diǎn)，在使用時(shí)需攪拌。

通過(guò)分析、實(shí)驗(yàn)，掌握了碲粉醇基涂料的規(guī)律性，通過(guò)調(diào)整工藝，解決了生產(chǎn)過(guò)程中大批量的鑄件水套粘砂問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)，碲粉濃度的降低，刷涂區(qū)域的減少也降低了生產(chǎn)成本。