無機(jī)砂芯生產(chǎn)工藝的開發(fā)及應(yīng)用

謝志強(qiáng)

（福建華威鉅全精工科技有限公司，福建 福州 350000）

隨著新能源汽車發(fā)展與普及對續(xù)航里程要求提高，汽車底盤件輕量化需求也提高，汽車底盤件輕量化要求大部分是空心薄臂殼體件，需要大量的砂芯，研發(fā)環(huán)保，易清理（不需燒砂），發(fā)氣量低的制芯技術(shù)成為非常必要。無機(jī)砂制芯技術(shù)國外歐州優(yōu)先采用并引進(jìn)（ASKchemicals），國內(nèi)長江造型也相繼研發(fā)成功，為汽車底盤空心薄臂殼體件低壓鑄造大批量生產(chǎn)提供可能。

一直以來砂芯生產(chǎn)的原料采用傳統(tǒng)的有機(jī)樹脂覆膜砂，低壓鑄造生產(chǎn)過程中樹脂受熱分解產(chǎn)生有害氣體，會對人體呼吸系統(tǒng)及周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。使用有機(jī)樹脂覆膜砂芯生產(chǎn)的底盤副車架類產(chǎn)品砂芯清理十分困難，需要采用燒砂工藝來去除砂芯，影響生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。使用有機(jī)樹脂覆膜砂芯生產(chǎn)的底盤副車架類產(chǎn)品容易出現(xiàn)氣孔等缺陷，且不易控制解決。

1 無機(jī)砂制芯的主要功能及性能指標(biāo)

針對底盤支架類產(chǎn)品，使用一種無機(jī)環(huán)保型砂代替有機(jī)樹脂砂來生產(chǎn)制作砂芯。改善作業(yè)環(huán)境，保護(hù)工人健康；取消現(xiàn)有的燒砂工序，解決清砂困難的問題；改善產(chǎn)品內(nèi)部氣孔缺陷，提升產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

2 無機(jī)砂制芯的基本結(jié)構(gòu)和工作原理（附圖）

2.1 無機(jī)砂產(chǎn)品特性分析

無機(jī)砂是以精選石英硅砂為骨料，水基多種無機(jī)物質(zhì)復(fù)合而成的液態(tài)材料為粘結(jié)劑，經(jīng)充分混制覆膜制備而成的一種新型無機(jī)濕態(tài)覆膜型砂產(chǎn)品。其產(chǎn)品技術(shù)性能與傳統(tǒng)的有機(jī)樹脂型砂相比具有優(yōu)良的環(huán)保性、低發(fā)氣性、易潰散性、較低流動性、易結(jié)塊等特點。

2.1.1 環(huán)保性

有機(jī)樹脂砂：原砂混合固化劑烏洛托品(C6H8N4，加入樹脂劑），樹脂與烏洛托品在加熱條件下發(fā)生反應(yīng)，釋放出氨氣（[C7H7O]+(CH2)6N4→[C8H9O]+NH3↑+H2O↑）；無 機(jī) 砂：水基多種無機(jī)物質(zhì)復(fù)合液態(tài)材料為粘結(jié)劑，經(jīng)混砂機(jī)充分混制覆膜制備而成，在中高溫條件下無機(jī)粘結(jié)劑與無機(jī)固化劑反應(yīng)脫水，固化成型。反應(yīng)過程中只有水蒸氣產(chǎn)生。

2.1.2 發(fā)氣性：按照《GB/T2684-2009》發(fā)氣量檢測

有機(jī)樹脂砂：發(fā)氣量約12ml/g?850℃。

無機(jī)濕態(tài)砂：發(fā)氣量約5ml/g?850℃。

2.1.3 流動性：按錘擊式方法測試

有機(jī)樹脂砂：流動性約25g/10錘。

無機(jī)濕態(tài)砂：流動性約8g/10錘。無機(jī)砂流動性差些復(fù)雜砂芯不易成型[2，3]。

2.1.4 砂芯強(qiáng)度

砂芯強(qiáng)度可以通過調(diào)整粘結(jié)劑加入比例及過程參數(shù)來滿足強(qiáng)度要求。當(dāng)固化溫度160℃/固化時間120秒，參照抗彎強(qiáng)度檢測標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 2848-2006）即時抗彎≥2.5Mpa，常溫抗彎≥5.0Mpa（圖1）。

圖1 砂芯強(qiáng)度檢測數(shù)值

2.1.5 固化溫度

有機(jī)樹脂砂：固化溫度在250℃~300℃。

無機(jī)砂：固化溫度在140℃~170℃，相同產(chǎn)品可節(jié)約能耗約30%。

2.1.6 無機(jī)濕態(tài)砂潰散性

澆鑄溫度低于1200℃時，潰散率大于90%，高于1300℃約為60%左右（圖2）。

圖2 無機(jī)濕態(tài)砂潰散率

2.2 制芯工藝流程

采用樹脂覆膜砂制芯工藝流程。

圖3 樹脂覆膜砂制芯工藝流程

表1 CITEK濕態(tài)無機(jī)砂控制要點及存儲要求

表2 不同類型砂芯使用指標(biāo)要求及注意事項

采用無機(jī)砂制芯工藝流程。

圖4 制芯工藝流程圖

3 無機(jī)砂制芯解決了何種重大問題

無機(jī)砂砂芯制芯及澆鑄生產(chǎn)過程中無煙氣產(chǎn)生，無刺鼻氣味，有益于環(huán)境保護(hù)及操作工人的身體健康；無機(jī)砂砂芯生產(chǎn)的產(chǎn)品冷卻后砂芯幾乎完全潰散，可以直接震動去除砂芯，可取消燒砂工序，降低生產(chǎn)成本；無機(jī)砂砂芯生產(chǎn)的產(chǎn)品關(guān)鍵部位內(nèi)部小氣孔缺陷得到了有效解決，提高產(chǎn)品合格率；無機(jī)砂具有良好的孔隙透氣性為實施負(fù)壓抽氣工藝抽出砂芯發(fā)氣提供保證，可以生產(chǎn)出氣孔缺陷2級以內(nèi)的鑄件；經(jīng)低壓鑄造鑄件經(jīng)T6處理驗證，取車架本體試樣做機(jī)械性能測試，T6狀態(tài)下成分和鑄造條件同等狀態(tài)下用無機(jī)砂與用覆膜砂生產(chǎn)的低壓鑄造件機(jī)械性能提高10%左右（抗拉強(qiáng)度與延伸率）。A12車架覆膜砂芯和無機(jī)砂芯拉伸試驗報告。

4 無機(jī)砂制芯的應(yīng)用取得了多少經(jīng)濟(jì)效益（除去成本）

隨著無機(jī)砂砂芯在A12等多款底盤副車架上的量產(chǎn)應(yīng)用，產(chǎn)品合格率的提升至85%以上，并取消燒砂工序。（以A12前副車架為例，每件可節(jié)約燒砂費(fèi)用約15元）。目前無機(jī)砂芯應(yīng)用到副車架類產(chǎn)品上已達(dá)到行業(yè)內(nèi)國際領(lǐng)先水平，之前國內(nèi)還未實現(xiàn)無機(jī)砂芯在副車架類產(chǎn)品上的成功量產(chǎn)應(yīng)用（圖5）。

5 無機(jī)砂混制工藝質(zhì)量管理規(guī)定介紹

碗型混砂機(jī)。

批次加砂量：50~100KG公斤；粘接劑粘砂1.8%~3%，固化劑占粘接劑40%。

混砂時長：180S。

5.1 工藝方法

圖6 無機(jī)砂混制工藝示意圖

注意事項：總混砂時長：根據(jù)季節(jié)及環(huán)境溫度，可作調(diào)整，夏季可縮短10~20S，冬季可延長5~10S；（時間調(diào)節(jié)根據(jù)出砂溫度的要求進(jìn)行相應(yīng)修整）。

（1）混砂時間長，水份易蒸發(fā)，溫度易升高，影響強(qiáng)度。

（2）混砂時間短，易混不均勻，影響強(qiáng)度不均勻（或高或低）、固化速度（或快或慢）。

5.2 生產(chǎn)過程控制

（1）校準(zhǔn)：校定稱砂及固化劑的電子稱，頻次：每周。

（2）測量：出液的量與時間關(guān)系（標(biāo)準(zhǔn)：2kg/5.7s），頻次：每周（若測量的出膠液的量與2kg/5.7s較大，可考慮換輸液轉(zhuǎn)換閥調(diào)整）。

（3）清潔：班后用水沖洗輸膠液管道。

5.3 質(zhì)量控制

5.3.1 原材料質(zhì)量要點

流動性6~10g/錘，即時強(qiáng)度≥2.0Mpa，常溫強(qiáng)度≥5.0Mpa，成品砂溫度：夏秋季≦33℃/冬春季≧18℃，包裝(雙層)內(nèi)外袋無破損密封嚴(yán)實(可抽真空)和內(nèi)外獨立捆扎。儲存條件:環(huán)境要求陰涼,禁太陽直射照，溫度:夏秋季≦25℃，冬春季≧10℃，周期要求：秋冬季24小時，春夏季8小時。固化溫度160℃/固化時間120秒（JB/T 2848-2006）。砂芯控制要點。