發動機缸體鑄件粘砂原因及解決之道

發動機缸體鑄件最容易出現粘砂的地方是外模或型芯內的邊緣,由於缸體鑄件和小型鑄件的幾何結構影響,這裡的金屬在很長時間內都會保持液態,且這部分模型受熱較高。該缺陷可能出現在使用砂模法(尤其是溼砂法)製造的所有鑄件內,與材料無關,這是金屬液和造型材料的成分發生物理或者化學作用的結果。

發動機缸體鑄件粘砂原因及解決之道

粘砂和滲透的緊密聯繫

導致焦砂(燒結)和粘砂的融解相是金屬和造型材料反應的結果。鑄件上的缺陷肉眼可見。想要清楚地區分滲透缺陷和粘砂缺陷是不可能的。粘砂往往出現在滲透和燒結之後。總之,即便未導致報廢,粘砂也會明顯增加所需的清潔工作。

形成成因

發生粘砂時,潤溼應力受到影響,滲透壓力(參見滲透)在當前金屬靜壓力作用下降低,這明顯加劇了鑄件上的滲透。另一方面,在型腔內氧氣和造型材料間孔隙的作用下,可能會因金屬和造型材料間的反應出現形成硅酸鹽層(粘砂)的融解相。

發動機缸體鑄件粘砂原因及解決之道

影響因素

根據以下反應流程,硅砂和粘土的潰散產物在高溫下與金屬氧化物(如FeO)反應並形成低熔點的正硅酸鹽:

2Fe + O2 _ 2FeO

Al2 O3 · SiO2 + 4FeO _ 2(2FeO · SiO2) + Al2 O3

正硅酸鐵

該過程中生成的鐵氧化物能比金屬鐵更好地潤溼造型材料,這增加了燒結和燃燒的可能性。通常,在金屬和造型材料反應的過程中,可以預計中間層相的形成。這些相因反應對象成分的潤溼性和反應活性不同而表現不同。前述金屬蒸氣的滲透增加了粘砂的可能。

下面以發動機缸體鑄件為例 :

1.狹窄內腔部分的機械粘砂

某些缸體的水腔在缸筒之間設計有通水結構,有的通水結構窄而細,根據這種結構設計的砂芯擁有薄片結構,比如4G20B缸體水套芯如下圖1:

發動機缸體鑄件粘砂原因及解決之道

圖1中的四缸機水套有三處過水結構,跨度均為17mm,中間部分薄片的高度為80mm,厚度4mm;兩側兩個薄片高度僅40mm,厚度3mm。

解剖檢查該缸體鑄件發現,過水結構在兩側高度40mm部位出現粘砂並伴隨有缺口,如圖2和圖3:

發動機缸體鑄件粘砂原因及解決之道

2. 粘砂和缺口成因分析

出現缺口,是因為澆鑄時水套芯薄片部位膨脹而產生壓應力(擠壓)和砂芯強度不足造成。

出現粘砂,是由於砂型變形和薄片部位砂粒排列不夠緻密造成的。圖1中的薄片砂芯部位在射芯時由於模具內空間狹小,砂粒進入困難;而且狹小空間的表面積與體積比較大,熱芯模具對覆膜砂加熱迅速,覆膜砂固化早,流動性喪失快,導致填充砂粒困難,難以緊實。

3.解決粘砂措施

我們使用寶珠砂作為覆膜砂原砂,製作水套芯,理由如下:

3.1寶珠砂真密度較大,同直徑同速率的砂粒在射芯時擁有的動能為硅砂砂粒的1.28倍,能提高砂芯緻密程度。根據機械粘砂的滲透壓公式:P=2δcosα/r(式中δ為金屬液體表面張力,α為液體金屬與鑄型的潤溼角,r為鑄型孔隙半徑),緻密的砂芯的砂粒間孔隙半徑r較小,能夠抵抗粘砂。

3.2寶珠砂粒形圓整,可以提高覆膜砂流動性,射芯過程中砂粒阻力小,動能損失低,保證射芯填充效果,從而減小砂粒間孔隙半徑r,抵抗粘砂。

3.3寶珠砂熱膨脹低,降低高溫時薄片砂芯承受的壓力,提高該薄片砂芯高溫時的穩定性。

3.4寶珠砂有較大的比熱容,在體積相同的情況下,能夠吸收鐵水更多的熱量,讓鐵水流動性減弱,更早結殼,從而抵抗粘砂。

4.措施實施效果

澆鑄後檢查發現消除了粘砂和缺口的問題。如圖4:

發動機缸體鑄件粘砂原因及解決之道


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