（冶金工程专业论文）三乙胺冷芯盒工艺在铸造生产中的应用与研究.pdf

上海大学工程硕士学位论文 三乙胺冷芯盒制芯工艺在铸造生产中的应用与研究 摘要 三乙胺( t r i e t h y l a m i n e ) 冷芯盒制芯工艺，是在室温条件下采用三乙胺气雾来 硬化酚醛树脂砂的一种简便而快速成型的制芯工艺由于该工艺具有无需加热硬 化速度快铸件表面质量好尺寸精度高等特点，代表着当今制芯技术的主流我国 自二十世纪七十年代末起开发和应用三乙胺冷芯盒制芯工艺，到二十世纪九十年 代虽然取得了长足的进步，但在生产应用中还存在专用工艺装备国产化率太低 冷芯盒材料质量的严重滞后、冷芯盒控制手段尚未程序化等问题。 上海柴油机股份有限公司于二十世纪八十年代将三乙胺冷芯盒制芯工艺应 用于第二铸造车间，承担3 3 0 0 系列和11 4 系列柴油机机体缸盖的型芯生产，取 得了很好的应用效果，但也碰到了一些问题，如水分对砂芯强度的影响铸件存在 脉纹缺陷等，无法很好的解决。 本文对三乙胺冷芯盒的水分敏感性脉纹缺陷的形成机理及其预防和自制抗 脉纹剂的研制进行了探讨、研究与分析。 三乙胺法冷芯盒工艺对水分敏感主要原因是树脂组分i i 异氰酸酯的氰 酸根( - n c o ) 与水能发生水解反应，降低了砂芯的强度另外硬化速度树脂溶剂 也对三乙胺冷芯盒工艺的水分敏感性产生影响为减小水分对三乙胺冷芯盒工艺 的影响，可从原砂含水量原砂温度压缩空气的露点水基涂料上涂时间树脂的抗 吸湿性及砂芯的仓储条件等方面加以控制和改善。 脉纹是由于石英砂受热发生相变体积膨胀而使砂芯表面产生应力，导致砂芯 v 上海大学工程硕士学位论文 表层开裂，高温铁水渗入其中在铸件表面形成的凸起物通过控制浇注温度选用 二氧化硅含量稍低的原破添加特殊添加剂及在砂芯表面上涂烧结型涂料等工艺 措施，能够有效地预防和消除脉纹缺陷的产生。 为了降低成本，尝试开展抗脉纹添加剂的国产化试验通过一系列的试验表 明，适当加入石英细破莫来石破i i ( b 氧化铁粉等传统材料，对改善脉纹程度都有 一定的作用采用新型材料配制的自制添加剂，可以有效地消除脉纹缺陷，其强度 防脉纹效果和工艺性能与进口添加剂相近，而其价格比进口添加剂的一半还要 低，基本达到了预期目标。 关键词：三乙胺冷芯盒水分敏感性脉纹抗脉纹添加剂 v i 上海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i s o c u r ec o l db o xc o r e - m a k i n gp r o c e s si sas i m p l ey e tr a p i ds h a p i n gc o r e m a k i n g p r o c e s s ，i nw h i c ht h et e ag a sh a r d e n st h eh y d r o x y b e n z e n e a l d e h y d er e s i ns a n da t r o o mt e m p e r a t u r e t h ep r o c e s si sw i d e l yu s e db e c a u s eo ft h ef e a t u r e so f n o n - h e a t i n g , r a p i dh a r d e n i n g ，g o o ds u r f a c eq u a l i t y , a n da c c u r a t ed i m e n s i o n f r o mt h ee n do f19 7 0 7 s ，o u rc o u n t r yb e g a nt od e v e l o pa n da p p l yi s o c u r ec o l db o xc o r e - m a k i n gp r o c e s s ，i t h a dm a d ec o n s i d e r a b l ep r o g r e s st i u19 9 0 7 s ，b u tm e a n w h i l et h ea p p l i c a t i o no ft h e p r o c e s si sn o wl i m i t e db yl o wt o o l i n gl o c a l i z a t i o n , p o o rm a t e r i a lq u a l i t yo ft h ec o l d b o x , a n dl o wp r o g r a m m a b l ec o n t r o la sw e l l s h a n g h a id i e s e le n g i n el t d a p p l i e di s o c u r ec o l db o xc o r e - m a k i n gp r o c e s st o s e c o n df o u n d r yb y1 9 8 0 7 s ，u n d e r t o o kt op r o d u c ec o r e so ft h es e r i e so f3 3 0 0a n d11 4 c y l i n d e rb l o c ka n dh e a d ，h a do b t a i n e dv e r yg o o de f f e c t ，b u ti th a da l s om e ts o m e q u e s t i o n sw h i c hw e r ed i s s o l v e d ，s u c ha st h ei n f l u e n c e do fm o i s t u r eo nt h ei n t e n s i t yo f s a n dc o r e , c a s t i n gv e i n i n ge t c t h i s p a p e rd i s c u s s e sa n da n a l y s e s t h e s e n s i t i v i t y t o m o i s t u r e ，t h ef o r m i n g m e c h a n i s ma n dt h ep r e v e n t i v em e a s u r e so ft h ev e i n i n g ，t h ea n t i v e i n i n ga d d i t i v e w h i c hi ss e l f - p r o d u c e di si n v e s t i g a t e d t h em a i nr e a s o nt h a tt e a p r o c e s si ss e n s i t i v et om o i s t u r ei st h eh y d r o l y t i cr e a c t i o n w h i c ht h ec y a n i ca c i dr o o t ( - n c o ) o f t h ec o m p o n e n t i i i s o c y a n o g e nd i e t h y l e n eg l y c o l c l i n i t r a t ei nr e s i nc a nh a v ew i t hw a t e r , i tr e d u c e st h ei n t e n s i t yo fs a n dc o r e t h e m o i s t u r ea n dt e m p e r a t u r eo fr a ws a n d ，t h ed e wp o i n to ft h ec o m p r e s s e da i rd e w ，t h e s p r e a d i n gt i m eo fw a t e r - b a s e dc o a t i n g ，t h ea n t i w a t e ra b s o r b a b i l i t yo fr e s i na n dt h e c o n d i t i o no fs t o r i n gc o r e sm a yb ec o n t r o l l e da n di m p r o v e di no r d e rt or e d u c et h e i n f l u e n c eo fm o i s t u r eo nt e a p r o c e s s v e i n i n gi st h eb u l g eo nt h es u r f a c eo fc a s t i n gw h i c hi sf o r m e db yt h ec r a c kt h a ti s p e r m e a t e db yi r o nl i q u i di nt h eh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n t h er e a s o ni st h a tq u a r t z s a n do c c u r r e dp h y s i cc h a n g e sa n dv o l u m ee x p a n s i o nb yh e a tt oh a v et h es t r e s so nt h e s u r f a c eo fc o r et or e s u l t st h ec r a c k t h ep r o c e s sm e a s u r e sm a ye f f e c t i v e l yp r e v e n ta n d d o m i n a t et h ev e i n i n g d e f e c tt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r e ，s e l e c t i n gt h e r a ws a n dw i t hl o ws i l i c o nd i o x i d ec o n t e n t ，j o i n i n gt h es p e c i a la d d i t i v ea n du s i n g a g g l o m e r a t ec o a t i n g t h ed o m e s t i cr e s e a r c ha b o u tt h ea n t i - v e i n i n ga d d i t i v ei st r i e dt od oi no r d e rt o r e d u c et h ec o s t b yt h es e r i e so ft e s t s ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tj o i n i n gs u i t a b l e t r a d i t i o n a lm a t e r i a lo fq u a r t zg r a n u l a t e ds a n d ，m u l l i t e , t i 0 2a n df e 3 0 4m a yb eu s e f u l t oi m p r o v et h ev e i n i n gd e f e c t u s i n gt h ea n t i v e i n i n ga d d i t i v ew h i c hi ss e l f - p r o d u c e d b ya s s e m b l e dw i t ht h en e wm a t e r i a lm a yd o m i n a t et h ev e i n i n gd e f e c te f f e c t i v e l y , i t s i n t e n s i t y , i t sa n t i - p r e v e n t e dv e i n i n ge f f e c ta n di t sp r o c e s sp e r f o r m a n c e i sv e r yc l o s et o t h ei m p o r t e da d d i t i v e b u ti t sc o s ti sl e s so n eh a l ft h ei m p o r t e da d d i t i v e t h e a n t i c i p a t e dt a r g e ti sb a s i c a l l ya c h i e v e d k e yw o r d s ：t r i e t h y l a m i n e ，c o l db o x , v e i n i n g ，s e n s i t i v i t yt om o i s t u r e ，a n t i v e i n i n g a d d i t i v e 上海大学工程硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别标注写明和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与本研究工作的其他同志对研究工作所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明即表示谢意。 签名：笙二日期秒：717 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：堕导师签名：富农塑呜 日期：乡少 上海大学工程硬士学位论文 第一章概述 1 1 三乙胺法冷芯盒制芯( 型) 工艺概述 三乙胺法冷芯盒制芯( 型) 工艺是1 9 6 8 年由美国亚什兰油脂化学公司向铸 造界隆重推出的令世人瞩目的一种新型制芯( 型) 工艺。它是继2 0 世纪4 0 年代 的壳型工艺，上世纪5 0 年代的c 0 2 自硬工艺，上世纪6 0 年代的热芯盒工艺之 后在铸造技术上的又一次突破和飞跃。 三乙胺冷芯盒制芯( 型) 工艺在美国又称为a s h l a n d 工艺或i s o c u r e 工艺，它是在室温条件下采用三乙胺气雾来硬化酚醛树脂砂的一种简便而快速成 型的制芯( 型) 工艺，其工艺方法是将粘结剂( 液态酚醛树脂( 组分i ) 和异氰酸 酯( 组分i i ) ) 与砂子混合后吹射或春实于芯盒( 模型) 后，导入硬化气或雾化 的液态硬化剂三乙胺，即可使芯子硬化，起模后获得到优质砂芯( 型) 其工艺特点为m ： l 、吹气固化：以压缩空气为载体，将雾化的三乙胺吹到芯盒里，使砂芯硬化。 2 、组分亲水：组分u 中含有氰酸根离子( - n c o ) 遇水会发生水解反应 3 、两期固化：固化过程分为前期固化和后期固化，前期固化约5 0 一7 5 。 同其它制芯工艺相比，具有较多的优越性。： l 、硬化速度快，生产效率高； 2 、无需加热，能节约能源，降低生产成本； 3 、铸件表面光洁度好； 4 、尺寸精度高，适用于较精密的铸件的生产； 5 、砂芯溃散性好 上海大学工程硕士学位论文 由于该工艺具有众多的优点，特别是其无需加热，硬化速度快，且铸件表 面质量好，尺寸精度高，不仅满足了用户对铸件质量日益提高的严格要求，同时 又满足了铸件生产厂商生产的低成本、高效率的基本目标。所以，该项工艺一经 问世，就受到了国外铸造行业的欢迎，特别是大批量生产的汽车、拖拉机、内燃 机行业，并得到了迅速发展睁“。1 9 7 1 年有1 5 个国家，1 6 5 家工厂采用该工艺进 行生产，其中美国有2 0 家，到2 0 世纪7 0 年代末，美国已有3 8 0 家公司采用了 该工艺，在2 0 世纪八十年代，该工艺在美国铸造厂己占有绝对的主导地位。随 着应用的不断扩大，冷芯盒制芯( 型) 工艺得以不断的发展与完善。德国试验成 功了一种加温冷芯盒法胁，在芯盒内部通入温水，加热芯盒至4 0 - 8 0 ，这种 方法能大幅度提高冷芯盒砂芯边缘的温度，使普通冷芯盒砂芯的反强度梯度分布 鬈 得到了改善。还有亚什兰公司在i s o c u r e 树脂技术上又发展了i s o m a x 树脂技术 汹1 0 ，大大提高了原来的性能，此外，日本的s i n t o k o g i o 公司创立了q - a t s l j 法r 依靠真空吸入砂子，硬化气体和净化气体，使硬化气体不会逸入空气中，极大地 改善了工作环境的污染。经过数十年的应用和改进，工艺日趋成熟。据有关资橇 介绍“”，采用三乙胺法冷芯盒工艺生产的砂芯产量占砂芯总量的9 0 ，代表着 当今制芯技术的主流 1 2 我国冷芯盒制芯( 型) 工艺的发展过程 在我国，对冷芯盒制芯( 型) i 艺的开发及应用起步于2 0 世纪7 0 年代末， 距亚什兰推出该项工艺仅仅相隔十年左右的时间，我国铸造工作者特别是洛阳拖 拉机厂材料研究所及河南安阳塑料厂合作对冷芯盒树脂就进行了很多研究和试 验，原农机部也将冷芯盒技术列入攻关项目但是在当时的历史条件下，由于一 无专用设备，二无原料供应，在国内还形不成应用冷芯盒的气候。至1 9 8 5 年 2 上海大学工程硕士学位论文 一、 迥滞一汽车制造厂和常州有机化工厂分别从美国亚什兰公司引进冷芯盒应用软 件和合作生产冷芯盒树脂的技术，为冷芯盒在我国的推广应用迈出了最为关键的 一、 随后不久，1 9 8 7 年忱嘭第一汽车制造厂，洛阳拖拉机厂又相继从美国 德国h o t t i n g e r 公司引进了全套或部分冷芯盒工艺的专门工艺装备， 盒制芯( 型) 工艺正式在国内进入生产使用阶段。上海柴油机股份有限 公司毫娃匿多第一汽车制造厂、洛阳拖拉机厂后第三家应用冷芯盒制芯工艺的国 有大中型企业，在上海柴油机股份有限公司铸热分公司第二铸工车问内制芯工艺 全部采用冷芯盒制芯技术，射制的型芯重量0 3 k g 到6 0 k g ，型芯壁厚从3 m m 到 2 0 m m 。 九十年代初期，随着改革开放，冷芯盒制芯技术在我国的推广应用得到了 空前的发展机遇。冷芯盒树脂等配套材料供货商如亚什兰、i l 、波顿、海沃斯 等，以及冷芯盒专用设备厂商如8 p 、l a e m p e 、h o t t i n g e r 、l o r a m e n d 等纷纷在中 国设立办事处，为争夺中国用户展开了激烈的市场竞争我国冷芯盒用户随之迅 速扩大，到目前为止已遍及国内的汽车、拖拉机，内燃机、机车车辆、飞机、制 泵等行业，用户己超5 0 家，树脂耗量据估计每年约为2 0 0 0 吨，按平均加入量 1 8 计算，每年冷芯盒树脂砂约为1 1 万吨，约为德国1 9 9 3 年用量的2 2 ( 德 国1 9 9 3 年冷芯盒树脂砂5 0 万吨) n 町。 1 3我国冷芯盒制芯( 型) 工艺应用过程中存在的问题 1 、专用工艺装备国产化率太低 冷芯盒工艺装备分为设备和工装模具两大类。在冷芯盒专用设备中，经对 国内冷芯盒主要用户长春第一汽车制造厂、东风第二汽车制造厂、洛阳拖拉机厂、 肛恤移俪 上海大学工程硕士学位论文 潍坊柴油机厂、无锡柴油机厂、南京汽车制造厂、柳州工程机械厂、眉山机车车 辆厂等十五家企业的调查n 1 ，制芯及其气体发生器除洛阳拖拉机厂有自制产品以 外，几乎全部从国外引进，混砂机及树脂定量器也几乎全部从国外引进，只有与 之配套的国产压缩空气干燥器、三乙胺尾气净化器在少数厂家使用，国产化率在 3 0 左右。这些设备的引进在应用初期完全是必要的。但在国有大中型企业不太 景气的时候，尤其是在用户接受的价格就是生产厂商制造成本与利润的叠加的今 天，我国冷芯盒用户难以承受引进设备所需的费用。例如：目前从美国辛普生 - - b p 公司引进二台c b h - - - 2 5 4 冷芯盒制芯系统总费用约需1 5 0 万美元，加之国 家税收及配套费用约需4 0 0 万人民币，按l o 年折旧打入成本，每年的设备及其 配套折旧费就高达1 6 4 万人民币，这对铸造厂来说无疑是相当高的成本支出。 2 、冷芯盒材料质量的严重滞后 树脂和原砂是冷芯盒制芯( 型) 工艺起着关键作用的材料，它们的质量好 坏直接影响型芯的质量好坏，进而影响铸件的质量水平。在1 9 9 6 年以前冷芯盒 树脂在我国是垄断经营造成树脂合成技术一直没有突破，品种单一、质量波动大， 而且价格昂贵，技术服务滞后1 9 9 6 年以后，冷芯盒树脂国内生产厂家虽已发 展到五家，但从质量上来分析，国产冷芯盒树脂与国外树脂相比，仍存在着明显 的差距恤1 。差距一是表现在树脂的常规强度及抗吸湿性能方面，国外树脂常规强 度比国产树脂普遍高2 0 - 4 0 ，而抗湿性能要比国产树脂高5 0 - 1 0 0 差距二是 树脂的高温分解特性差，上海柴油机股份有限公司利用树脂砂高温性能试验仪及 自制的马蹄形试样进行对比试验，发现国产树脂高温强度低于国外树脂1 0 - 2 0 ， 国产树脂的马蹄形试样的毛翅成网状连接，高度3 4 咖国外树脂成条状，高度 4 上海大学工程硬士学位论文 2 - 3 m 。差距三是脱模性能低，对温度过度敏感，国外冷芯盒树脂溶剂是多种化 学品的组合和增添某些特殊物质以提高在低温条件下的脱模性能和固化速度，这 一点对无采暖设备的长江以南地区显得尤为重要，但目前国产树脂尚没有进行这 方面的研究。差距四对环保问题的认识不足，目前国产树脂的溶剂全部采用的是 芳香族类有机化合物，在操作过程中，这些溶剂将从树脂中挥发出来，特别是在 浇注过程中，苯、甲苯、二甲苯酚等有害气体的大量排出，如没有很好的吸风处 理装置，将有损于工人的身体健康。从1 9 9 6 年开始国外树脂厂纷纷转向使用经 过改性的植物油一甲基酯作为冷芯盒树脂的溶剂，这种溶剂沸点高、低粘度、无 气味、极大地改善了劳动条件，简化了树脂运输及仓储的程序，国外一些著名的 树脂商正是看准了国产树脂的这些差距和冷芯盒制芯技术在我国市场的巨大潜 力，纷纷来到我国，特别是进入二十一世纪，他们合资生产的树脂己批量出现在 我国市场上，这为打破垄断，提高冷芯盒技术水平，改善售后服务水平、降低 销售价格起到了极大的推动作用。 原砂是冷芯盒工艺的又一重要的原材料，由于它不可能像树脂一样从国外 去进口，必须在我国选取。根据上海柴油机股份有限公司对我国原砂砂系及各原 砂生产厂工艺装备、质量保证体系及地理条件的调查，我国可以用作冷芯原砂的 主要有两大矿系：一是以大林型砂厂、承德型砂厂为代表的内蒙砂矿；二是以平 潭标准砂厂及平潭县砂厂为代表的福建砂矿。由于运输的原因，北方地区大都以 使用内蒙砂为主，南方地区大多以使用福建砂为主。但是，由于现行的原砂国家 标准尚不能充分满足冷芯盒制芯( 型) 工艺对原砂的质量要求，因此原砂质量的 稳定性较差 上海大学工程硬士学位论文 3 、冷芯盒程控尚未程序化 冷芯盒制芯( 型) 工艺和其它工艺一样必须根据各企业自身的特点及其变 化，在试验室试验和批量验证过程中，逐步建立起一套从原材料入厂到铸件出厂 的全过程的质量保证体系。但对全国十几家应用冷芯盒制芯技术的铸造厂实地考 察乜1 1 ，不少应用厂家都没有严格的工艺控制，这主要表现在：对原材料质量控制 不严或选点不当；工装模具迸排气面积设计不匹配；排气塞安放位置不当；工艺 布置不利于排除水分对冷芯的侵害；现场程控不规范。其后果是型芯固化不良， 紧实率不均匀，容易吸湿而造成型芯表面松，内层硬的反强度梯度，导致铸件粘 砂、冲砂、表面粗糙度高等缺陷的增加，使冷芯盒技术的优点没有充分发挥，相 反，使其固有缺陷充分暴露，从而降低了人们对冷芯盒制芯工艺应用的积极性 1 4本课题的目的及研究内容 1 4 1 本公司生产现状 上海柴油机股份有限公司在2 0 世纪8 0 年代初期为了产品的更新换代，用 美国卡特匹勒3 3 0 0 b 型柴油机和自行研制的d 1 1 4 系列柴油机来逐步取代己生产 多年的1 3 5 系列柴油机。3 3 0 0 b 和1 1 4 系列柴油机均为国际七、八十年代的产品， 对铸件要求很高，特别是对主关件机体、缸盖的要求更高，如对机体缸盖铸件的 尺寸精度、表面粗糙度和壁厚均有严格的要求，铸造难度较大为了适应新产品 的需要，上海柴油机股份有限公司从1 9 8 0 年开始筹建第二铸造车间，承担3 3 0 0 b 和1 1 4 系列柴油机主关件机体和缸盖的铸件生产图卜1c a ) ( b ) ( c ) 为1 1 4 系 列和1 2 1 系列的缸体、缸盖铸件实物照片。 上海柴油机股份有限公司第二铸造车间于1 9 9 2 年建成投产该车间主要由 6 上海大学工程硕士学位论文 造型工部、制芯工部、熔炼工部、清整工部及其它一些辅助部门组成。 造型工部主要由一条从美国麦普尔顿铸造厂引进的由美国c e 公司制造的高 压微震多触头压实( s p o ) 造型线( 见图1 - 2 ) 、两台美国辛普森- b p 公司制造的 连续式和间隙式兼容的混砂机( 见图1 - 3 ) ，美国g k 公司制造的振动落砂机和机 体组芯自动落芯机组成，以湿砂造型为主要造型工艺 熔炼工部主要由两对1 5 吨水冷冲天炉( 见图卜4 ) 和两台3 0 吨保温电炉( 见 图1 - 5 ) 组成，采用冲天炉和电炉双联熔炼工艺，冲天炉负责熔化铁水，电炉负 责调质和保温，铁水牌号为h t 2 5 0 。 制芯工部主要由五台从美国b p 公司引进的制芯机( 见图l - 6 ) 、两台从德 国l a e m p e 公司引进的制芯机( 见图1 - 7 ) 、一台从意大利f a 公司引进的制芯中 心组成，采用三乙胺法冷芯盒工艺作为主要制芯工艺来生产杌体缸盖所需的各类 砂芯。 制芯工部的制芯设备从引进至今，己批量生产十多年，累计为造型线提供了 3 0 多万套机体、缸盖的砂芯，生产了近十万吨铸件图l - 8c a ) ( b ) ( c ) ( d ) 为 主要砂芯的实物照片。 l4 2 本课题目的及研究内容 虽然经过这么多年的生产实践摸索，我们掌握了三乙胺法冷芯盒制芯技术的 一些工艺要点，但在生产应用中，仍然碰到一些问题。例如在江南地区多雨潮湿 的气候条件下怎样通过调整工艺来控制水分对三乙胺冷芯强度的影响，提高砂芯 的强度及可使用时间，提高砂芯的成品率；怎样对在应用三乙胺法冷芯盒工艺生 产出的铸件容易产生的毛翅( 脉纹) 缺陷的预防和控制；抗脉纹添加剂的国产化 研制工作等等，这些问题如何解决在国内同行业问无法获得全面有效的借鉴，在 7 上海大学工程硕士学位论文 国外的资料和文献上也没有系统的阐述，因此将以上内容作为本课题的研究方 向，将有助于提高上海柴油机股份有限公司三乙胺法冷芯盒工艺的应用水平，对 上海柴油机股份有限公司进一步降低生产成本，提高铸件竞争力都有重要的社会 和经济意义。 本课题通过对水分对三乙胺法冷芯盒工艺的影响的原因探讨，提出主要的工 艺预防措施，特别是在江南地区多雨潮湿的气候条件下日常的控制手段和参数； 通过对脉纹缺陷形成机理的探讨分析，通过马蹄形试样实物浇铸的结果比较分析 各类原砂、原砂的粒形和粒度、粘结剂、浇注温度、涂料，添加剂等对脉纹倾向 的影响，提出主要的工艺预防措施；根据上海柴油机股份有限公司多年使用进口 抗脉纹添加剂的经验以及对进口抗脉纹添加剂的分析，研究自制抗脉纹的添加 剂，初步完成自制抗脉纹添加剂的配制和铸件实物浇铸，形成中小批量试生产的 目标。 ( a ) 机体 3 上海大学工程硕士学位论文 ( b ) 缸盖 ( c ) 解剖后的缸盖 图卜1缸体、缸盖铸件实物照片 f i g 1 1p h o t o e so fc y l i n d e rb l o c ka n dh e a d 9 上海大学工程硕士学位论文 图卜2 高压微震多触头压实造型机 f i g 1 2m u l t i s q u e e z eh i g h ，p r e s u r es h o c k - l e s s u p - j o l tm o l d e r 图l - 3 f i g 1 - 3 辛普森混砂机 s i m p s o ns a n d - m i x e r 上海大学工程硕士学位论文 图1 4水冷冲天炉 f i g 1 - 4w a t e r - c o o l i n g c u p o l a 图1 5英达保温电炉 上海大学工程硕士学位论文 图l - 6b & p 制芯机 f i g 1 - 6b & p c o m - m a k i n g 图1 7 i a e m p e 制芯机 f i 量t - 7 l a e m p e , e - m a k i n g 上海大学工程硕士学位论文 ( a ) 迸气道芯 ( b ) 永套芯 ( c ) 缸盖组芯 1 3 上海大学工程硕士学位论文 ( d ) 机体组芯 图1 - 8 冷芯实物照片 f i g 1 8 p h o t o e so fo o l d - c o r e s 1 4 上海大学工程硕士学位论文 第二章水分对三乙胺冷芯盒性能的影响 正如前言中所述，上海柴油机股份有限公司在应用三乙胺冷芯盒工艺的过程 中，碰到的一个比较突出的问题就是水分对砂芯强度的影响，特别是在江南地区 多雨潮湿的气候条件下，水分对砂芯强度的影响更甚本课题通过对三乙胺冷芯 盒水分敏感性原因的探讨，基本了解了水分影响砂芯强度的机理，并从水分来源 入手，提出了在工艺上可采取的阻断水分和减少水分侵入的措施和方法。 2 1原因分析 2 1 1 聚异氰酸酯的影响 水分对三乙胺法冷芯盒工艺的影响主要是削弱砂芯强度，特别是砂芯表面 强度。三乙胺法冷芯盒砂芯的强度来源于树脂中两组分的硬化反应，在催化剂三 乙胺的催化作用下，酚醛树脂中的弪基( o h ) 和聚异氰酸酯中的异氰酸根( - i 、i c o ) 发生反应生成尿烷，把砂粒连接在一起使砂芯具有一定的强度“其硬化反 应。”为： + r c 丁) n c o 三乙胺 0h o - c “一i i f 一0 r c ：m 一 一n 一 r ( 2 - l 酚醛树脂聚异氰酸脂脲烷 由于树脂中的组分一异氰酸酯中的异氰酸根( - n c o ) 的性质很活泼，能 与原辅材料、大气和压缩空气中的水分发生反应，分解出二氧化碳，称为水解反 应或发泡反应，其反应泓1 如下； 上海大学工程硬士学位论文 一硎c 0 + 8 删一 d 却删啦眦+ c 0 2 t c 抛， 异氰酸酯的这种特性在工程上虽可制成泡沫塑料，但在三乙胺法冷芯盒工 艺中是十分有害的。因为这种特殊性既消耗了有效树脂的含量，生成物又降低了 树脂粘结性能，造成砂芯硬化不良或根本不硬化，大大降低了砂芯的强度。 2 1 2 硬化速度的影响 在三乙胺法冷芯盒制芯工艺中，通过三乙胺的催化作用，使砂芯快速硬化 但快速硬化是造成其对水分敏感的另一个因素睁2 钉。由于硬化速度快，使得粘结 剂两组元的反应产物一聚氨基甲酸酯的关联度较低，致使水解作用对它有很大的 破坏，而在高度关联的聚氨基甲酸酯内，水解事实上是不起作用的。另外，快速 硬化使硬化的粘结剂呈现一种多孔结构，扫描电子显微镜的观测结果表明嘲，吹 气硬化的聚氨基甲酸酯是有粒状骨架的结构，这种疏状的结构非常有利于水分迅 速地渗透到粘结剂的结构里面，更容易发生水解反应，降低砂芯的强度。 此外，后期固化可能达到的最高强度取决于树脂膜的内聚强度和树脂膜对 原砂的附着强度。但空气中的水分子极性强，体积小，砂粒的吸附能力活，因此 水分子很容易透过树脂膜浸入到砂粒表面，发生水解反应，使外力的作用下，树 脂与砂粒容易在砂粒接口上脱开，形成附着断裂，降低了砂芯的最终强度。 2 1 3 树脂溶剂的影响 树脂溶剂啪1 在三乙胺法冷芯盒工艺中具有双重性，它既是建立强度必不可少 上海大学工程硕士学位论文 的介质，因为酚醛树脂和异氰酸脂很难在原砂表面铺开，形成树脂膜，它们必须 依赖树脂溶剂( 主要是石油溶剂) ，使树脂分子链松弛，以便在混砂过程中能充 分润湿原砂，形成树脂膜。而树脂膜的完整性以及树脂膜对原砂的附着强度决定 了砂芯的强度，同时它又是砂芯易受水分影响的一个重要因素。因为两种树脂的 缩聚反应，速度很快，溶剂来不及挥发，必然会停留在大部分己固化的树脂膜之 中，随着砂芯存放时间的推移，溶剂将逐渐挥发，若溶剂全部挥发，将在树脂膜 留下空隙，若溶剂未能全部挥发，将使树脂膜缺损，这种间隙、缺损极易受到水 分的侵蚀，使树脂膜与砂粒相分离，进而进一步降低了树脂膜的内聚强度和附着 强度，降低砂芯的强度。 2 2 水分来源的分析 水分的来源不外乎原材料，大气、涂料以及压缩空气这四个方面。 l 、原材料中的水分 原材料中的水分主要指原砂中的的含水量。原砂国内一般都是湿砂供应，水 分含量有时高达1 0 以上。上海柴油机股份有限公司选用的原砂是福建平潭砂， 是通过船运的散装砂，含水量比较高。 2 、大气中的水分 江南地区，比如上海地区，大气相对湿度较高，据上海柴油机股份有限公司 有关资料统计，见表2 - 1 、2 - 2 ，上海月平均相对湿度在8 0 左右，特别是在黄 梅季节，相对湿度高达9 0 左右 表2 - 11 9 5 1 - 1 9 8 0 年上海月平均相对湿度 1 7 上海大学工程硕士学位论文 表2 - 21 9 8 3 1 9 8 4 年上海黄梅季节相对湿度 年月1 9 8 3 年6 月1 9 8 4 年6 月 日期 281 42 0281 42 0 相对湿度( ) 9 48 9 7 88 99 28 67 38 7 3 、涂料中的水分 涂料中的水分主要是指涂料稀释剂的含水量。目前所用的涂料一般分为水基 涂料和醇基涂料两种，水基涂料是用水作为稀释剂，水分含量肯定很高，醇基涂 料是用工业酒精作为稀释剂，水分含量相对要低一些，但由于酒精的渗透性比较 大，因此，醇基涂料中的水分的危害性更大 4 、压缩空气中的水分 目前，机械制造行业一般使用的压缩空气中都含有润滑油和较多的水分将 这样的压缩空气直接用于三乙胺冷芯盒工艺，问题是不言而喻的。 图2 - 1 砂芯。8 ”字试块 f i 蚤2 - 1t h es a n dc o r et e s ts a m p l eo f 。8 。f o rt e s t i n gi n t e n s i t y l 暑 上海大学工程硬士学位论文 2 3 水分控制的方法 针对水分的四大来源及三乙胺冷芯盒水分敏感的原因，本课题从原砂含水 量、原砂温度、压缩空气中的水分、水基涂料上涂时间、树脂的抗吸湿性及砂芯 的仓储条件等方面进行了试验与分析，并提出了一些控制方法及控制参数，目的 是减少水分对砂芯强度的影响。砂芯的强度通过用砂芯。8 ”字试块在型号为 c h - 2 8 0 7 强度仪上进行测试的方法来获得。图2 - i 为砂芯“8 ”字试块。图2 2 为c h - 2 8 0 7 强度仪。 图2 - 2c h 2 8 0 7 强度检测仪 f i g 2 3c b - 2 8 0 7i n t e n s i t yi n s t r u m e n t a t i o n 1 、原砂含水量的控制 原砂中的水分一般以两种形式存在，e p ；, l - 部水分和湿存水分外部水分是机 械地存在于原砂中的一种水分，由于原砂采用的是湿砂供货，这部分的水分不可 1 9 上海大学工程硕士学位论文 避免的存在，但它可以通过干燥设备从原砂中去除湿存水分是烘干的原砂从外 界吸入的一种水分，它的多少与大气湿度以及原砂的表面形状有关。图2 4 是 某砂矿的砂样放大4 5 倍的照片， 从照片中可以看到这 种原砂既有粗糙的外 表面，又有众多微细 孔穴形成的内表面。这 些内表面即消耗树脂， 又容易吸附机械水分， 烘干后又会吸附大气中 图2 - 3 砂矿砂样放大图x 4 5 f i g 2 - 3t h ee n i a r g e dd r a w i n go fs a n ds a m p l eo fp l a c e r 的水分，从而影响树脂的性能。为7 弄清原砂含水量对砂芯强度的影响，通过烘、 焙烧手段获得了不同含水量的原砂，制成砂芯“8 ”字试块，通过测试砂芯“8 ” 字试块的强度来比较不同的原砂含水量对砂芯强度的影响实验结果如图2 - 4 从图2 - 4 中可以看出：当原砂含水量在o - o 2 范围内，对砂芯的强度几乎没有 影响，但当原砂的含水量超过0 2 时，随着原砂含水量的增加，砂芯的抗拉强 度显著下降。可见，0 2 是原砂含水量对砂芯强度影响的临界点，要确保砂芯 0 星 盏 客! 嚣 上海大学工程硕士学位论文 图2 - 4 原砂含水量与砂芯强度的关系 f i g 2 - 4t h er e l a t i o nb e t w e e ns a n dm o i s t u r ea n ds a n dc o r e 强度，原砂的含水量应控制在0 2 9 6 以下在工艺手段上，可采用烘干设备对原 砂进行烘干，来达到原砂含水量的控制要求。图2 5 为上海柴油机股份公司使用 的原砂烘干炉，其烘干温度为5 0 0 - 6 0 0 ，烘干量为8 一1 0 吨小时，烘干后的原 砂含水量一般都小于0 1 8 。 另外，为减少原砂的湿存水分，应尽量减少烘干后的原砂与空气的接触时 间和面积，须选用合适的运输机械。 2 - 5 原砂烘干炉 f i 瞽2 5r a ws a n dd r y i n gs t o v e 2 、原砂温度对水分的作用及控制； 适宜的原砂温度不仅有利于粘接剂更好的包裹砂粒，提高芯砂混制质量，而 且会削弱水分的有害作用。这是因为随着原砂温度的提高，粘接剂的反应增强， 其反应物的多联度也随之增加，从而削弱了水分的有害作用，提高了砂芯强度。 2 1 上海大学工程硕士学位论文 本课题通过对烘干的原砂进行冷却，分别选取了原砂温度为1 0 1 2 、2 0 1 2 ，3 0 1 2 的原砂制成砂芯。8 ”字试块，进行砂芯抗拉强度测试，试验结果如表2 - 3 、图 2 喝所示 试验结果表明：随着原砂温度的提高，砂芯的抗拉强度明显上升，原砂温度 从1 0 1 2 提高到2 0 1 2 ，砂芯的抗拉强度可提高8 0 ，提高幅度很大；但原砂温度 进一步升高，砂芯的抗拉强度提高幅度有所减少，但过高的原砂温度将会导致芯 砂可使用时间的缩短，这是因为原砂温温度过高会缩短吹气周期，减少催化剂 消耗量，同时会使粘结剂提高反应，缩短了芯砂的可使用时间另外，原砂温度 过低会降低芯砂的混制质量，减低砂芯的强度。因此，原砂温度一般控制在2 l 2 7 ，既可削弱水分的有害作用，又可以提高砂芯的抗拉强度。 表2 - 3 原砂温度与抗拉强度 原砂温度( )1 0 2 0 3 0 抗拉强度( m p a )lo1 82 o “? 镩鬻：7 j - 一? ，一厂， 。i 。 ；i 4 ， 气 01 02 03 04 0 砂沮) 图2 - 6 原砂温度与砂芯强度的关系 f i 昏2 - 6t h er e l a t i o nb e t w e e ns a n dt e m p e r a t u r e a n di n t e n s i t yo fs a n dc o r e 3 、去除压缩空气的水分 在制芯过程中，如果使用的压缩空气含有较高的水分，尤其是射砂、吹胺、 固化等工序使用的压缩空气含有较高水分，对砂芯性能的影响特别严重，因此， 5 2 5 1 5 o 2 l o 掌e拦喇掣蒜 上海大学工程硕士学位论文 必须去除压缩空气中的水分。压缩空气中的水分去除是通过对压缩空气干燥来实 现的，配备合适的压缩空气干燥装置，使压缩空气达到一定的干燥度，以满足生 产对压缩空气的使用要求我们选用广东肇庆化工机械厂制造的a r 肛i i 自然再 生干燥装置( 如图2 呵所示) ，来干燥压缩空气，获得干燥的压缩空气。而压缩 空气的干燥度是通过测试压缩空气的露点值来控制的测出的露点值高，说明压 缩空气中水分含量高，需要放水；测出的露点值低，说明压缩空气中的水分含量 低，不需要放水。一般来讲，射制复杂砂芯压缩空气应达到仪表用气标准，即露 点- - 4 0 。因此，为了降低压缩空气中的水分，压缩空气的露点值必须控制在一 4 0 以下，才能达到减少水分对砂芯强度影响的目的。圈2 8 为上海柴油机股份 有限公司使用的u 一露点检测仪。 图2 - 7a r d _ 自然再生干燥装置 f i g 2 - 7 r d _ i in a t u r a l r e g e n e r a t e dd r y i n ga p p a r a t u s 上海大学工程硕士学位论文 图 8l j 一露点检测仪 f i g 2 - 8l j 一d e wp o i n ti n s t r m e e n t a t i o n 4 、上水基涂料的时间 正如本章前面所说，水基涂料所用的稀释剂是水，因此控制水基涂料的含水 量是毫无意义的。本课题所关注的是上水基涂料的时间所谓上水基涂料的时问 是指砂芯固化出盒到上水基涂料再到涂料烘干之间的时间，这一段时间不能太 长，应加以控制。三乙胺法冷芯盒制出的砂芯出盒时已具有较高的强度，如在这 时上水基涂料最好，因为这时候溶剂尚未挥发，空气阻止水分对砂芯的渗透，特 别是向树脂膜的渗透，避免和减缓了水分的不良作用。上好水基涂料以后，由于 稀释后的涂料中含有大量的水分，要求在最短的时间内对上好涂料的砂芯进行烘 干，否则涂料中的水分将会侵入到砂芯中，降低砂芯强度，严重的时候砂芯会变 得十分酥松图2 _ 9 为上海柴油机股份有限公司在f a 制芯中心工序设计的砂芯 出盒、装配、浸涂、烘干的操作流程从砂芯出盒、装配、浸涂到烘干结束，整 个过程一般控制在4 0 分钟左右，其中从砂芯出盒、装配、浸涂这一段一般控制 上海大学工程硬士学位论文 在5 一l o 分钟以内，烘干这一段一般控制在3 0 分钟以内通过这样的操作流程， 既能保证砂芯在溶剂尚未挥发时上涂水基涂料，又能保证砂芯上好水基涂料后在 最短的时间内烘干，使水基涂料中的水分对砂芯强度的影响降到最低 ( 8