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工程硕士学位论文大断而球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 摘要 本文回顾了国内外树脂砂发展过程，系统阐述了树脂砂工艺特点与应用范围；研 究呋喃树脂、碱性树脂自硬砂常温与高温性能，掌握了呋喃树脂白硬砂的硬化特性； 进行树脂砂与粘土干模砂浇注球墨铸铁件对比工艺试验；应用j e 交试验方法，系统分 析了曲轴树脂砂铸造低压浇注铁水充型过程，确定的低压浇注工艺规范，经过曲轴铸 造生产验证，获得了优质曲轴铸件。确定了合理的曲轴低压铸造工艺参数，实现了曲 轴树脂砂铸造低压浇注工艺生产，有效地解决了输出端夹渣、石墨畸变与气孔缺陷等 关键技术难题，实现了预期的目标。废品率由原来的1 5 7 8 降低到8 3 8 ，取得良好 的经济效益。该项目的完成，填补了国内应用树脂砂铸造低压浇注工艺生产大断面球 墨铸铁曲轴的空白，达到了国内外先进水平；为采用树脂砂铸造工艺生产大断面球墨 铸铁件，浇注系统设计提供了很好的借鉴经验。 关键词：树脂自硬砂，曲轴，夹渣，气孔，低压铸造。 第1 页 工程硕士学位论文大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sg e n e r a lt oh a v es t a t e dr e s i ns a n dm o d e l l i n gp r o c e s s f un a n r e s i na n da l k a l e s c e n c er e s i nh a v eb e e ns t u d i e di ns e l f s e t t i n gs a n da tn o r m a l t e m p e r a t u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r e p o u r i n gc o n t r a s tt e c h n o l o g ye x p e r i m e n th a v e b e e nc a r r i e do u ti nr e s i ns e l f - s e t t i n gs a n da n dt h ec l a yd r ym o u l ds a n dw i t h n o d u l a rc a s ti r o n t h ec o o l i n gr a t ei nm o l do fr e s i ns a n dm o l dw a sm o r es l o w t h a nc o o l i n gr a t ei nc l a yd r ym o u l ds a n d a n a l y z i n gq u a n t i t a t i l y s 0 1 i d i f i e a t i o nc o u r s eo fc r a n k s h a f ti nr e s i ns a n dm o l dw i t hl o wp r e s s u r e c a s t i n g a p p l y i n go r t h o g o n a l i t yt e s tm e t h o dt oa n a l y z et h ec r a n k s h a f tr e s i n s a n dc a s t i n gp o u r i n gm o l t e ni r o no fl o wp r e s s u r ec a s t t h eh i g hq u a l i t y c r a n k s h a f th a sb e e ng o t t e nb yd e f i n i t ep o u r i n gt e c h n o l o g ys p e c i f i c a t i o no f l o wp r e s s u r ec a s t ，i t sp o u r i n gt e c h n o l o g ys c h e m ed e s i g no fl o wp r e s s u r ei s r e a s o n a b l e h a v i n gd e t e r m i n e dt h er e a s o n a b l ec r a n k s h a f tp a r a m e t e ro fl o w p r e s s u r eo ff o u n d r yt e c h n o l o g y ，h a v i n gr e a l i z e dt h ec r a n k s h a f tr e s i ns a n d c a s t i n gp o u r i n gt e c h n o l o g yp r o d u c t i o no f1 0 wp r e s s u r ec a s t i n g ，h a v i n gs o l v e d t h ec r u c i a lt e c h n i c a lp r o b l e m ss u c ha se x p o r te n ds l a gi n c l u s i o n ，c a r b a n f l o t a t i o na n db l o w h o l ee f f i c i e n t l y ，h a v i n gr e a l i z e de x p e c t e dg o a l p e r c e n t d e f e c t i v er a t i o sr e d u c e db yo r i g i n a l1 5 7 8 t o8 3 8 ，h a v i n gg o t t e ng o o d e c o n o m i cb e n e f i t s t h ec o m p l e t i o no ft h i sp r o j e c th a so f f e r e dv e r yg o o d r e f e r e n c ee x p e r i e n c ef o rh a v i n gf i l l e dt h er e s i ns a n dc a s t i n gp o u r i n g t e c h n o l o g yo fl o wp r e s s u r ec a s t i n gt op r o d u c et h ec r a n k s h a f to fn o d u l a rc a s t i r o n ，h a v i n gr e a c h e dd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l a d v a n c e dl e v e l k e y w o r d s ：r e s i ns e l f s e t t i n gs a n d c r a n k s h a f t s l a g b l o w h o l el o wp r e s s u r e c a s t i n g 第1 i 页 y 6 8 3 3 3 2 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对；# 学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：韭沙华年删? 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生繇址蛑聊? 日 工程硕士学位论文大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 1 绪论 1 1 课题背景与研究意义 随着我国铁路向高速重载方向的快速发展，大连机车车辆有限公司生产的大功率 机车逐年增加，机车柴油机用曲轴年需求量达6 5 0 多根，过去采用的粘土干型砂低压 铸造工艺生产。由于粘土干型砂流动性差，无法实现机械化造型，只有采用手工造型。 同时粘土干砂型需2 次烘干，其生产周期较长，最大年产量仅为4 5 0 根。此外工人劳 动强度大，生产的曲轴尺寸精度低，经常产生缩松、夹渣等铸造缺陷。现有的曲轴粘 土干型砂低压铸造工艺已无法满足铁路快速发展的需要。为此，需对大连机车车辆厂 铸铁车间进行技术改造，提高曲轴的产量。 通过广泛的调研和实地考察，尤其是咨询国内铸造专家，大家倾向于从解决曲轴 缩松缺陷出发，铸造大功率柴油机球墨铸铁曲轴应采用铁型覆砂铸造工艺生产。所谓 铁型覆砂铸造是在金属型( 称为铁型) 内腔覆上一薄层型砂而形成铸型的一种铸造工 艺，铸件质量大大改善和废品显著减少。由于铁型覆砂铸型刚度很好，从而显著地提 高了铸件的尺寸精度和致密性。 铁型覆砂铸造每种铸件都需要不同的铁型和模型，而我厂生产的曲轴种类多，2 4 0 系列4 、6 、8 、1 2 、1 6 v 2 4 0 z j d 型曲轴5 种型号，2 8 0 系列1 2 、1 6 z j d 型曲轴两种型 号，每种曲轴结构与尺寸均不相同，都需专用铁型。每套工装造价很高，同时我厂曲 轴生产量大，每种工装需要多套，且修改比较困难。因此该工艺的设计要求一次成功。 而目前由于铁型覆砂工艺工装设计水平不高，造成铸件废品率居高不下的情况经常发 生。此外铁型覆砂铸造的机械化和自动化水平尚不高，尤其是大功率柴油机曲轴的铁 型覆砂铸造。其生产效率低，工装投入大，铸件废品率居高不下。为此，铁型覆砂铸 造工艺不适合我厂大功率柴油机曲轴大批量生产。 树脂砂型芯具有良好的表面强度与尺寸精度、良好流动性与常温自硬化性能，易 于实现造型制芯机械化与自动化，非常适用于中、大型铸件的铸造生产。近十几年来， 树脂砂工艺在国内外铸造业得到了很大发展与广泛的应用。在国内，有上百家企业引 进国外先进的树脂砂工艺设备“3 ，各大院校、科研机构对树脂砂工艺用树脂、固化剂 与固化机理进行广泛的研究，发表了大量的学术论文与专著1 ：各大企业生产了各 种树脂与固化剂，推动了国内树腊砂工艺的应用与发展，给古老的铸造业带来了新的 生机与活力，为此，由铁路部重点投入，对大连机车车辆厂铸铁分厂进行大规模树脂 砂工艺技术改造，引进国外先进的铸造技术与设备，实现曲轴树脂砂铸造工艺生产， 达到年产6 5 0 根设计能力。本科题为铁道部重点投入项目。也是大连机车厂的重点工 艺开发项目，通过对曲轴结构的工艺分析，在广泛的调研与国内外实地考察和可行性 第1 页 工程硕十学位论文大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 分析论证的基础上，我们预期将通过深入的理论分析与实验相结合。研究曲轴树脂砂 低压浇注工艺特点，设计完成适合于曲轴大批量生产的树脂砂铸造工艺与装备。使曲 轴的化学成分，金相组织和各项机械性能符合产品技术要求；水压试验合格。其中尺 寸公差达到g b 6 4 1 48 6 中的c t 8 一c t 9 ，金相组织巾石墨的球化率达到2 - 3 级。项目完 成后，将实现年产6 5 0 根曲轴，使工艺与装备达到九十年代世界先进水平。使大连机 车厂成为国内产量最大机械化程度最高的球铁曲轴生产基地。 1 2 造型材料概述 砂型铸造是一门传统的工艺方法，按所用造型材料可以分为是粘土砂型、树脂砂 型、水玻璃砂型。其中水玻璃砂型主要用于铸钢件生产，而粘十砂型、树脂砂型可用 于各种合金的铸造生产。 1 2 1 粘土砂 用粘士粘结砂作造型材料生产铸件，是历史悠久的工艺方法，也是应用范围最广 的工艺方法。说起历史悠久，可追溯到几于年以前。论其应用范围，则可说在世界各 地广泛应用。粘土砂是由原砂、粘上、附加物及水按一定配比组成的，常用的加料顺 序是先将回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混匀，再加水混至要求的水分。型砂的 配方应根据浇注合金种类、铸件特征和要求、造型方法和工艺、清理方法等因素确定 型砂应具有的性能范围，然后再根据各种造型原材料的品种和规格、砂处理方法和设 备性能、砂铁比等因素确定。 粘士砂型町分为湿型、干砂型和表面烘干砂型。三者之间的主要差别在于：湿型 是造好的砂型不经烘干，赢接浇入高温金属液体：干砂型是在合箱和浇注前将整个砂 型送入窑中烘干：表面烘干砂型只在浇注前对型腔表层用适当方法烘干一定深度( 一 般5 1 0 t m ，大件2 0 r a m 以上) 。 目前，湿型砂是使用最广。泛的、最方便的造型方法。大约占所有砂型使用量的 6 0 7 0 ，但是这种方法还不适合很大或很厚实的铸件。表面烘干型与干型比，可节 省烘炉，节约燃料和电力，缩短生产周期，所以曾在中型和较大型铸铁件的生产中推 广过。通常采用较粗砂粒( 使有高的透气性) ，加入较多粘十和水分，有时还在型砂 中加l 2 的术屑( 提高抗夹砂结疤能力) ，其型腔表面必须涂敷涂料。 1 2 2 树脂自硬砂 将砂子、液态树脂及液态催化剂混合均匀后，填充到芯盒( 或砂箱) 中，稍加紧 实、即于室温f 在芯盒( 或砂箱) 内硬化成型，n q 自硬冷芯盒法造芯，简称自硬法造 芯( 型) 。自硬法叮大致分为酸催化树脂砂白硬法、尿烷系树脂砂自硬法和酚醛一脂 第2 页 工程硕士学位论文大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 白硬法。 树脂白硬砂不仅用于造芯，亦用于造型，特别适用于单件和小批量生产，可生产 铸铁、铸铜及有色合金铸件。其主要优点是： ( 1 ) 提高了铸件的尺寸精度，改善了表面粗糙度。 ( 2 ) 节约能源，节约车间面积。 ( 3 ) 砂中的树脂的质量分数，由3 4 降到了0 8 1 2 ，降低了生产成本。 ( 4 ) 大大减轻了造芯、造型、落砂、清理工人的劳动强度，便于实现机械化。 1 2 。3 树脂砂的分类与工艺特点 树脂砂按造型制芯方法不同，可分为树脂自硬砂、壳型砂、热芯盒砂。j 。按树脂固 化剂可分为酸固化呋哺树脂砂、有机脂固化碱性酚醛树脂砂与酚尿脘树脂自硬砂，树 脂自硬砂是常温下( 加入固化剂) 能自行硬化的树脂做粘结剂的混合料。树脂自硬砂 须控制的性能是可使用时间与脱模时间，二者取决二f 树脂砂的硬化特性。 呋喃树脂是铸造生产中应用最广的缩聚树脂，其原料是以糠醇为主配以甲醛、苯 酚、1 勾酮或尿素的合成，以酸催化的铸造自硬砂粘结剂。国产呋喃树脂质量稳定、品 种齐全、技术指标先进，完全满足铸造生产的需要。国产呋喃树脂组成与分类见表 】23 】。 表1 2 3 1国产呋喃树脂分类表 序号名称表示方法主要组成使用范围 脲醛改性铸钢、铸铁 1u f f a羟甲级脲与糠醇缩聚物 呋喃树脂有色台金 酚醛改性甲阶酚醛与糠醇缩减物 2p f f a铸钢 呋喃树脂或共聚物 酮酚醛改性甲阶酚醛与糠醇缩减物 3k p f f a铸钢 呋喃树脂或共聚物 脲酚醛改性羟甲级脲甲阶酚醛与糠铸钢、铸铁 4 u p f f a 呋喃树脂醇缩减物或共聚物有色合金 脲酚酮改性羟甲级脲、甲阶酚醛与糠铸钢、铸铁 5u p k f f a 呋喃树脂醇缩减物或共聚物有色合金 呋喃树脂的性能对自硬砂工艺性能有重要的影响，其中： ( 1 ) 含氮量：树脂含氮量增加，树脂白硬砂湿强度增加、热强度降低、韧性提高及 溃散性好。但容易产生气孔缺陷，一般铸钢件用低氮或无氮树脂、铸铁件用中氮树脂 ( 含氮量5 左右) ，有色合金用高氮树脂。 第3 页 工程硕士学位论文大断丽球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 ( 2 ) 粘度：树脂粘度，对树脂砂流动性、粘模性、混制与造型制芯操作都有很大 的影响，一般控制在2 0 5 0 m p a s 之间，彳i 得超过l o o m p a s 。 此外，呋喃树脂在合成时只具有一定聚合程度的树脂预聚物，在应用中的固化阶 段，要有酸性介质来催化，最后完成缩聚反应而硬化。 树脂砂工艺特点 a 树脂自硬砂硬化特性曲线： 图1 1 是呋喃树脂砂的硬化特性曲线图“”1 ，表明呋喃是一种典型的渐硬性自硬砂。其 强度在前3 小时是与硬化时间呈正比，硬化速度很快，6 小时后上升趋于平缓，2 0 一2 4 小时其强度不再增加，因此，控制型砂的2 4 小时强度既为其终强度。 n 主 挂鲢目 憩 靼 蟮” n o 1 馒化时间( h ) 图1 1 峡喃树脂砂的硬化特性曲线 b 溃散性能：众所周知，呋喃树脂砂溃散性良好，5 0 0 。c 时的高温强度几乎为零。 c 发气量与灼烧减量：灼烧减鳖是对旧砂中残存的有机物的度量，表征旧砂再生的效 果与发气量的大小，树脂砂中树脂与固化剂均为有机物，树脂砂的发气量较大。 d 透气性：树脂砂中树脂与固化剂加入量较少，透气性较好。 e 流动性：树脂砂具有良好的流动性，适宜于复杂铸件铸造生产。 通过卜几年树脂砂工艺研究与生产实践，对树脂砂铸造工艺已形成较为完整的理 论体系，国内有数百家化工企业生产：各种树脂、固化剂与树脂砂用水基、醇基涂料。 几十家铸造设备厂牛产各种型号与吨位的树脂砂混砂机和再生设备。实现了树脂砂技 术的引进吸收与国产化。 通过对树脂砂工艺推广应用，人们认识到树脂砂发气量大，发气时间集中，容易 产生气孔缺陷。为防止树脂砂出现气孔，对树脂砂浇注系统的设计推荐如下的原则“： “快”，保证金属液体快速充满型腔；“稳”指金属液面上升一定要平稳。“封 闭”，指一般采用封闭浇注系统。“底注”，指对中大铸件，推荐采用底注。“保证 第4 页 工程硕士学位论文 大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 金属液压头”，就是要防止产生气7 l ；“处理脏铁水”就是将前期浇注的铁水引入集 渣包。 1 3 球墨铸铁曲轴国内外发展动态 近2 0 年来，厚大断面球铁曲轴的生产不断增加，大型机动车曲轴、大型机架的 铸件广泛采用球铁制造。大型球铁件重量大，壁厚在l o o m m 以上，铸造是热熔量大， 凝固时间长，其心部与热节处的凝嗣时间长，会发生球化与孕育衰退，出现一些非球 状石墨，如不规则球状、伪片状、碎块状、与石墨漂浮”1 。 不规则球状石墨( 团状石墨) ，在厚大断面球铁中很常见，孕育不充分或碳当量 过低时更容易产生。伪片状石墨，当残余镁量刁i 足时，石墨球化不良，产生伪片状石 墨。片状石墨，当原材料不纯时，厚人断面球铁最后凝固区域出现片状石墨，其中 p b 、t i 、b i 、s b 、t e 总含量达到o 0 2 9 0 0 3 0 时，将在厚大断面球铁中出现片状、 雪花状、蟹状与海星状石墨。化学成分是影响球铁组织与性能的主要因素之一，主 要包括碳当量、硅、锰、硫及残余镁和稀土。碳当量：关于厚大断面球铁的碳当量已 形成共识，控制在4 2 4 3 之间“”2 9 1 ，过低则石墨球少，过多则导致石墨漂浮。 硅含量：文献”：”6 ”1 认为硅含量应控制在1 8 2 2 之间。锰含量：文献”8 。认 为锰含量应控制在0 3 以下。硫含量：硫是公认的有害元素，硫高将消耗大量的球 化元素，导致球化衰退，应尽可能降低硫含量。镁含量：研究表明残余镁含量应控 制在0 0 4 0 0 6 之间，小于0 0 4 导致不球化，多于0 0 6 ，容易出现明显的金属 夹杂物。稀土含量：稀土有对石墨球化作用，合适的残余含量有利于消除块状石墨， 增加石墨球数，文献”在2 4 0 曲轴的实验与生产中发现，稀土残留量超过0 0 1 8 ，就 会在曲轴中产生块状石墨。 表卜2 国内外厚大断面球铁铸件的化学成分”7 1 2 成分 c s i m n sp m g ( 残)r e ( 残) 德国 3 4 - 4 01 5 - 2 5 0 8 0 0 3 0 2 卢森堡 3 4 4 01 5 2 5c o 4 0 0 3 0 1 武钢 3 1 5 3 6l7 2 20 1 0 3 0 0 3 0 0 90 0 4 0 0 70 0 2 一o 0 5 本钢 3 4 3 82 5 3 0 0 4 0 0 3 0 0 9o 0 3 一o ，0 60 0 2 0 0 5 首钢 3 5 - 3 91 7 2 2o 卜o 1 j 0 0 3 9 5 ，含泥量0 5 ，烘 干至水分0 5 使用，主要技术指标符合j b t 9 2 2 5 1 9 9 9 标准。 树脂：树脂是连接砂粒与砂粒之间的桥梁，其性能决定型砂的强度、出气性和流 动性等性能的好坏。选择树脂原则是无氮( 或低氮) ，含水量低，游离甲醛少，粘度要小。 密度( 2 0 )度( 2 0 ) 序号名称糠醇含氮量 游离甲醛 g c m m p a s 1z f - 一2 o n1 1 3 1 2 52 0 8 5 2 o 0 3 2z f 一1 5 n2 09 5 1 1 5 o 3 表2 1 1 2 碱性酚醛树脂 性能 外观粘度2 5 | 0 cm p a s密度g c m l抗拉比强度m p a 型号 型号n f 一2 0 1暗红色6 0 01 2 0 一1 2 50 6 一o 9 第7 贞 工程硕士学位论文大断丽球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 表2 1 1 3 固化剂及性能 密度2 0 )粘度( 2 0 )总酸度含氮量游离酸 序号名称外观 g c m m p a s 二甲苯 棕色 l1 2 一1 42 01 5 3 62 o 1 0 磺酸 不分层 对甲苯 2无1 21 42 09 5 1 1 5 磺酸 2 1 2 试验方法 试验设备：$ 2 0 2 碗式混砂机、造型材料发气仪、美国辛普森犁砂万能强度试验仪。 配砂工艺：原砂干混0 5 h + 固化剂湿混1 52 h + ( 树脂+ 偶联剂) 湿混卜1 5 h 出砂。可 使用时间与起模时间：树脂砂可使用时间是指混砂后至型芯砂能制成合格型、芯的时 间，起模时间是指制好的型芯进行起模而不损坏的最短时间，其测定方法为：试验时， 将刚混制好的型、芯砂立刻制作35 个5 0 x 5 0 标准抗压试样，并把开始填充时间作为 起点，尔后，每隔1 分钟，用试验装置的探针，压入铸型材料中，读出强度计的数字， 按规定，当抗压强度达到0 。0 7 m p a 时所经历的时间为可使用时间，当抗压强度达到 0 1 4 m p a 时所经历的时间为起模时间。 强度：称量一定数量的型砂，制成标准的“8 ”字型试样，抗拉试样为腰部断面 尺寸2 5 m i n x 2 5 m m 的“8 ”字形；抗压试样为中5 0 m m x 5 0 m m 的圆柱形。( 每组5 个， 试样质量为6 7 9 ，试验条件为砂温2 0 ，室温2 0 ，相对湿度为5 0 ) 。将制好的强度试样 分别放置l h 、2 h 、5 h 、2 4 h ，用万能强度试验仪测定抗拉强度，去掉一个最大值与最 小值，取余下的3 个数值的平均值。 吸湿性能：先制作2 组“8 ”字试样，其中一组在室温硬化2 4 h ，测定抗拉强度， 另一组在室温硬化2 4 h ，而后放入相对湿度r h 9 5 的封闭容器中，保持2 4 h ，测定其 强度，以试样吸收水分的前后强度下降的程度作为衡量型砂吸湿性能指标。 发气性：指型砂加热时析出气体的能力，用单位质量的型砂加热时析出的气体体 积黄表示，单位为m l g 。 2 1 3 试验结果与分析 ( 1 ) 树脂自硬砂的常温性能 树脂加入量对犁砂强度的影响 第8 页 工程硕士学位论文大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 存固化剂加入量相同的条件下，树脂加入量与2 4 h 抗拉强度的关系如图2 1 3 1 所示。 树脂加入量 图2 1 ，3 1 树脂加入量与强度之间的关糸 可见，树脂加入量增加，强度随之增加，树脂加入量在0 8 2 2 之间，因此， 在满足型砂强度要求的前提下，生产卜总是将加入虽尽可能降低到最低限度。 研究指出，呋喃树脂的硬化机理是在酸性条件下，活泼氢与羟甲脲、甲醛以及另 个羟基( o h ) 发生缩合脱水反应，生成脲醛呋喃、糠醇甲醛的混合体， 使原来的线 型结构交联形成网状结构，从而粘住砂粒。 量 巨 垦 营 暖 型 h 固化剂加入量6 图2 1 3 2 固化剂加入景对抗拉强度的影响 图2 】3 3 固化剂加入量对可使用时间的影响 阎化剂加入量的影响 表2 1 3 1 是固化剂加入晕对硬化速度和强度的影响结果表明，固化剂能有效地 调节硬化速度。若生产中要大幅度地改变硬化速度，调节生产节拍，则应考虑更换固 化剂的类型因为固化剂能使硬化反应趋于完全，所以在一定范围内，可以提高树 工程硕士学位论文大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 脂砂的强度。 表2 ，1 3 1 固化剂加入量的影响( 试验温度为2 6 ) 固化剂加入量可使用时间m i n 起模时间m i n抗拉强度m p a 2 5152 6o 8 5 3 01 32 31 3 0 4 01 22 11 3 5 5 091 91 - 1 2 6 071 4o 7 6 硅烷的影响 在树脂砂中加入硅烷，强度明显提高，见表2 1 3 2 。随着硅烷加入量的增加，强 度上升，添加o 2 ( 占组分i ) 的硅烷呋喃树脂砂的强度从0 9 6 m p a 增加到l ，2 7 m p a ， 强度提高3 2 。继续增加硅烷用量，强度上升趋于缓慢，因此在满足强度要求的情况 下，应尽量减少硅烷加入量，以降低成本。 表2 1 _ 3 2 硅烷对强度的影响 硅烷加入量 oo 1o 2o 3 1 抗拉强度m p a o 9 61 2 21 2 71 2 8 硅烷的增强作用主要在于其分子结构中既含有能与砂粒表面相结合的基团，又 有与树脂中化学键相结合的基团，从而把砂粒与树脂偶联起来。用扫描电镜观察树脂 砂砂粒粘结面的破裂情况，发现硅烷的加入改变了粘附方式，由一般粘附联结变成分 子链联结，使树脂膜能较紧密地与砂粒表面粘附在起，增强了联结力，因此在拉断 时树脂模从附着破裂居多的复合破裂。 温度的影响 如图2 1 3 4 所示，环境温度对硬化速度的影响很大，1 6 时的起模时间为 2 0 m i n ，2 6 v 时的起模时间则缩短到l l m i n 。试验结果基本吻合法则”1 ：温度每上升 或下降8 3 。c ，树脂砂的硬化速度就会分别加倍或减半。呋喃树脂砂的理想砂温是 2 d 左右，温度过高，可使用时间过短，来不及造型制芯就已经硬化；温度过低，树 第1 0 页 丁程硕士学位论文大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 脂粘度高，在混砂过程中均匀性差，芯砂流动性降低，而目粘结剂问的交联反应缩短 降低，使得起模时间k ，影响型芯的生产率。 5 _ l t j 7 ；r 一一一一一= 一_ = r _ 呈：【以一亘譬 嘭j1 i 翟n r 。 罨。一f m 一尸一一二二“ o 。jy i 01p暑4 图2 1 3 ，4 湍度对硬化速度的影响图2 i 3 5 湿度对硬化特性的影响 图2 1 3 5 是环境湿度对树脂砂硬化特性的影响。从中可以看出，空气湿度较小 时，随着硬化时间的延长，强度先是迅速增加，然后基本保持不变，终强度略高于初 强度：当湿度较大时，强度先是提高，然后逐渐下降，终强度低于初强度，并大大低 于湿度较小时的终强度。这是因为环境湿度大时，水分的侵入破坏了在砂粒表面形成 的粘结桥，而且湿度越大，硬化速度越慢。( 2 ) 树脂自硬砂的高温性能 发气性：指型砂加热时析出气体的能力，用单位质量的型砂加热时析出的气体体 积量表示，单位为m l g 表2 1 3 3 是呋喃树脂自硬砂与酚醛碱性树脂砂发气性的试 验结果，其发气量约1 6 m l g ，在最初2 0 s 内的发气速度为0 2 4 m l g s 。图2 1 3 6 是呋喃树脂与酚醛树脂砂发气性对比结果，从图中可以明显看出酚醛树脂砂发气量比 呋哺树脂砂大，发气速度快。 表2 1 3 3 呋喃树脂白硬砂与酚醛碱性树脂砂发气结果 发气时f a s 5l o2 03 04 05 06 0 呋喃酸性树脂砂 1 44 77 69 81 1 21 2 o1 4 0 发气鼍 1 m lg 。 酚醛碱性树脂砂 2 76 2l o 51 3 11 4 81 5 11 6 8 第1 l 页 _ j ：程硕士学位论文 大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 1 酚醛书。唐矽 一2 呒c 自树脂砂 时同( ：) 陶2 1 3 6 呋哺树脂与酚醛树脂砂发气性对比结果 型芯的溃散性好坏，呵以用其高温残留强度高低来反映。试验是将试样放入预先 加热到规定温度的电阻炉中，保温2 0 m i n ，取出，待其冷却到室温后，测定高温残留 强度。试验结果见表2 1 3 4 。可以看出，在1 0 0 。c 以内的低温烘烤，对呋喃树脂砂 的强度没有太大的影响，但随着温度升高，树脂粘结膜分解加快，5 0 0 。c 时强度已完 全丧失。 表2 1 3 4 溃散性试验结果 残留强度试验温度。c室温 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 残留强度m p a 1 1 61 1 60 7 3o 6 30 1 5o 紧实度对强度的影响 表2 1 3 5 反映了试样紧实度与抗拉强度、抗弯强度的关系。从表2 1 3 5 可 见，试样紧实度提高，其抗拉强度与抗弯强度增加，变形抗力增加，变形量减小。图 2 1 3 7 直观地表现出紧实度对变形量的影响。 表2 1 3 5 紧实度对强度的影响 紧实度抗拉强度m p a抗弯强度m p a 1 1 0o 9 8o 3 6 1 1 51 1 30 3 8 0 4l 1 | 2 01 2 5 罔2 1 3 7 紧实度对变形量的影响 第1 2 页 二 一 一 一 一 一 一 一 _ | 一 一 2 一 一 一可、 j 、k ， i r 妒 r 工程硕士学位论文 犬断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 2 2 树脂砂与粘土干模砂铸造性能对比试验 用呋哺树脂自硬砂型和粘土砂干型进行铸造性能对比试验，研究呋喃树脂白硬砂 对厚大球铁铸件凝固速度、力学性能和产生铸造缺陷倾向的影响，为论证采用呋喃树 脂自硬砂性取代卡占土砂干型砂生产厚大球墨铸铁曲轴铸件的可行性提供了依据。 2 2 1 试验内容、方法及结果 试验内容 测量用呋哺树脂自硬砂性浇注和用粘土砂干型浇注的球铁件的凝固时间差别。 观察呋喃树脂白硬砂对球铁件表层球化情况和铸造缺陷倾向的影响； 查明呋喃树脂自硬砂对球铁力学性能有否影响。 试验条件及方法 熔化及球化、孕育处理采用i o o k w 工频感应炉化铁，炉料为9 0 本溪生铁( 含 硅量为1 3 ) + 1 0 废钢。 原铁液成分及球铁终成分参照实际生产球铁件，分析结果示见表2 2 1 1 。 球化剂成分为：1 0 5 m g ，1 2 r e ，3 3 s i ，3 5 c u ，加入量为1 o ，采用冲入法处理， 铁液出炉( 处理) 温度为1 4 5 0 ，孕育剂为7 5 硅铁。 表2 2 1 1 原铁液化学成分及球铁最终成分 l l 成分 cs im npsr e m g c u i 原铁液 3 7 81 5 l0 4 20 0 5 00 0 2 8o 9 终成分 2 6 50 4 40 0 5 20 0 2 00 0 2 00 0 5 6o 9 注。 试块尺寸共有四种： 5 0 m m 5 0 m m 5 0 m m ( 模数m = o 8 3 c m ) 7 5 m m 7 5 m m x7 5 m m ( 模数m - 1 2 5 c m ) l o o m m l o o m m l o o m m ( 模数m - 1 6 6 c m ) 2 0 0 m m 2 0 0 m m 2 0 0 m m ( 模数m = 3 3 3 c m ) 每种试块均同时制作呋喃树脂白硬砂型和粘土砂干型两种铸型，并用同包铁液浇 型砂及造型：粘土砂配料成分为：2 0 新砂，8 0 回用砂，1 5 陶土，2 5 白 第1 3 页 工程硕士学位论文 大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 泥。呋喃树脂自硬砂用5 0 新砂，5 0 同用砂配制，呋喃树脂加入量为1 5 ，硬化剂 对甲苯磺酸的加入量为树脂量的4 0 ，这种砂型的实测含硫量为0 ，5 0 。造型均为手 工造型，粘士砂型在浇注前经过烘干，呋喃树脂自硬砂型自行硬化，不烘干。两种铸 型均不刷涂料，使铸型表面直接与铁液接触。 凝固时间测量方法：在铸型中部插一根石英管，直低试块心部，将热电偶塞 入其内，使热电偶焊点正好处在试块心部；根据温度变化，测出凝固时间。 试验结果及讨论 各种试块的测量结果列于表2 2 ，1 2 。试验结果表明各种尺寸的试块在自硬砂铸 型中的凝固时间均比在粘土砂干型中的凝固时间长，而且随着试块尺寸增大差别逐渐 增大，随着试块尺寸变小差别减小。这一结果说明自硬砂的散热速度比粘土砂缓慢。 表2 2 1 2 凝固时间与试块模数和铸型类别的关系 试块尺寸i t l i d 5 0 5 0 5 07 5 7 5 7 5l o o 1 0 0 1 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 模数mc m 0 8 31 2 51 6 63 3 3 i 树脂砂凝固时间m i n 8 31 2 92 4 87 5 8 粘土砂凝固时间m i n 6 81 0 91 7 55 7 2 2 2 显微组织检查 对l o o m m xl o o m m xl o o m m 和2 0 0 r m n x2 0 0 m m x 2 0 0 m m 两种试块取样进行了显微组织 检查，结果如表2 2 2 1 。图2 2 2 1 和图2 2 2 2 为试样中心部位石墨形态x 1 0 0 。 表2 2 2 1 粘土砂于型试块显微组织( 1 0 0 m m 方块) 取样部位球化率( 级)石墨大小( 号)球光体量( )磷共晶+ 碳化物( )铁素体( ) 底面边角 228 0 8 5 少量余量 心音| j337 0 8 0 少量余量 底部中心 22 7 5 8 5 少量余量 第1 4 页 丁程硕士学位论文 大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 表2 2 2 2 呋哺树脂自硬砂试块显微组织( 1 0 0 m m 方块) 取样部位球化率( 级)石拦大小( 号)说明 正常区( 球化率3 级，珠光体量约5 0 ，磷共晶和碳化 底面边角 3 底面l f _ t 心 物少量，余为铁素体) 。侧面未发现不球化面。 心部 33 球化良好，珠光体6 0 一7 0 ，磷共晶+ 碳化物少量，余 为铁索体。 基体为珠光体，然后进入正常区( 球化率3 级，珠光 底面- h d 3 底而中心 体7 5 ，少量磷其晶和碳化物，余为铁素体) 。 图2 2 2 1 球状石墨形态x 1 0 0图2 2 22 曲轴石墨形态x 1 0 0 中心部位金相组织为：珠光体6 0 7 0 ，磷共晶+ 碳化物少量，余为铁素体，石 墨球化良好。 2 0 0 r a m 方块显微组织见表2 2 2 和表2 2 2 4 。可以看山，粘土砂试块表面和 心部球化都l l 常；自硬砂试块底面有厚度为5 m m 的央渣层，石墨全部不球化；紧接着 足厚度0 5 m m 的过渡层，石墨呈蠕虫状十少量球状，然后是正常球化区。这一情况说 明，随着试块尺寸增大，凝固时间延长，铁液浸泡铸型时间延k ，型砂中的硫已渗入 铸件表层，因而使球化受到破环。 表2 2 2 3 粘土砂干型试块显微组织( 2 0 0 m m 方块) 球化率石墨大小 ：取样部位 说明 ( 级)( 号) 球光体量约7 5 ，磷共晶和碳化物少量，余为铁 底面边角2 2 紊体。石墨呈球状，无球化不良迹象。 珠光体量8 0 ，( 磷共晶+ 碳化物) 1 ，余为铁 心部 34 索体。无球化不良迹象。 第1 5 页 工程硕士学位论文大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 表2 2 2 4 呋喃树脂自硬砂型试块显微组织( 2 0 0 r a m 方块) ；取样部位说明 珠光体量约3 0 ，余为铁素体一约0 ，5 m m 深的半球化层( 石墨呈蠕虫状 底面边角十个别球状，珠光体约s ，余为铁索体) 一正常球化区，球化量2 - 3 级， 石墨大小2 级，珠光体8 5 ，磷共晶和碳化物少量，余为铁索体。 。陟化量34 级，石墨大小3 4 级，珠光体8 5 ，( 磷共晶十碳化物) 1 ， “” 捺为铁素体。无球化不良迹象。 2 2 3 表面夹渣检查 将1 0 0 m m 和2 0 0 r a m 两组方块垂直剖开，在剖面上做硫印检查夹渣情况，结果1 0 0 r a m 组的两种试块都没有发现夹渣：但2 0 0 r a m 组的两种试块均发现有比较明显的夹渣，如 图4 所示。其中粘土砂干型试块底面和侧面均无夹渣，仅其顶面有分布不均匀的夹渣， 薄处2 - 3 m m ，最深处约为5 m m 。这些夹渣显然是铁液本身所含硫化物形成，在试块凝 固前上浮至顶面所致。呋喃树脂砂试块的顶面、底面和侧面下部均有明显夹渣层。其 中顶面的夹渣也是铁液本身所含硫化物形成，夹渣层厚度较均匀，均为2 - 3 m m ，可能 是由于铸件冷却速度较慢，渣子有充分时间上浮的缘故。底面和侧面下部的渣层又浓 又黑，说明其含硫鼍很高，从其部位来看，显然是由于表层型砂向铸件渗硫所致。由 于底面和侧面下部被铁液浸泡的时间较长，所以在这些部位容易发生渗硫；其它部位 被铁液浸泡的时间较短，所以没有发生渗硫；同样道理，尺寸较小的试块由于凝固时 问较短，铁液浸泡时间也较短，所以没有发生渗硫，也就不会引起渗硫夹渣。 上述结果表明，呋喃树脂砂对球墨铸件的表层组织有不良影响，主要是引起表层 夹渣和球化不良，但这种影响一般只限于厚大件，对薄、小件影响较小或者没有影响。 在本试验中，为了使呋喃树脂砂的不良影响更明显，所采用的旧砂配加量、树脂和硬 化剂加入量均远远超过实际生产使用的加入量，因而型砂的含硫量高达o 5 ，而且 铸型表面没有刷涂料，使铁液直接弓型砂接触，如果按照实际生产所采用的配方( 加 入一定数量的新砂，树脂加八最1 - 0 左右，硬化剂加入量为树脂量的4 0 一5 0 ) 型砂 的含硫量将大幅度降低，加上铸型表面刷涂料( 最好是致密度较高的涂料，如锆英粉 涂料) ，其不良影响将会明显缩小，或者可以完全避免。 2 2 。4 铸态力学性能 考虑到铸型材料的差别对薄小件的影响可能不明显，仅对尺寸最火的2 0 0 咖组试 块作检查，结果如表2 2 4 1 所示。由于表面不止常组织深度很浅，没有进入拉力试 第1 6 页 工程硕士学位论文大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 棒断口，心部组织亦未受到影响，故从表2 2 4 1 的数据看不出呋喃树脂砂型对力学 性能有不良影响。 表2 2 4 1 试样力学性能表 铸型材料取样部位抗拉强度m p a伸长率备注 呋喃树脂砂棱边6 5 27 8断口无缺陷 e ! 呋喃树脂砂心部 6 1 03 6断u 无缺陷 黏土砂干型棱边 6 7 0 8 6断口无缺陷 黏土砂于型心部 5 6 03 2断口无缺陷 2 3 本章小结 本章系统研究了呋喃自硬树脂砂，通过试验，掌握了呋喃树脂白硬砂的硬化特性， 抗拉强度，发气性，渍散性， 球铁铸件在呋喃树脂砂中的凝固速度明显比在粘土砂干型缓慢，自硬砂含硫量高 时，铸型可能会向铸件( 特铁是厚大件) 表层( 尤其是底面和侧面下部) 渗硫，因而 会在铸件表层形成硫化物夹渣层。 在本试验所采用最大的试块中，尚未发现由于自硬砂冷却速度慢而引起铸件心部 球化衰退，亦末发现力学性能受到影响。 第1 7 页 r 程硕士学位论文 大断面球墨铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 3 曲轴树脂砂低压铸造工艺关键技术的研究 上一章系统研究了呋喃自硬树脂砂，进行了球铁铸件在呋哺树脂砂中与在粘土砂 千型中对比工艺试验。为此，需进步研究曲轴树脂砂低压铸造关键技术，解决曲 轴表面渗硫而形成硫化物夹渣。解决由于自硬砂冷却速度慢而引起曲轴铸件心部球化 衰退与石墨畸变问题，解决因呋喃自硬树脂砂发气量大而产生的气孑l 缺陷问题。 1 2 v 2 4 0 z j d 曲轴长3 7 7 5 m m ，净重1 4 3 0 k g ，7 个主轴颈，直径为击2 2 0 u u n ，6 个连杆 颈，直径为审1 9 5 m m ，均系中空结构。曲轴毛坯见图3 1 ，主轴颈尺寸为中2 4 0 m m ，连 杆预尺寸为中2 0 5 m m ，壁厚为8 0 r a m ，铸件总长度为4 9 6 2 m m 。 b 端1 2 柄 v8 柄 i i i 【i il 枘机械性能试样 阁3 1l 2 7 2 4 0 z j d 曲轴型曲轴毛坯图 根据设计要求，曲轴机械性能达到表3 1 要求，检验性能试样从曲轴毛坯端部 金相组织符合表4 2 要求。 表3 1 曲轴机械性能指标 抗拉强度m p a延伸率冲击值j c m 2硬度h b ，s s11 4 7 2 6 0 3 3 0 表3 2 金相组织 球化率级铁素体数量级渗碳体数量级磷共晶数量级 。342 按t b t 1 7 4 2 9 1 内燃机车j 【 j 球糍铸铁曲轴技术条件，在该技术条件的贯彻曲 轴毛坯初加工后，经超声波探伤，检查曲轴主轴颈、连杆颈内部缺陷情况，要求每一 个主轴颈、连杆颈缺陷的总面积不得超过50c 铲，缺陷最大深度不得超过该处壁厚的 30 。 第1 8 页 工程硕士学位论文大断面球黑铸铁曲轴树脂砂铸造低压浇注工艺的研究 曲轴精加工后，进行着色探伤检查