冷芯盒工艺优典型失效案例分析

1 冷芯盒工艺典型失效案例分析冷芯盒工艺典型失效案例分析 苏州兴业材料科技股份有限公司 吉祖明 王骏康 胺法冷芯盒工艺自 1968 年在美国铸造学会举办的展览会上展示以来 以其极高的生产 率 较低的单位能耗 倍受关注 在汽车 拖拉机 内燃机等大批大量生产行业得到了极 其广泛的发展和应用 据权威部门统计 从本世纪初叶开始 国内冷芯盒树脂消费量呈快 速上升态势 到 2011 年己占铸造合成树脂总量的 10 已成为仅次于呋喃树脂砂的主流 树脂砂制芯造型工艺 但冷芯盒工艺在实际应用中 如工艺控制不当 常会出现不少质量问题 下面我们列 出一些常见失效典型案例 与大家共同讨论 1 制芯过程沾模制芯过程沾模 1 1 失效原因失效原因 我们将沾模失效归纳总结为如下四种 能量型沾模 能量型沾模 大家都知道 所谓能量沾模就是原包覆在原砂表面的树脂膜在射砂过程 中 有一部份液态树脂膜由于动能势能的作用而转移至芯盒表面 在吹胺吹气以后 固化 以后的树脂膜会留在芯盒表面 这种沾模主要和射砂压力有关 射砂压力愈大 沾模会愈 严重 在通常情况下射砂大于 0 3MPa 几率会极剧放大 排气塞堵塞型沾模 排气塞堵塞型沾模 排气塞的位置和大小是获得合格砂芯充分而必要的条件 在日常 制芯过程中排气面积会因沾附树脂和砂粒而逐渐缩小 伴随而至的将是砂芯射不紧 吹不 实 有些操作人试图用提高射砂压力 提高吹胺量和吹胺压力的方法来纠正这种缺陷 其 结果 不但射不紧 吹不实沒得到解决 而且又出现了严重的沾模问题 我们称这种失效 为排气塞堵塞沾模 水份型沾模 水份型沾模 混合料与芯盒之间温差大 空气中的水份会在芯盒表面结露 另外如脱 模剂中水较多 喷雾过量 汽化以后残余水份也会停留芯盒表面 这些微量水份既大大增 加了脱膜阻力 又严重削弱了砂芯表面强度 致使芯盒表面沾附树脂夹砂层 混砂型沾模 混砂型沾模 在冬天树脂粘度相对变大 混砂工艺又沒做动态调控 或混砂机刮刀 护板磨损间隙过大而未及时更换 都会导致混和料中树脂未均匀包覆在砂粒表面 存在树 脂部分集中现象 混合料射入芯盒后 就会导致沾模 如沾模呈点多 面小 膜厚大多属 混砂不匀型沾模 1 2 失效对策失效对策 2 针对沾模的种类和原因可分别采用对应的解决方法 对于能量型沾模在可能的条件下 降低射砂压力 不同的射砂机构会有不同的射砂压力 目前 在行业中较低的射砂压力可 达 0 2MPa 我们在解决不少用户沾模失效的时候 用不断降低射砂压力的方法 根据沾模 和砂芯成形情况 确定适宜的射砂压力 收到了较好的效果 对于排气塞堵塞型沾模应定 时消理 洗 排气塞 我们建议室温 20 时 芯盒清理周期 4 小时 室温每上升 5 芯盒清理周期缩短 30 分钟 不担倡提高射砂压力 提高吹胺量和吹胺压力来维持生产 对 于水份型沾模 我们建议制芯前 关闭制芯机射砂 吹胺等动作 压紧芯盒后吹热压缩空 气 时间不小于 5 分钟 另外选用无水脱模剂 及时清理三乙胺日耗罐中积水 都会收到 事半功倍的效果 对于混砂型沾模 只要维护保养好混砂系统 及时调整砂温 混砂时间 等即可 2 砂芯局部固化不良砂芯局部固化不良 2 1 失效原因失效原因 造成砂芯局部固化不良到底是混砂问题还是吹胺问题 我们可根据局部固化不良的部 位是变化的还是固定的来判定 混砂导致的固化不良 它的部位是变动的 例如 某厂进 气管芯局部固化不良 而且不固化部位的砂子还是湿的 不像是没混好的砂子 但是它的 芯子不固化部位是变化的 因此判定问题还是出在混砂上 细查混砂机 结果发现混砂时 有根树脂管时常被堵住 那么不固化的砂子实际上只有一个树脂组份 当然是不固化了 2 2 失效对策失效对策 吹胺问题导致的固化不良它的部位是相对固定的 吹胺量 吹胺压力 吹胺时间不够 芯盒密封不好或者是芯盒吹胺嘴和排气塞设置位置不当 进排气面积比例不当都将导致此 类问题发生 胺法冷芯盒排气面积一般占进气面积的 70 75 我们知道胺是按最短路径 逸出的 胺没有扩散到的部位砂芯自然是不固化的 检验的简单方法有 有透明胶带将砂 芯不固化的部位附近的排气塞堵住 看这个部位还固化不固化 如能解决当然要比增加胺 量 吹胺时间 压力更为理想 3 砂芯局部疏松砂芯局部疏松 4 3 1 失效原因失效原因 砂芯局部射不实 局部疏松 特别是形态复杂的一级或特级砂芯制造过程中 例如内 燃机缸体 缸盖水套芯 射不实缺陷尤为多见 芯废率较高 冷芯盒砂芯的紧实过程是动能和压力差综合作用的结果 射砂压力为芯砂紧实提供动 能 高速砂流碰到静止的芯盒产生强烈的撞击 使芯砂紧实 在射砂管垂直散射角大于 3 300的其它部位 则主要依靠该部位与射口之间的压力差而紧实 对形状呈扁平网状结构的 砂芯而言 很多部位的紧实则是压力差紧实为主 而动能紧实为辅 如果芯盒排气塞位置 设置不合理 排气面积过小 或者在生产过程中 排气塞堵塞而没有及时清理 在射砂过 程中 与芯腔同等体积的空气没能在射砂时间内及时排出 产生了气垫现象 没有形成压 力差 砂芯就会产生局部疏松 例如芯盒活块 园角 凸台等处 严重时还会出现射不满 的现象 失效对策失效对策 1 调整保养好制芯机 对于扁平网状复杂的一级或特级砂芯而言 往往需要较高的射 砂压力和更快的建压速度来保证砂芯的致密度 因此 用于生产此类砂芯的冷芯盒制芯机 需要更大的芯盒夹紧力和更快的射砂阀开启速度 通常射砂面积芯盒夹紧力至少应在 1 2Kg cm2 以防止 喷砂 和射砂时芯盒位移 在实际生产过程中 要十分注意做好射 砂筒料位的维护保养工作 确保定量准确地向射砂筒中加砂 每次射砂时 射砂筒中能储 存 2 倍的射砂量 可有效降低气砂比 减少芯盒排气负担 另外 制芯机射砂阀排气网要 每班清洗 防止堵塞和排气背压太高 2 优化组合工艺参数 调整射砂压力 时间 含射砂后的延时时间 和射砂次数 获 得致密度均匀的砂芯 优化组合吹胺压力 时间和吹胺量 有效的吹胺是让 雾化 良好 的三乙胺气体均匀通过砂芯的每一个角落 应检查芯盒分型面或吹气管道是否泄漏 三乙 胺通过砂芯时是否有排气塞提前排气等 通常可在吹气板适当的位置安装压力表 用以观 察吹胺吹气时的压力变化 该压力应控制在 0 15 0 20 MPa 以防止吹气管下方砂芯产生 孔洞 砂芯在吹气以后 应基本闻不出三乙胺的气味 吹气时间与吹胺时间的比应控制在 6 10 之间 3 正确把握芯砂可使用时间 影响混合料可使用时间的主要因素有原砂中碱性化合物 的含量 用 PH 3 时的耗酸值来度量 水份和温度 在可使用时间内芯砂流动性很好 充 填性优良 砂芯易于紧实 4 调整三乙胺净化塔的风量和风压 防止芯盒产生过大负压 因为较大的负压将导致 吹胺吹气产生紊流 导致吹胺量加大和局部不固化 为避免此种情况的发生 可在芯盒抽 风框上安装真空压力表 表指示值通常应 0 05 MPa 并以此来调整三乙胺净化塔风量和 风压 4 砂芯断裂砂芯断裂 4 1 失效原因失效原因 4 砂芯起模时产生裂纹 甚至断裂 是形态复杂的一级或特级砂芯制造过程中 又一常 见缺陷 形态复杂的一级或特级砂芯 表面积很 大 在顶芯时为了克服砂芯与芯盒之间过大的表 面张力 砂芯很容易发生断裂而报废 按照树脂 砂芯断裂功的概念 3 这种断裂是由两个部分 的能量组成 一是砂芯由断裂而增加的表面积所 消耗的能量 二是砂芯断裂前发生塑性变形所消 耗的能量 它可以由抗拉或抗弯试验所测及的应力 应变曲线下包含的面积来计算 如右图 所示 图中 A 虽然极限应力最高 C 极限应变量最大 但它们的断裂功都没有 B 大 在顶 芯时都会断裂 而强度和韧性都适中的 B 砂芯却因为它具有最大的断裂功 顶芯时不会断 裂 4 2 失效对策失效对策 1 适宜的出盒强度和断裂变形量 实践证明 冷芯盒砂芯的断裂形式和断裂功是固化 时间的函数 吹胺量少 时间短 砂芯具有明显的塑性变形的特征 能承受的顶芯载荷不 大 变形量比较显著 过度吹胺和延长吹胺吹气时间 砂芯具有显著的脆性特征 能承受 的顶芯载荷加大 而变形量却小了 只有在适中的吹胺量和吹胺吹气的条件下 砂芯才具 有最大的断裂功 在顶芯时方可不出现断裂现象 2 定时保养芯盒 此类芯盒结构复杂 随行活块较多 及时清理表面 尤其是活块 顶芯装置处的浮砂 树脂污垢等 这对保持芯盒及顶芯机构必要的尺寸及位置精度就显得 非常重要 顶芯机构的精度及稳定性是保证砂芯不断裂的前提条件 如顶芯机构顶芯时稳 定性超差 砂芯虽具有最大的断裂功也将无济于事 5 涂料烘干砂芯变形涂料烘干砂芯变形 5 1 失效原因失效原因 扁平 杆状类砂芯在涂覆水基烘于以后 往往会发生变形现象 例如某柴油机 6 缸缸 盖水套芯 长 1260mm 呈扁平网状结构 喷涂水基烘干后 长度方向变形量大于 3mm 冷芯盒砂芯脱模后 在自由状态下继续后期的固化过程 在此过程中 树脂粘结桥中不溶 于水的溶剂将逐渐挥发 粘结桥将完全固化 强度将达到最大值 如果砂芯各部位的壁厚 差异悬殊 园角 尖角 凸台很多 不同部位的溶剂挥发和后期固化速度存在着明显差异 特别是在上水基涂料后的烘干过程中 烘干板表面不平度超差 升温速度过快 保温温度 过高 将导致砂芯发生不同程度的变形 轻者将使铸件相关壁厚超差 严重时将使铸件报 5 废 5 2 失效对策失效对策 1 适当提高出盒强度 控制二次固化强度的上升百分比 一次固化是在高压压紧的芯 盒中完成的 可适当提高吹胺量 适当延长吹胺时间 提高砂芯出盒强度 减少在自由状 态下的二次固化上升的强度 二次固化上升的强度与出盒强度的百分比最好 50 2 工位器具要有足够的精度 砂芯出盒后要经过运输 加工 上涂料 烘干和组装工 序 此时承载的工位器具应有足够的刚度 表面不平度应 0 5mm 应及时清除涂料滴 保特清洁 烘干时平放 冷至室温时侧放 3 尽快涂覆水基涂料 砂芯出盒后 在可能的条件下应尽快涂覆水基涂料 此时 树 脂桥中的溶剂大部分尚未挥发 它可以阻止水分向砂芯内层的过渡渗透 这既可以预防水 分对尚未完全固化树脂桥的损伤 又可以缩短干燥时间 4 适宜的升温速率和烘干温度 砂芯二次固化的速度随着温度的升高而加快 过快的 反应速度则使砂芯内产生较大的内应力 我们建议 此类砂芯上水基涂料后的升温速率不 大于 30 min 6 过量冷芯盒旧砂致使型砂品质变差过量冷芯盒旧砂致使型砂品质变差 6 1 失效原因失效原因 在大批大量应用冷芯盒砂芯的铸造潮模砂生产线 运行一个时期以后 会发生型砂品 质变差的情况 其后果是废型增加 铸件夹砂等缺陷日趋严重 我们针对这种缺陷做了一 些试验与分析 概略情况如下 在浇注时 部分砂芯的砂粒会暴露在还原性气氛和高温中 使树脂膜发生不完全燃烧 使残留碳 光亮碳 包覆在砂芯表面砂粒上 这会影响膨润土对 其砂粒的混均与粘结 便型砂变脆 另外未加热或部分烧损的废芯砂大量进入型砂以后 在浇注时 产生蒸馏物被凝聚区 高湿区 的膨润土所吸收 即产生所谓的钝化作用 显著 降低型砂的热湿拉强度 6 2 失效对策失效对策 冷芯盒砂芯在浇注以后呈三种物理状态 一是树脂膜完全绕损的粒状 二是树脂膜部 分绕损的半块状 三是树脂膜无烧损的砂芯 我们将它们碾成粒状 模似现场情况 按不 同比例将它们加入旧砂 制成型砂试样和试样铸型 分别测其紧实率 透气率 湿态强度 热湿拉强度 韧性等性能 分析三种状态的冷芯盒砂芯不同的加入量对型砂性能的影响现 律 尔后再将试样铸型浇注同质铁液 观察对铸件质量的影响 多次试验结果表明 混有完全烧损的残留砂芯对型砂的性能几乎没有影响 混有 10 部分烧损残留砂芯的 6 型砂破碎指数 紧实率开始下降 而混有 5 未受热残留砂芯时 型砂性能发生明显变化 破碎指数 紧实率和热湿拉强度都降低了 10 30 湿压强度未受影响 其中紧实率和热 湿拉强度最为敏感 混有完全烧损的残留砂芯对试样铸件质量未发现不利影响 相反试样铸件更加光洁 而混有 5 未受热残留砂芯的试样铸型 浇出的试样铸件出现了明显的夹砂缺陷 目前大量铸造厂的实践上证明 型砂中含有冷芯盒残留芯砂对其特定性能确有一定影 响 但是 只要工艺调控得当 尤其是活性膨润土和水份调控到位的话 在大多数的型砂 中还是可以容纳大量冷芯盒残留芯砂的 但必须注意 1 尽量减少砂芯树脂加入量 尽量增加砂芯通气面积 2 增加混砂时间 增加钠膨润土含量 并使型砂的有效粘土量保持稳定 3 适当地提高浇注温度与速度 在开箱至破碎段中 想方设法去除块的砂芯 尤其是 未受热的废砂芯 7 铸件脉纹缺陷铸件脉纹缺陷 2 7 1 失效原因失效原因 用冷芯盒工艺生产的铸件出现脉纹的几率较大 所谓脉纹是形状像锯齿状的金属网状 凸起物 它产生的基本原因有两个 一是石英砂在 573 发生相变 体积膨胀致使砂芯表 面开裂成缝 二是砂芯被高温铁水所包围 产生大量气体难以快速排出 腔内瞬时压力大 于铁水渗透阻力 致使铁水渗入裂缝形成脉纹 如果铸件型腔复杂 此处砂芯渗满铁水而 烧结 形成网状堵塞 很难清理 7 2 失效对策失效对策 1 原砂不宜选用高纯度石英砂 二氧化硅含量应小于 95 二氧化硅在高温铁液的作 用下会发生晶型转变而发生线性膨胀人们习惯称为 微观膨胀 但是 这种膨胀只要工艺 措施得当 可使砂芯在宏观上体积少产生或不产生膨胀 即砂芯不开裂成缝 其主要措施 就是调整原砂粒度分布 选用粒度相对分散的原砂 即从常规的三筛法变为四筛或五筛法 此时原砂粒径差异较大 它们发生线性膨胀的时间亦有先后 可有效减少水套砂芯的 宏 观膨胀 减缓了砂芯的热开裂倾向 2 选用第三代抗脉纹添加剂 第三代抗脉纹剂是继特种砂 有机复合物之后而研发成 功的新一代原砂添加剂 它是一种硅酸盐 金属氧化物经特别处理的多元复合化合物 在 常温条件下 它既不影响混合料可使用时间 流动性 固化速度 仓储时间等常规使用性 能 又不增加砂芯的发气量 在高温条件下 它能和二氧化硅发生物理化学作用 形成低 7 熔点的多元玻璃态物质 增加砂芯的热强度和热塑性 吸收石英砂在 573 发生相变时的 体积膨胀 减少砂芯 型 热开裂的趋势 封堵裂纹 增加金属液渗透阻力 防止砂芯气 体向铸件内扩散 加入原砂重量的 5 10 可有效解决脉纹缺陷 3 选用高温塑性好的树脂 目前国内市场冷芯盒树脂品种规格繁多 它们的高温塑性 和热稳定时间存在较大差异 即它们对产生脉纹的倾向和程度各不相同 我们可以利用高 温性能测试仪 来检测树脂试样在 1350 高温定载条件下 最大变形量 最小变形量和热 稳定时间 作为衡量树脂高温塑性 耐热冲击稳定时间和试样热膨胀量高低的量化指标 我们建议 树脂最大变形量 高温塑性 4mm 急热膨胀量小 O 1mm 耐热冲击稳定 时间 195 秒 可作为选用冷芯盒树脂的参考指标 8 铸件光亮碳缺陷铸件光亮碳缺陷 8 1 失效原因 失效原因 光亮碳 缺陷属铸件表面缺陷 又称为 橘子皮 缺陷 它是在高温金属液充填铸型时 树脂受热分解析出碳 这种碳外观发亮 故称为光亮碳 这种光亮碳在允许范围内 可在 铸型与金属界面形成还原性气氛 减少金属液氧化 提高铸件表面粗糙度 但是如果这种 光亮碳在金属液流前面大量堆集 就有可能使铸件表面增碳 使铸件表面硬度增加 脆性 增加 影响加工和表观质量 它容易在进入铸型型腔的第一股铁水的两边产生 也易于产 生在内浇口附近 常见于液流的侧面和上面 如果所用的浇