冷芯改性剂对缸体缸盖内腔清洁度的影响

张世伟

（平顶山伟业铸造材料有限公司，河南 平顶山 467000）

 

摘要：概述了冷芯树脂砂生产条件下，影响发动机缸体缸盖内腔清洁度的主要因素及其形成机理；综述了当前国内铸造企业解决发动机缸体缸盖内腔清洁度的常见技术方案及存在问题；重点介绍了冷芯改性剂对缸体缸盖内腔清洁度的改善案例。生产实践表明：冷芯改性剂具有彻底消除铸件内腔脉纹、抑制砂芯烧结、缓解内腔表面粘砂及防止铸件尺寸超差（收缩变形）等实践效果，并具有综合成本上的优势。

 

关键词：冷芯改性剂；内腔清洁度；脉纹；烧结；粘砂；涂料皮；材料成本

 

随着汽车终端客户对发动机性能和三包里程的诉求不断提升，发动机主机制造厂对铸件供应商产品质量（合格率、尺寸精度、材料性能及加工性能等）的要求也不断提高，尤其对发动机缸体缸盖内腔清洁度提出了更高要求，并将缸体缸盖内腔清洁度纳入了每批铸件的必检内容。如美国康明斯在国内某合资柴油机制造厂，要求单件缸体缸盖内腔清洗后标准杂质极限重量为30mg，标准磨粒极限尺寸为1.6mm。因此，铸造企业需刻不容缓在工艺和材料上不断探索和创新，从根本上改善发动机铸件的内腔清洁度，进一步提升客户满意度。

采用冷芯树脂砂生产缸体缸盖内腔砂芯时（一般指进排气道芯、水道芯），较容易在铸件的内腔（一般指进排气道、水道）表面出现脉纹缺陷^[1-2]。铸造企业为解决内腔脉纹缺陷，减少铸件清理工作量和提高铸件品质，较为普遍的做法是在冷芯混砂时加入一定比例的抗脉纹添加剂，利用抗脉纹添加剂在高温下的退让性（软化，或灼烧），降低砂芯受热时的膨胀倾向，达到抑制脉纹缺陷产生的目的。由于市场供应的商品抗脉纹添加剂品质鱼目混杂，导致发动机缸体缸盖铸件内腔脉纹改进效果也参差不齐，一些企业因不当使用市场抗脉纹添加剂，铸件脉纹缺陷未得到有效的解决（或消除），却衍生内腔砂芯烧结、内腔表面粘砂恶化、内腔尺寸超差（收缩变形）甚至断芯等严重问题，内腔清洁度未得到根本的改善，铸件内腔的清理工作量未得到减少，生产成本却增加（材料成本及芯废成本），严重困扰技术人员的改善信心。

发动机缸体缸盖内腔清洁度已成为衡量铸件品质重要的一项指标，当缸体缸盖水道腔内清洁度超标时，影响发动机水循环系统的冷却功能，严重则导致发动机烧缸、拉缸等安全隐患；当缸盖气道清洁度超标时，影响气道（指进气道）的涡流特性（涡流比），降低发动机的工作性能，严重则造成发动机报废。因此，提高缸体缸盖铸件内腔清洁度成为当前铸造行业重点研究和亟需解决的课题。

本文主要针对冷芯树脂砂生产条件下，基于当前国内铸造企业发动机缸体缸盖内腔清洁度现状及改善案例，重点介绍冷芯改性剂对发动机缸体缸盖内腔清洁度的综合改进效果及其成本优势。供铸造同仁参考、求证。

 

一、影响内腔清洁度若干因素

影响缸体缸盖内腔清洁度的因素主要有脉纹、烧结、粘砂及涂料皮等。

脉纹是冷芯树脂砂铸件常见的铸造缺陷之一，通常在铸件内腔圆角、平面及高温热节处出现的形状像锯齿状的不规则金属凸起物。产生脉纹的根本原因是高温铁液作用于砂芯引起硅砂的膨胀裂纹。而树脂砂原砂一般选用天然硅砂，硅砂中主要为石英，其化学成分是SiO₂,自然界的石英多为β石英，随着温度的变化和冷却速度的不同，石英可以多种同质异晶的形态存在，并相应产生不同的体积和密度的变化。当浇注过程中该处石英砂温度被加热到573℃时结构发生转变，由β石英转为α石英，体积急剧膨胀，产生了较大的相变应力，当其大于该部位砂芯高温粘结力时，产生龟裂现象，会导致金属液渗入裂纹中产生飞翅凸起现象，形成脉纹缺陷^[3]。

 烧结是指内腔砂芯烧结（气道芯、水道芯），如树脂砂中加入了一定量的低熔点无机物（一般为碱性物或碱性氧化物），在铁液浇注和凝固过程中，低熔点无机物与砂芯中的涂料、树脂及石英砂等发生复杂的物理作用（熔合）和化学反应（形成硅酸盐类化合物），反应产物具有较高的强度和硬度，并与铸件内腔表面粘附牢固，严重时把整个内腔通道堵实，形成砂芯烧结。砂芯烧结一般很难直接通过抛丸（或喷丸）工序彻底清除干净，需使用特制工具预先进行清铲，甚至需要多次喷丸才能彻底清除表面粘附的铁砂混合物或涂料（皮）残余，达到内腔清洁度检查标准。在石英砂为主要原料的冷芯树脂工艺生产条件下，砂芯烧结与不当使用碱性无机物类抗脉纹添加剂直接相关。

内腔粘砂受多种因素的影响，如模具状态、砂芯致密度（砂芯疏松）、砂芯耐火度、涂层渗透深度及涂料耐火度等。内腔粘砂一般指机械粘砂，金属液渗入到砂芯中，形成砂铁机械混合物，牢固地粘附在铸件内腔表面，关于内腔粘砂形成机理本文不再赘述。需要指出的是，因不当使用有机物类抗脉纹添加剂造成内腔粘砂恶化的现象不容忽视（下文粘砂案例以不当使用有机类抗脉纹添加剂作为分析对象）。有机物类抗脉纹添加剂在高温下能进行分解和燃烧，具有良好的退让性能，能有效缓解砂芯受热膨胀（抑制脉纹缺陷），但有机物分解燃烧造成砂芯内部孔隙增加，砂芯抗金属液渗透能力降低，最终导致内腔粘砂恶化。同时有机物的分解燃烧容易导致砂芯的收缩变形，含有部分有机物添加剂（如木屑类、淀粉类）的砂芯在200℃左右温度下烘干将会产生一定量的变形（收缩），铁水浇注后变形量更甚，这对铸件关键尺寸的影响是非常致命的。

铸件内腔涂料皮与涂料的选择使用及铸件内腔的喷丸环境直接相关，一些工厂为寻求有效的内腔脉纹缺陷解决措施，采用具有抗脉纹功能的涂料（商品名为防脉纹涂料。资料介绍其利用涂料层保温隔热的原理，延缓砂芯受热膨胀的时间，达到抑制金属液渗入的目的（抑制脉纹缺陷）。笔者无意对防脉纹涂料作用机理和功能提出质疑，在砂芯膨胀系数低（如原砂中混配一定比例膨胀系数低的特种砂）的条件下防脉纹涂料对于消除轻微脉纹缺陷具有良好的改善效果，但当砂芯膨胀系数较高（如纯度较高的石英砂）的条件下，其作用效果比较微弱，不能从根本上消除脉纹缺陷。且防脉纹涂料一般涂层厚度均较厚（湿态厚度达350μm以上），在铸件内腔喷丸环境较差情况下，内腔表面极容易出现粘附牢固的涂料残余（片状），导致内腔清理难度增大，铸件内腔清洁度降低。

二、改善内腔清洁度常见措施及存在问题

国内铸造企业根据不同的生产条件，围绕铸件内腔脉纹缺陷，从不同角度开展了技术攻关，其中采用膨胀系数低的特种砂代替石英砂（或混配一定比例的特种砂）、浸涂时采用防脉纹涂料及混砂时加入一定比例的抗脉纹添加剂（或铁红粉）三种技术方案较为普遍，核心目标均为减少（或延缓）砂芯的受热膨胀。笔者多年来在铸造行业从事技术服务工作，有幸和铸造同仁多次探讨、请教有关铸件内腔脉纹的形成机理，并见证了不同技术方案对内腔脉纹的改善效果，以及存在的相关衍生问题（烧结、粘砂、涂料皮及成本压力等）。

1、采用铬铁矿砂和宝珠砂

铬铁矿砂属于尖晶石类矿物,主要成分为FeO·Cr₂0₃，膨胀系数为8×10^-6/℃,宝珠砂主要成分为Al₂O₃，膨胀系数为6×10^-6/℃。铬铁矿砂和宝珠砂化学特性均为中性材料，具有很好的抗碱性渣的作用,不与氧化铁等发生化学反应，有利于防止熔融金属的渗透^[4]。

Y铸造厂按照铬铁矿砂和石英砂1：1的比例配置复合砂，采用冷芯工艺生产4缸汽油机缸体水道砂芯，树脂加入量为1.6%（组份Ⅰ和组份Ⅱ各占50%），混砂时不加抗脉纹添加剂，生产出来的铸件水道内壁10%比例存在脉纹缺陷（图1）。后按照铬铁矿砂和宝珠砂1：1的比例重新配置复合砂进行试验，树脂加入量不变，混砂时不加抗脉纹添加剂，缸体水道内腔脉纹得到消除。

D铸造厂生产缸盖时按照宝珠砂和石英砂1：1的比例配置复合砂，采用冷芯工艺生产6缸柴油机缸盖进、排气道砂芯，树脂加入量为1.6%（组份Ⅰ和组份Ⅱ各占50%），混砂时不加抗脉纹添加剂，生产出来的铸件进排气道内壁20%比例存在脉纹缺陷（图2）。后将宝珠砂比例提高到100%时（不混配石英砂），缸盖气道内腔脉纹得到消除。

       

图1 缸体水道脉纹缺陷                      图2 缸盖进气道脉纹

2、采用防脉纹涂料

防脉纹涂料是利用涂料层的保温隔热的原理，延缓（延后）砂芯受热膨胀的时间，抑制金属液渗入砂芯，防止脉纹缺陷^[5]。

B铸造厂采用围场砂（SiO₂含量为92%）冷芯工艺生产6缸柴油机缸盖进、排道砂芯，混砂时不加抗脉纹添加剂，分别试验了3种国外品牌的防脉纹涂料，涂料比重控制在1.36~1.38，涂层湿态厚度控制在350~400μm。经过多轮对比试验，3种防脉纹涂料对缸盖进排气道内腔脉纹缺陷均无根本的改善，仅缺陷形态有减轻趋势(图3)。同时使用防脉纹涂料后缸盖内腔（水道、气道）出现淡黄色的涂料皮（图4），清理难度大，在缸盖加工清洗过程中及发动机使用过程中存在涂料皮脱落的风险，不能满足客户对内腔色差及内腔清洁度的要求。     

                 

           图3 缸盖进气道脉纹                          图4 气道内腔涂料皮

3、采用抗脉纹添加剂

硅砂中加入一定比例的抗脉纹添加剂，可在一定程度上减轻或消除脉纹^[1-2]。

常见抗脉纹添加剂按照主要组成分为无机物和有机物两大类。无机物抗脉纹添加剂主要是一种硅酸盐、金属氧化物经特别处理的多元复合化合物，加入量一般为5～10％^[6]。有机物抗脉纹添加剂主体成分为木屑类或植物淀粉类，有时混配一定比例的铁红粉（Fe₂O₃），有机物抗脉纹添加剂加入量一般为1.0%~2.0%。

S铸造厂采用围场砂（SiO₂含量为92%）冷芯工艺生产6缸柴油机D系列缸盖进、排道砂芯，树脂加入量1.8%时（组份Ⅰ和组份Ⅱ各占50%），正常生产时加入5.0%某国内品牌无机类抗脉纹添加剂，脉纹比例达20%左右，进排气道内腔伴有轻度烧结。后将抗脉纹添加剂（同品牌）加入量提高到8.0%，脉纹缺陷基本消除，但进排气道内腔出现严重的烧结，烧结比例达100%（缸盖24处进排气道管口狭窄部位均被堵实，图5）。

S铸造厂后来试验某国外品牌的有机类抗脉纹添加剂，原砂及树脂加入量不变条件下，按照厂家推荐的抗脉纹添加剂加入量为2.0%，经过小批量试验，脉纹缺陷基本消除。铸件清理时发现进排气道内腔多处圆角位置出现粘砂（图6），但可以通过合金磨头完成清理至清洁状态，相比脉纹缺陷清理难度要小很多，添加剂成本也降低了50%左右， S铸造厂对该技术方案总体较为认可并计划推广。

      

       图5 进气道烧结                         图6排气道圆角处粘砂

S铸造厂对该批铸件进气道关键尺寸(图7))划线时发现，采用该有机类抗脉纹添加剂后，铸件进气道尺寸发生平均2.0mm（累计值）左右的收缩（表1）。经过调查分析，进气道收缩主要产生在砂芯烘干和浇注两个阶段。将抗脉纹剂加入量调整为0.5%和1.0%进行试验，均出现不同比例的脉纹缺陷，且铸件进气道尺寸收缩值均大于1.5mm，无法满足客户对产品尺寸的精度要求（公差要求为±1.0mm）。

 

                          图7 进气道测量的关键尺寸

 

 

表1 浇注后铸件尺寸变化

	尺寸1	尺寸2	尺寸3	尺寸4	尺寸5	累计	偏差
理论值	120	120	120	120	120	600	0
铸件1	119.512	119.582	119.603	119.702	119.704	598.103	-1.897
铸件2	119.517	119.626	119.621	119.662	119.716	598.142	-1.858
铸件3	119.545	119.564	119.579	119.621	119.648	597.957	-2.043
铸件4	119.587	119.614	119.627	119.631	119.639	598.098	-1.902
铸件5	119.511	119.539	119.618	119.636	119.642	597.946	-2.054

 

三、冷芯改性剂在缸体缸盖应用

综上所述，发动机缸体缸盖内腔清洁度是衡量铸件品质的一项重要指标，解决内腔脉纹缺陷是提高内腔清洁度的首要目标，合理采用抗脉纹工艺措施是防止铸件产生（衍生）内腔烧结、粘砂恶化、内腔表面涂料皮及铸件尺寸超差的关键所在。近年来，铸造行业同仁一直致力于新工艺、新材料的研究和开发，以期从根本上消除内腔表面脉纹、抑制内腔砂芯烧结和内腔表面粘砂恶化等问题。冷芯改性剂经过长期的试验论证，其良好的综合性能对提高发动机缸体缸盖内腔清洁度具有显著的效果，并在相关企业应用中得到了实践证明。

1、产品介绍

冷芯改性剂是一种冷芯添加剂，外观呈深红色粉末状，100%通过300目，由多种硅酸盐、金属氧化物、无机物及有机物按一定比例混制而成的复合型材料，堆积密度为0.95~0.98g/cm³，含水量小于0.30%，灼烧减量小于1.5%。在冷芯混砂时与原砂同期加入，加入量一般为0.5~1.5%（占原砂重量，具体加入量根据砂芯形状尺寸及受热程度进行调整）。冷芯改性剂综合化学性质呈中性，偏弱碱性。冷芯改性剂手感细腻、润滑，其加入量低，不影响混制砂的流动性；冷芯混砂时加入少量冷芯改性剂不显著降低砂芯强度，通常情况下无需提高冷芯树脂的加入量。

2、试验案例

    S铸造厂生产的6缸柴油机D系列缸盖（上文述），改用冷芯改性剂生产进排气道砂芯。原砂采用围场石英砂（SiO₂含量为92%），每碾原砂定量加入300Kg，加入不同比例的冷芯改性剂（占原砂重量的0.6~1.5%），预混10s，再加入1.6%冷芯树脂，混砂100s。按照冷芯改性剂加入量由高到低，对应冷芯砂的即时强度范围为1.04~1.42MPa。砂芯表面呈淡红色，砂芯致密无疏松（图8，图9）。

      

图8  6缸柴油机D缸盖进气道砂芯            图9  6缸柴油机D缸盖排气道砂芯

 

   进排气道砂芯组芯后进行浸涂及烘干（中间烘干区设定温度为200℃，设定烘干时间为70分钟），对加入不同比例的冷芯改性剂生产的进排气道砂芯关键尺寸进行测量，并与原工艺砂芯尺寸对比（原工艺为加入8.0%无机类抗脉纹添加剂），芯组烘干后进排气道砂芯关键尺寸与原工艺对比无明显差异（累计值差异小于0.2mm）。

 

3、试验结果评价

S铸造厂使用冷芯改性剂（试验）生产6缸柴油机D系列缸盖进排气道砂芯，统计对比缸盖进、排道砂芯加入不同比例的冷芯改性剂的内腔质量（脉纹缺陷比列），对比数据见表2

表2  不同比例冷芯改性剂的砂芯强度及脉纹情况

冷芯改性剂加入比例（%）	砂芯即时强度(MPa)	试验数量（件）	总孔数 （个）	脉纹数量 （处）	脉纹不良率 （%）
0.6	1.42	20	480	40	8.3
0.8	1.36	20	480	18	3.8
1.0	1.25	20	480	0	0
1.2	1.12	20	480	0	0
1.5	1.04	20	480	0	0

 经过试验对比，采用冷芯改性剂生产6缸柴油机D系列缸盖进、排道砂芯，当冷芯改性剂加入量在1.0%时，缸盖内腔清洁度及综合品质（及成本）最佳。通过三坐标对进排气道关键尺寸进行测量，并与原工艺尺寸对比（原工艺为进排气道砂芯加入8.0%无机类抗脉纹添加剂），当冷芯改性剂加入量在0.6~1.5%范围时，缸盖进排气道关键尺寸均在公差范围内，符合图纸要求，与原工艺对比无明显差别（数据略）。由此可见，冷芯改性剂不显著影响砂芯和铸件尺寸的稳定性，砂芯和铸件关键尺寸无超差（收缩变形）问题。

S铸造厂结合不同缸盖进排气道形状尺寸，确定了不同缸盖进排气道砂芯的冷芯改性剂加入比例。得出：冷芯生产工艺条件下，原砂采用围场石英砂（SiO₂含量为92%），对于柴油机缸盖进排气道砂芯，合理的冷芯改性剂加入比例在1.0%~1.2%之间（注：同等冷芯工艺条件下，对于柴油机缸体或汽油机缸体水道砂芯，冷芯改性剂加入比例在0.6-1.0%之间为宜）。所生产的缸盖气道内腔无脉纹、烧结、涂料皮及断芯等缺陷（图10,图11）。

  

 图10  6缸柴油机D系列缸盖内腔            图11  6缸柴油机B系列缸盖内腔

 

需要特别说明的是：内腔粘砂受多种因素的影响（如砂芯致密度、砂芯耐火度、涂层渗透深度及涂料耐火度等）。本文以冷芯添加剂作为分析对象，旨在阐述不当使用冷芯添加剂将造成铸件内腔粘砂的恶化。基于材料的作用机理和应用结果，冷芯改性剂本身并不能减少（或解决）铸件内腔的粘砂缺陷。

 

4、材料成本对比

综合对比冷芯改性剂和铸造行业中改善内腔清洁度的常用材料成本，以S铸造生产的6缸柴油机D系列缸盖进气道砂芯（砂芯重6.5Kg)作为计算基准进行比较。计算得出：使用100%宝珠或宝珠加铬铁矿复合砂，砂芯成本最高；使用无机和有机抗脉纹添加剂砂芯成本较低，但存在内腔烧结、粘砂恶化、尺寸超差等问题；使用冷芯改性剂砂芯成本最低，且无衍生的内腔烧结、粘砂恶化及尺寸超差问题。对比数据如表3

表3 不同添加剂条件下进气道砂芯材料成本（不含树脂）

材料类别	原砂			抗脉纹剂			总成本	备注
	加入量	价格	成本	加入量	价格	成本
宝珠砂或 宝珠复合砂	100%	3.5 元/Kg	22.75元	0	0	0	22.75元	内腔清洁
无机抗脉纹剂	92.0%	0.3 元/Kg	1.76元	8.0%	12 元/Kg	6.24元	8元	内腔烧结
有机抗脉纹剂	98.0%	0.3 元/Kg	1.91元	2.0%	16 元/Kg	2.08元	3.99元	内腔粘砂、尺寸超差
冷芯改性剂	99.0%	0.3 元/Kg	1.93元	1.0%	25 元/Kg	1.63元	3.56元	内腔清洁

 

四、结论

（1）发动机缸体缸盖内腔清洁度是衡量铸件品质的一项重要指标。

（2）冷芯树脂砂生产条件下，影响发动机缸体缸盖内腔清洁度的主要因素有内腔表面脉纹、内腔烧结、内腔表面粘砂及内腔表面涂料皮等，解决内腔脉纹缺陷是提高内腔清洁度的首要目标，合理采用解决脉纹的工艺措施是防止铸件产生（衍生）内腔烧结、粘砂恶化、内腔表面涂料皮及铸件尺寸超差的关键所在。

（3）冷芯树脂砂生产条件下，冷芯改性剂能彻底消除铸件内腔表面脉纹缺陷，具有良好的抗烧结性能、抑制内腔表面粘砂恶化及防止铸件尺寸超差等实践效果，并具有综合成本上的优势。

 

参考文献：

[1]张继峰，铸件脉纹缺陷的成因分析与防止措施[J]，现代铸铁，2015，35（6）：82-84.

[2]林旭东，发动机缸体铸件脉纹缺陷的防止措施[J]，现代铸铁，2016，36（3）：79-81.

[3]黄天佑，造型材料[M]，北京：中国水利水电出版社，2006:57,161.

[4]李健，铬铁矿砂在铸件生产中的应用[J]，金属加工：热加工，2016，(9):6-7.

[5]陈和平，两种防脉纹涂料的研制与应用[J]，铸造工程，2005,29（1）：8-8.

[6]吉祖明，灰铸铁缸盖整体水套芯冷芯工艺的实效与对策[J],现代铸铁，2011,28(s1):71-77.

 

 

 

作者简介： 张世伟（1971.9.29），男，河南平顶山人，铸造工程师，主要从事铸造原材料制造、原材料贸易、原材料技术咨询及铸造技术服务等方面的研究工作。