发动机铸件气道脉纹缺陷原因分析及解决措施

李清震，薛庆云，范文明

中国重汽济南铸锻中心 山东济南 250200

1 气道脉纹缺陷原因分析

中国重汽济南铸锻中心（以下简称“济南铸锻”）发动机铸件采用冷芯盒树脂砂芯铸造，常见铸造缺陷为气道脉纹。

冷芯盒树脂砂芯一般采用硅砂，主要的化学成分是SiO2。石英的晶体结构为Si-O四面体，自然界的石英多为β石英。当石英被加热到573℃时，开始出现从β石英到α石英的转变，Si-O四面体原子之间的网状连接伸直，产生体积膨胀。虽然这时的膨胀量不大，但转变的速度快，因此容易引起夹砂和脉纹等缺陷[1]。SiO2含量越高，产生脉纹缺陷的倾向越大，导致砂芯开裂，铁液钻入砂芯中，形成长条状脉纹缺陷。

2 解决气道脉纹缺陷的措施

降低原砂热膨胀和抵消原砂的热膨胀是解决脉纹缺陷的较好方法，因此济南铸锻从以下几个方面采取防止气道脉纹的措施。

2.1 降低原砂SiO2含量

低SiO2含量原砂受热膨胀变形小，变形速度较缓和，热强度高，因而芯砂具有较好的抗脉纹能力。硅砂SiO2含量高低主要与矿源有关，大部分硅砂SiO2含量都在85%～93%，部分黄河砂SiO2含量在80%～82%，经过水洗、擦洗、精选后可以进一步提高SiO2含量。

原砂的选用主要与合金种类、铸件的大小和结构、黏结剂种类等因素有关。铸钢件的浇注温度高，要求原砂耐火度高、透气性好，因此原砂中SiO2含量要高，杂质要少，砂粒要粗而均匀。铸钢件多选用SiO2含量在95%以上的硅砂。铸铁件的浇注温度较铸钢件低，原砂耐火度可以低一些。但铸铁件结构不同，所用原砂可在很大范围内变化，一般选用SiO2含量在90%左右的硅砂。硅砂中的SiO2含量每降低5%，其烧结点约下降50℃，因此对于硅砂的选用不宜盲目降低其SiO2含量。济南铸锻制芯原砂采用粒度为0.15～0.30mm（50/100目）擦洗砂，来自内蒙古砂源地的优质硅砂，SiO2含量在88%～92%。

2.2 原砂粒度不宜过度集中

粗砂的耐火度比细砂高，因此发生线性膨胀的时间也有先后。原砂粒度过于集中，发生膨胀越集中，脉纹倾向也就越大。济南铸锻一般采用集中度在80%～90%的原砂，粒度0.30mm（50目）的原砂含量稍大于粒度0.15mm（100目）的原砂含量。

2.3 使用抗脉纹添加剂

目前，在冷芯盒和覆膜砂生产工艺中，复杂砂芯的预防和减轻脉纹缺陷已主要依靠抗脉纹添加剂来解决。抗脉纹添加剂一般分为无机型添加剂和有机型添加剂。无机型添加剂是一种硅酸盐、金属氧化物经特别处理的多元复合物，为弱碱性。在高温条件下可与SiO2反应生成低熔点多元玻璃态物质，增强型芯的热强度和热塑性，吸收硅砂在573℃发生相变的体积膨胀，减少热开裂趋势。玻璃态物质还可以封堵裂纹，增加金属液渗透阻力，防止型芯气体向铸件内扩散。无机型添加剂一般加入5%～10%即可，加入过多时会增大树脂消耗，且夏季气温较高时对芯砂可使用时间影响较大。

有机型添加剂主要是由一些在高温时会燃烧灰化的材料组成。其抗脉纹原理为有机物经高温燃烧后，砂芯内部产生较多空隙，使砂芯退让性提高，可有效防止脉纹缺陷产生，但由此带来的是铸件型腔尺寸可能减小，因此应严格控制加入量[2]。有机型添加剂加入量一般为0.3%～1.5%，但因其堆积密度较小（约为0.3g/mL），即使加入量少，体积也会较大，因此加入量较多时对砂芯强度影响较大。另外，有机型抗脉纹添加剂发气量较大，加入量增加会带来气孔缺陷。

2.4 加入热膨胀较小的非硅质砂

非硅质砂如锆砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、陶粒砂及刚玉砂等，由于耐火度高、热膨胀系数小、蓄热性好，因此可用于小型铸铁件中受铁液长时间热作用的砂芯，以防止烧结、脉纹、缩松等缺陷。但非硅质砂一般价格较高，不宜大批量使用。

2.5 加入经高温焙烧过的硅砂

经高温焙烧过的硅砂被称为焙烧砂，是将擦洗砂加热到870℃以上，并具有一定的保温时间，使硅砂充分膨胀实现相变。经相变处理后，不但使膨胀率大幅下降，而且杂质更少，不仅能够减少黏结剂加入量，更能有效防止铸件产生脉纹、粘砂缺陷。

济南铸锻生产的某缸盖产品气道出现批量脉纹缺陷，抛丸后无法去除，需要人工清理，降低了清理效率，影响产品质量。气道混砂配比为擦洗砂+抗脉纹添加剂+双组份冷芯盒树脂，添加抗脉纹添加剂后仍然出现脉纹缺陷。

我们对现场制芯设备、工艺参数确认处于正常状态后，采取了以下试验方案。

1）混砂配比中加入一定量的陶粒砂。

2）混砂配比中加入20%～30%铬铁矿砂。

但是，生产的铸件精抛后发现进气道内仍然存在轻微脉纹缺陷，虽然脉纹程度减轻，可是仍无法根本解决脉纹缺陷问题。

添加特种砂后仍然无法消除进气道脉纹缺陷，为此我们又尝试在混砂配比中加入50%焙烧砂，抛丸后未发现脉纹缺陷，试验效果良好。原砂中加入50%的焙烧砂即可解决铸件脉纹缺陷，但由于前期铸件进气道位置脉纹缺陷没那么集中严重，且混砂机上方没有预留多余的储砂斗，因此原砂中加入50%的焙烧砂不容易实现。于是攻关小组利用鱼骨图分析方法，对生产的各个环节可能造成脉纹缺陷的因素进行了分析，如图1所示。

图1 脉纹缺陷原因分析

通过对树脂、涂料进货检验记录进行排查，树脂强度、涂料性能未发生较大波动。与此同时运用Minitab软件对近几个月的原砂含泥量、原砂AFS细度指数、砂芯强度进行数据分析，发现砂芯强度增加了约20%。经排查，近期只更换过树脂保温桶。为此我们进行了降低树脂加入量的试验，将树脂加入量降低约10%。降低树脂后，芯砂即时抗拉强度和24h抗拉强度恢复到原来的水平。试验铸件进气道位置脉纹消失，试验效果良好。

3 结束语

1）加入膨胀系数更小的非硅质砂可降低脉纹缺陷产生的倾向，但由于铸件结构、生产工艺的不同，且会使生产成本增加较多，因此非硅质砂未必能有效解决脉纹缺陷。

2）加入一定比例经高温焙烧的硅质砂，可以有效解决铸件脉纹缺陷。

3）使用抗脉纹添加剂可以有效解决脉纹缺陷，尤其是有机型抗脉纹添加剂对于解决脉纹缺陷效果甚佳。无机型和有机型抗脉纹添加剂各有优缺点，可根据需要择优选择。

4）砂芯强度过高时，脉纹倾向加大。