一种冷芯盒壳体结疤的分析与控制

张百堂，魏长征，郝连客，谭业文，臧运平(.山东鑫昊精密机械有限公司，山东诸城 633 .济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 50306)

一种冷芯盒壳体结疤的分析与控制

张百堂1，魏长征1，郝连客2，谭业文1，臧运平1
(1.山东鑫昊精密机械有限公司，山东诸城 262233 2.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 250306)

阐述了冷芯盒壳体铸件结疤的特征，分析了结疤产生的机理，采取分散砂芯层的弱强度区措施，避免了在铁液液面越过该结疤区域前，砂芯层发生开裂、剥落，产生结疤的风险，从而解决了铸件局部结疤缺陷，稳定获得了健全的合格毛坯。

结疤；应力；热拉强度；小孔

某公司生产的变速箱壳体是一种运输车变速机构的重要外壳，毛坯不仅要求致密，外观也不允许存在明显铸造缺陷。变速箱壳体材质选用HT250，单重182 kg，大部分壁厚为12 mm，结构如图1所示。该毛坯用静压线造型生产，图2为型板模具布置图，一模两件，箱重421 kg，每包铁液浇4箱，每箱浇注时间控制在32～45 s，浇注温度在1 420～1 380 ℃，砂芯采用冷芯盒三乙胺法制造。自生产以来，在铸件分型面以上上箱约20～200 mm，形成宽约30 mm的带状缺陷，图3为铸件上的带状缺陷，缺陷在内腔与外皮相伴发生，这种现象可能发生在同包铁液的首箱，也可能发生在同包浇注的尾箱，一箱中可能有一件发生，也可能两件同时发生，发生缺陷即导致铸件为不合格品，不合格品率严重时高达40%。

图1　变速箱壳体示意图

图2　型板模具布置图

图3　内腔与外皮夹砂结疤缺陷

1　变速箱壳体结疤缺陷的分析

1.1铸件结疤的特征

结疤的一种表现形式为在铸件表面有局部凸出的长条或块状疤痕，其边缘与铸件本体分离，下面夹有一薄层砂或涂料层。把金属瘤状物或夹砂层清除以后，铸件表面就出现不规则的凹坑，凹坑中有一条形状不规则的凸出物，在厚大铸件的上型表面及下型的凸台顶面和过渡面上，容易出现这种形式的缺陷。另一种表现形式为由于金属液在砂型表面局部冲去了一块砂的地方或者在发生搅拌或沸腾现象的地方出现了一块凸出的疤［1］（约2～10 mm）。脱落的砂夹在疤块中或铸件的其它部位，也叫夹砂。总之，结疤是在铸件表面产生的疤片状金属凸出物，其表面粗糙、边缘锐利，有一小部分金属与铸件本体相连，疤片与铸件之间一般夹有砂层。

1.2变速箱壳体结疤缺陷的识别

变速箱壳体结疤缺陷（图3）是位于铸件分型面以上上箱约20～120 mm，形成宽约30 mm的带状区域缺陷。这种缺陷使芯子内表面形成的毛坯发生断续的或者连成条状的块状疤痕或者不规则的凹坑，在相对应的外皮区域，形成以夹砂为主的缺陷，即可判定该缺陷为结疤。

2　结疤形成的机理分析

2.1结疤的机理

根据变速箱壳体夹砂、结疤缺陷特征以及从缺陷对称的铸件内外表来看，芯子形成内腔的一侧经常是结疤或夹砂严重，而对应的外侧，从外表面的结疤、夹砂的面积或者数量看明显轻一些，因此可排除其与型砂有直接关系这个因素，可从冷芯盒树脂砂制芯的特点上给予考虑。

冷芯盒三乙胺法制造芯子时采用的树脂粘结剂，即在三乙胺参与但不消耗酶的催化作用下形成的聚氨酯，其交联度低，受热时产生软化或进一步交联强化。在铁液进入型腔后，砂芯表面受到了急剧的热作用，砂芯表层的水分以及粘结剂快速向砂芯内里迁移，而已经形成的饱和凝聚区因树脂粘结力作用被软化，其热拉强度快速下降［2］。芯砂水分每提高0.1%，砂芯强度会降低20%～30%，因此在高湿环境下芯子的结疤倾向增大。同时，砂芯因表层与内里受铁液烘烤加热的温度场梯度过于陡变，导致产生一定的热应力，且砂芯表层石英在573 ℃左右发生相变，由α相变成β相发生急剧膨胀，产生相变应力［2］。

在热应力与相变应力的双重应力作用下，表层砂芯在大约1～3 mm区域内芯砂形成的弱强度区，其较低的热拉强度无法抵抗双重应力作用，结果造成砂芯表层与里层发生脱落，或者从这个弱强度区向型腔方向拱起、开裂。铁液填充因开裂或脱离的砂芯砂层空间，而脱离本体的砂芯层占据了型腔内的铁液空间，造成夹砂结疤缺陷。

2.2变速箱壳体结疤原因分析

某公司生产变速箱壳体的芯砂为50/100目的内蒙古擦洗砂，SiO2含量以及粒度分布与角形因数等各指标均符合国标规定。冷芯盒制芯时树脂的两种组分按50∶50的比例配比，加入比例为砂量的1.5%～1.8%，固化剂为三乙胺，芯子制造出来存放3 h后刷黑色石墨粉醇基涂料，不点火，涂料比重为1.15～1.25 g/ml。在使用前用表干隧道窑烘干，出窑后不超过10 h使用完毕，水分要求控制在0.3%以下，用不完的芯子下次使用时二次烘烤。

由于缺陷集中在近似同一个区域，并且发现同包铁液浇注的不同箱铸件，或第一箱发生或末箱发生。同一箱内的两个铸件要么1号或者要么2号模样的铸件发生，也可能一箱中的两件同时都发生，这表明在铸件结构与浇冒口工艺布局一定的情况下，铁液的温度或者浇注速度对其有影响，因为铁液的温度或者浇注速度的变化在生产中是必然的；另一方面，对于芯砂、树脂以及树脂加入量等的微小变差，生产中也是存在的，所以上述变差不能是发生结疤的主要因素。

根据铸件缺陷所表现出的特征分析，结疤与夹砂发生的时机是铁液在型内上升至分型面以上并且在没有越过砂芯条状结疤区域前发生。在砂芯弧形结构区域，也是结疤发生的带状区域的砂芯，受铁液烘烤时间相对较长，产生的双重应力超出了砂芯固有的热拉强度，造成砂芯表层被迫开裂、剥落于母体，剥落砂块随着液面的上升粘附于外侧或者内侧，形成结疤或夹砂。同一个砂芯在浇注系统的一侧，即与结疤相对的芯子另一侧，因其近乎直上直下的立面垂直结构，使得这一侧芯子形成的铸件并没有发生结疤，显然是芯子外壁直上直下的立面垂直结构的优势发挥了作用，其受热导致的双重应力低于了同样弱强度区内芯砂的热拉强度。

因此，只有降低两种应力，或者提高高温弱强度区区间内的芯砂粘结力，即提高砂芯表层向砂芯里层大约1～3 mm区域内砂芯的热拉强度，是可以控制砂层发生变形、开裂甚至爆炸的有效手段。

3　解决措施

（1）提高冷芯盒芯子的热拉强度

为了冷芯盒芯子具备足够的热拉强度抵抗相变应力与热应力的双重作用，在形成结疤区域以及相邻区域，且涂刷过涂料的芯子上，不均匀的打上深5～10 mm、大小约φ5 mm的小孔，小孔的数量比刚刚不发生结疤时再多一些为好。这些小孔不仅具有排气作用，更主要是分化了弱强度区的区域分布使其深浅区域形成错层，等于变相提高了砂层的热拉强度，使同层的芯砂热拉强度的合力大于此时的双重热应力。这些小孔也可以换成一定深度的网状条纹，可到达同等效果，但网状条纹不如小孔带来的金属多肉便于清理去除。图4为裸露的砂芯和刷过涂料后打小孔的砂芯，图5为打过小孔的芯子形成的铸件内腔原貌。此外，还可以在芯子上打上一定数量的小钉子，目的即提高弱强度区内树脂砂层的热拉强度，使弱强度区的砂芯层牢固的固定在芯子母体上。

图4　裸露的砂芯和刷过涂料后打小孔的砂芯

（2）控制铁液对砂芯的烘烤时间

严格控制砂芯在型腔内浇注过程中铁液对砂芯的烘烤时间，确保砂芯表层含水量不超过0.3%，并且在短时间内把芯子尽量使用完毕，对当班使用不完的要二次烘烤以满足规定要求，这是减少弱强度区有机物或水分的措施之一。

（3）控制树脂加入量

在热拉强度不降低的情况下，尽量减少树脂加入量，而不是通过提高树脂加入量以提高芯砂高温抗拉强度，生产经验证明：提高树脂加入量的效果远不如降低树脂加入量的作用可靠。

（4）尽量分散砂粒粒度分布

将砂粒粒度分布由三筛变为四筛，以降低硅砂相变应力带来的危害。

（5）分散铁液的热量分布

分散进入型内铁液的热量分布，优化进水工艺，减少对固定结构产品的弧形局部区域烘烤时间，其作用等于减少了热应力以及减弱了热湿拉强度的降低幅度。

图5　打过小孔的芯子形成的铸件内腔原貌

4　结论

控制相变应力和热应力，或者提高弱强度区区间内的砂子粘结力，即提高三乙胺冷芯盒砂芯表层向砂芯里层大约深1～3 mm区域内砂芯的热拉强度，或者使弱强度区不在一个深度，这些措施是控制砂层发生变形、开裂的有效手段，也是控制该类夹砂结疤的根本措施。本变速箱体目前主要采用了打小孔和降低树脂加入量0.2%～0.3%等措施，虽然还要清理由此带来的金属多肉，但是因结疤导致的不合格品率已控制在0.8%以内，保证了品质并使毛坯稳定生产，为后续继续探索更先进的解决方案提供了参考依据。

［1］ 中国机械工业学会铸造分会编.铸造手册第五卷铸造工艺［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］ 于明道，邢其民，徐志新，等.冷芯盒缸体铸件内腔结疤分析与防止措施［J］.铸造，2003（3）：207-208.

［3］ 于明道.冷芯盒缸体结疤分析与防止措施［J］.中国铸造装备与技术，2003（1）.

A Cold Core Box Shell Analysis and Control of Scarring

ZHANG BaiTang1， WEI ChangZheng1，HAO LianKe2，TAN YeWen1， ZANG YunPing1
（1.Shandong XinHao Precision Machinery Co.Ltd.，Zhucheng 262233，Shangdong，China；2.Jinan Foundry & Metalforming Machinery Research Institute Co.Ltd.，Jinan 250306，Shangdong，China）

The characteristics of scarring have been expounded， the mechanism of scar has been analyzed，measures of scattering weak intensity area in sand core layer have been taken，cracking and spalling in sand core layer has been avoided in front of the iron liquid surface over the scar area，casting scar has been avoided，so local scar has been solved in the casting defects，qualifi ed blank has been obtained inStability.

Scar； Stress； Hot tensile strength； The holes.

TG245;

A；

1006－9658（2015）02-0034-03

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.010

2014-10-13

稿件编号：1410-684

张百堂（1968—），男，高级工程师，从事铸造质量与技术工作.