【2017年整理】冷芯盒工艺优典型失效案例分析.doc

1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1.1. 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：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：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：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2.1 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（4）3.1 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3300 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 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/cm 2，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4.1 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5.1 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℃/min6.过量冷芯盒旧砂致使型砂品质变差6.1 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（。