天津市雅步芯型材料有限公司 （300380） 時(shí) 偉 錢(qián) 進(jìn)

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)由幾十種鑄件組合而成，除平衡軸、飛輪等幾種鑄件外，大部分鑄件均采用覆膜砂制芯（型）生產(chǎn)，據(jù)不精確統(tǒng)計(jì)，組裝一臺(tái)經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)其鑄件所用覆膜砂在50kg左右。隨著汽車(chē)性能的不斷提高，對(duì)覆膜砂使用的要求也越來(lái)越高 。為適應(yīng)綠色環(huán)保要求，我公司開(kāi)發(fā)出多種具有特定用途的覆膜砂。一汽夏利發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)廠和鑄件配套廠已累計(jì)使用超過(guò)10萬(wàn)t覆膜砂用在發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件生產(chǎn)上。開(kāi)發(fā)環(huán)保的高性能覆膜砂，不但能有效解決鑄件廠使用覆膜砂后產(chǎn)生的污染問(wèn)題，還使鑄件水平有了進(jìn)一步提高，為一汽夏利改型換代自主品牌的經(jīng)濟(jì)轎車(chē)創(chuàng)造了有利條件。

1.低膨脹覆膜砂在凸輪軸鑄件上的應(yīng)用

生產(chǎn)夏利凸輪軸使用的覆膜砂常溫抗拉強(qiáng)度＞40MPa，其是CA4GA發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件中唯一用覆膜砂造型而生產(chǎn)的鑄件。由于凸輪軸凸輪必須具有較高耐磨性，冷激層在4mm以上，造型射砂前應(yīng)在凸輪軸型腔旁放置冷鐵，在凸輪軸澆注時(shí)產(chǎn)生激冷效果。由于凸輪軸砂型重20kg以上（不包括冷鐵），屬于厚大覆膜砂型，造型所用覆膜砂必須具有較高強(qiáng)度和較好的流動(dòng)性，以保證造型后不變形，利于儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)及使用。但由于砂型過(guò)大，極易造成砂型斷裂和變形，特別是在冬季，由于冷鐵的冷隔作用，冷鐵周?chē)母材ど氨绕渌课还袒?，斷裂的砂型超過(guò)50%，在澆注過(guò)程中，極易跑火和產(chǎn)生毛刺。我們采用沸騰式熱法再生廢覆膜砂，石英砂的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特性見(jiàn)表1。

表1 石英相變的性質(zhì)特點(diǎn)

從表1可以看出，廢砂再生后，膨脹率比原砂有不同程度的降低。覆膜砂表面的有機(jī)樹(shù)脂在高溫焙燒的同時(shí)，砂表面的雜質(zhì)也同時(shí)碳化去除，致使再生砂的灼減量和發(fā)氣量比原砂降低。廢砂再生過(guò)程中砂粒相互摩擦、擠壓和撞擊，提高了砂表面的圓整度，使再生砂的粒度也更加集中。

再生砂具有的良好性能，可配制高指標(biāo)覆膜砂的同時(shí)，也對(duì)凸輪軸造型有關(guān)問(wèn)題的解決提供了保證。需要較高造型、制芯溫度的凸輪軸砂型時(shí)，會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂粘結(jié)橋的熱應(yīng)力及殘留應(yīng)力的存在。這是因?yàn)楣枭芭c樹(shù)脂膜的線(xiàn)脹系數(shù)、熱彈性模量、導(dǎo)熱能力等熱物性指標(biāo)存在較大差異造成的。覆膜砂造型、制芯后樹(shù)脂的收縮受到砂粒的剛性制約而引起殘留拉應(yīng)力，使覆膜砂的強(qiáng)度明顯降低。因此用線(xiàn)脹系數(shù)較低的再生砂，可有效解決凸輪軸和缸體較高溫度造型、制芯時(shí)由殘留應(yīng)力產(chǎn)生的斷（型）芯和裂紋等問(wèn)題。

2.環(huán)保型覆膜砂的研發(fā)及在缸體芯上的應(yīng)用

CA4GA缸體鑄件尺寸精度高，壁薄，重量輕，且鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其缸體鑄件要求覆膜砂強(qiáng)度高且發(fā)氣低。缸體覆膜砂需檢測(cè)兩個(gè)指標(biāo)：常溫抗拉強(qiáng)度＞3.5MPa，灼減＜2.2%。覆膜砂強(qiáng)度的形成是由三種力形成的，即樹(shù)脂粘結(jié)劑的內(nèi)聚力、樹(shù)脂和砂粒表面的附著力、內(nèi)聚力和附著力并存的復(fù)合力。型芯的粘結(jié)強(qiáng)度取決于內(nèi)聚力和附著力，所以覆膜砂的強(qiáng)度是附著強(qiáng)度和內(nèi)聚強(qiáng)度的綜合結(jié)果。一汽的CA4GA發(fā)動(dòng)機(jī)是一款環(huán)保型低油耗的經(jīng)濟(jì)型發(fā)動(dòng)機(jī)，其生產(chǎn)過(guò)程要趨向于“綠色鑄造”，體現(xiàn)在鑄造生產(chǎn)過(guò)程的清潔化，采用的原料、物料的無(wú)害化。覆膜砂生產(chǎn)酚醛樹(shù)脂因含有1.5%以上游離酚，在制芯、造型生產(chǎn)過(guò)程中游離酚會(huì)彌散性逸出，產(chǎn)生的煙氣危害工人健康，污染生產(chǎn)環(huán)境，影響鑄造生產(chǎn)的清潔化，其存在還影響覆膜砂使用性能。為達(dá)到缸體覆膜砂環(huán)保和灼減量控制下的高強(qiáng)度要求，我公司利用發(fā)明的兩項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，即通過(guò)熱氣流除酚技術(shù)及多胺類(lèi)齊聚物添加劑兩種物理-化學(xué)方法在覆膜砂混配過(guò)程中進(jìn)行除酚。

其所依據(jù)的技術(shù)原理如下：

（1）分子擴(kuò)散及薄膜蒸發(fā)原理 物質(zhì)依靠分子運(yùn)動(dòng)從高濃度的地方轉(zhuǎn)移到低濃度的地方，成為分子運(yùn)動(dòng)。分子擴(kuò)散是在靜止或?qū)恿鞯牧黧w中進(jìn)行，砂粒被樹(shù)脂液包覆成膜，此膜中的單體酚，向湍流空氣中擴(kuò)散，此過(guò)程為單向擴(kuò)散過(guò)程，符合費(fèi)克定律。覆膜砂所用硅砂（原砂）具有較大的比表面積，包裹硅砂表面的樹(shù)脂膜均勻且薄。根據(jù)薄膜蒸發(fā)原理和酚低熔點(diǎn)（40.8℃）性質(zhì)，小分子單體酚極易從薄膜單體中擴(kuò)散出來(lái)，熱氣流的導(dǎo)入，更有利于這種傳質(zhì)擴(kuò)散趨勢(shì)，據(jù)此原理，可利用覆膜砂生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱氣流進(jìn)行除酚，在達(dá)到強(qiáng)度指標(biāo)的同時(shí)，減少樹(shù)脂加入量，使樹(shù)脂粘結(jié)橋的效力減小，從而使內(nèi)聚力提高，同時(shí)還可以減少砂芯變形傾向。

（2）在覆膜砂加入含氨基的齊聚物與酚醛樹(shù)脂的游離酚反應(yīng)的生成物是具有一定化學(xué)反應(yīng)活性的中間態(tài)物質(zhì)，這種物質(zhì)可以在制芯、造型熱固化反應(yīng)中交聯(lián)成大分子，此種大分子具有不溶不融的特性，熱穩(wěn)定性好，因此所生產(chǎn)出的覆膜砂強(qiáng)度和韌性得到提高，不會(huì)揮發(fā)出酚。添加劑對(duì)于游離酚具有捕集作用。

與國(guó)內(nèi)外幾種先進(jìn)指標(biāo)樹(shù)脂制備的覆膜砂比較見(jiàn)表2。

表2

3.易潰散覆膜砂的使用

一汽CA4GA發(fā)動(dòng)機(jī)有多種鋁合金鑄件，如缸蓋、進(jìn)氣管等。這些鋁合金鑄件的生產(chǎn)對(duì)覆膜砂有著特殊要求。既要保證一定強(qiáng)度能夠制芯，還必須在750℃以下澆注時(shí)盡量在短時(shí)間內(nèi)潰散，由于覆膜砂使用的熱塑性酚醛樹(shù)脂與六亞甲基四胺（烏洛托品）固化后在砂粒表面形成一層不易分解的樹(shù)脂膜。750℃以下的澆注溫度只能使接觸到鋁合金液的砂芯表層的極少數(shù)砂粒潰散。而鋁合金凝固放出的熱量不足以使砂芯內(nèi)部的絕大部分砂粒潰散。因?yàn)椴粌H鋁合金液凝固時(shí)放出的熱量少，而且硅砂的熱傳導(dǎo)率還很低。因此，如何保證砂芯澆注強(qiáng)度的同時(shí)還要使砂芯澆注后潰散，需從樹(shù)脂和添加潰散劑兩方面來(lái)解決此問(wèn)題。

（1）樹(shù)脂 樹(shù)脂是決定覆膜砂性能最主要、最核心的材料。在一定強(qiáng)度下樹(shù)脂加入量越低，則覆膜砂澆注后越易潰散。因此鑄鋁件用覆膜砂應(yīng)選用低粘度、高流長(zhǎng)、聚合速度恰當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度酚醛樹(shù)脂，其中圓形樹(shù)脂比條狀和片狀樹(shù)脂更適用。低粘度、高流長(zhǎng)、圓形樹(shù)脂更容易與圓形砂粒相混合，確保樹(shù)脂與砂粒結(jié)合，使樹(shù)脂的粘結(jié)效用發(fā)揮最佳，從而達(dá)到少用樹(shù)脂的目的。

（2）添加潰散劑 在覆膜砂中添入加快樹(shù)脂分解的材料，來(lái)降低不溶、不融酚醛聚合物的熱穩(wěn)定性，使覆膜砂在澆注后能在較低溫度和短時(shí)間內(nèi)哀減其強(qiáng)度。需注意的是在加入添加劑的同時(shí)，要保證覆膜砂的強(qiáng)度，避免澆注時(shí)鑄件產(chǎn)生氣孔。

4.低發(fā)氣覆膜砂的應(yīng)用

氣孔是發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件常見(jiàn)的缺陷之一。覆膜砂的發(fā)氣量大是造成氣孔的主要原因，因此覆膜砂的發(fā)氣量是其使用性能的重要指標(biāo)。汽車(chē)鑄件使用的砂芯特別是鋁鑄件砂芯和水套芯，在保證強(qiáng)度的條件下對(duì)覆膜砂的發(fā)氣性能有較高要求。CA4GA發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件的覆膜砂強(qiáng)度和灼減指標(biāo)為常溫抗拉強(qiáng)度2.2～2.5MPa，灼減＜1.7%。

從指標(biāo)可以看出，鑄鐵件中的水套和鋁鑄件缸蓋等對(duì)覆膜砂的發(fā)氣要求最高，因?yàn)檫@些鑄件因發(fā)氣所引起的氣孔缺陷最嚴(yán)重。如何保證強(qiáng)度而最大可能地減少覆膜砂的發(fā)氣量，可以從原砂、樹(shù)脂、增強(qiáng)劑三個(gè)方面予以解決。

（1）原砂 覆膜砂測(cè)得的發(fā)氣量不僅是樹(shù)脂、輔料高溫下產(chǎn)生的氣體量，也包括原砂在高溫下產(chǎn)生的氣體量，這些氣體主要是硅砂中的碳酸鹽、堿土金屬氧化物，以及雜質(zhì)中含有的微量結(jié)晶水汽化。即使采用烘干擦洗砂，如果不進(jìn)行焙燒，這些雜質(zhì)仍然存在，但如使用焙燒砂，經(jīng)濟(jì)上不劃算、資源上也浪費(fèi) ，因此使用低發(fā)氣性的再生砂是最佳選擇。不同硅砂的發(fā)氣量見(jiàn)表3。

表3 不同硅砂的發(fā)氣量

（2）樹(shù)脂 配制低發(fā)氣覆膜砂應(yīng)選擇高強(qiáng)度樹(shù)脂，以減少砂芯在澆注過(guò)程中樹(shù)脂的發(fā)氣量。高強(qiáng)度樹(shù)脂的聚合速度較慢，一般情況下超過(guò)50s。低聚速樹(shù)脂可以在制芯時(shí)增加固化時(shí)間，使有機(jī)氣體盡量在砂芯固化時(shí)發(fā)出，以減少澆注時(shí)的氣體量。

（3）增強(qiáng)劑 配制一定強(qiáng)度指標(biāo)的覆膜砂時(shí)，加入適量增強(qiáng)劑如γ-氨基三乙氧基硅烷，以充分發(fā)揮樹(shù)脂和固化劑的粘結(jié)效率，達(dá)到少加樹(shù)脂的目的。

5.展望

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，覆膜砂的用量越來(lái)越大，對(duì)覆膜砂性能要求也越來(lái)越高。因此，合理生產(chǎn)、選用各型覆膜砂，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件毛坯精密化及近無(wú)余量鑄造有著現(xiàn)實(shí)意義。造型、制芯、澆注過(guò)程酚醛樹(shù)脂等有機(jī)物分解，對(duì)工人和環(huán)境造成嚴(yán)重影響，采用少污染的環(huán)保型覆膜砂不僅可以達(dá)到國(guó)家工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廠的清潔化和汽車(chē)的綠色生產(chǎn)過(guò)程有著深遠(yuǎn)意義。

（20130120）