发动机铸件冷芯盒砂芯水基涂料工艺控制

殷秀廷

（中国重汽（香港）有限公司济南铸锻中心，山东济南 250200）

1 水基涂料的性能和组成

1.1 胺法冷芯盒砂芯对涂料的要求

胺法双组份树脂冷芯盒砂芯便于批量化和流水化生产，是现在化铸造企业应用最为广泛的一种制芯工艺，但是冷芯在制芯过程中存在疏松、吹不干、变形的问题，对温度和水分敏感，在浇注时容易出现粘砂、烧结、脉纹、断芯等问题。涂料与砂芯结合后能够极大的提高冷芯的铸造性能，杜绝或减轻缺陷问题的产生。

现在铸铁涂料不仅传统上要求防止粘砂、防止砂块烧结，涂料层易剥离，保持铸件表面光洁度，减轻铸件清理工作量；而且还向着防止铸造缺陷方向发展，例如防止脉纹和气孔的产生。同时还有一些特殊性能的涂料比如：低渗透涂料渗透层不到1 mm，对砂芯强度影响小的涂料、渗透层达到5 mm以上的高渗透防止局部严重粘砂的预处理涂料[1]。

在实际铁水包覆砂芯过程中，涂料层介7于砂芯和高温铁液之间，从这个方面考虑铸铁涂料应该有两方面性能符合使用要求：涂层与砂芯浸涂时和烘干后的附着性能以及涂层与高温铁液的物理化学界面反应性能。

一种性能良好的涂料在浸涂完后在芯组表面应该覆盖均匀、无气泡、无流痕堆积、在辊道长途运输时砂芯底部无破水滴落或滴痕；附着性好；经过表干炉时涂料容易烘干，烘干完后的砂芯涂料层附着粘结力强不易被铁水冲落形成砂眼。渗透层深度一般不超过1.5 mm防止气孔缺陷[2]，涂料层无开裂，砂芯内部、芯头结合处涂料被烘干。烘干完的砂芯抗吸潮性强、可保存时间长，以方便生产。

涂料层在与铁水交互作用时面临升温和降温两个过程。在升温时涂料层中的耐火骨料和助熔剂能够形成一层玻璃聚合体并轻度烧结，减少砂芯内气体进入铁液中并防止气孔和粘砂[3]；在降温过程中涂层应该保持体积稳定，线收缩小，跟冷却收缩很大的铸铁基体产生切应力，使涂层易于剥落[4]；涂层在受到高温铁液的热冲刷下，应该保持足够的强度和附着力，防止开裂，以及被铁水冲刷下来，形成砂眼缺陷。

1.2 水基涂料的组成与作用

水基涂料一般由耐火骨料、载体、悬浮剂、粘结剂、助剂（表面活性剂、消泡剂、防腐剂等）组成。其中耐火骨料对涂料性能起绝对性影响，是实现防止铸造缺陷的基础。耐火骨料一般由颗粒较细的耐火细粉组成，涂料涂覆后细粉颗粒能够渗入砂芯颗粒之间的缝隙，包裹在砂粒和树脂粘结桥周围，预防机械粘砂的产生。耐火骨料应该具备热膨胀系数低绝热性好的特点，不与铁液浸润，能够降低砂芯基体温度，防止砂芯过早溃散和开裂，预防砂眼和脉纹的产生。涂料中的耐火材料应该具备足够的化学稳定性，防止化学粘砂。涂料层能够提前适度烧结，保持表面高温强度，并且适度烧结有利于砂芯从铸件上剥离，提高表面清洁度。

悬浮剂是使涂料具备悬浮性、触变性、流平性等液体流变性能的关键所在，对涂料浸涂性能起到关键作用，并且阻止细粉颗粒过度渗入砂粒内部，使涂料中耐火骨料呈弥散状态分布。

粘结剂的作用是使涂料中耐火颗粒粘结在一起，使表层具有一定的强度，粘附在砂芯表面，抵抗涂料层烘干后开裂或脱落，并具有一定的高温强度，防止冲砂和脉纹的产生。

在施工过程中还应建立较为完善的工序质量管理体系，以此来避免水利工程在施工过程中存在问题。在对水利工程进行具体施工时，还应根据水利工程的特点以及地势地形条件来及时的审核和修改设计图纸，确保设计图纸的修订能够合理的符合水利工程的施工条件。此外，对施工过程中所存在的违法以及违规行为，应及时的给予处理和纠正，以此来提高整个水利工程的施工质量。

涂料中的助剂对涂料影响较大的是表面活性剂和消泡剂以及防腐剂、助熔剂等，表面活性剂能够显著改变水的表面张力，改变涂料对砂芯的浸润和渗透。消泡剂能够消除整体浸涂砂芯时，内部空间空气浸入涂料中气泡的产生，进而消除气泡痕迹，改善涂料表面质量。防腐剂能够抑制涂料中细菌的滋生，防止涂料中有机物质消耗，防止涂料由于存放时间过长或者高温太阳直射导致的发臭和性能恶化。在涂料中加入一些助熔剂有利于在浇注时涂层熔融适度烧结，形成一层玻璃体，有利于涂料层从铸件基体剥离，屏蔽砂芯内部气体，减少相变热应力产生的脉纹。

1.3 胺法冷芯盒砂芯常用水基涂料种类与性能

机械行业标准JB/T9226-2008按不同的耐火骨料将铸造涂料划分为：石墨粉铸造涂料、石英粉铸造涂料、高铝矾土铸造涂料、滑石粉铸造涂料、锆石粉铸造涂料、棕刚玉粉铸造涂料、镁橄榄石粉铸造涂料、镁砂粉铸造涂料及其他铸造涂料[6]。

商业用铸造水基涂料种类繁多，不同的砂芯适合的涂料也不一样。不同的水基涂料供应商也有不同的生产工艺、涂料配方、技术标准和规格，并且供应商对标准、工艺、配方严格保密，造成不同供应商、不同型号的涂料工艺控制参数也不一致，需要涂料供应商技术支持人员和车间工艺人员共同确定最佳工艺参数，车间应该严格执行供应商规定的技术标准。

常用于生产的水基涂料按照耐火骨料的不同一般分为：水基锆英粉涂料和水基非锆质复合骨料涂料。水基锆英粉涂料一般采用流涂和刷涂的涂覆方式，适合于铸钢件和厚大铸铁件等容易严重粘砂的铸件，其优点是锆英粉耐火骨料烧结温度和融化温度之间有一个较大的温度区间，具有相对低的烧结温度，有利于获得烧结涂层，与融化金属不浸润，耐火度高、流平性好、对各类砂型芯润湿涂挂性好、涂层强度高。由于锆英粉涂料价格高，不利于批量化流水线降成本，非锆质涂料在发动机铸铁件当中得到了批量使用，例如添加石墨的铝硅酸盐复合骨料的水基涂料，复合耐火骨料通过添加合适的助熔剂来保证涂料的烧结性能；复合骨料要与金属材质的酸碱性相适用预防化学粘砂；涂层要能抵抗相应的热应力并有合适的线收缩，这样能防止脉纹并且在冷却时涂层能够易于脱离铸件本体。

按照水基涂料功能不同区分为：用于严重粘砂部位的预处理高渗透性水基涂料、保持涂层附近温度低于固相线，加快铁液冷却防止脉纹的水基涂料、涂层有合适透气性防止气孔或结疤的水基涂料、易于烘干水基涂料、冷芯高强度水基涂料等。

2 水基涂料浸涂工艺控制

多套冷芯紧固组成的芯组通过机器人和夹具整体浸入涂料中的工艺，叫做水基涂料整体浸涂工艺。其特点是烘干后的芯组尺寸精度高、适宜于大批量流水化生产、实现了自动化控制（比如在线监测涂料密度和温度）。铸造车间日常工艺控制包括波美度、粘度、密度等参数检测和调整，这三个参数可以通过浸涂时间、涂层湿厚、干厚、渗透深度来确定。其他繁多的工艺参数例如剪切稀释比、触变性、透气性、涂层强度等，铸造车间无能力检测，可以由涂料供应商提交的PPAP质量保证书中体现，铸造车间可以通过拆解烘干后芯组，检测每个砂芯表面涂层涂覆情况；或者将单个砂芯浸涂涂料烘干后，插入铁水中来间接评估以上参数是否合适。芯组整体浸涂工艺在质量上要求水基涂料有优良的触变性≤0.045、高的剪切稀释比＞5，低的涂料渗透性、高的涂层强度、合适的透气性（高温≤10、常温≤20）和发气量[7]。

具有良好的触变性涂料便于涂挂和流平。涂料的触变性是指：涂料浸涂时受到剪切力作用粘度能够降低并稀释，这样有利于涂料迅速流平，便于将多余涂料甩掉；剪切作用结束后，粘度能够迅速恢复，从而消除流痕，抵抗流淌，减少堆积和流痕。体现涂料流挂性和流平性的工艺参数是剪切稀释比和涂料触变性两个参数。在日常生产中最容易出现的问题是：芯组最底部涂料在轨道运输时由于托盘震动，容易破水滴落漏出黑砂或者形成涂料滴痕；或者在芯组弧面及结合部位出现涂料流痕。这些问题都跟涂料的触变性、剪切稀释性、浸涂方式、芯砂组成有很大关系。

芯组整体浸涂工艺要求水基涂料渗透层不宜过大，一般不超过三个砂粒，适合芯组涂料渗透层一般不超过2 mm，这些都是可以从砂芯断面来确认。日常生产发现渗透层过深的水基涂料不容易烘干、薄壁处强度低、涂层附着力低、烘干后涂层容易裂纹，铸件容易出现冲砂和气孔缺陷。涂层的透气性也不宜过低，因为芯组有些位置无法开设排气孔，要方便这些位置排气，防止气孔产生。

车间日常控制措施包括：选择合适的水基涂料、确定了工艺参数后，按照工艺要求，利用设备对涂料进行持续搅拌，对芯组进行浸涂。涂料槽由浸涂槽和循环槽组成，循环槽涂料通过隔膜泵进入浸涂槽，浸涂槽用来浸涂芯组，底部有循环往复搅拌杠，防止槽内涂料沉淀造成芯组涂层上薄下厚的问题。循环槽用来存储浸涂槽溢出的涂料以及从搅拌桶加入的新涂料，槽上应该增设过滤网，过滤浸涂槽溢出的涂料杂质。搅拌桶的作用至关重要，工艺控制的要点是保持桶内涂料持续不断的被搅拌，对新加入的涂料保持继续不断的剪切，既可以防止砂芯表面涂料泥高点也有利于涂料流平和涂挂。日常要点检隔膜泵状态，防止将空气打入涂料中，产生过多气泡，影响涂层表面质量。

3 水基涂料烘干工艺控制

树脂砂芯中砂粒通过树脂粘结桥进行粘结，在浸涂水基涂料后，水分和高温会对树脂粘结桥造成不利影响，水基涂料烘干需对表面水分进行快速烘干，而砂芯基体升温越小越好，这种工艺就叫做表干炉烘干工艺，所用设备就是天然气表干炉。表干工艺质量要求是涂层水分快速烘干，残留水份一般在0.3%～0.5%之间，基体升温要低一般不超过180℃，芯组内部尤其是砂芯结合处渗入的涂料要彻底烘干。表干炉工作原理是：天然气燃烧加热循环热风对砂芯进行喷流烘干。循环风机开启，系统点火以后，炉体内的温度传感器将测得炉温传输给温度控制系统，与设定的温度值对比，输出信号给调节风门大小的伺服电机和天然气电磁阀，用来控制助燃风流量大小和天然气燃剂流量大小，进而对炉温进行自动控制。因此影响表干炉效率有两大因素：热风温度和热风速速。现在的天然气表干炉又增设了除湿抽风装置，可以在线监测炉压和湿度，自动调节，使得涂层残留水分更低，烘干时间更短。日常控制措施是要确保天然气表干炉设备运转正常，重点关注以下方面：天然气供应、点火系统、热风循环系统、热风湿度以及烘干时间，保证风门调节的伺服电机和天然气调节的电磁阀运转正常，确保出窑后砂芯基体升温小，涂层残留水分符合工艺要求，砂芯内部烘干。日常生产实践证明：砂芯烘干，不仅表面被烘干，整体组合浸涂的砂芯内部浇道、缝隙、配合面等也要被烘干，不然会出现群集密集型冲砂废品；砂芯基体升温小，高温或长时间停留都会导致砂芯强度严重下降和变形，砂芯基体温度最好不要超过180℃.随着科技的进步，出现了新型微波炉烘干工艺，可以大大减少设备占地面积和能源消耗，更加推进了水基涂料表干工艺的进步。

4 结论

1）现在发动机缸体缸盖冷芯盒砂芯对涂料性能提出了更高的要求，不仅传统上要防止粘砂、烧结，保持光洁度，而且向着防止铸造缺陷例如气孔、脉纹、冲砂等方向发展。控制、选择好涂料能够一定程度上预防铸造缺陷，降低铸件废品。在分析气孔、冲砂、脉纹废品原因时要把涂料纳入分析当中。实际生产中要关注涂料的浸涂性能和耐铁水高温热作用性能。

2）一种性能良好的涂料在浸涂完后在芯组表面应该涂挂性好、覆盖均匀、无气泡、无明显流痕堆积、在辊道长途运输时砂芯底部无破水滴落或滴痕；附着性好；经过表干炉时涂料容易烘干，烘干完后的砂芯涂料层附着粘结力强不易被铁水冲落形成砂眼。

3）涂料在使用过程中必须保持不停的搅拌。浸涂设备不光有浸涂槽还要有搅拌桶，搅拌桶内涂料要保持不停的搅拌。芯组整体浸涂工艺在质量上要求水基涂料有优良的触变性、高的剪切稀释比，低的涂料渗透性、高的涂层强度、合适的透气性和发气量。

4）铸造车间日常工艺控制包括波美度、粘度、密度等参数检测和调整，这三个参数可以通过浸涂时间、涂层湿厚、干厚、渗透深度来确定。铸造车间可以通过拆解烘干后芯组检测每个砂芯表面涂层涂覆情况或者将单个砂芯浸涂涂料烘干后插入铁水中来间接评估涂料否合适。

5）表干炉要保证风门调节的伺服电机和天然气电磁阀运转正常，确保热风温度、热风速度、热风湿度符合工艺要求。整体组合浸涂的砂芯不光边表面要烘干，内部也要必须烘干，否则会出现冲砂、呛火缺陷。砂芯基体升温要小，保持快速烘干的前提下，砂芯表层温度最好不要超过180℃，防止砂芯变形和强度下降。