【热坛学习】壳体粘砂问题的机理分析，共享7种有效改进措施
【热坛学习】壳体粘砂问题的机理分析，共享7种有效改进措施
针对车间离合器壳体铸件粘砂问题，根据车间生产情况分析其产生的可能原因，利用质量分析方法，绘制离合器壳体铸件粘砂问题因果图，制定措施并在生产中验证，确定导致铸件粘砂关键因素，改进生产工艺，降低了铸件废品率。
一、引言
车间离合器壳体采用湿型砂工艺铸造，砂芯采用覆膜砂工艺制芯，铸件返抛率高达30%，且其中10%的粘砂铸件因粘砂严重不能清除而报废。报废的粘砂铸件粘砂部位包括内腔及铸件外表面，通过常规的补刷涂料、提高煤粉含量的措施也未能改善粘砂状况。
二、粘砂机理
铸件粘砂大致可分为机械粘砂、化学粘砂、爆炸粘砂、热粘砂[1]。机械粘砂又称为金属液渗透粘砂，是由液态金属通过毛细管渗透或气相渗透方式钻入型腔表面砂粒间隙，在铸件表面形成的金属和砂粒机械混合的粘附层。两种力的对比和变化决定了铸件机械粘砂倾向，即必定有一种力促使液态金属渗入砂型孔隙， 一种力阻 止渗入。渗透动力, 即促使金属液渗入砂型孔隙的力, 主要是金属液对铸型的动压力和静压力；渗透阻力, 即阻止金属液渗入砂型孔隙的力，主要有两种： 一是砂型孔隙的阻力, 一是砂型孔隙中的气体压力(也称背压)。化学粘砂就是高温金属液可能被氧化生成金属氧化物，主要产物是FeO，氧化铁与和铸型中SiO2相 互产生化学反应, 生成硅酸亚铁，因其熔点低，易粘附在铸件表面上造成粘砂。爆炸粘砂形成原理是：金属液在浇入砂型后冲击型腔表面形成高压，迫使金属液钻入型砂空隙。若砂粒 中发气物骤然发气、爆炸，但又因砂型空隙已被金属液堵住，从而在金属液中形成气泡，爆炸性气体对金属面产生压力，迫使金属液又钻入邻近部位的砂型空隙形成 粘砂。热粘砂主要是原砂的SiO2含量太低，高温金属液使砂型表面的型砂产生烧结所致。
三、离合器壳体粘砂原因分析
通过对离合器壳体粘砂铸件统计分析发现，粘砂不严重能返抛干净的铸件，粘砂部位集中在外表面凹坑、凸台、转角部位。而报废铸件外表面除大圆弧面及顶面都有粘砂，且内腔除砂芯刷涂部位都有粘砂（如图1、2所示），且粘砂密集、粘砂层厚。因车间生产离合器壳体采用湿型砂工艺，且原砂SiO2较高，可排除化学粘砂与热粘砂。
图1 离合器壳体外表面粘砂
图2 离合器壳体内腔粘砂
导致铸件机械粘砂的因素有：
1、型砂和芯砂粒度太粗，型砂含泥量、灰分过低，铸型（砂芯）间隙大，金属渗透阻力小。车间型砂粒度为50/100或100/50，平均细度在50~57之间，覆膜砂粒度为50/100或100/50，平均细度在49~55之间。原砂较一般湿型造型工艺所用原砂粗，型砂透气性在130~170之间。而型砂含泥量、灰分过低，型砂间隙不能得到填充，也会影响型砂间隙。同时，车间除生产离合器壳体外，还生产缸体、缸盖，型砂性能受产品转换的影响。
2、砂型和砂芯的紧实度低或不均匀，局部疏松。造型模具复杂，凹坑、拐角不易紧实；造型设备参数选择不当，造型压力低；型砂流动性差，不易填充等因素可能造成砂型紧实度低。而砂芯紧实度低则可能由于芯盒排气效果差、制芯过程中射砂压力低造成。
3、型、芯的涂料质量差，涂层厚度不均匀，涂料剥落。车间砂型采用醇基涂料进行喷涂，因上型靠分型面一带砂型紧实度低，喷涂烧干后易造成垮砂，因此原工艺中上 型喷涂较少且易垮砂部位不喷涂。砂芯由1#、2#两个砂芯组合而成，制芯过程中1#砂芯整体刷水基涂料，2#局部刷涂，利用砂芯预热烘干涂料，喷涂及刷涂 过程中有可能操作不到位造成漏涂导致粘砂。
4、浇注温度高，流动性好，表面张力低，金属液动压力大。因壳体铸件薄壁件，最薄部位壁厚8mm。为避免铸件出现冷隔废品，原工艺中浇注温度较高。
5、型砂煤粉含量低，煤粉品质差。湿型铸铁件防止粘砂和改善铸件表面光洁程度最主要的型砂加入物是煤粉。煤粉品质影响型砂抗粘砂性。车间型砂有效煤粉含量在3.5%~4%之间。型砂发气量在17~20ml/g之间。
6、上箱或浇口杯高度太高，金属液静压力大；浇注系统和冒口设置不当，造成铸型和铸件局部过热造成粘砂。
导致铸件爆炸粘砂的因素有型砂含泥量高，水分高；煤粉含量高，发气量大；砂型通气条件不良；浇注速度过快；砂芯发气量大：砂芯采用覆膜砂制芯，砂芯发气量较 树脂砂芯发气量大，同时，砂芯固化程度影响其发气量；另外，砂芯表面涂料发气量也较大，且由于砂芯太热的情况下刷涂易造成砂芯开裂，因此需待砂芯适当冷却 后刷涂，不能保证涂料烘干。根据上述分析从人员、原材料、设备、工艺方面绘制壳体粘砂因果图（图3）。
图3 离合器壳体粘砂因果图
四、改进措施
根据以上分析，结合车间实际情况及其他型号铸件粘砂情况，排除离合器壳体铸件粘砂非关键影响因素，采取相应措施，并分析可操作性，在生产中进行验证：
1、减小型砂间隙。因车间制芯用原砂与造型用原砂使用同一系统供应，且造型线生产缸体、缸盖、离合器壳体三种产品，调整原砂粒度将影响制芯与其余两种产品的生产，因此原砂粒度保持不变。生产离合器壳体的过程中，减少新砂加入量或不加新砂，适当增加型砂含泥量与灰分含量，考虑两者含量的增加将增加铸件气孔倾向， 因此增加幅度控制在0.5%以内。采取措施后铸件粘砂略有减少但效果不明显。
2、提高砂型紧实度。因铸件结构不能更改，只能改进造型工艺以提高砂型紧实度。铸工车间采用德国KW造型线生产，属高压造型。造型压力可调整，原工艺中离合器壳体上型造型压力相关参数为79，提高为100。同时，紧实度提高可对易粘砂部位适当多喷醇基涂料。生产离合器壳体的过程中，适当降低型砂含水量，增加型 砂流动性。通过验证，未发现铸件因造型压力提高而导致气孔增加的现象。而铸件返抛率降到了15%。而对于砂芯，通过增加芯盒分盒面排气槽数量、适当增加排气槽深度，提高了砂芯质量。因覆膜砂具有流动性优良、砂芯成形性好、砂芯表面质量好、致密无疏松、即使少施或不施涂料，也能获得较好的铸件质量。因此改进空间不大，通过生产验证发现铸件内腔粘砂未见明显好转。
3、车间涂料通用于三种产品，缸体、缸盖未见异常粘砂现象，因此可以排除涂料质量问题。造型压力提高后，外模喷酒精涂料已纳入工艺。同时，强化对操作人员的培训，保证操作质量。将2#砂芯整体刷水基涂料并进行验证，发现铸件内腔粘砂虽然解决，但铸件气孔废品率增加明显，因此采用刷涂的方法不可行。
4、降低铸件浇注温度。虽然离合器壳体属薄壁件，易产生冷隔废品，但因铸件体积较小，而浇道直径够大，使一箱2件仅需12S左右就能浇满。一定程度上弥补了铸件易出冷隔废品的问题。因此，将浇注温度降低10℃进行验证，验证结果显示铸件粘砂有所好转。
5、因缸体、缸盖未见异常粘砂现象。同样排除煤粉质量问题。车间型砂发气量不高，有增加空间。将型砂有效煤粉含量增加0.3%~0.5%进行验证，未见明显好转。
6、铸件结构一定程度上决定了铸件的浇注系统，已在模具验证中验证。
7、降低型砂、砂芯发气量。因车间型砂煤粉含量不高，发气量没有降低空间。而对于砂芯，通过将制芯固化时间延长10S，固化温度提高10℃，使砂芯能较好的固 化；因砂芯涂料由砂芯余热进行烘干，不能确保涂料完全烘干，而1#砂芯结构简单，类似平板，一方面将刷涂后1#芯进行回火，同时为避免砂芯回火过程中二次 固化变形，而将回火温度设置为180℃。另外，1#砂芯制芯后不刷涂，待冷却后整体浸涂回火烘干。验证结果显示，铸件内外同时粘砂的情况基本杜绝，铸件返抛率降至10%左右。
通过上述验证，可确定，造型压力、浇注温度、砂芯固化程度及砂芯发气量是影响离合器壳体粘砂的关键因素。而其他因素因可操作性低或效果不明显可以放弃。通过对关键因素的改进，使离合器壳体粘砂报废问题得到解决，同时，铸件返抛率降低，节约了成本。
五、总结
离合器壳体粘砂有机械粘砂与爆炸粘砂，其产生机理不同，有的甚至是对立的，且影响粘砂因素较多，只有通过严密的分析，制定相应措施并进行验证，确定其关键因素，并加以改进，才能较好的控制离合器壳体表面质量。
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