铸造涂料在缸体生产中的应用及性能分析.pdf
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1、圆园23/4现代铸铁收稿日期:2023-02-08修订日期:2023-07-13作者简介:李帅平(1990.1),山西朔州人,助理工程师,主要从事铸造材料的研究、开发应用及铸件质量控制等工作。铸造涂料在缸体生产中的应用及性能分析李帅平,马俊杰,赵海涛,杜利峰,孙敬垚(一汽铸造有限公司,吉林长春130011)摘要:介绍了铸造涂料的主要组成、制备过程及其对涂料质量的影响,对铸造涂料抗高温性进行了对比,并对流变性进行了改进,最后指出:(1)铸造涂料的高温抗裂性、烧结性、导热性是影响铸件质量的重要指标,单一指标的高低不能代表涂料使用效果;(2)涂料触变性是影响涂料涂覆效果的重要因素,触变剂和骨料的种类
2、及含量均对涂料触变性有重要影响,触变剂加入比例对涂料固体含量也有一定影响;(3)涂料变质会导致涂料失效,可通过对涂料使用相关设备、水质以及涂料细菌控制,避免涂料失效引起相关质量问题。关键词:铸造涂料;缸体砂芯;抗高温性;流变性中图分类号:TG221文献标志码:月文章编号:员园园猿原愿猿源缘(圆园23)园4原园园45原06Application and Performance Analysis of Casting Coatings in Cylinder Block ProductionLI Shuai-ping,MA Jun-jie,ZHAO Hai-tao,DU Li-feng,SUN J
3、ing-yao(FAW Foundry Co.,Ltd.,Changchun130011,China)Abstract:The main components,preparation process of the casting coatings,and their influence on coating quality wereintroduced.The high temperature resistances of casting coatings were compared and their rheological properties wereimproved,finally p
4、ointed out:(1)The high temperature crack resistance,sintering property and thermal conductivity of castingcoatings were important property indexes influencing casting quality,the height of single index couldnt represent the usageeffect of the coating.(2)Thixotropic property of the coating was a impo
5、rtant factor influencing coating effect,both the typesand contents of thixotropic agent and aggregate had important influence on thixotropic property of the coating,the addingproportion of thixotropic agent also had a certain influence on the solid content of coating.(3)Coating deterioration could l
6、eadto coating failure,and could be avoided by control the bacteria of coating-related equipments,water and coating.Key words:casting coating;core sand for cylinder block;anti-high temperature property;rheological property近年来,随着环保要求的逐渐严格以及汽车轻量化的发展,对汽车发动机缸体壁厚要求越来越小,内腔质量要求越来越高。缸体内腔脉纹、粘砂、烧结、残留灰等都会影响到缸体整
7、体质量以及发动机性能1-4。在缸体铸件生产中铸造涂料作为型芯防止铁液作用的第一道防线,对保证铸件质量具有重要意义。铸造生产中,将涂料更好地涂挂在型芯表面是涂料更好发挥作用的重要前提,这主要与涂料的流变性有关,而在铁液作用下,涂料的抗高温能力是保证铸件质量的最重要条件。1铸造涂料的组成及制备铸造涂料的主要成分包括骨料、载液、悬浮剂、粘结剂和助剂等5,生产中根据应用特征需先选定主要的骨料类别和品质,并对不同种类骨料进行搭配,以满足高温性能需要,再选择合适的悬浮剂和粘结剂,保证骨料均匀分散且能满足不同温度作用下的强度要求。涂料的制备过程参数和加料顺序等直接影响涂料质量。造型材料Moulding Ma
8、terials45现代铸铁圆园23/41.1涂料的主要组成及作用1.1.1骨料骨料作为铸造涂料最重要的组分,直接影响涂料的使用效果,一种涂料通常有 2 种以上骨料,根据骨料导热、耐火度和高温烧结等特点,分为激冷型、烧结型和保温型,生产中可根据应用条件对不同骨料进行搭配。骨料粒度大小及级配对涂料的悬浮性、强度、膨胀性及透气性等均有影响,粒度越大,其涂挂效果越差,渗透性和附着力越低。1.1.2载体常用载体有水和有机溶剂两类。由于水的极性强,作为载液,具有良好的悬浮性、触变性等优点。但水中的钙、镁等离子会破坏悬浮体的稳定性,水基涂料制备对水质需进行严格控制。醇基作为载液相比水基具有干燥时间短等优点,
9、但由于环保要求,醇基涂料正逐渐被水基取代。1.1.3悬浮剂悬浮剂在载液中能形成立体网状结构,可将耐火骨料均匀分散在载液中,避免骨料沉淀和偏析,其种类和品质对涂料在高温作用下的抗开裂性也具有重要影响。1.1.4粘结剂涂料附着在型芯表面,为满足常温下型芯搬运、相互摩擦等状态下的强度要求,以及抵抗浇注过程各阶段不同温度铁液冲击的强度要求,粘结剂通常需要由无机、有机两种成分以上组成,而无机粘结剂也是高温粘结剂。1.1.5助剂为改善涂料的使用性能,涂料制备中需加入某些微量附加物。如涂料中的有机成分有利于细菌繁殖,易导致涂料腐坏和性能下降,引起涂料发臭、变色、粘度降低和 pH 改变,涂料制备中常加入防腐剂
10、。受涂料中的有机高分子交联等结构影响,在搅拌中易产生气泡,导致型芯表面涂层强度降低,在制备中加入消泡剂可减少气泡产生。为改善涂料对型芯的浸润性,在制备中加入少量表面活性剂,可降低载液的表面张力,改善界面状态。1.2铸造涂料的制备涂料制备包括配料、预处理、搅拌、调配和装桶等步骤。其中,加料顺序、搅拌方式、转速和时间对涂料性能均有重要影响。制备中先将各类骨料充分混合后得到固体混合原料,为使悬浮剂和粘结剂更好的分散,通常在制备前进行预处理,最后将固体混合原料和悬浮剂混合液等混合搅拌。在搅拌过程中,搅拌时间和转速应以骨料充分润湿和分散为主,特别是树脂水基涂料,搅拌时间过长,常造成树脂沉淀或挂在浆叶上。
11、搅拌前期转速应高一些,为了涂料中气体的释放,通常在搅拌最后阶段降低转速1。2水基涂料的应用及性能分析2.1涂料的抗高温性能缸体水套内腔作为发动机冷却水循环位置,其内腔质量对发动机散热效果起至关重要的作用,水套位置结构复杂、壁薄,内腔经常出现烧结、脉纹和涂料脱落导致的内壁砂眼等缺陷。涂料骨料在铁液作用下,有 3 种反应状态:(1)不烧结态。原有的体系基本上未被破坏,耐火基料未被烧结,仍保持颗粒状态,涂层的抗拉强度和致密性均较低。(2)低烧结态(陶瓷态)。耐火基料表层被烧结成陶瓷态,具有高耐火度、低烧结温度的特性。(3)高烧结态(玻璃态)。相当多的耐火基料被熔化,是一种低耐火度体系6。涂料中骨料本
12、身的热膨胀性、耐火度、软化点、热导率以及在铁液作用下的化学稳定性对铸件表面质量均有重要影响。图 1 为 A、B 涂料用于汽车缸体水套芯对应铸件质量对比,可以看出,B 涂料对应铸件内腔存在明显烧结和孔眼问题。为了验证涂料高温抗裂性,取相同的硅砂曲面样块浸涂 A、B 涂料,并保证涂层厚度一致,170 益烘干后,在 1 000 益的马弗炉中保温 3 min,取出后观察表面状态。图 2为样块在 1 000 益保温后状态,B 涂料样块表面出现明显开裂,A 涂料样块表面完好。分析认为,B 涂料引起铸件烧结和孔眼问题是由于其在铁液作用下涂层开裂,在浇注中涂料被冲掉,未能发挥应有的隔离和屏蔽作用,导致砂芯烧结
13、,且涂料皮在铁液的浮力作用下形成铸件内腔孔眼缺陷。铁液作用下,涂层强度的建立,主要依靠骨料颗粒的烧结。铸件获得高清洁度的关键是让涂料适度的烧结成壳并能自动剥离,较宽的烧结和造型材料Moulding Materials46圆园23/4现代铸铁软化温度范围以及涂料与金属的热膨胀系数差异是高清洁度涂料的重要特点7。为了对上述涂料的抗高温能力进一步评价,使用 3D 打印的小圆柱硅砂样浸涂 A、B 涂料,涂层厚度控制一致,170 益烘干后,使用 JT-SJZ-2型芯砂检测工作站对其热膨胀性和抗压耐热性进行检测,检测温度 1 000 益,检测结果如表 1所示,A 涂料样块的最大膨胀率和抗压耐热时间均小于
14、B 涂料。高温膨胀检测中,随着时间的延长,膨胀率均呈先增长后降低趋势,其中 A、B 涂料分别在 67.2 s、60.8 s 达到最大膨胀率。这是因为相对于 A 涂料,B 涂料的导热性较低,砂样受热温度低,耐热时间长,且 B 涂料高温透气性差,使得在加热过程中气体作用下最大膨胀率增加。2.2涂料的流变性缸体砂芯主要用于形成铸件内腔,其结构复杂且壁厚不均,在浸涂涂料过程中,经常出现涂料滴挂和流痕等问题,且涂层厚度和均匀性难以稳定,这主要涉及到涂料的流变性。流变性是指图1A、B涂料用于汽车缸体水套芯对应铸件质量对比Fig.1Cylinder block casting quality compari
15、son whenusing coating A and B for water jacket core(a)A 涂料对应铸件(b)B 涂料对应铸件(c)内腔烧结(d)内腔孔眼(a)A 涂料样块(b)B 涂料样块图圆两种涂料高温抗裂性检测结果Fig.圆High temperature crack resistance testresults of two coatings涂料类别AB最大膨胀率/%1.6051.848耐热时间/s45.550.5表1涂料高温性能检测结果Tab.1High temperature properties test results of coatings造型材料Moul
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