冷芯改性剂与M590涂料在缸体缸盖上的应用
陈世斌 ，张世伟（平顶山市伟业铸造材料有限公司，河南 平顶山 467000）
摘 要: 介绍了当前国内铸铁类发动机缸体缸盖内腔清洁度的现状，对改善内腔清洁度常用的工艺技术方案进行了阐述。介绍了冷芯改性剂与M590涂料在缸体缸盖上的应用。实践表明：彻底解决缸体缸盖内腔脉纹、粘砂、烧结质量缺陷，除了大比例甚至100%使用昂贵的特种砂（如宝珠砂）外，通过冷芯改性剂和高端涂料（如M590）的组合使用工艺技术,完全可以全部或部分取缔特种砂的使用，既解决了缸体缸盖内腔脉纹、粘砂、烧结质量缺陷，同时又有效降低了生产成本。
关键词: 冷芯改性剂；M590水基涂料；脉纹；粘砂；烧结；缸体；缸盖
Application of cold core modifier and M590 coating on cylinder block and cylinder head
CHEN Shi-bin ，ZHANG Shi-wei
（Pingdingshan Weiye Foundry Materials Co.,Ltd.,Pingdingshan 467000,China）
Abstract: This paper introduces the present situation of the cleanliness of the cylinder head of cast iron engines in China, and expounds the common technological schemes for improving the cleanliness of the cylinder head. The application of cold core modifier and M590 coating on cylinder block and cylinder head is introduced. Practice shows that the quality defects of veins, sand sticking and sintering in cylinder head cavity can be completely solved. Except for using expensive special sand (such as jewelry sand) in large proportion or even 100%, the use of special sand can be completely or partially banned by the combination of cold core modifier and high-end coating (such as M590). The defects of veins, sticky sand and sinter in the inner cylinder of cylinder block and cylinder head are reduced, and the production cost is effectively reduced.
Key words: cold box core midificator；M590 Water-based coating；veining；burning-on；sintering；cylinder block；cylinder head
缸体缸盖作为发动机的骨架和核心部件，其内部水道、油道、气道的通畅性直接影响着发动机整机的动力性、排放性和可靠性。随着汽车产业高速发展对发动机综合性能提出更高要求的情况下，直接影响缸体缸盖内腔油水气通畅性的清洁度问题，越来越突出和尖锐化。
作者简介：陈世斌（1970—），男，广西玉林市人，1994年毕业于南昌航空大学，工程师，主要从事铸造工艺技术和铸造新型材料研究，（E-mail）chenshibin178@163.com
国内某知名企业2012年对缸体缸盖毛坯内腔清洁度要求为：四缸连体缸体杂质≤2000mg，六缸连体缸体杂质≤3000mg；四缸连体缸盖杂质≤1700mg，六缸连体缸盖杂质≤3300mg；2017年要求为：四缸连体缸体杂质≤1200mg，六缸连体缸体杂质≤1800mg；四缸连体缸盖杂质≤1200mg,六缸连体缸盖杂质≤2000mg。品质要求提升了50%左右。其它生产缸体缸盖的铸造厂也同样面临着内腔清洁度要求不断提升的压力。因此，铸造厂需要在工艺技术上不断创新，开发应用新工艺、新技术、新材料，满足不断提升的品质要求，彻底解决缸体缸盖内腔清洁度问题。
1 内腔清洁度主要影响因素
影响缸体缸盖内腔清洁度的因素主要为脉纹、粘砂、烧结三大表面质量缺陷。缸体缸盖砂芯目前国内一般都采用覆膜砂热芯盒或者三乙胺冷芯盒工艺射制。由于冷芯盒工艺的高效率和低成本性，除了一些特殊的砂芯之外，一般都采用冷芯盒射制全套砂芯。
1.1 脉纹
脉纹，是树脂砂铸件常见的铸造缺陷之一，表现为在铸件表面圆角、平面或高温热节处出现的锯齿状的不规则金属凸起物，轻微时呈条状分布，严重时呈网状分布。普遍认为，在浇注过程中砂芯受金属液热作用，硅砂膨胀，某些部位发生β石英转向 α石英的相变，体积急剧膨胀， 产生了较大的相变应力，当这些应力大于该部位砂芯高温粘结力时，砂芯就会产生龟裂现象，导致金属液渗入裂纹中产生飞翅凸起现象，形成脉纹缺陷[1]。图1脉纹形状。
图1 脉纹形态
Fig.1 Vein pattern
1.2 粘砂
内腔粘砂一般指机械粘砂，是由液态金属或金属氧化物渗入砂芯表面砂粒间隙，在铸件内表面形成的金属与砂粒机械混合的粘附层。这种粘砂的影响因素较多，如砂芯致密度、芯砂耐火度、涂料耐火度、涂层厚度、涂料渗透深度、涂层高温强度等。 图2粘砂形状。
图2 粘砂形态
Fig.2 burnt on sand
1.3 烧结
内腔烧结指砂芯部分或整个面牢固的粘着一层由金属氧化物、砂子等相互作用的低熔点化合物。不易清除，俗称铁包砂。在铁液浇注和凝固过程中，低熔点无机物与砂芯中的涂料、树脂及石英砂等发生复杂的物理作用（熔合）和化学反应（形成硅酸盐类化合物），反应产物具有较高的强度和硬度，并与铸件内腔表面粘附牢固，严重时把整个内腔通道堵实，形成砂芯烧结[2]。图3烧结形态。
图3 烧结形态
Fig.3 Sintering morphology
2 改善内腔清洁度常用的工艺技术方案
针对内腔清洁度问题，国内各个铸造厂都根据自己的实际情况，不断的探索和试用各种新工艺、新材料、新技术，大致归类为以下几个方向。
2.1 选择优质的硅砂
我国适用于铸造的硅砂资源丰富，主要以内蒙大林和河北围场为代表的北方风积砂为主，以福建平潭、东山、晋江为代表的南方海砂受开采限制，使用量越来越少。其它湖砂河砂也有零星的使用。用于缸体缸盖生产的硅砂为了减少杂质含量，减轻烧结倾向，一般都使用经过擦洗甚至酸洗的擦洗砂。
2.1.1 粒型粒度的选择
颗粒越圆整砂子流动性越好，透气性越好，越易紧实，对提高混合料的强度越有利。同时提供给SiO2 高温体积膨胀的让位空间更大。对减少脉纹粘砂烧结都有利。用于缸体、缸盖的芯砂最为适宜。大林擦洗砂角形因数1.2，由圆型和椭圆型砂粒组成；福建砂角形因数1.45，由椭圆型和钝角形组成。
粒度表示砂子的细度，缸体缸盖一般选择50/100，个别砂芯也有选择70/140的。
2.1.2 SiO2 含量的选择
SiO2含量的高低，直接决定厂硅砂的烧结点，SiO2含量越高，烧结点越高，越能防止缸体、缸盖的粘砂、烧结。缺点是：含量越高，硅砂的高温膨胀率越大，越容易使缸体、缸盖砂芯产生裂纹，造成脉纹缺陷。因此，合理选择SiO2 含量的硅砂，追求均衡和满足铸件品质要求，是铸造厂选砂用砂的关键。表1是硅砂SiO2含量与烧结点的关系[3]。
表1 硅砂SiO2含量与烧结点的关系[3]
Tab.1 Relationship between Si02 content of silicon sand and its sintering point
2.2 选择焙烧砂
焙烧砂是经过800～1000℃焙烧后的硅砂。原以Na、K、Mg、Al、Fe等碱金属氧化物和中性氧化物粘附砂粒表面的杂质脱落，提高了硅砂表面的干净度。砂粒间结合强度更高。减轻了粘砂、烧结的倾向。关于焙烧砂可大幅降低高温线膨胀率，消除脉纹的观点，众说不一，但从一些专家试验和工厂生产实际状况来看，高温膨胀率下降不明显。这与SiO2 相变的可逆性理论是一致的。图4是风积硅砂加热时的线膨胀曲线[4] 。表2是擦洗砂焙烧砂冷芯线膨胀率对比[5] 。
图4 风积硅砂加热时的线膨胀曲线[4]
Fig.4 Thermal expansion curve of eolian sand being heated[4]
表2 擦洗砂焙烧砂冷芯线膨胀率对比[5]
Tab.2 Linear expansion rate comparison of cold box cores made with backed sand and Scrubbing sand
2.3 使用特种砂
特种砂是指除硅砂以外的铸造使用砂。由于硅砂的散热性差，蓄热系数低，导致铸件凝固和冷却较慢，砂芯过热时间长，脉纹粘砂烧结倾向大。而特种砂具有较高的耐火度、良好的导热性、热膨胀小等优点。目前国内应用最广的主要有铬铁矿砂和宝珠砂两种。
2.3.1 铬铁矿砂
铬铁矿砂属于尖晶石类矿物，粒型不规则，主要成分为 Fe0·Cr203 ，耐火度1600～1800℃，充填密度2.6～2.7g/cm3 ，导热性好，高温膨胀率小。加入芯砂中可以起到激冷作用，加快铁液冷却速度，减小砂芯总体的高温膨胀率。国内使用加入量一般在20～50% ，可有效减少或消除脉纹粘砂烧结缺陷。
2.3.2 宝珠砂
宝珠砂又名陶粒砂，是硅砂的高级替代品，由优质铝矾土经煅烧、熔融、造粒、分筛等工艺而制成。宝珠砂为圆球状，主要成分为Al2O3 ,耐火度1900℃，充填密度2.0～2.1 g/cm3 ，流动性好，高温膨胀率小。国内外广泛使用，加入量在20～100% ，可以做到缸体缸盖内腔非常光洁。
随着缸体缸盖结构形状越来越复杂，内腔清洁度要求越来越高，单纯从硅砂方面考虑已经满足不了品质要求了。铬铁矿砂、宝珠砂等特种砂的大幅使用，可以明显改善内腔清洁度，效果非常明显。但同时也带来了生产成本过高的问题。除了吨价格差异较大以外，由于充填密度变大带来的吨芯砂射制砂芯数量减少，无疑更加大了铸造厂的生产成本。
2.4 抗脉纹剂的使用
抗脉纹剂这些年在国际国内得到广泛应用和普遍认可。即在芯砂中加入一定比例的抗脉纹添加剂，可减轻或消除脉纹缺陷。常见抗脉纹剂按照主要组成分为无机物和有机物两大类。无机物抗脉纹剂主要是一种硅酸盐、金属氧化物经特别处理的多元复合化合物，加入量一般为5%～10% 。有机物抗脉纹剂主要成分为木屑类或植物淀粉类，有时混配一定比例的铁红粉，加入量一般为1.0～2.0%。
根据实际使用情况来看，抗脉纹剂可以减轻脉纹缺陷，但由于低熔点的无机物和氧化燃烧的有机物，却加重了内腔粘砂、烧结缺陷的出现[2] 。
2.5 涂料的使用
近些年来，涂料技术的发展较快，性能也得到了大幅提升和扩展。从常规抗粘砂涂料到高渗透型抗烧结涂料，到抗脉纹涂料等。涂料骨料也在不断创新，如非锆质高端涂料等。仅管如此，依然满足不了国内铸造厂品质的需求，不少铸造厂不得不醇基加水基，锆英涂料加非锆英涂料，采取二次甚至三次涂料的办法来减少内腔的脉纹粘砂烧结缺陷。
综上所述，目前国内生产高端缸体缸盖，保障内腔清洁度（无脉纹粘砂烧结）的通用方法就是大比例或全部使用特种砂。这种高成本的无奈之举迫使众多铸造厂急切寻求新工艺、新材料，部分或全部取代特种砂的使用，达到大幅降低生产成本的目的。
3 DK-2冷芯改性剂和M590水基涂料的组合应用
DK-2冷芯改性剂从乌克兰HM公司引进，是一种冷芯添加剂，外观呈深红色粉末状，是由多种硅酸盐、金属氧化物、无机物及有机物按一定比例混制而成的复合型材料，堆积密度为 0.98～1.20 g／cm3 。在冷芯混砂时与原砂同期加入，加入量一般为 0.5%～1.5%。 冷芯改性剂综合化学性质呈中性或偏弱碱性。冷芯改性剂手感细腻、润滑，加入量低，不影响混制砂的流动性。是一种改善内腔清洁度的综合型添加剂。
M590水基涂料从意大利Corefon公司引进，是一种针对高端复杂铸件（如汽车发动机缸体、缸盖）开发的高端涂料，用于提供优质的铸件表面。该产品是陶瓷耐火材料、绝缘物料、金属氧化物的混合物，外观为深红色糊浆状。具有较高的耐火度和渗透性，优异的常温强度和高温强度，良好的涂挂性和流平性。是一种改善内腔清洁度的综合型水基涂料。
3.1 试验一
北方A铸造厂生产的3.8L四气门缸盖，进排气道芯采用三乙胺冷芯盒工艺。原硅砂采用河北围场砂，50/100目三筛砂，宝珠砂加入量60% ，另加入0.4%铁红，树脂加入量1.5% ，组份Ⅰ和Ⅱ比例1:1 。使用某知名公司水基涂料，波美度38~40°Bé ，湿态涂层厚度0.30~0.35mm 。
原工艺当宝珠砂加入量小于60%（试验取55%）就会出现明显的烧结、脉纹缺陷。
3.1.1 试验方法
DK-2冷芯改性剂1.3% ，与80%硅砂、20%宝珠砂一同加入，预混10S ，再加入1.7%树脂，组份Ⅰ和Ⅱ比例1:1 ，混制50~60S ，出砂。
射制砂芯圆润饱满，无松散射不实现象。图5是加DK-2冷芯改性剂射制的砂芯。
使用M590水基涂料浸涂，波美度39~41°Bé ，湿态涂层厚度0.30~0.35mm 。
图5 加DK-2冷芯改性剂射制的砂芯
Fig.5 Sand core made by adding DK-2 cold core modifier
使用通过式表干炉进行烘烤表干，160~200℃，表干时间50~60min 。
3.1.2 试验结果
使用DK-2冷芯改性剂加M590水基涂料组合，宝珠砂从60%降为20%，前后分别进行了12件、20件、40件三次小批量试验，铸件内腔无脉纹、无粘砂、无烧结，加工无异常。图6试验缸盖。图7试验缸盖内腔。表3试验工艺及结果情况。
图6 试验缸盖
Fig.6 Test cylinder head
图7 试验缸盖内腔
Fig.7 Inner cavity of test cylinder head
表3 试验工艺及结果情况
Tab.3 Test process and results
3.2 试验二
南方B铸造厂生产的4YJ系列四气门干式缸套缸体，水套芯和排骨芯采用三乙胺冷芯盒工艺。原硅砂采用擦洗海砂，50/100目三筛砂，宝珠砂加入量60% 。树脂加入量1.8% ，组份Ⅰ和Ⅱ比例1:1 。使用某知名公司水基涂料，波美度40~42°Bé ，湿态涂层厚度0.30~0.35mm 。
原工艺当宝珠砂加入量小于60%（试验取55%）就会出现不同程度的烧结、脉纹缺陷。
3.2.1 试验方法
DK-2冷芯改性剂1.3% ，与70%硅砂、30%宝珠砂一同加入，预混10S ，再加入2.0% 树脂，组份Ⅰ和Ⅱ比例1:1 ，混制50~60S ，出砂。
射制砂芯完整无松散射不实现象。
使用M590水基涂料浸涂，波美度39~41°Bé ，湿态涂层厚度0.30~0.35mm 。使用通过式表干炉进行烘烤表干，150~210℃，表干时间40~60min 。图8试验水套砂芯。图9试验油道排骨芯。
图8 试验水套砂芯
Fig.8 Test water jacket sand core
图9 试验油道排骨芯
Fig.9 Test oil duct ribs core
3.2.2 试验结果
使用DK-2冷芯改性剂加M590水基涂料组合，宝珠砂从60%降为30%，两批次分别试验了10件、40件，铸件内腔无脉纹、无粘砂、无烧结，加工无异常。图10试验缸体。图11试验缸体解剖。表4缸体试验结果。
图10 试验缸体
Fig.10 Test cylinder block
图11 试验缸体解剖
Fig.11 The dissection of the cylinder body of a burning test
表4 缸体试验结果
Tab.4 Test results of cylinder block
3.3 试验三
南方C铸造厂生产的4AX系列四气门干式缸套缸体，水道芯、长水道芯和顶杆芯采用三乙胺冷芯盒工艺。原硅砂采用围场砂，50/100目三筛砂，宝珠砂加入量30% 。树脂加入量1.5% ，组份Ⅰ和Ⅱ比例1:1 。使用某知名公司水基涂料，波美度37~39°Bé ，湿态涂层厚度0.30~0.35mm 。
原工艺当宝珠砂加入量小于30%就会出现不同程度的烧结、脉纹缺陷。
3.3.1 试验方法
DK-2冷芯改性剂1.2% ，与100%硅砂一同加入，预混10S ，再加入1.8% 树脂，组份Ⅰ和Ⅱ比例1:1 ，混制50~60S ，出砂。
射制砂芯完整无松散射不实现象。
使用M590水基涂料浸涂，波美度40~41°Bé ，湿态涂层厚度0.30~0.35mm 。使用通过式表干炉进行烘烤表干，120~180℃，表干时间90~120min 。图12试验水道砂芯。图13试验长水道芯。图14试验顶杆砂芯
图12试验水道砂芯
Fig.12 Test channel sand core
图13试验长水道芯
Fig.13 Test long channel sand core
图14试验顶杆砂芯
Fig.14 Test core chamber core
3.3.2 试验结果
使用DK-2冷芯改性剂加M590水基涂料组合，直接取消了宝珠砂的加入（原加入30%），试验了40件，铸件内腔无脉纹、无粘砂、无烧结，加工无异常。图15试验水道芯内腔。图16试验顶杆芯内腔。
图15试验水道芯内腔
Fig.15 Test channel core cavity
图16试验顶杆砂芯
Fig.16 Test core chamber core Test core chamber core
4 成本对比
以A铸造厂生产的3.8L四气门缸盖为例。
原工艺：硅砂40%，宝珠砂60% ，铁红0.4%，树脂1.5%（1:1） ，使用某知名公司水基涂料。进排气道砂芯总重6.106kg ，浸涂后湿态砂芯总重6.696kg 。
试验工艺：硅砂80%，宝珠砂20% ，冷芯改性剂1.3%，树脂1.7%（1:1），M590水基涂料。进排气道砂芯总重5.428kg ，浸涂后湿态砂芯总重6.017kg 。
经对比，试验工艺大幅降低了砂芯成本，仅进排气道砂芯直接材料成本节约9.78元/台。表5单台缸盖进排气道砂芯材料成本对比 。
表5 单台缸盖进排气道砂芯材料成本对比
Tab.5 Cost comparison of sand core of inlet and exhaust duct of single cylinder head
5 结论
发动机缸体缸盖内腔清洁度的主要影响因素是脉纹、粘砂、烧结，通过DK-2冷芯改性剂和M590涂料的组合使用，完全可以全部或部分取缔特种砂的使用，既解决了缸体缸盖内腔脉纹、粘砂、烧结质量缺陷，同时又有效降低了生产成本。
参考文献
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