砂芯表面涂层对低压铸造铝合金控制臂缺陷的影响

随着环保要求提高，铸造行业逐步向着清洁化、绿色环保、少污染、高效、优质的绿色工业发展。由无机黏结剂制备的无机砂，从制芯到浇注全过程无毒、无味、无粉尘，能有效解决铸造环境污染问题，已经逐步取代覆膜砂和冷芯砂应用于铝合金铸件生产。

当前，国内对于无机砂芯在铝合金底盘铸件中的运用还存在很多问题，尤其是无机砂芯制成后的控制要求，包括无机砂芯的存放环境、砂芯表面涂层的刷涂以及涂层的含水率控制要求等。针对某款铝合金控制臂在低压铸造生产过程中遇到的由无机砂芯表面涂层引起的铝合金低压铸造缺陷问题进行分析，并提出对应的解决措施，旨在为同类产品问题解决提供参考。

图文结果

图1为某铝合金空心控制臂，其质量为5.22 kg，材质为A356合金。铸件轮廓尺寸为466 mm×399 mm×95 mm。铸件内腔采用无机砂成形，通过低压铸造生产。因铸件局部位置需机加工，需在铸件内腔砂芯表面灰色位置刷涂涂料以防止铸件粘砂和降低铸件表面粗糙度，见图2。

根据该产品低压铸造试制的结果，发现铸件一处凸台分布一些形状不规则的气孔。气孔大多是长条形，少数是圆形或椭圆形，孔内圆滑，气孔长度最长贯穿整个凸台，长度达到40 mm。图3为气孔缺陷和X射线探伤图片。经X射线探伤发现，气孔缺陷主要分布在凸台周边。铸造气孔形成的原因是，铝液在充满模具型腔后，包裹砂芯，使砂芯受热产生的气体无法及时从模具排气塞（孔）顺畅排出，留在铝液中凝固后部分形成明显可见的大气孔。因此在保证模具气塞通畅的情况下，初步分析判断该气孔缺陷是由于生产过程中砂芯表面的变化引起的气体聚集造成的。

图1 控制臂结构图

图2 控制臂砂芯

图3 气孔缺陷和X射线探伤

生产的变量主要是模具中的气塞是否通畅和铸件内砂芯的水分含量，而模具气塞的控制是操作规范问题，因此主要针对砂芯的含水率进行验证分析。试验材料为某控制臂无机砂砂芯、砂芯涂料A、砂芯涂料B、工业酒精（纯度99.9%）、A356铝合金液，涂料A和涂料B的具体成分见表1。

砂芯表面的涂层配制工艺：使用电子秤称量5 kg涂料A、5 kg涂料B和工业酒精13.3 kg，采用机械法，按表2比例使用搅拌机进行搅拌。搅拌均匀后采取刷涂法，蘸取涂层刷在砂芯表面，刷涂位置见图2。

表1 涂料A和B的主要成分表

表2 砂芯表面涂层配比

取刷涂涂层A的砂芯，从0开始检测，每间隔1 h检测1次含水率，共检测6次，结果见表3。可以看出，在烘干过程中，砂芯的含水率（ω）随时间延长而降低。在保存4 h后，砂芯涂层的含水率趋于稳定，保持在1.3%~1.5%范围内。
无机砂砂芯在生产过程中需添加一定比例的改性水玻璃作为粘结剂，其生产工艺见图4。

因水玻璃砂型对环境湿度十分敏感，在较高湿度环境下水玻璃砂具有强吸湿性，同时酒精在空气中也有较强的潮解性，因此砂芯转入铸造车间后，砂芯含水率出现了一定比例的变化。参照生产节拍，单车砂芯预计在3 h内使用完，将刷涂涂层A的砂芯在恒温恒湿房放置4 h，砂芯涂层含水率基本稳定在1.3%~1.5%后转入铸造车间，放置3 h，每间隔1 h检测1次砂芯含水率，结果见表4。

表3 砂芯涂层含水率随烘干时间的变化值

图4 无机砂制芯流程

表4 砂芯涂料A涂层在铸造车间含水率变化

刷涂涂料B的砂芯在恒温恒湿房烘干保存4 h，砂芯涂层含水率基本稳定在1.3%~1.5%后转入铸造车间，同样在铸造车间放置3 h，每1 h检测1次，结果见表5。

两种不同涂料涂层的砂芯在恒温恒湿房烘干保存4 h后转入铸造车间，其砂芯涂层的含水率受到涂层中酒精吸潮性和无机砂水玻璃强吸湿性的影响，在2 h内会逐步升高，而后受模具温度等环境因素的影响，砂芯的含水率会逐步降低。其中涂层中酒精比例的含量对含水率影响明显，酒精比例越高，在砂芯转入生产车间后，砂芯涂层吸潮性越强，含水率升到最高所用时间越短；酒精比例越低，砂芯涂层的吸潮性越弱，升到含水率最高所用时间越长。因其酒精比例高，A涂层的吸潮性明显高于B涂层，在生产的3 h内，A涂层的含水率在1.3%~1.9%波动，B涂层的含水率在1.3%~1.7%范围内波动。

刷涂A涂层和B涂层的砂芯均在恒温恒湿房保存4 h后转入铸造车间开始浇注，在3 h内浇注完成，后处理后的铸件经X射线探伤，探伤合格率为100%，见图5。

因此，砂芯A涂层含水率在1.3%~1.9%间波动，不会导致铸件在图5位置气孔的产生；砂芯B涂层的含水率在1.3%~1.7%波动也不会导致铸件在图5位置气孔的产生。取一批砂芯在恒温恒湿房保存时间小于4 h，砂芯涂层的含水率在2.0%、2.1%、3.2%、4.7%和11.2%，直接进行生产验证并探伤检测，检测结果见图6。

表5 砂芯涂料B涂层在铸造车间含水率变化

图5 气孔缺陷检测

图6 不同含水率时铸件气孔缺陷

结论

（1）无机砂芯在刷涂涂层后，需在恒温恒湿房烘烤后使用。在恒温恒湿房的环境温度为30~45 ℃，湿度为20%~35%条件下，需烘烤保存4 h以上，砂芯涂层的含水率控制在1.5%以内。

（2）无机砂芯在转入铸造车间后，A涂层和B涂层均有吸水性，其中A涂层的吸水性比B涂层吸水性更强。A涂层在1 h内，含水率达到高点后逐步降低，最后稳定在1.3%~1.9%内；B涂层在2 h内，含水率达到高点后逐步降低，最后稳定在1.3%~1.7%范围内。

（3）在浇注过程中砂芯涂层的含水率需控制2%以内以避免产生气孔。

《砂芯表面涂层对低压铸造铝合金控制臂缺陷的影响》

刘书梅 郭俊 马小军 刘海滨 刘豪杰

湖北航特装备制造股份有限公司

本文转载自：《特种铸造及有色合金》