D30氣缸體屬于玉柴4D系列缸體，在HWS靜壓造型線生產。在D30氣缸體鑄件批量生產以來，一直存在頂桿室、水道內腔粘砂、燒結及脈紋等鑄造缺陷。因此，為了保證D30氣缸體頂桿室、水道內腔質量，其頂桿室芯、水道芯一直使用高成本的白剛玉復合砂生產。剛玉砂是高鋁礬土（主要成分Al2O3）經粉碎、洗滌后在電爐內于2000～2400℃高溫下熔煉而制得的，具有耐火度高，在高溫時體積穩定且不易龜裂的特點。鑄造用的剛玉砂分白剛玉砂和棕剛玉砂兩種。白剛玉復合砂是由白剛玉砂+普通硅砂按一定的比例進行混配而成。使用剛玉砂作為鑄造芯砂，能減少鑄件內腔粘砂、燒結等缺陷，并且不易出現脈紋，提高鑄件內腔質量。但是由于其價格較貴，批量生產時相應提高了鑄件的成本。為有效控制成本，筆者所在鑄造廠要求在不降低鑄件內腔質量的前提下，減少制芯用砂成本，需要在D30氣缸體頂桿室芯、水道芯上開發應用低成本砂。

    在D30氣缸體頂桿室芯、水道芯上開發的低成本砂，選用了SiO2含量適中且含泥量低的大林砂，并且為減少鑄件內腔粘砂、脈紋等缺陷，在大林砂中適量添加了某公司生產的抗脈紋劑。

一、芯砂性能對比

１．混砂工藝

白剛玉復合冷芯砂（配比見表1），是白剛玉復合砂（見圖1）與冷芯盒用樹脂按一定的比例混制10～20s后而得。

用白剛玉復合冷芯砂生產D30氣缸體頂桿室芯和水道芯，鑄件頂桿室和水道內腔粘砂、燒結和脈紋等鑄造缺陷較少，此工藝已批量應用于D30氣缸體。

      　　圖1 白剛玉復合砂

低成本砂，即抗脈紋劑冷芯砂（配比見表2），是用大林砂（見圖2）與樹脂、抗脈紋添加劑（見圖3）按一定的比例進行混制而成。由于SiO2在高溫鐵液的作用下會發生晶型轉變而發生線性膨脹，從而使砂芯開裂成縫，鑄件出現“脈紋”缺陷，而抗脈紋劑可作為芯砂中的退讓性添加劑，能減少砂芯的膨脹應力。在芯砂中加入占原砂重量5%～10%的抗脈紋劑，可有效預防鑄件“脈紋”缺陷。

 　　圖2 大林砂

　　圖3 抗脈紋添加劑

　　2.芯砂強度對比

　　從即拉強度、常拉強度兩方面對比分析兩種芯砂的性能。根據批量生產及試驗過程收集到兩種芯砂性能的數據，得到兩種芯砂的即拉強度、常拉強度的分布情況，分別見圖4、圖5。

 
　　圖4 即拉強度按芯砂類型的單值控制曲線

　　圖5 常拉強度按芯砂類型的單值控制曲線

從圖4、圖5中兩種芯砂的性能分布范圍情況看，白剛玉復合砂與低成本砂的芯砂性能相當。

使用低成本砂射制D30氣缸體頂桿室芯、水道芯，砂芯飽滿，射芯過程無異常，與白剛玉復合砂生產的砂芯對比，分別見圖6～圖9。

 
　　圖6 白剛玉復合砂生產的頂桿室芯

　　圖7低成本砂生產的頂桿室芯

　　圖8白剛玉復合砂生產的水道芯

　　圖9 低成本砂生產的水道芯

  　二、鑄件質量對比

１．內腔清潔度

使用低成本砂試驗生產D30氣缸體頂桿室芯、水道芯，按批量生產工藝進行組芯、下芯和澆注。試制鑄件的頂桿室和水道內腔清潔度良好，無大塊粘砂、脈紋出現，與白剛玉復合砂生產的D30氣缸體頂桿室、水道內腔質量相當，分別見圖10～圖13。

 
　　圖10 使用低成本砂的頂桿室內腔

　　圖11 使用白剛玉復合砂的頂桿室內腔 

　　圖12 使用低成本砂的頂桿室內腔

　　圖13 使用白剛玉復合砂的水道內腔

2. 鑄件尺寸及廢品率

低成本砂生產D30氣缸體頂桿室芯、水道芯，對鑄件相應位置的尺寸進行劃線檢測，檢測結果符合鑄件尺寸精度要求。

統計低成本砂驗證期間生產的D30氣缸體的數量及廢品率，并與白剛玉復合砂生產鑄件的廢品率進行對比得出，使用低成本砂生產對鑄件的廢品率無較大影響，見表3。

三、批產驗證及成本對比

在D30氣缸體頂桿室芯、水道芯上使用低成本砂進行批量生產驗證，鑄件頂桿室、水道內腔無異常粘砂、燒結和脈紋等缺陷，內腔清潔度滿足鑄件外觀質量要求，并且與白剛玉復合砂生產的鑄件內腔質量相當。同時，低成本砂是由成本低的大林砂，并添加適量抗脈紋劑混制而得，從而減少了D30氣缸體制芯用砂成本（見表4），進而降低了D30氣缸體鑄件的生產成本。

　　四、低成本砂應用機理探討

低成本砂是大林砂中加入適量的抗脈紋劑混制而成，在降低制芯用砂的成本的同時，能減少鑄件內腔脈紋等缺陷。鑄件脈紋產生的基本原因有兩個：一是石英石在573℃發生相變，體積膨脹致使砂芯表面開裂成縫；二是砂芯被高溫鐵液所包圍，產生大量的氣體難以快速排出，腔內的瞬時應力大于鐵液的滲透阻力，金屬液就通過砂芯裂紋或孔隙滲透到了芯子的整個截面上，形成脈紋或滲透型機械粘砂。大林砂中含的長石多于海砂，長石在1200～1300℃軟化而發生收縮，從而為硅砂高溫膨脹提供了空間，降低了砂芯的膨脹開裂。抗脈紋劑主要成分為復合無機物，可作為芯砂中的退讓性添加劑，能減少砂芯的膨脹應力，增加砂芯的熱強度和熱塑性。芯砂中加入適量的抗脈紋劑，可有效預防鑄件“脈紋”缺陷，并且對鑄件的尺寸無影響。