D30气缸体属于玉柴4D系列缸体，在HWS静压造型线生产。在D30气缸体铸件批量生产以来，一直存在顶杆室、水道内腔粘砂、烧结及脉纹等铸造缺陷。因此，为了保证D30气缸体顶杆室、水道内腔质量，其顶杆室芯、水道芯一直使用高成本的白刚玉复合砂生产。刚玉砂是高铝矾土（主要成分Al2O3）经粉碎、洗涤后在电炉内于2000～2400℃高温下熔炼而制得的，具有耐火度高，在高温时体积稳定且不易龟裂的特点。铸造用的刚玉砂分白刚玉砂和棕刚玉砂两种。白刚玉复合砂是由白刚玉砂+普通硅砂按一定的比例进行混配而成。使用刚玉砂作为铸造芯砂，能减少铸件内腔粘砂、烧结等缺陷，并且不易出现脉纹，提高铸件内腔质量。但是由于其价格较贵，批量生产时相应提高了铸件的成本。为有效控制成本，笔者所在铸造厂要求在不降低铸件内腔质量的前提下，减少制芯用砂成本，需要在D30气缸体顶杆室芯、水道芯上开发应用低成本砂。

    在D30气缸体顶杆室芯、水道芯上开发的低成本砂，选用了SiO2含量适中且含泥量低的大林砂，并且为减少铸件内腔粘砂、脉纹等缺陷，在大林砂中适量添加了某公司生产的抗脉纹剂。

一、芯砂性能对比

１．混砂工艺

白刚玉复合冷芯砂（配比见表1），是白刚玉复合砂（见图1）与冷芯盒用树脂按一定的比例混制10～20s后而得。

用白刚玉复合冷芯砂生产D30气缸体顶杆室芯和水道芯，铸件顶杆室和水道内腔粘砂、烧结和脉纹等铸造缺陷较少，此工艺已批量应用于D30气缸体。

      　　图1 白刚玉复合砂

低成本砂，即抗脉纹剂冷芯砂（配比见表2），是用大林砂（见图2）与树脂、抗脉纹添加剂（见图3）按一定的比例进行混制而成。由于SiO2在高温铁液的作用下会发生晶型转变而发生线性膨胀，从而使砂芯开裂成缝，铸件出现“脉纹”缺陷，而抗脉纹剂可作为芯砂中的退让性添加剂，能减少砂芯的膨胀应力。在芯砂中加入占原砂重量5%～10%的抗脉纹剂，可有效预防铸件“脉纹”缺陷。

 　　图2 大林砂

　　图3 抗脉纹添加剂

　　2.芯砂强度对比

　　从即拉强度、常拉强度两方面对比分析两种芯砂的性能。根据批量生产及试验过程收集到两种芯砂性能的数据，得到两种芯砂的即拉强度、常拉强度的分布情况，分别见图4、图5。

 
　　图4 即拉强度按芯砂类型的单值控制曲线

　　图5 常拉强度按芯砂类型的单值控制曲线

从图4、图5中两种芯砂的性能分布范围情况看，白刚玉复合砂与低成本砂的芯砂性能相当。

使用低成本砂射制D30气缸体顶杆室芯、水道芯，砂芯饱满，射芯过程无异常，与白刚玉复合砂生产的砂芯对比，分别见图6～图9。

 
　　图6 白刚玉复合砂生产的顶杆室芯

　　图7低成本砂生产的顶杆室芯

　　图8白刚玉复合砂生产的水道芯

　　图9 低成本砂生产的水道芯

  　二、铸件质量对比

１．内腔清洁度

使用低成本砂试验生产D30气缸体顶杆室芯、水道芯，按批量生产工艺进行组芯、下芯和浇注。试制铸件的顶杆室和水道内腔清洁度良好，无大块粘砂、脉纹出现，与白刚玉复合砂生产的D30气缸体顶杆室、水道内腔质量相当，分别见图10～图13。

 
　　图10 使用低成本砂的顶杆室内腔

　　图11 使用白刚玉复合砂的顶杆室内腔 

　　图12 使用低成本砂的顶杆室内腔

　　图13 使用白刚玉复合砂的水道内腔

2. 铸件尺寸及废品率

低成本砂生产D30气缸体顶杆室芯、水道芯，对铸件相应位置的尺寸进行划线检测，检测结果符合铸件尺寸精度要求。

统计低成本砂验证期间生产的D30气缸体的数量及废品率，并与白刚玉复合砂生产铸件的废品率进行对比得出，使用低成本砂生产对铸件的废品率无较大影响，见表3。

三、批产验证及成本对比

在D30气缸体顶杆室芯、水道芯上使用低成本砂进行批量生产验证，铸件顶杆室、水道内腔无异常粘砂、烧结和脉纹等缺陷，内腔清洁度满足铸件外观质量要求，并且与白刚玉复合砂生产的铸件内腔质量相当。同时，低成本砂是由成本低的大林砂，并添加适量抗脉纹剂混制而得，从而减少了D30气缸体制芯用砂成本（见表4），进而降低了D30气缸体铸件的生产成本。

　　四、低成本砂应用机理探讨

低成本砂是大林砂中加入适量的抗脉纹剂混制而成，在降低制芯用砂的成本的同时，能减少铸件内腔脉纹等缺陷。铸件脉纹产生的基本原因有两个：一是石英石在573℃发生相变，体积膨胀致使砂芯表面开裂成缝；二是砂芯被高温铁液所包围，产生大量的气体难以快速排出，腔内的瞬时应力大于铁液的渗透阻力，金属液就通过砂芯裂纹或孔隙渗透到了芯子的整个截面上，形成脉纹或渗透型机械粘砂。大林砂中含的长石多于海砂，长石在1200～1300℃软化而发生收缩，从而为硅砂高温膨胀提供了空间，降低了砂芯的膨胀开裂。抗脉纹剂主要成分为复合无机物，可作为芯砂中的退让性添加剂，能减少砂芯的膨胀应力，增加砂芯的热强度和热塑性。芯砂中加入适量的抗脉纹剂，可有效预防铸件“脉纹”缺陷，并且对铸件的尺寸无影响。