“技术推动”与“市场拉动”下的无机粘结剂体系

ASK Chemicals GmbH, Hilden Dr.Jens Müller

1.概述

当今，无机树脂或无机粘结剂的重要性越来越高，然而在汽车领域，究竟是什么因素刺激了当前关于无机粘结剂体系批量生产工艺的讨论？

不可否认，一个新兴市场正从这里逐步成长，全新的产品、技术创新，以及生产改造随之而来，而且不只是局限在粘结剂生产商层面，设备和模具领域以及服务领域也随该技术相生相长。

在技术推动方面，主动性主要来自公司本身，凭借其专业技术努力加大创新步伐。一方面，公司以进行大规模研发投资并提供相应资源为前提，同时将创新成果从产品层面延展到服务层面。另一方面，客户借由市场拉动作用发挥能动性，即表达自己的需求，从而最终获得最满意的新产品。

概括来说，技术推动作用催生更大的创造力，而市场拉动作用则不断刺激对现有产品的改进。然而，在发展过程中片面强调技术推动，往往会因为忽视市场作用而面临风险。

2007年，粘结剂体系经过大幅改进，首次实现了批量化生产。其中，模拟技术的发展是所有这一切的支撑点，尤其在芯盒的设计中发挥了很大作用。客户和供应商都意识到，有别于诸如冷芯盒等传统铸造工艺、设备和模具的技术参数设置变得更为重要。

砂再生课题也与批量化生产关联起来。小批量生产已经通过实验室测试和中试系统实现，批量化工厂生产也已于最近开始运营。

2.研发现状

虽然研发的宗旨是实现技术推动，但同时也要随时考虑客户的需求。

硅酸盐体系的加热硬化是最新无机粘结剂的发展起点。但是，其强度级别（特别是起模强度）仍然不够，不适于批量生产工艺。这一问题推动了对促进剂（一种弥补了上述缺陷的矿物添加剂）的研制。针对诸如铸件表面质量或形变稳定性等更进一步的需求，促进剂得到相应的改进与优化。持续的发展催生了另一种全新体系，其流动性明显改善，因此适合几何形状复杂的铸件生产（见图1）。

3.铸造工艺优势

对设备工装清洁和维护方面的优势是无机粘结剂取得成功的基本驱动力。它不仅有利于生态保护，还能够提供与生产率相关的重要优势，可参考前述铸件或砂芯测试实例（采用重力金属模浇注，6缸柴油发动机应用，见附表）。

当使用传统冷芯盒砂芯浇注时，固化时间需要6min；而使用INOTEC砂芯时，由于没有冷凝物树脂层的形成，铁模底盘温度降低，只要5.5min即可移除铸件。如果使用冷芯盒砂芯，在完成15次浇注后必须对铁模进行清洁，而使用INOTEC可以作业24h，之后进行一次清洁即可。这可以有效提升生产率。经计算，使用冷芯盒每小时平均完成7.8个铸件，而使用INOTEC，这一数字将变成10.8件。

6缸柴油发动机应用实例

4.部件属性提升

当然，固化时间缩短不仅可以增加循环次数，对于结构质量也有积极影响。这可以从实际操作中发现，即联合奥地利铸造研究所在莱奥本开展的一项研究也对此进行了验证。它在一个双阶梯控温铁模中同时使用冷芯盒砂芯和INOTEC砂芯进行浇注，然后分别测定静态和动态强度属性。除了更低的孔隙率，后者的断裂伸长率和抗拉强度值均明显较高。在交变弯曲测试中，INOTEC铸件的测定值也明显较高。换言之，INOTEC铸件预期能承受更高负荷，在材料耐受性方面也明显更为出色。这使得我们可以考虑减小壁厚，精简铸件体积，同时研制动力强劲的低排放发动机。

使用无机树脂不仅有利于环保，在批量生产工艺中也具有更多优势，范围涉及质量、经济和技术三个方面。所以说，在技术推动作用下，粘结剂体系对追求环保的初衷不仅得以满足，而且实现了超越。这在几年前还不太明显，因为那时无机粘结剂体系还无法应用到批量生产中。

在无机树脂的重要性方面，这种发展实现了一种重要转变，即不仅只将环境问题放在优先位置。因为当生态应用不仅具有经济性而且实际产生经济优势时，才是真正实现可持续性的标志。所获得的优势首先体现在清洁和维护方面，这不仅可以降低成本，而且能够大幅提高产量。

5.通过模拟缩短研制时间

无机砂芯生产很大程度上依赖于正确的模具设计。无机砂芯生产的操作范围要比传统砂芯生产方法窄得多。因此，尽可能地建立最优设置显得愈加重要。模拟可为此提供重要支持，而且最近应用的频率也在不断增加。通过模拟，可以提前检查砂芯是否足够密实，或芯盒是否存在设计缺陷。

也可以使用加热的模具或热净化空气，通过适当程序模拟砂芯的干燥。两者都有助于提前检查关键部件，并启动相应的纠正措施。许多客户已经将模拟当成标准程序，为启动新项目节省宝贵时间，而不必将时间浪费在模具改造和适配方面。

6.锁定在市场拉动和技术推动下的砂芯生产

ASKChemicalsGmbH（希尔登）建立起自己的纯无机粘结剂砂芯制造工厂（见图2），顺应了客户对外部生产的期望，即响应了市场拉动。反过来，在批量生产条件下得到的这些信息经全面评估后又可作为技术推动的驱动力。再者，还可以借由这家工厂与其他目前没有无机砂芯生产能力的客户开展项目，无需客户进行大规模投资。

7.工装和模具技术领域的全新解决方案

以无机树脂为核心的全新市场已经发展起来，也可以说它积蓄了自我发展的动力。设备制造商增加了对无机物特性的测试，在此过程中，制造商与有意将无机树脂纳入考量的客户进行实地互动，从而打造出全新的解决方案。

以下简要概述一些实例。这些技术创新虽然对于无机树脂应用不是必要条件，但却提供了一系列优势，能够简化无机树脂的应用条件，进一步提升体系性能。

图3所示为射砂板附近的超声雾化器。细密的雾化水滴可防止喷嘴中的砂直接或间接接触热模具，避免过早硬化并阻塞喷嘴。在这里，无机粘结剂体系对湿度敏感这一弱点转变成了优点。

同样的操作还应用到会与混好的砂接触的其他位置，比如射砂管，以及如图4所示的混砂机或运输托架（用于将混好的砂运输到机器中）。相关机器部件的使用寿命和可用率也因为这些措施而显著提高。清洁作业得到最大程度的减少，与传统砂芯生产方式相比成本也有所降低。

现有无机粘结剂体系技术（已针对无机树脂进行改进）在其他一些方面的微小改进，使得相关机器部件的可用率进一步提高，如射砂漏斗盖可避免持续的空气交换，防止混好的砂与空气或CO2发生反应。

图5中蜗杆配给装置的称重系统配备电子称重传感器，在小量添加剂（促进剂）称重中可以提供最大可能的精确度。优质铸件和次品之间的区别往往取决于此处微小的变化和误差。

射芯机（见图6）的全新概念也符合无机树脂的要求，并有助于最好地利用或克服无机粘结剂的优缺点。概念旨在保证所有与混好的砂接触的机器部件与热接触区分离。模具的温度约为180℃，这意味着热量会自然上升。这将不可避免地导致过早（局部）反应，进而影响混好砂的使用时间。虽然从首次或二次射砂中看不出变化，但它将缩短机器在批量生产条件下的服务寿命。射砂单元只有在射砂期间才会位于热芯盒上方，从而最大程度地减少接触时间。

其他技术创新是，原则上，所有区域都采用水冷却工艺，无论是砂漏、射砂管、射砂头、射砂板，还是喷嘴（见图7），都可以最好地确保在射砂单元中不会发生过早反应。型砂的使用寿命也因此有了惊人的延长。在最适宜的时机硬化砂芯也很重要，可以通过热芯盒和热净化空气来实现。由此，循环时间将低于现有方法，或至少与之相当。

为确保稳定的温度控制，专门为批量生产而设计的气体处理装置等可在循环期间抵御超过150℃的高温（见图8），这对于避免工艺波动尤其重要，进而避免硬化及砂芯最终质量的波动。

8.废砂再生

无机废砂再生是过去几年来的一个重要课题。当然，只有在废砂产生量充裕，而且有适宜的再生方式时，这一课题才能成立。而且很明显的是，只有从砂芯生产到浇注和再生的砂循环首尾相接时，无机工艺才能实现真正的可持续性。

经历了从最开始的实验室测试和系统试验，到现在具有商业价值的体系等几个发展阶段后，面向此类工艺的全球首个再生车间于近期投入生产。图9显示，再生砂在砂芯强度水平方面预期不会受到任何制约。使用再生砂生产的测试样本在第一次和第五次循环后都表现出很好的强度性能。其强度实际比新砂还高，甚至允许在批量生产工艺中减少粘结剂的用量。

在再生课题上，我们可以自信地探讨技术推动和市场拉动的联合效应。一方面，市场要求有相应的解决方案，另一方面，研发部门为研制与无机粘结剂相匹配的工艺和参数而投入大量时间。

图10显示的是设在BMW兰茨胡特轻合金铸造厂的全球首个再生车间，服务于汽车领域的无机砂芯生产。车间由机械再生和热法再生两部分组成。

9.在铸铁生产中的应用

许多铸造厂对铸铁产品有兴趣，从而形成了一种市场拉动作用，而这种作用又或多或少地源自铸铝生产方式中的技术推动。其优势当然趋向于生态方面，因为像较少的铁模清洁作业，以及由此产生的生产率提高等积极效应在砂型铸造中并不适用。然而很明显，无机粘结剂却可以为该领域带来技术效益。图11所示为使用INOTEC砂芯生产的铸铁件与铸件剖面（区域5、6）。其他样品（具有明显的铸造缺陷）则为不同的冷芯盒工艺混砂，无机树脂在此处优势明显。一系列浇注试验表明，使用无机粘结剂的铸件没有脉纹缺陷。

10.结语

过去4年中，在一系列市场拉动和技术推动作用下，铸造市场上的无机粘结剂经历了惊人的发展。虽然早期对无机树脂的研制“只着眼于”环境优势，但后来形势有所变化，其他优势也纷纷显露，其中最重要的一点是通过减少清洁作业，以及可降低铁模底盘温度的新铸造体系，提高了铸造流程的生产率。

对无机砂芯生产兴趣的不断增加，使得模具和设备制造商开始集中处理这一问题，同时建立独特的解决方案，消除工艺依赖型缺陷。无机树脂的优势现已得到充分利用。

首批批量生产用户致力于无机粘结剂工艺，并决心不惧风险地引入有前途的新技术，而这一直都是最新科技发展的重要推动力。