铸造铝合金冷硬树脂砂工艺研究

程先军

(武汉船舶职业技术学院动力工程学院，湖北武汉　430050)



铸造铝合金冷硬树脂砂工艺研究

程先军

(武汉船舶职业技术学院动力工程学院，湖北武汉430050)

摘要对冷硬树脂砂原材料的选择、固化特性及影响因素开展了实验及研究，结果表明,冷硬树脂砂造型工艺是一项投资少、见效快、经济效益显著、实用价值高的新型实用型铸造工艺。

关键词铸造铝合金；冷硬树脂砂；铸造工艺

在铸造生产中，世界各国都把重点放在造型材料及其工艺的研究上，并围绕此开展了多方面的科研工作。上世纪八十年代以来，国际上出现了许多新型的冷硬树脂砂粘结剂，使之产生了多种冷硬型(芯)砂。新的工艺中，铸型和砂芯能在常温下硬化，使得传统的造型工艺发生了根本的变革，从而取得了巨大的经济效益，冷硬树脂砂新工艺的应用也日益广泛。

应用冷硬树脂砂生产的铸件尺寸精度高、表面光洁，可有效提高复杂型腔铸件的成品率，同时还有节油、省电、减少环境污染、降低工人劳动强度等优点，因此近年来许多科研部门、高校和工厂对此开展了实验和研究，在不同程度上取得了显著进展，至今这种努力仍方兴未艾。我厂对铸造有色合金冷硬树脂砂工艺作了较为系统的实验研究，并在大功率柴油机各种复杂铸件上得到初步的应用，取得了较好的效果。我们认为，对于各类铸件，特别是尺寸精度和表面粗糙度要求高的复杂有色铸件，采用冷硬树脂砂铸造工艺，无论在产品质量、技术和综合经济效益上，都较传统造型工艺如粘土砂、油砂优越。

1原材料的选择

1.1原砂

应用冷硬树脂砂造型制芯，原砂的颗粒形状及性能对混合料的性能影响很大。判断一种天然硅胶质量优劣，主要是：粒度分布情况、二氧化硅含量、碱性氧化物含量、泥分含量以及砂粒形状等。在实践中，我们主要是根据某种原砂在有限的树脂加入量条件下，能使树脂砂获得的强度高低来判断。因为型(芯)强度实质上表现为粘结剂对砂粒表面的附着力，所谓有效粘结面积，表现为砂粒之间的总粘结点数和砂粒表面树脂膜之间的缩颈的大小，它取决于砂粒的比表面积、形状及粘结剂对砂粒表面的湿润性，因此原砂质量的优劣会直接影响树脂砂强度的高低。

1.2粘结剂

以糖醇为主要原材料生产的树脂，称为呋喃树脂。呋喃树脂又可分为两类：一类是由苯酚、甲醛、糖醇三种成分缩合而成的树脂，称为酚醛呋喃树脂，适用于铸钢和高牌号铸铁生产中；另一类是由尿素、甲醛、糖醇三种成分缩合而成的树脂，称为尿醛呋喃树脂，适用于有色合金与一般铸铁件生产中。为了确保铸件质量，对适用于有色合金用呋喃树脂，应在以下几个方面加以控制。

1.2.1糖醇含量

树脂的主要成分是糖醇，其含量的高低直接对树脂砂的常温强度和高温强度产生影响。对于尺寸和重量较大的高温合金铸件生产，一般选择糖醇含量高一些。铝合金铸件浇注温度较低，对高温强度要求不高，因此糖醇含量应低一些，这样一则有利于复杂型腔泥芯的出砂，二则可降低树脂成本。从我厂多年生产实践来看，铝合金铸件用树脂糖醇含量可小于40%。

1.2.2树脂的粘度与脆性

粘度大，在混砂中不易混制均匀，单位时间内树脂覆膜率较低，降低了自硬砂强度，在这一点上细砂比粗砂表现得更为突出。相反，粘度小，树脂能较顺利地覆膜，可有效地提高树脂砂的粘结强度。对粘度小的树脂而言，混出的砂强度较低，不能很快脱模，这对于批量生产以及模具工装受限的厂家而言是不利的，因此，粘度大小的选择要视各厂的产量、批量、工装模具及生产情况而定。

就树脂砂芯的脆性而言，尿醛树脂砂芯脆性较低，酚醛树脂砂芯脆性较大，这对于形状复杂，结构长而细薄的泥芯来说，在搬运、组合、下芯的过程中容易发生开裂。可采取一些补救措施，如：加入适量坛塑剂作为辅助剂，以提高砂芯的抗拉和弯曲强度，满足生产要求。

1.2.3有害气体挥发量

呋喃树脂是用酸催化，即使使用游离甲醛为0的纯糖醇进行酸催化，也会有游离甲醛释放出来，因此，树脂中游离甲醛的含量是衡量树脂性能的重要指标之一。若树脂中游离甲醛含量较高，挥发到空气中并超过一定浓度时，操作人员就会感到刺鼻、刺眼，严重时甚至会流泪，对人的身体健康是十分有害的。

1.2.4含氮量

树脂中的含氮量多少，与铸件材质种类、铸件重量、尺寸、壁厚以及结构等多种因素相关。一般来讲，增加树脂中含氮量，树脂砂常温强度会增大，但高温强度会急剧下降。因此，对含氮量的规定，主要考虑既要保证一定的常温强度，又要保证含氮量不能过高，以避免产生气孔缺陷。

1.3催化剂

在酸催化剂自硬法中，催化剂对树脂砂硬化过程的控制起着决定性作用。[1]各种树脂的原材料及其性能各异，在生产中，应选用合适的催化剂与之配合，从而获得较理想的工艺性能。目前国内使用的几种催化剂的催化速度由慢到快依次是磷酸(浓度为85%)、对甲苯磺酸(浓度为65%)、硫酸乙酯(浓度为65%)。通常树脂砂固化慢一些，其终强度较高,固化快一些，则终强度较低。在实验中，我们对磷酸和对甲苯磺酸酒精溶液进行了对比，结果发现对甲苯磺酸做催化剂的树脂砂终强度太低，不能满足生产要求，而磷酸做催化剂的树脂砂终强度较高，且磷酸酸性弱，挥发性气味小，操作安全可靠，故我们在实验和生产中均采用工业磷酸作为冷硬树脂砂的催化剂。

2树脂砂的固化特性及影响因素

2.1固化原理及特性

酸催化的冷硬呋喃树脂是一种线型结构，虽然它们的硬化机理不一样，但基本上都是这种线型结构的分子，在酸性催化剂的作用下发生聚合反应，形成三度空间交联，在释放凝聚水的同时，形成常温下不可逆反应的高分子体型聚合物，从而使砂粒粘在一起而达到硬化。这种硬化反应是从催化剂与树脂接触开始，直到树脂砂完全硬化而告终。

冷硬树脂砂的固化过程通常分为三个阶段：初始固化阶段、中期固化阶段和后期固化阶段。初始固化阶段是指树脂砂整体仍处于液态，只是表现出粘度有些增大，强度基本没变，此阶段树脂砂具有良好的流动性和充填能力。中期固化阶段其反应速度明显加快，树脂砂强度急剧升高，这是树脂在酸性催化剂下发生交联反应的主要阶段。砂粒表面的树脂膜由液态向固态转化，型芯从表面到中心逐步硬化。后期固化阶段中，由于反应析出的水排出较困难，使型芯中心部位的树脂分子交联反应速度变慢。在后期固化阶段中，树脂砂强度的增加已不显著。

2.2影响自硬树脂砂硬化过程的因素

2.2.1原砂

工业生产中最常用的原砂是石英砂，它大约占冷硬系列的97～98%，其形状有圆形、多角形和尖角形，其中圆形颗粒原砂为佳。这是因为圆形颗粒的表面积最小，所需覆盖而成树脂膜的粘接剂最少，其流动性也较好。在冷硬树脂砂实验与生产中，当取适当的树脂加入量时，砂粒越细强度越低，这是由于树脂达不到覆盖砂粒表面所需用量的缘故，这样原砂粒度适当增大，其强度也随之增大。但原砂粒度不能太大，否则会因砂粒间总粘结点的减少，导致强度反而降低。我们认为：铝合金冷硬树脂砂复杂水腔夹层泥芯，选用40/70或50/100原砂为宜，既利于提高强度又可增加透气性；一般泥芯选用70/140原砂较好，一则降低成本，二则可提高铸件毛坯表面粗糙度。

2.2.2树脂加入量

树脂砂的强度通常是随树脂加入量的增加而提高的。用巴胡塔砂混制的冷硬树脂砂，当树脂加入量为1.5～2.2%时，其强度曲线斜率最大，树脂砂强度增加也最快。当树脂加入量超过2.2%以后，强度增加不明显，这是因为已有足够的树脂覆盖了砂粒表面，多余的树脂起不到增加强度的作用，相反还会降低树脂砂透气性，增大发气量。

对郑庵砂来说，树脂加入量为1.5%左右时，终强度太低，不能使用。这是因为原砂细，泥分偏高，树脂粘结剂消耗量大，有限的树脂不能完全覆盖所有的砂粒表面，以致强度太低。只有当树脂加入量提高到2.0%时，方能满足强度要求。

2.2.3催化剂

催化剂随工艺要求、环境条件等因素的影响，其加入量一般为30～60%，在此范围内可保证一定硬化速度的前提下，获得最佳强度值。催化剂加入量低于30%或高于60%都会引起树脂砂强度下降，这是因为加入量较低时，被原砂中碱性氧化物中和掉一部分后，剩余的有效酸量太少，不能使树脂分子均匀地产生交联反应，导致分子之间连接松紧不一，形成不致密的固化树脂膜。而催化剂加入量适量时，反应中整个树脂膜均匀固化，强度缓慢上升，获得较好的终强度。当然加入量过多也是不利的，不仅会导致固化加剧，而且过剩的酸对树脂膜有腐蚀作用，从而使树脂砂终强度急剧下降。

2.2.4环境

树脂砂的反应速度随着环境温度的升高而加快，从而导致使用期变短，不利于生产操作，特别是夏天，尤其于此。因此，必须适当调整催化剂的加入量，使之得到合适的硬化速度和理想的终强度。

树脂砂的强度还随环境湿度的增大而降低。这是由于树脂粘结剂的固化反应中，其反应速度要受到生成物H2O迁移速度的影响。环境湿度高，减少了内外湿度差，从而限制了水分的外迁散发，抑制了固化反应速度，树脂砂内残留水分会因此而增加，并在树脂膜中形成多孔性粘结桥，降低了粘结剂与砂粒之间的附着力，使之产生所谓的附着断裂，降低了树脂砂强度。

3结语

通过多年的生产实践，我们认为采用冷硬树脂砂造型(芯)工艺是一项投资少、见效快、经济效益显著、实用价值高的新工艺。它不受机械化程度高低和厂矿大小的限制，对铝合金铸件来说，不失为一种值得推广应用的新型实用型铸造工艺。

参考文献

1曹文龙.铸造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1989

(责任编辑：谭银元)

Study on Cold Resin Sand Casting Process of Aluminum Alloy

CHENG Xian-jun

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，Wuhan 430050，China)

Abstract:The raw materials selection of the cold resin sand, curing characteristics and influence factors are experimented and studied. The study results show that cold resin sand casting process is cost-effective, quickly efficient, economic-effective, and with high practical value.

Key words:aluminum alloy casting; cold resin sand; casting technology; experiment and study

作者简介：程先军，男，工程师，主要研究方向为材料成型及控制过程。

收稿日期：2014-10-18

中图分类号TG24

文献标志码A

文章编号1671-8100(2015)02-0033-03