呋喃樹脂自硬砂生產(chǎn)大型鑄鋼件工藝控制要點(diǎn)

于洪巖，周俊珍

（1.天津市天重江天重工有限公司，天津 300400；2.西北工業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

呋喃樹脂自硬砂是指常溫下呋喃樹脂在固化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使鑄型（芯）獲得固化成型的一種工藝方法。它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如鑄件尺寸精度高，表面粗糙度好，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)效率高，勞動強(qiáng)度低，尤其是鑄型（芯）潰散性好，鑄件清砂容易，舊砂通過再生可反復(fù)回用，再生率在90%以上，且再生后的舊砂性能與新砂相似，有些性能指標(biāo)甚至優(yōu)于新砂，既可作背砂，也可作面砂。采用呋喃樹脂自硬砂工藝生產(chǎn)鑄鋼件時，由于呋喃樹脂自硬砂發(fā)氣量大且迅速、鑄型導(dǎo)熱性差、高溫強(qiáng)度高、退讓性差，造成鑄鋼件質(zhì)量難以控制，表現(xiàn)在：易產(chǎn)生侵入性的皮下氣孔；鑄鋼件的熱裂傾向性大；澆注后砂型的導(dǎo)熱性差，不利于形成鑄件的順序凝固。但是，只要通過對造型原輔材料進(jìn)行科學(xué)合理的控制，采用符合呋喃樹脂自硬砂生產(chǎn)要求的鑄造工藝方法，并嚴(yán)格控制生產(chǎn)操作過程，呋喃樹脂自硬砂完全能夠生產(chǎn)出滿足使用要求的高質(zhì)量鑄鋼件。我廠2007年所上的呋喃樹脂自硬砂生產(chǎn)線，目前已經(jīng)形成規(guī)模性的生產(chǎn)。

1 造型用原輔材料的合理控制

1.1 原砂的選擇

我廠生產(chǎn)大型鑄鋼件的原砂主要是石英砂和鉻鐵礦砂。

作為生產(chǎn)大型鑄鋼件用砂，要求原砂必須具有一定的耐火度和熱穩(wěn)定性，不與金屬液發(fā)生反應(yīng)，選擇適合鑄鋼件生產(chǎn)的高品位擦洗烘干原砂，并控制好再生砂的相關(guān)指標(biāo)。通過我廠幾年來的生產(chǎn)實(shí)踐，石英砂的SiO2含量應(yīng)大于97%，粒度30/70目（集中度≥85%），含泥量≤0.3%，細(xì)粉含量≤1.0%，酸耗值≤5ml，水分含量≤0.2%，酌減量≤0.5%，粒形：采用橢球形的天然石英砂或者多邊形的人工破碎石英砂，避免使用尖角砂。原砂應(yīng)具有良好的抗破碎性，以便于進(jìn)行再生。

鉻鐵礦砂中Cr2O3含量應(yīng)大于46%，粒度40/70目，細(xì)粉含量≤1.0%，酸耗值≤5ml，水分含量≤0.2%，酌減量≤0.5%。

在鑄鋼件的生產(chǎn)過程中，再生砂的性能指標(biāo)與鑄件質(zhì)量有直接關(guān)系，特別是灼減量和微粉含量直接影響到鑄件產(chǎn)品質(zhì)量，酸耗值則直接影響固化劑的加入量及固化效果。再生石英砂的SiO2含量應(yīng)大于97%，酌減量≤2.0%，細(xì)粉含量≤0.8%，酸耗值≤2，水分含量≤0.2%，含泥量≤0.3%。

1.2 樹脂和固化劑的選擇

生產(chǎn)大型鑄鋼件用的呋喃樹脂采用無氮的高糠醇呋喃樹脂，同時固化劑對于控制型芯砂的硬化速度和終強(qiáng)度也起到非常重要的作用，我們通常采用的固化劑為對甲苯磺酸或二甲苯磺酸。在樹脂和固化劑的選擇上，除了控制相應(yīng)的理化指標(biāo)外，更應(yīng)該對其硬化特性進(jìn)行控制，特別是對樹脂的硬透性進(jìn)行控制。由于在鑄鋼件的生產(chǎn)過程中不過分地追求較高的型芯砂終強(qiáng)度，但要求呋喃樹脂在硬化過程中表面砂型與中間層砂型的硬化速度差異性不能過大，即砂型有較好的硬透性。這樣有助于減少樹脂和固化劑的加入量，并合理的控制砂型的終強(qiáng)度。

1.3 對砂溫控制要求

呋喃樹脂自硬砂的硬化特性與砂溫和環(huán)境溫度有十分密切的關(guān)系，特別是砂溫對硬化特性有十分重要的影響，合理的控制砂溫，可以有效的減少固化劑的加入量，獲得良好的硬化特性，同時減少鑄件的滲硫趨勢。通過砂調(diào)溫器的控制，一般砂溫應(yīng)該控制在20℃～30℃。

1.4 追求合理的砂型強(qiáng)度

在采用呋喃樹脂自硬砂進(jìn)行生產(chǎn)時，樹脂砂的強(qiáng)度隨著樹脂加入量的增加而提高，但是加入量超過一定限度以后，強(qiáng)度進(jìn)一步提高就不再明顯，過高的砂型芯強(qiáng)度并不利于鑄鋼件的生產(chǎn)，反而會影響鑄鋼件的收縮，增加鑄件的熱裂傾向。因此要在合理控制呋喃樹脂的硬化特性的前提下，控制砂型強(qiáng)度滿足工藝要求即可，以保證鑄鋼件的生產(chǎn)要求，通常應(yīng)保證型（芯）在搬運(yùn)、下芯、合型、澆注時有足夠的強(qiáng)度而不致?lián)p壞，這與型（芯）本身的大小、形狀和工藝操作的需要有關(guān)，一般型砂的終強(qiáng)度為 0.6 MPa～0.8 MPa，芯砂為 0.8 MPa～1.0MPa，復(fù)雜砂芯為 1.6 MPa～2.0MPa。

1.5 合理的樹脂和固化劑的加入量

我廠目前實(shí)際的樹脂加入量控制在1.0%～1.2%之間，通過合理的控制砂溫和硬化特性，固化劑的加入量最好控制在樹脂加入量的30%～50%之間，過高或過低的固化劑的加入量均不利于獲得良好的砂型硬化特性。

由于冬夏溫度差別較大，所以要根據(jù)氣候條件及時更換固化劑牌號，防止因使用不當(dāng)造成型芯質(zhì)量問題。

2 工藝設(shè)計(jì)原則

由于呋喃樹脂自硬砂各方面性能較黏土砂、水玻璃砂有較大的區(qū)別，鑄件在凝固過程中的溫度梯度相對較小，形成順序凝固更加困難，加上樹脂砂砂型在澆注過程中的其他特性，因此，在采用呋喃樹脂自硬砂生產(chǎn)鑄鋼件時，除了鑄鋼件生產(chǎn)中普遍的工藝設(shè)計(jì)原則外，同時要注意以下事項(xiàng)：

1）由于樹脂砂硬化速度比較快，對于大型鑄鋼件而言，無論是實(shí)樣子造型還是刮板造型均不太適宜，因此，工藝設(shè)計(jì)盡量多采用組芯造型，填砂方向盡量朝著鑄件表面，這樣可以保證鑄件表面型砂緊實(shí)度比較高，防止掉砂造成砂眼缺陷。同時，面砂幾乎均采用鉻鐵礦砂，提高型腔的耐高溫性能，防止掉砂或粘砂缺陷。

2）由于樹脂砂退讓性相對較差，因此在確定鑄造縮尺的時候，一定要慎重，以保證得到尺寸準(zhǔn)確的鑄件。

3）由于樹脂砂散熱性差，鑄件凝固時間長，因此冒口的設(shè)置位置要更有利于鑄件的順序凝固，同時應(yīng)多使用保溫冒口，加高效覆蓋劑以延長冒口的凝固時間，提高冒口的補(bǔ)縮效率。

4）由于樹脂砂發(fā)氣量特別大，如若排氣不暢將會造成大面積的氣孔缺陷，因此一方面要要盡可能多地設(shè)置氣眼，扎出氣孔，另一方面盡可能多采用底注式澆注系統(tǒng)，即內(nèi)澆道開設(shè)在型腔底側(cè)或底部的澆注系統(tǒng)，使金屬液能夠平穩(wěn)地充填鑄型，型腔內(nèi)氣體比較容易逐漸排出，盡量避免氣孔缺陷。

5）由于樹脂砂保溫性能特別好，在設(shè)置冷鐵時，要盡量設(shè)置成帶斜坡過渡的，這樣可以避免因直角直接接觸而導(dǎo)致被激冷處和與其相連的部分處產(chǎn)生熱裂紋。

結(jié)合ArcGIS平臺特性，在對《中國海圖圖式》GB 12319—1998中的注記規(guī)范進(jìn)行研究總結(jié)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)注記控制文件，其以xml文件存儲。海圖注記控制文件包括兩個文件，一個是注記配置文件，一個是縮略詞文件。根據(jù)建立的注記控制文件，使用Maplex引擎自動生成海圖標(biāo)注。Maplex引擎是ArcGIS平臺的高級智能標(biāo)注引擎，提供了豐富的高級注記功能，可以進(jìn)行復(fù)雜的注記配置。

6）“低溫快澆”是大型鑄鋼的澆注原則，對于樹脂砂而言，更需要做到這一點(diǎn)。因?yàn)闃渲霸诟邷厍闆r下，與鋼水接觸的界面強(qiáng)度會急劇下降甚至失去，這樣在澆注過程中很容易發(fā)生涂料層剝落或破損的現(xiàn)象，進(jìn)而形成缺陷。同時，由于樹脂砂采用有機(jī)黏接劑，鑄型在澆注后的發(fā)氣量在很短時間內(nèi)就可以達(dá)到峰值，因此，提高澆注速度，讓鋼水快速充滿型腔，這樣在鑄型大量發(fā)氣時，鋼水就已經(jīng)建立了足夠的靜壓力，可以防止氣體的侵入，并減少鋼水對砂型的熱輻射時間，防止因?yàn)楦邷劁撍拈L時間熱作用而造成涂料、砂子脫落，產(chǎn)生砂眼等鑄造缺陷。

3 嚴(yán)格控制生產(chǎn)操作過程

3.1 保證型芯緊實(shí)度

呋喃樹脂自硬砂在造型和制芯操作過程中，必須保證型芯的緊實(shí)度，否則極易導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生粘砂類缺陷。千萬不可任由混砂機(jī)將砂子放出來，然后刮平就完。在造型、制芯過程中，使用合適的工具與混砂機(jī)的填砂路線相同邊放砂邊搗實(shí)，對于不易操作的部位也必須采取措施搗實(shí)，而且要使型芯的緊實(shí)度均勻一致。

3.2 涂料的涂刷

涂料對于鑄鋼件的生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用。與呋喃樹脂自硬砂相配合，可以獲得良好的鑄件表面質(zhì)量，防止鋼水滲入砂型；對砂型芯產(chǎn)生的大量氣體形成阻擋界面；防止粘砂，氣孔等鑄造缺陷的出現(xiàn)。

與大型鑄鋼件相配合使用的是醇基鋯英粉涂料，呋喃樹脂自硬砂型芯起模后，不可馬上涂刷涂料，應(yīng)放置幾小時后方可刷涂料，涂料使用前，必須進(jìn)行充分的攪拌，最好使用專用的攪拌機(jī)械，防止耐火骨料發(fā)生沉積，影響涂料的性能，涂料涂覆時，應(yīng)加強(qiáng)操作場地的通風(fēng)措施，且每次涂覆涂料的型芯面積不宜過大，防止涂料點(diǎn)火發(fā)生困難，一般涂刷兩到三遍，以保證有足夠的滲透深度和涂層厚度，大型鑄鋼件要求一般為1mm～1.5mm，以提高涂料的抗粘砂能力。

3.3 加強(qiáng)型芯的排氣措施：

由于呋喃樹脂自硬砂本身發(fā)氣量特別大，高溫強(qiáng)度高，砂型退讓性差，產(chǎn)生侵入性氣孔和裂紋的傾向性大，要解決鑄件與氣體有關(guān)的缺陷和裂紋問題，除了有效的控制樹脂和固化劑的加入量以外，必須要加強(qiáng)型芯的排氣和退讓措施。

砂箱板排氣，通過砂箱板上的排氣孔進(jìn)行排氣，由于樹脂砂的流動性比較好，砂箱的排氣孔不宜太大，但砂箱的排氣孔數(shù)量應(yīng)該適當(dāng)增多；

砂型（芯）上多扎排氣孔，在砂型（芯）硬化前扎相當(dāng)數(shù)量的排氣孔，確保出氣順暢；

刮地勢時刮出出氣槽或預(yù)埋出氣管，使砂型芯澆注后產(chǎn)生的氣體能夠順利地排出。

芯子里預(yù)埋出氣管，下好芯后用通氣繩引出型外，與大氣相通，保證芯子排氣通暢；

澆注時及時點(diǎn)火進(jìn)行引氣，使?jié)沧a(chǎn)生的大量氣體能夠及時迅速的排出型腔。

3.4 提高砂型芯的退讓性

在保證滿足生產(chǎn)使用要求強(qiáng)度的前提下，降低樹脂加入量，樹脂加入量對型砂的強(qiáng)度有明顯的影響，隨著樹脂加入量的減少，降低了型砂的整體強(qiáng)度，可以有效的改善了型砂的退讓性。

對于阻礙鑄件收縮的型芯要通過在砂芯和砂型中放入草繩、空心尼龍繩、樹脂砂殘砂塊等退讓性材料，提高砂型芯的退讓性。

盡可能降低鑄件的砂鐵比，由于呋喃樹脂自硬砂的鑄型導(dǎo)熱性能很差，僅有接觸鋼液表面的很少部分型砂能夠自行潰散掉，稍遠(yuǎn)的型砂仍然保持較高的殘留強(qiáng)度，因此，降低砂鐵比相當(dāng)于提高了砂型的退讓性。

4 結(jié) 論

通過多年的生產(chǎn)實(shí)踐，從生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)和舊砂回用等各個方面，呋喃樹脂自硬砂生產(chǎn)鑄鋼件有其非常明顯的工藝優(yōu)勢，但是同時也存在發(fā)氣量大、退讓性差、熱裂傾向大等不利因素。但是，只要對造型原輔材料進(jìn)行合理的控制，并采用符合呋喃樹脂自硬砂生產(chǎn)要求的鑄造工藝方法，控制好生產(chǎn)操作過程，完全可以克服以上不利因素，使用呋喃樹脂自硬砂生產(chǎn)出合格的大型鑄鋼件。

［1］謝明師.呋喃樹脂自硬砂實(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

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［3］馮勝山，黃志光.砂型鑄造生產(chǎn)技術(shù)500問（下冊）——造型材料與鑄件缺陷防止［M］，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

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