鑄造鋁合金冷硬樹脂砂工藝研究

程先軍

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院動力工程學(xué)院，湖北武漢　430050)

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鑄造鋁合金冷硬樹脂砂工藝研究

程先軍

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院動力工程學(xué)院，湖北武漢430050)

摘要對冷硬樹脂砂原材料的選擇、固化特性及影響因素開展了實(shí)驗(yàn)及研究，結(jié)果表明,冷硬樹脂砂造型工藝是一項(xiàng)投資少、見效快、經(jīng)濟(jì)效益顯著、實(shí)用價(jià)值高的新型實(shí)用型鑄造工藝。

關(guān)鍵詞鑄造鋁合金；冷硬樹脂砂；鑄造工藝

在鑄造生產(chǎn)中，世界各國都把重點(diǎn)放在造型材料及其工藝的研究上，并圍繞此開展了多方面的科研工作。上世紀(jì)八十年代以來，國際上出現(xiàn)了許多新型的冷硬樹脂砂粘結(jié)劑，使之產(chǎn)生了多種冷硬型(芯)砂。新的工藝中，鑄型和砂芯能在常溫下硬化，使得傳統(tǒng)的造型工藝發(fā)生了根本的變革，從而取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，冷硬樹脂砂新工藝的應(yīng)用也日益廣泛。

應(yīng)用冷硬樹脂砂生產(chǎn)的鑄件尺寸精度高、表面光潔，可有效提高復(fù)雜型腔鑄件的成品率，同時還有節(jié)油、省電、減少環(huán)境污染、降低工人勞動強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來許多科研部門、高校和工廠對此開展了實(shí)驗(yàn)和研究，在不同程度上取得了顯著進(jìn)展，至今這種努力仍方興未艾。我廠對鑄造有色合金冷硬樹脂砂工藝作了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并在大功率柴油機(jī)各種復(fù)雜鑄件上得到初步的應(yīng)用，取得了較好的效果。我們認(rèn)為，對于各類鑄件，特別是尺寸精度和表面粗糙度要求高的復(fù)雜有色鑄件，采用冷硬樹脂砂鑄造工藝，無論在產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)和綜合經(jīng)濟(jì)效益上，都較傳統(tǒng)造型工藝如粘土砂、油砂優(yōu)越。

1原材料的選擇

1.1原砂

應(yīng)用冷硬樹脂砂造型制芯，原砂的顆粒形狀及性能對混合料的性能影響很大。判斷一種天然硅膠質(zhì)量優(yōu)劣，主要是：粒度分布情況、二氧化硅含量、堿性氧化物含量、泥分含量以及砂粒形狀等。在實(shí)踐中，我們主要是根據(jù)某種原砂在有限的樹脂加入量條件下，能使樹脂砂獲得的強(qiáng)度高低來判斷。因?yàn)樾?芯)強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上表現(xiàn)為粘結(jié)劑對砂粒表面的附著力，所謂有效粘結(jié)面積，表現(xiàn)為砂粒之間的總粘結(jié)點(diǎn)數(shù)和砂粒表面樹脂膜之間的縮頸的大小，它取決于砂粒的比表面積、形狀及粘結(jié)劑對砂粒表面的濕潤性，因此原砂質(zhì)量的優(yōu)劣會直接影響樹脂砂強(qiáng)度的高低。

1.2粘結(jié)劑

以糖醇為主要原材料生產(chǎn)的樹脂，稱為呋喃樹脂。呋喃樹脂又可分為兩類：一類是由苯酚、甲醛、糖醇三種成分縮合而成的樹脂，稱為酚醛呋喃樹脂，適用于鑄鋼和高牌號鑄鐵生產(chǎn)中；另一類是由尿素、甲醛、糖醇三種成分縮合而成的樹脂，稱為尿醛呋喃樹脂，適用于有色合金與一般鑄鐵件生產(chǎn)中。為了確保鑄件質(zhì)量，對適用于有色合金用呋喃樹脂，應(yīng)在以下幾個方面加以控制。

1.2.1糖醇含量

樹脂的主要成分是糖醇，其含量的高低直接對樹脂砂的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度產(chǎn)生影響。對于尺寸和重量較大的高溫合金鑄件生產(chǎn)，一般選擇糖醇含量高一些。鋁合金鑄件澆注溫度較低，對高溫強(qiáng)度要求不高，因此糖醇含量應(yīng)低一些，這樣一則有利于復(fù)雜型腔泥芯的出砂，二則可降低樹脂成本。從我廠多年生產(chǎn)實(shí)踐來看，鋁合金鑄件用樹脂糖醇含量可小于40%。

1.2.2樹脂的粘度與脆性

粘度大，在混砂中不易混制均勻，單位時間內(nèi)樹脂覆膜率較低，降低了自硬砂強(qiáng)度，在這一點(diǎn)上細(xì)砂比粗砂表現(xiàn)得更為突出。相反，粘度小，樹脂能較順利地覆膜，可有效地提高樹脂砂的粘結(jié)強(qiáng)度。對粘度小的樹脂而言，混出的砂強(qiáng)度較低，不能很快脫模，這對于批量生產(chǎn)以及模具工裝受限的廠家而言是不利的，因此，粘度大小的選擇要視各廠的產(chǎn)量、批量、工裝模具及生產(chǎn)情況而定。

就樹脂砂芯的脆性而言，尿醛樹脂砂芯脆性較低，酚醛樹脂砂芯脆性較大，這對于形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)長而細(xì)薄的泥芯來說，在搬運(yùn)、組合、下芯的過程中容易發(fā)生開裂。可采取一些補(bǔ)救措施，如：加入適量壇塑劑作為輔助劑，以提高砂芯的抗拉和彎曲強(qiáng)度，滿足生產(chǎn)要求。

1.2.3有害氣體揮發(fā)量

呋喃樹脂是用酸催化，即使使用游離甲醛為0的純糖醇進(jìn)行酸催化，也會有游離甲醛釋放出來，因此，樹脂中游離甲醛的含量是衡量樹脂性能的重要指標(biāo)之一。若樹脂中游離甲醛含量較高，揮發(fā)到空氣中并超過一定濃度時，操作人員就會感到刺鼻、刺眼，嚴(yán)重時甚至?xí)鳒I，對人的身體健康是十分有害的。

1.2.4含氮量

樹脂中的含氮量多少，與鑄件材質(zhì)種類、鑄件重量、尺寸、壁厚以及結(jié)構(gòu)等多種因素相關(guān)。一般來講，增加樹脂中含氮量，樹脂砂常溫強(qiáng)度會增大，但高溫強(qiáng)度會急劇下降。因此，對含氮量的規(guī)定，主要考慮既要保證一定的常溫強(qiáng)度，又要保證含氮量不能過高，以避免產(chǎn)生氣孔缺陷。

1.3催化劑

在酸催化劑自硬法中，催化劑對樹脂砂硬化過程的控制起著決定性作用。[1]各種樹脂的原材料及其性能各異，在生產(chǎn)中，應(yīng)選用合適的催化劑與之配合，從而獲得較理想的工藝性能。目前國內(nèi)使用的幾種催化劑的催化速度由慢到快依次是磷酸(濃度為85%)、對甲苯磺酸(濃度為65%)、硫酸乙酯(濃度為65%)。通常樹脂砂固化慢一些，其終強(qiáng)度較高,固化快一些，則終強(qiáng)度較低。在實(shí)驗(yàn)中，我們對磷酸和對甲苯磺酸酒精溶液進(jìn)行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對甲苯磺酸做催化劑的樹脂砂終強(qiáng)度太低，不能滿足生產(chǎn)要求，而磷酸做催化劑的樹脂砂終強(qiáng)度較高，且磷酸酸性弱，揮發(fā)性氣味小，操作安全可靠，故我們在實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中均采用工業(yè)磷酸作為冷硬樹脂砂的催化劑。

2樹脂砂的固化特性及影響因素

2.1固化原理及特性

酸催化的冷硬呋喃樹脂是一種線型結(jié)構(gòu)，雖然它們的硬化機(jī)理不一樣，但基本上都是這種線型結(jié)構(gòu)的分子，在酸性催化劑的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)，形成三度空間交聯(lián)，在釋放凝聚水的同時，形成常溫下不可逆反應(yīng)的高分子體型聚合物，從而使砂粒粘在一起而達(dá)到硬化。這種硬化反應(yīng)是從催化劑與樹脂接觸開始，直到樹脂砂完全硬化而告終。

冷硬樹脂砂的固化過程通常分為三個階段：初始固化階段、中期固化階段和后期固化階段。初始固化階段是指樹脂砂整體仍處于液態(tài)，只是表現(xiàn)出粘度有些增大，強(qiáng)度基本沒變，此階段樹脂砂具有良好的流動性和充填能力。中期固化階段其反應(yīng)速度明顯加快，樹脂砂強(qiáng)度急劇升高，這是樹脂在酸性催化劑下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的主要階段。砂粒表面的樹脂膜由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化，型芯從表面到中心逐步硬化。后期固化階段中，由于反應(yīng)析出的水排出較困難，使型芯中心部位的樹脂分子交聯(lián)反應(yīng)速度變慢。在后期固化階段中，樹脂砂強(qiáng)度的增加已不顯著。

2.2影響自硬樹脂砂硬化過程的因素

2.2.1原砂

工業(yè)生產(chǎn)中最常用的原砂是石英砂，它大約占冷硬系列的97～98%，其形狀有圓形、多角形和尖角形，其中圓形顆粒原砂為佳。這是因?yàn)閳A形顆粒的表面積最小，所需覆蓋而成樹脂膜的粘接劑最少，其流動性也較好。在冷硬樹脂砂實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)中，當(dāng)取適當(dāng)?shù)臉渲尤肓繒r，砂粒越細(xì)強(qiáng)度越低，這是由于樹脂達(dá)不到覆蓋砂粒表面所需用量的緣故，這樣原砂粒度適當(dāng)增大，其強(qiáng)度也隨之增大。但原砂粒度不能太大，否則會因砂粒間總粘結(jié)點(diǎn)的減少，導(dǎo)致強(qiáng)度反而降低。我們認(rèn)為：鋁合金冷硬樹脂砂復(fù)雜水腔夾層泥芯，選用40/70或50/100原砂為宜，既利于提高強(qiáng)度又可增加透氣性；一般泥芯選用70/140原砂較好，一則降低成本，二則可提高鑄件毛坯表面粗糙度。

2.2.2樹脂加入量

樹脂砂的強(qiáng)度通常是隨樹脂加入量的增加而提高的。用巴胡塔砂混制的冷硬樹脂砂，當(dāng)樹脂加入量為1.5～2.2%時，其強(qiáng)度曲線斜率最大，樹脂砂強(qiáng)度增加也最快。當(dāng)樹脂加入量超過2.2%以后，強(qiáng)度增加不明顯，這是因?yàn)橐延凶銐虻臉渲采w了砂粒表面，多余的樹脂起不到增加強(qiáng)度的作用，相反還會降低樹脂砂透氣性，增大發(fā)氣量。

對鄭庵砂來說，樹脂加入量為1.5%左右時，終強(qiáng)度太低，不能使用。這是因?yàn)樵凹?xì)，泥分偏高，樹脂粘結(jié)劑消耗量大，有限的樹脂不能完全覆蓋所有的砂粒表面，以致強(qiáng)度太低。只有當(dāng)樹脂加入量提高到2.0%時，方能滿足強(qiáng)度要求。

2.2.3催化劑

催化劑隨工藝要求、環(huán)境條件等因素的影響，其加入量一般為30～60%，在此范圍內(nèi)可保證一定硬化速度的前提下，獲得最佳強(qiáng)度值。催化劑加入量低于30%或高于60%都會引起樹脂砂強(qiáng)度下降，這是因?yàn)榧尤肓枯^低時，被原砂中堿性氧化物中和掉一部分后，剩余的有效酸量太少，不能使樹脂分子均勻地產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致分子之間連接松緊不一，形成不致密的固化樹脂膜。而催化劑加入量適量時，反應(yīng)中整個樹脂膜均勻固化，強(qiáng)度緩慢上升，獲得較好的終強(qiáng)度。當(dāng)然加入量過多也是不利的，不僅會導(dǎo)致固化加劇，而且過剩的酸對樹脂膜有腐蝕作用，從而使樹脂砂終強(qiáng)度急劇下降。

2.2.4環(huán)境

樹脂砂的反應(yīng)速度隨著環(huán)境溫度的升高而加快，從而導(dǎo)致使用期變短，不利于生產(chǎn)操作，特別是夏天，尤其于此。因此，必須適當(dāng)調(diào)整催化劑的加入量，使之得到合適的硬化速度和理想的終強(qiáng)度。

樹脂砂的強(qiáng)度還隨環(huán)境濕度的增大而降低。這是由于樹脂粘結(jié)劑的固化反應(yīng)中，其反應(yīng)速度要受到生成物H2O遷移速度的影響。環(huán)境濕度高，減少了內(nèi)外濕度差，從而限制了水分的外遷散發(fā)，抑制了固化反應(yīng)速度，樹脂砂內(nèi)殘留水分會因此而增加，并在樹脂膜中形成多孔性粘結(jié)橋，降低了粘結(jié)劑與砂粒之間的附著力，使之產(chǎn)生所謂的附著斷裂，降低了樹脂砂強(qiáng)度。

3結(jié)語

通過多年的生產(chǎn)實(shí)踐，我們認(rèn)為采用冷硬樹脂砂造型(芯)工藝是一項(xiàng)投資少、見效快、經(jīng)濟(jì)效益顯著、實(shí)用價(jià)值高的新工藝。它不受機(jī)械化程度高低和廠礦大小的限制，對鋁合金鑄件來說，不失為一種值得推廣應(yīng)用的新型實(shí)用型鑄造工藝。

參考文獻(xiàn)

1曹文龍.鑄造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989

(責(zé)任編輯：譚銀元)

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

作者簡介：程先軍，男，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧铣尚图翱刂七^程。

收稿日期：2014-10-18

中圖分類號TG24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1671-8100(2015)02-0033-03