型砂強度影響因素研究

趙健東，馬 瑞，周 佼，楊 磊

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

近年來，我國鑄造產(chǎn)業(yè)在國際市場中占比越來越大。與國外鑄件產(chǎn)品相比，主要差距在于鑄件的內(nèi)在質(zhì)量差、表面質(zhì)量如尺寸精度和表面粗糙度差，即使好的產(chǎn)品質(zhì)量波動也較大，不穩(wěn)定。這些鑄件質(zhì)量上的種種不足不僅與我國鑄造企業(yè)的設備和技術(shù)相對落后有關(guān)，而且還與型砂質(zhì)量有密切關(guān)系。據(jù)不完全統(tǒng)計，鑄件廢品中約有50%是由于型砂質(zhì)量波動所致。而型砂強度是表征型砂質(zhì)量最重要的性能指標[1，2]。所以，本文主要以樹脂砂為例從材料方面分析型砂強度的影響因素。

1 型砂強度試樣制備及檢測

型砂是鑄造中用來造型的材料。一般由鑄造用砂、型砂黏結(jié)劑和輔加物等造型材料按一定的比例混合而成。

1.1 型砂強度試樣制備及檢測設備

SH Y葉片式混砂機、SAC錘擊式制樣機、標準試樣筒、電子稱、X Q Y-II智能型砂強度機。

1.2 型砂強度試樣制備及檢測方法

1.2.1 混料

稱取一定量的鑄造用砂，按實驗比例加入一定量的樹脂和固化劑，在實驗混砂機中混合均勻。

1.2.2 制樣

參考高度50 mm試樣的重量，將混合料稱重后加入標準試樣筒，在SAC錘擊式制樣機上錘擊3次。

每組試樣制備5個圓柱形試樣，直徑φ50 mm±1 mm，高度50 mm±1 mm.

1.2.3 檢測

試樣在標準試樣筒中靜置硬化24 h，取出試樣放置于X Q Y-II智能型砂強度機上進行抗壓強度測量。5個數(shù)據(jù)，去掉最大最小值，剩下3個求平均值。

2 型砂強度影響因素

2.1 黏結(jié)劑

黏結(jié)劑是將松散的鑄造砂粘結(jié)在一起使之成為型砂造型材料。本公司使用的粘結(jié)劑為環(huán)保型醇酸自硬樹脂[3]與其對應的固化劑。加入比例不同直接影響到強度的高低。

2.1.1 黏結(jié)劑質(zhì)量

黏結(jié)劑自身質(zhì)量，對于醇酸樹脂來說，黏度、密度、強度、含水量、雜質(zhì)含量等很重要，直接影響到自身質(zhì)量。一般鑄造廠自己不生產(chǎn)黏結(jié)劑，所以對外面采購的黏結(jié)劑制訂強度驗收標準，最好使用標準砂，將砂自身對強度的影響因素降至最低。按標準驗收必須合格，否則，低于標準強度的黏結(jié)劑混合鑄造用砂后對應的型砂強度肯定低。

2.1.2 黏結(jié)劑加入量

黏結(jié)劑加入比例的高低直接影響到型砂強度。一般情況，加入比例越大，強度越高。本公司所用40/70目再生回收鉻鐵礦砂，醇酸自硬樹脂，設計實驗方案及其結(jié)果見表1.

表1 再生鉻鐵礦砂黏結(jié)劑對型砂強度的影響

由表1數(shù)據(jù)可以看出，固化劑占樹脂比例固定為25%，樹脂占砂比例從0.9%增加到1.15%，再生鉻鐵礦砂強度呈現(xiàn)上升趨勢，樹脂占砂比例固定為1.0%，固化劑占樹脂的比例從15%增加至35%，再生鉻鐵礦砂強度呈現(xiàn)上升趨勢。

其實，對于呋喃自硬樹脂、堿酚醛自硬樹脂都有這樣的結(jié)論。

2.2 鑄造用砂

2.2.1 鑄造用砂粒度

粒度，指顆粒的大小。鑄造用砂通常用目數(shù)來表示粒度，是根據(jù)檢測篩網(wǎng)的開孔尺寸來劃分的，篩網(wǎng)網(wǎng)絲平行方向上每英寸（25.4 mm）長度中篩孔的個數(shù)即對應為目數(shù)。一般鑄造廠選用30/50目、40/70目、50/100目的原砂。

型砂強度主要決定于砂粒表面黏結(jié)膜的厚度和砂粒之間的間隙消耗的樹脂固化劑量。在黏結(jié)劑加入量一定的條件下，全部選用20目的粗砂，型砂強度肯定不高，因為這種砂粒之間的間隙很大，會消耗很多量的樹脂固化劑，如果選用不同目數(shù)都有的砂粒，細砂又能填入緊密排列的粗砂空隙，則砂粒間隙之間消耗樹脂固化劑的量會減少，砂粒表面黏結(jié)膜的厚度會增加，型砂強度增加。

2.2.2 鑄造用砂角形系數(shù)

一般用角形系數(shù)表示砂粒形圓整度，《G B/T9442-2010鑄造用硅砂》規(guī)定圓形砂粒角形系數(shù)≤1.15，橢圓形砂粒角形系數(shù)≤1.3，鈍角形砂粒角形系數(shù)≤1.45，方角形砂粒角形系數(shù)≤1.63，尖角形砂粒角形系數(shù)＞1.63.

鑄造用砂混入固定量的樹脂固化劑，砂粒的角形系數(shù)越小，其圓整度越好，砂粒之間的間隙就越小，則砂粒間隙之間消耗樹脂固化劑的量會減少，砂粒表面黏結(jié)膜的厚度會增加，型砂強度越大。建議角形系數(shù)控制在1.3以內(nèi)。

2.2.3 鑄造用砂中的微粉含量

微粉含量是指鑄造用砂中140目以上砂粒的含量。

由于微粉含量過多會使再生砂比表面積顯著增大，砂粒直徑減小一半，同樣質(zhì)量的砂表面積增大1倍[4]。也就是說，微粉含量越多，消耗的樹脂固化劑量越多，型砂整體強度降低。為了驗證微粉含量對型砂強度的影響，設計實驗驗證如下，車間再生回收的硅砂取樣10 kg，檢測微粉質(zhì)量分數(shù)結(jié)果為0.5%，回收除塵系統(tǒng)吸走的細灰取樣若干，分4組實驗。第1組實驗不加細灰，其余3組實驗每組比前一組多加0.5%的細灰并混合均勻，樹脂固化劑加入比例不變，得到的型砂強度結(jié)果見表2.

表2 再生硅砂微粉對型砂強度的影響

由表2實驗數(shù)據(jù)可以看出，再生硅砂中的微粉質(zhì)量分數(shù)從0.5%增加到2%，對應的型砂強度呈現(xiàn)降低趨勢。一般鑄造廠微粉質(zhì)量分數(shù)都控制在0.8%以內(nèi)。

2.2.4 鑄造用砂含水量

樹脂砂的硬化是放熱反應，原砂含水量嚴重影響樹脂的固化強度。國外一般要求原砂含水質(zhì)量分數(shù)小于0.1%，國內(nèi)一般要求小于0.3%.所以對樹脂砂用原砂應進行干燥處理。設計如下實驗，車間再生回收的硅砂取樣10 kg，110℃烘干箱烘干2 h.分4組實驗，每組實驗加入樹脂占砂的比例均為0.6%，加入固化劑占樹脂的比例均為35%，第1組實驗不加水，其余3組實驗每組比前一組多加0.2%的水，得到的實驗結(jié)果見表3.

110℃烘干箱烘干2 h后，水分質(zhì)量分數(shù)可以近似為0.則由表3實驗可以看出，再生硅砂中的水分質(zhì)量分數(shù)由0%增加到0.6%，對應的型砂強度呈現(xiàn)大幅度降低趨勢。

2.2.5 鑄造用砂酸耗值

酸耗值指的是中和單位量鑄造用砂消耗的標準酸的量。鑄造用砂的酸耗值偏高，說明其中堿性物質(zhì)含量偏多，呋喃樹脂為中性，而呋喃固化劑為強酸，使用呋喃樹脂固化劑的鑄造廠，遇到酸耗值偏高的鑄造用砂，一部分固化劑先與鑄造用砂中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應，型砂強度肯定降低。對中性或堿性樹脂固化劑，鑄造用砂的酸耗值對型砂強度無影響。

表3 再生硅砂含水質(zhì)量分數(shù)對型砂強度的影響

3 結(jié)論

鑄造企業(yè)型砂強度控制方面，建議主要從以下七方面監(jiān)控及改進。

1）控制黏結(jié)劑質(zhì)量，嚴格控制好黏結(jié)劑的到廠各指標驗收，必須確保黏結(jié)劑質(zhì)量合格；

2）控制黏結(jié)劑加入比例，增加樹脂占砂的比例或固化劑占樹脂的比例，都可提高型砂強度；

3）控制鑄造用砂粒度分布，各個目數(shù)都占有一定比例；

4）控制鑄造用砂角形系數(shù)，建議控制在1.3以內(nèi)；

5）控制鑄造用砂微粉含量，微粉含量增大，導致型砂強度降低；

6）控制鑄造用砂含水質(zhì)量分數(shù)，建議控制在0.3%以內(nèi)，含水量超標，型砂強度大幅降低；

7）控制鑄造用砂酸耗值，對于中性或堿性黏結(jié)劑來說，無影響，但對于酸性黏結(jié)劑來說，酸耗值增大，導致型砂強度降低。

另外，型砂強度除以上材料方面的影響之外，造型操作對型砂強度影響也很大，緊實度越高，型砂強度越高。