優(yōu)化呋喃樹(shù)脂和固化劑加入量研究

李小龍，寧顯潤(rùn)，夏奇兵

(1.宜賓普什聯(lián)動(dòng)科技有限公司，四川宜賓 644007；2.四川省動(dòng)力零部件制造工程技術(shù)研究中心，四川宜賓 644007）

0 引言

鑄件的質(zhì)量很大程度上依賴于其半成品砂芯和砂型的質(zhì)量，砂型砂芯質(zhì)量參數(shù)主要包括砂芯砂型的強(qiáng)度、透氣性、水分以及發(fā)氣量等指標(biāo)，而這些重要參數(shù)指標(biāo)，除與型砂自身粒度分布、水分、灼減量相關(guān)外，更重要的是造型制芯中型砂的樹(shù)脂和固化劑的加入量控制。

要想得到優(yōu)質(zhì)鑄件，樹(shù)脂和固化劑的加入量控制極為關(guān)鍵。樹(shù)脂加入比例過(guò)高不僅造成生產(chǎn)成本增加，而且引起型砂灼減量上升及型砂發(fā)氣量增加，造成鑄件氣孔缺陷；樹(shù)脂加入比例過(guò)低，型砂強(qiáng)度差，鑄件夾砂缺陷嚴(yán)重；固化劑加入比例過(guò)高，型砂固化速率太快，造成型砂脆性增加，砂芯開(kāi)裂造成鑄件夾砂缺陷；固化劑加入比例過(guò)低，產(chǎn)生型砂固化速率慢或出現(xiàn)型砂固化不完全現(xiàn)象，不僅影響生產(chǎn)效率，而且砂型強(qiáng)度差造成鑄件夾砂問(wèn)題。因此，優(yōu)化樹(shù)脂和固化劑加入量配比變得非常重要，通過(guò)優(yōu)化樹(shù)脂和固化劑加入量能很大程度上降低鑄件夾砂、氣孔問(wèn)題。

1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方案

1.1 型砂參數(shù)條件設(shè)定

機(jī)械再生砂的選用規(guī)格為ZGS90-50/30（340）[1]，其主要參數(shù)包含灼減量2.5%～3%，微分含量0.1%～0.3%，砂粒集中度30～50 目≥80%，含水量0.1%～0.3%；原砂的選用規(guī)格為ZGS90-30/50（31）[1]，SiO2含量≥90%，含泥量≤0.3%，微分含量0.1%～0.3%，砂粒集中度30～50 目≥90%，含水量0.1%～0.3%。采用機(jī)械再生砂：原砂=5:1 的比例混砂。

1.2 試驗(yàn)方案

在室內(nèi)溫度22～26℃條件下，采用40%比例的05B 類(lèi)型固化劑，按呋喃樹(shù)脂含量為0.9%、1%和1.1%加入比例進(jìn)行各30 組試驗(yàn)，研究保證型砂強(qiáng)度的最經(jīng)濟(jì)樹(shù)脂比例。然后采用該樹(shù)脂比例，分別在試驗(yàn)室內(nèi)溫度＜10℃、[10～14）℃、[14～18）℃、[18～22）℃、[22～26）℃、≥26℃共6 種環(huán)境條件下，研究能40min 完全固化起模的最合適的固化劑類(lèi)型配比。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 最優(yōu)樹(shù)脂比例研究

為保證數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，試驗(yàn)必須在相同的條件下進(jìn)行。本試驗(yàn)嚴(yán)格按照機(jī)械再生砂：原砂=5:1 比例混砂并由專(zhuān)人制做8 字試驗(yàn)樣，取混砂樣時(shí)必須去掉頭尾砂，在取樣后立即安排專(zhuān)人制8 字試樣，整個(gè)制樣時(shí)間嚴(yán)格控制在5min內(nèi)；制樣完成40min 后將固化的試樣取出并放在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)（模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境）等待1h 后送檢試驗(yàn)室待檢。

為規(guī)范試驗(yàn)，采用同一規(guī)格的呋喃樹(shù)脂，呋喃樹(shù)脂牌號(hào)為ZF-1.5%N-2-4[2],其氮含量為1.5%，抗拉強(qiáng)度1.1MPa,游離甲醛0.3%。為了確保固化劑混砂均勻性，需要確保添加量不宜過(guò)低，實(shí)際生產(chǎn)中固化劑比例一般按35%～50%控制，本試樣統(tǒng)一采用40%固化劑比例進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前用溫度計(jì)測(cè)量車(chē)間室內(nèi)環(huán)境溫度為22～26℃，該溫度范圍采用05B 類(lèi)型固化劑剛好滿足40min 完全固化起模要求。

在確定樹(shù)脂和固化類(lèi)型和用量后，試驗(yàn)前必須對(duì)混砂機(jī)進(jìn)行流量校核，檢測(cè)混砂機(jī)15s 的型砂-呋喃樹(shù)脂-固化劑流量，檢測(cè)值如表1。

表1 混砂機(jī)流量核定

混砂機(jī)流量校核作為本次試驗(yàn)的最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其目的是為了得到相應(yīng)樹(shù)脂和固化劑控制頻率參數(shù)，在后面的試驗(yàn)中通過(guò)混砂機(jī)控制面板調(diào)整樹(shù)脂和固化劑頻率來(lái)滿足相應(yīng)的試驗(yàn)條件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。通過(guò)檢測(cè)各種樹(shù)脂比例的2h 和24h 強(qiáng)度，形成如圖1 所示的強(qiáng)度曲線。需要注意的是，為確保數(shù)據(jù)具有代表性，本次試驗(yàn)中只保留有效強(qiáng)度（每組3 個(gè)試樣中，任何一個(gè)數(shù)值與平均值相差不超出10%[3）]檢測(cè)值，然后每組3 個(gè)試樣強(qiáng)度取均值作為最終試驗(yàn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

圖1 各種比例樹(shù)脂的2h 強(qiáng)度（MPa）

從強(qiáng)度曲線分析可知，同一樹(shù)脂比例下試樣強(qiáng)度具有0.3MPa 左右的波動(dòng)性，但整體來(lái)說(shuō)樹(shù)脂比例越高，8 字試樣的平均強(qiáng)度越高，為了進(jìn)一步研究樹(shù)脂比例增加與強(qiáng)度增加的關(guān)系，將6 組強(qiáng)度曲線分別再次取均值，以研究平均強(qiáng)度增幅與樹(shù)脂增幅的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)形成如表2 所示。通過(guò)分析可知：當(dāng)樹(shù)脂比例＜1%（0.9%～1%）時(shí)，利用提高樹(shù)脂增加2h 強(qiáng)度作用較弱（提高11.1%樹(shù)脂，2h強(qiáng)度僅增加7.7%），不利于保證2h 強(qiáng)度；當(dāng)樹(shù)脂比例＞1%（1%～1.1%），利用提高樹(shù)脂增加24h強(qiáng)度作用較弱（提高10%樹(shù)脂，24h 強(qiáng)度僅增加3.4%），造成成本浪費(fèi)，因此樹(shù)脂比例1%是保證樹(shù)脂強(qiáng)度最經(jīng)濟(jì)的樹(shù)脂比例。

表2 平均強(qiáng)度增幅與樹(shù)脂增幅之間關(guān)系

圖2 各種比例樹(shù)脂的24h 強(qiáng)度（MPa）

2.2 不同溫度條件下優(yōu)化固化劑類(lèi)型配比

由于樹(shù)脂砂硬化過(guò)程是放熱反應(yīng)，周?chē)沫h(huán)境溫度可直接影響到硬化反應(yīng)速度[4]。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間車(chē)間室內(nèi)溫度的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)氣溫每天的波動(dòng)范圍在5℃內(nèi)，根據(jù)這一特點(diǎn)，試驗(yàn)室內(nèi)溫度＜10℃、[10～14）℃、[14～18）℃、[18～22）℃、[22～26）℃、≥26℃共6 種環(huán)境條件下，研究能40min完全固化起模的最合適的固化劑類(lèi)型配比。該試驗(yàn)中采用磺酸固化劑CH03B、CH05B、CH08B 共3 種固化劑類(lèi)型，其固化反應(yīng)速度由慢變快。為了確保試驗(yàn)一致性和減少環(huán)境變量影響，每組試驗(yàn)都是在1%樹(shù)脂比例和40%固化劑比例的條件下進(jìn)行。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境溫度≤10℃必須100%加入CH08B 固化劑，否則固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成生產(chǎn)效率低，型砂2h 砂強(qiáng)度差；室內(nèi)環(huán)境溫度≥26℃以下必須100%加入CH03B 固化劑，否則固化反應(yīng)過(guò)快，型砂變脆。

試驗(yàn)中在控制固化劑加工量的前提下不斷調(diào)整固化劑的類(lèi)型進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)量出6 種溫度區(qū)間下，40min 完全固化起模的最合適的固化劑類(lèi)型配比，如表3。

表3 各種溫度下混砂機(jī)固化劑配比

3 結(jié)論

（1）樹(shù)脂比例在1%是保證樹(shù)脂強(qiáng)度最經(jīng)濟(jì)的樹(shù)脂比例。

（2）同一樹(shù)脂比例下試樣強(qiáng)度具有0.3MPa 左右的波動(dòng)性，但整體來(lái)說(shuō)樹(shù)脂比例越高，8 字試樣的平均強(qiáng)度越高。

（3）室內(nèi)環(huán)境溫度≤10℃必須100%加入CH08B 固化劑，否則固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成生產(chǎn)效率低，型砂2h 砂強(qiáng)度差。

（4）室內(nèi)環(huán)境溫度≥26℃時(shí)必須100%加入CH03B 固化劑，否則固化反應(yīng)過(guò)快，型砂變脆。