三乙胺法冷芯盒砂芯抗拉強(qiáng)度性能的研究

王潔英，張聚輝，武弘杰，韓志濂，綦宗超

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊 261108）

冷芯盒法工藝具有生產(chǎn)效率高、節(jié)能、尺寸精確、鑄件表面光潔等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了熱芯盒法工裝設(shè)計(jì)復(fù)雜和制造成本高以及自硬冷芯法生產(chǎn)效率低等不足[1]。我國(guó)自1985 年引進(jìn)美國(guó)Ashland 公司專利以來(lái)，冷芯盒法已得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用[2]。三乙胺法是現(xiàn)代吹氣冷芯盒法中應(yīng)用最早的工藝，因其價(jià)格便宜，生產(chǎn)效率高，適應(yīng)芯砂溫度低和厚大砂芯等特點(diǎn)，自20 世界80 年代開(kāi)始在我廠的機(jī)體和缸蓋生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原砂

原砂采用擦洗砂或再生砂，也可以采用鉻礦砂或陶瓷砂，主要粒度組成為40/70，角形因數(shù)≤1.30，pH ≤7,減少脈紋缺陷和膨脹應(yīng)力，一般選用四篩砂或再生砂。

1.1.2 樹脂和固化劑

樹脂粘結(jié)劑由蘇州興業(yè)化工提供，分別是組分I 液態(tài)酚醛樹脂（型號(hào)：XLI-318M）和組分II 聚異氰酸酯（XLII-618M），均通過(guò)噸桶提供，單獨(dú)存放。固化劑為三乙胺。

1.2 混砂工藝

兩種組分的樹脂比例為1:1，樹脂總量占砂重的1.6%～1.8%，選用S20400 混砂機(jī)進(jìn)行混砂，先加入原砂，再加入液態(tài)酚醛樹脂，混砂10s,再加入聚異氰酸酯，開(kāi)始計(jì)時(shí)混砂90s，冬季和夏季根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

1.3 制芯工藝

選用蘇州三信機(jī)器制造有限公司RLA1 型射芯機(jī)紙杯“8”字試塊，設(shè)定射砂壓力0.3MPa,射砂時(shí)間3s，采用干燥空氣吹入氣體固化，高壓壓力0.25MPa，吹掃時(shí)間6s，最后吹清潔空氣，吹氣壓力0.25MPa,吹掃時(shí)間5s。

1.4 烘干和考慮強(qiáng)度檢測(cè)

選用微電腦智能恒溫電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行烘干，烘干溫度180℃，烘干時(shí)間60min,抗拉強(qiáng)度在SWY 液壓萬(wàn)能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試不同存放時(shí)間、不同存放方式、不同涂料浸涂的砂芯強(qiáng)度以及砂芯不同時(shí)間烘烤強(qiáng)度等。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 存放時(shí)間的影響

我廠采用冷芯盒工藝生產(chǎn)的鑄件重量在600 kg 以上，生產(chǎn)方式為手工作業(yè)小批量為主，自動(dòng)化批量生產(chǎn)困難，致使生產(chǎn)的砂芯無(wú)法短時(shí)間內(nèi)完全使用，急需對(duì)砂芯長(zhǎng)時(shí)間存放進(jìn)行探究。采用樹脂加入量1.8%，兩種組分加入比例為1:1 工藝進(jìn)行混砂，使用射芯機(jī)制作“8”字試塊，在現(xiàn)有的車間環(huán)境進(jìn)行存放，并采用溫濕度計(jì)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。

通過(guò)圖1 發(fā)現(xiàn)，砂芯抗拉強(qiáng)度隨著存放時(shí)間的增加具有先升高后緩慢降低的特性。首先，砂芯脫模后兩種組分的樹脂仍然進(jìn)行反應(yīng)，隨著放置時(shí)間的增加，粘結(jié)劑中交聯(lián)度逐漸增強(qiáng)，砂芯的抗拉強(qiáng)度增大；然后，兩種組分的樹脂在進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)的過(guò)程中，粘結(jié)劑中的溶劑揮發(fā)，使得包覆在砂粒表面的聚氨酯微粒間隙增大，在0～10 天時(shí)間內(nèi)，環(huán)境濕度較小，空氣中的水分侵入到間隙較少，使得砂芯的抗拉強(qiáng)度以交聯(lián)強(qiáng)化作用為主，并且在兩組分完全反應(yīng)后，抗拉強(qiáng)度降低緩慢。

圖1 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存放的砂芯不同存放時(shí)間對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng)，10～15 天過(guò)程中環(huán)境濕度較大，侵入微粒間隙的水分逐漸增多，空氣中的水分與聚異氰酸酯中的氰酸根（-NCO）發(fā)生水解反應(yīng)。同時(shí)，由于水分子極性強(qiáng)，容易使樹脂與砂粒脫離，形成附著斷裂[3]，削弱了粘結(jié)強(qiáng)度，水分弱化作用成為主導(dǎo)，使得強(qiáng)度迅速下降，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間存放的砂芯抗拉強(qiáng)度低于初強(qiáng)度。15～30 天過(guò)程中，無(wú)論環(huán)境濕度變化，水分弱化反應(yīng)成為主導(dǎo)，并且水分導(dǎo)致的內(nèi)聚斷裂和附著斷裂是不可逆的。

2.2 存放環(huán)境的影響

為進(jìn)一步證明空氣中的水分對(duì)于冷芯盒砂芯抗拉強(qiáng)度的重要影響，選用樹脂加入量1.8%，兩種組分加入比例為1:1 工藝進(jìn)行混砂，使用射芯機(jī)制作“8”字試塊，分別進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存放和干燥密封存放。

如圖2 所示，可以發(fā)現(xiàn)不同的存放環(huán)境對(duì)于砂芯的終強(qiáng)度具有較大的影響，干燥環(huán)境中減少了水分的影響，完全以兩組分的樹脂交聯(lián)反應(yīng)為主導(dǎo)，使得砂芯的終強(qiáng)度顯著增大；空氣存放的砂芯是交聯(lián)反應(yīng)和水解反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，樹脂間的反應(yīng)為主導(dǎo)，也會(huì)使得終強(qiáng)度增大。通過(guò)圖2 發(fā)現(xiàn)，干燥存放相比現(xiàn)場(chǎng)存放砂芯抗拉強(qiáng)度增大19.3%。

圖2 存放方式對(duì)砂芯終強(qiáng)度的影響

如圖3 所示，干燥密封環(huán)境進(jìn)行存放30 天后，砂芯的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)了先增加后緩慢降低的過(guò)程，砂芯存放30 天后抗拉強(qiáng)度仍然高于初強(qiáng)度，相比于終強(qiáng)度降低15.7%；同時(shí)，干燥環(huán)境進(jìn)行存放砂芯的終強(qiáng)度甚至存儲(chǔ)30 天的抗拉強(qiáng)度仍然高于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存放砂芯的終強(qiáng)度。砂芯在現(xiàn)場(chǎng)存放30 天后抗拉強(qiáng)度降低35.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干燥環(huán)境中存放砂芯強(qiáng)度衰減。

圖3 存放方式對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

2.3 涂料類型以及浸涂時(shí)間的影響

考慮到生產(chǎn)工藝的要求，不同種類的產(chǎn)品采用不同種類的涂料浸涂。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)一步優(yōu)化工藝，需要對(duì)水基涂料和醇基涂料對(duì)于砂芯抗拉強(qiáng)度性能的影響分別進(jìn)行探究。

選用樹脂加入量1.6%，兩種組分加入比例為1:1 工藝進(jìn)行混砂，使用射芯機(jī)制作“8”字試塊，試塊分別為原始試塊、浸涂醇基涂料試塊和浸涂水基涂料試塊，浸涂后即刻放入電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干。

通過(guò)圖4 表明，樹脂加入量低的砂芯受環(huán)境水分影響更加顯著，砂芯終強(qiáng)度低于初強(qiáng)度，砂芯的抗拉強(qiáng)度隨著樹脂加入量的增加，下降幅度趨勢(shì)減緩[4]。砂芯分別浸涂醇基涂料和水基涂料后，砂芯的抗拉強(qiáng)度相比原始砂芯具有不同程度的降低，浸涂醇基涂料砂芯初強(qiáng)度和終強(qiáng)度分別降低10.3%和21.4%，浸涂水基涂料砂芯初強(qiáng)度和終強(qiáng)度分別下降27.6%和38.9%。水基涂料對(duì)冷芯盒砂芯影響顯著的主要原因?yàn)樗肿优c聚異氰酸酯的水解反應(yīng)使得初強(qiáng)度明顯降低，同時(shí)水分子極性強(qiáng)，容易使樹脂與砂粒脫離，形成附著斷裂，削弱了粘結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致砂芯強(qiáng)度持續(xù)降低。

圖4 涂料類型對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，砂芯的存放時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)一步對(duì)于存放時(shí)間30 天砂芯浸涂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行探究。通過(guò)圖5 可以很清晰的發(fā)現(xiàn)，原始砂芯、原始砂芯烘干處理、浸涂醇基涂料以及浸涂水基涂料砂芯在存放30 天過(guò)程中，抗拉強(qiáng)度先下降后趨于穩(wěn)定；砂芯在存放一定時(shí)間后進(jìn)行浸涂，抗拉強(qiáng)度都會(huì)不同程度的降低，水基涂料對(duì)于砂芯抗拉強(qiáng)度的影響最為顯著。原始砂芯和烘干處理后砂芯的抗拉強(qiáng)度幾乎一致，證明了環(huán)境中的水分對(duì)樹脂粘結(jié)劑的水解反應(yīng)破壞后是不可逆的。存放15～30 天過(guò)程中，砂芯抗拉強(qiáng)度的波動(dòng)較小，相對(duì)于終強(qiáng)度，浸涂醇基涂料砂芯降低35.6%，浸涂水基涂料砂芯降低60.6%。

圖5 涂料類型對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

（1）砂芯在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)（濕度45%RH～65%RH）存放受到空氣水分的影響顯著，砂芯的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，由于水分子和氰酸根的水解反應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)聚斷裂和水分子極性導(dǎo)致的附著斷裂，使得長(zhǎng)時(shí)間存放（30 天）砂芯的抗拉強(qiáng)度降低35.9%。

（2）不同類型的涂料對(duì)于砂芯抗拉強(qiáng)度的影響不同，水基涂料對(duì)于砂芯初強(qiáng)度和終強(qiáng)度的影響更加顯著，導(dǎo)致砂芯抗拉強(qiáng)度降低38.9%；不同存放時(shí)間的砂芯浸涂后，水基涂料對(duì)于強(qiáng)度的影響仍然最為顯著，存放30 天后，浸涂水基涂料砂芯強(qiáng)度相比于終強(qiáng)度降低60.6%。

（3）降低砂芯存放環(huán)境的空氣濕度能夠有效地減緩砂芯抗拉強(qiáng)度衰減過(guò)程，在濕度45%RH～65%RH 環(huán)境下，砂芯最合適的使用時(shí)間應(yīng)盡可能小于15 天。