树脂砂工艺_

　　•概论 •自硬呋喃树脂砂的原辅材料 •自硬呋喃树脂砂的工艺性能 树脂砂的操作工艺 呋喃树脂砂铸件缺陷及其对策

　　 1 — 1 自硬呋喃树脂砂的概念 自硬呋喃树脂砂的命名来源于英 语的 Furan No-Bake process，它 表示以呋喃树脂为粘结剂，并加入催化 剂混制出型砂，不需烘烤或通硬化气体， 即可在常温下使砂型自行固化的造型方 法。通常被简称为“冷硬树脂砂”，甚 至“树脂砂”。以下介绍两个基本概念。

　　 综上所述，由于在各个工序中都最大限度地 排除了影响铸型、铸件变形和损坏的因素， 所以树脂砂铸件的铸件表面上的质量、铸件几何 尺寸精度方面比粘土烘模砂能大大的提升1— 2级， 达到 CT7-9级精度和 1－ 2mm / 600mm的平直度，表面粗糙度更大有改观。

　　 2 ．造型效率高，提高了生产率和场地利用 率，缩短了生产周期。 这是由于 （ 1）型砂流动性好，不需捣固机紧实，节 省了大量的捣固工作量，使造型操作大为简 化； (2)铸型强度高，节约了起模后修型工作量；

　　没有孔洞或裂纹。这样的砂粒表面积小，砂粒表面涂上 一层薄膜所需的树脂量少些。 一般用角形系数表示砂粒形园整度，人造石英砂 虽然 SiO2含量高，但粒形为多角形甚至尖角形，角形 系数太大，需经研磨处理，一般不采用。天然砂中角形 系数最小的要算风积砂，如内蒙通辽一带的大林标准砂， 角形系数小于 1.2，呈圆形。为了改善粒形，对原砂最 好进行擦磨处理。目前我国唯一生产擦磨砂的是江西星 子砂矿。该矿对原砂经擦磨处理后，角形系数从1.47减 少到 1.35，与此同时， SiO 2含量也从 93％（水洗砂） 提高到 95％（ 45/75目）砂样抗拉强度也由 12.2Kg /cm 2增加到 16.3Kg /Cm 2。

　　 因为原砂中含有某些不溶于水的碱性物质，所以砂不 采用简单的 PH值实验，而采用耗酸量实验。使用再 生处理砂时，由于新砂加入量少，耗酸量的影响较轻， 但对于全部采用新砂的树脂砂，耗酸量的影响则不可 低估一般应控制在 5以下。 综上所述，树脂砂对原砂的要求十分严格，国外 很重视树脂砂的原砂选用和处理。如日本宁可从遥 远的澳大利亚运砂. 国内目前比较适合于树脂砂用的 原砂有大林水洗砂，星子擦磨砂、东山沉积砂、平潭 沉积砂等。

　　（ 3）型（芯）上醇基涂料点干后可省去烘 干工序，节约了工时和场地； (4)旧砂回收后干法机械再生，使砂处理为 封闭系统，便于机械化，能节约大量旧砂 处理，型砂混制、运输等辅助劳动； （ 5）型砂的溃散性好，落砂容易，修整工 作量少、 （6）节约了一些造型（芯）前的准备工作量。 如插芯固等。根据一般统计，用自硬呋喃树 脂砂代替粘土烘模砂后，生产效率可提高 40— 100%，单位造型面积产量可提高 20— 50%。

　　 组成自硬呋喃树脂砂的主要原材料有作为型 砂骨料的原砂，作为粘结剂用的呋喃树脂，作 为催化剂用的酸类固化剂和作为添加剂的硅烷 偶联剂等，树脂砂造型中必须的辅助材料有涂 料、脱模剂、粘合剂、浇口陶管、分型剂等。 原辅材料的好坏对树脂砂铸件质量的影响很大， 本章对以上主要原辅材料作一简单介绍。

　　二、自硬呋喃铸型有一些缺点，应采取 相应对策。  1 ．对原砂要求比较高，如粒度、粒形、 SI0 2含量、微粉含量、碱金属盐及粘土含量等都 有较严格要求； 2 ．气温和湿度对硬化速度和固化后强度的 影响较大； 3 ．与无机类粘结剂的铸型相比，树脂砂发 气量较高，如措施不当，易产生气孔类缺陷；

　　其中 B——每次混砂时粘结剂的加入量 （树脂和固化剂） R1 ——新砂添加量（ %） R2 ——浇注时燃烧去膜率（ %）， 取决于砂铁比 S/M R3 ——再生去膜率 灼烧减量与铸型发气量成正比，所以 灼烧减量高，则铸件易产生气孔缺陷。 对铸铁件，一般要将再生砂灼烧减量控 制在 3.0—3.5%以下。

　　2 — 2再生砂 对浇注后的树脂砂经砂块破碎后的砂粒，通 过机械摩擦等方法将其表面残留的固化树脂 层去掉一部分的处理叫树脂砂再生处理。使 用再生砂有重要的经济意义，同时对铸件质 量有一定好处。以下介绍再生砂几项主要性 能。

　　一、粒度变化 旧砂反复再生回用后，在粒度变化上存在变 粗和变细的两种因素。前者是因为除尘去掉 一部分细粒及微粉，砂粒表面残存有机物固 化层等等；后者是因为砂粒的破碎等。总的 来说当原砂耐破碎强度较好，二种因素基本 可以抵销，使粒度分布变化不大。

　　三、微粉含量 这也是监测再生砂的主要指标，微粉除了破 碎的砂粒以外最主要的有再生时剥下的树脂 膜及涂料成分、燃烧过的有机物灰尘，将大 大增加灼减量、降低强度、影响透气性，所 以再生砂一定要通过风选或筛分，将微粉含量 控制在3%以下。

　　的影响，由于树脂是在酸催化剂作用下脱水缩合固 化的，故当原砂碱性较强时，需耗费额外的酸固化 剂。砂的PH值一般为 6.5－ 7.2，若使用海砂时， PH值为 9左右，耗酸量可达 17以上，其中贝壳和 CaCO3的耗酸量远超于了其它物质，不易固化， 需经过淡水冲洗或擦洗，擦磨处理。前面也谈到 ,原 砂中 SiO2含量减少时，长石、云母和其它杂质会增 加，长石和云母两种矿物中都含有碱金属化合物 Na 2O、 K 2O，钙长石和其它一些杂质中则含有CaO、 MgO等，都是增加耗酸量的成分。

　　 由碳原子和其它元素原子 (如 O、 S、 N等)共同组成的 环叫做杂环、组成杂环的非碳原子叫杂原子。含有杂环的 有机物叫做杂环化合物。所谓“呋喃”，是含有一个 氧原子的五员杂环有机物，它是表示一族化合物的基 本结构总称。在呋喃系中不带取代基的杂环作为母体，叫 做“呋喃”，它的衍生物则根据母体来命名。呋喃本身在 工业上并无什么用途，但它的衍生物——糠醛和糠醇，却 是工业上的重要原料，它们是最重要的呋喃衍生物，糠醛 学名叫α——呋喃甲醛，糠醇学名叫呋喃甲醇。它们的分 子结构如下：含有糠醇的树脂称为呋喃树脂。作为铸造粘 结剂用的呋喃树脂一般是用糠醇 (FA)与尿素、甲醛或苯 酚等缩合而成的 ,如尿醛呋喃树脂（UF/FA）、酚醛呋喃 树脂 (PF/FA)、酚脲醛呋喃树脂（ UPF－ FA)和甲醛—— 糠醇树脂 (F/FA)等。

　　 总之，在选择原砂时， SiO 2含量应尽量 高一些，不纯物要少，当然还与金属的熔 点和浇注温度，铸件壁厚等因素相关。一 般来说，铸铁应大于 92％，有色金属可以 低一些。杂质允许含量还与旧砂是否再生 回用以及下面谈到的耗酸量有关。

　　 所谓灼烧减量（LOI）是砂中有机物残留量 的一种度量。旧砂回用中，每次混砂后有粘结 剂积累，但浇注和再生以及加入新砂都可“冲 淡”有机物残留量的比例，通过10次以上的 反复回用，可使旧砂中的灼烧减量稳定在一定 的水平上，即这时每次加入的粘经剂量与浇注、 再生、新砂所减少的粘结剂量相平衡。 这时的灼烧减量称为再生砂的灼烧减量PK则：

　　（ 5）铸型强度高、表面稳定性高，故 芯头间隙小、分型负数小，减少了下芯、 配模过程中铸型的破损和变形，保证了 配模精度； （ 6）铸型（芯）硬度高，耐热性好， 可以有效地抵御浇注时的型壁退让、迁 移现象，减少了铸型的热冲击变形（如 胀砂等）； （7）型砂的溃散性好，清理、打磨容易， 从而减少了落砂清铲修整工序中对铸件 形状精度的损害。

　　 树脂砂的硬化是放热反应，原砂含水量严重 影响树脂的固化强度与固透性，实验证明， 含水量由 0.2%升高到 0.4%，型砂的抗拉 强度可从13.2kg /cm 2降低到 8.6kg /cm 2，固化时间也从 30分钟延长到 70分 钟。国外一般要求原砂含水量小于0.1%， 国内一般要求小于 0.2%。所以对树脂砂用 原砂应进行干燥处理。

　　 原砂的粒形不仅影响树脂砂加入量，同时 还影响到树脂砂的流动性及紧实程度，砂粒 表面空洞裂纹不仅无效消耗树脂，而且砂粒 易碎，影响复用性及粒度保持性。

　　粒形相同的原砂，以粒度较粗的总表面积小， 树脂用量少，透气性好，耐火度高。粗砂的 缺点是抗机械粘砂能力低。一般多选用 30/50目、40/70目为宜，为提高综合性 能，可采用 30/70目的多筛号分布的砂。 微粉及含泥量严重恶化树脂砂性能。由于微 粉表面积很大，消耗树脂及固化剂影响透气 性及强度，原砂中的泥份中碱土金属含量较 高，据介绍细粉状比粒状耗酸值要大3— 10 倍。一般要求原砂含泥量应小于 0.3%。

　　 4 ．由于硬化机理是脱水缩合型，故硬化反 应需一定时间，模样的周转率较低，不易适 应于大批量铸件的生产； 5 ．与粘土砂相比，成本仍较高； 6 ．对球铁件或低 C不锈钢等铸件，表面因 渗硫或渗碳可能造成球化不良或增碳，薄壁 复杂铸钢件上易产生裂纹等缺陷； 7 ．浇注时有剌激性气味及一些有害气体发 生， CO气发生量较大，需有良好的通风条 件。

　　 一、自硬呋喃树脂砂具有以下优点： 1 ．铸件表面光洁、棱角清晰、尺寸精度高。 这是由于树脂砂造型可以排除许多使型 （芯）变形的因素。如：  （ 1）型砂流动性好，不需捣固机紧实，减少了 模样（芯盒）的伤损和变形；  （ 2）砂型（芯）固化后起模，减少了因起模前 松动模样和起模时碰坏砂型（芯）引起的变形；  （ 3）无需修型，减少了修型时引起的变形；  （ 4）无需烘烤，减少了因烘烤造成的铸型（芯） 变形；

　　一般仍选用天然石英砂。对于部分高合金 钢铸件或特殊需要的情况下，也有选用铬 矿砂或锆砂等特殊骨料的。这里我们主要 讨论树脂砂对石英砂的要求。

　　一、矿物成分与化学成分  原砂的主要矿物成分是石英（即 SiO 2）、 长石和云母，还有一些铁的氧化物和碳化物。 石英比重 2.55，莫氏硬度七级，熔点 1713℃，具有耐高温、耐磨损等优点。若 原砂中石英（ SiO 2）含量高，则原砂的耐 火度和复用性都好。 长石是铝硅酸盐，常见的有钾长石（ K 2O、 AI 2O 3、 SiO 2）钠长石（ Na 2O、 AI 2O 3 SiO）

　　 3 ．减轻劳动强度，大大改善了劳动条件和工作环境， 尤其是减轻了噪音、矽尘等，减少了环境污染。 4 ．节约能源。这表现在取消了烘窑和水力清砂，提 高了铁水成品率，大大降低了压缩空气消耗，从而在 节水、节电、节煤（焦）等方面效果显著。 5 ．树脂砂型 (芯 )强度高 (含高温强度高)、成型性 好、发气量较其它有机铸型低、热稳定性高、透气性 好，可以大大减少铸件的粘砂、夹砂、砂眼、气孔、 缩孔、裂纹等铸件缺陷，从而降低废品率，可以制造 出用粘土砂难以做出的复杂件、关键件。  6 ．旧砂回收再生容易，可以达到 90— 95%的再 生回收率。在节约新砂、减少运输、防止废弃物公害 等方面效果非常明显。

　　石比重 2.54-2.76,莫氏硬度 6－ 6.5级，熔点 1100－1250℃，因其熔点低、硬度低、不耐磨、 易粉碎，会降低树脂砂的复用性和耐火度。 云母是种含铝硅酸盐，有黑白云母之分，白云 母的成分为（ 3AI 2O 3、 6SiO 2、 H 2O）。云 母的熔点为 1145－1270℃，比重 2.7-3.2。硬度 很低，极易破碎，它在砂中的含量多少对原砂的复用 性很有影响。

　　二、呋喃树脂的硬化机理 根据呋喃树脂的组成不同，分别能够最终靠加 热、通入硬化气体或添加酸催化剂等方法使 其固化。酸催化（即“自硬”）的呋喃树脂 一般糠醇含量都超过50%。其硬化机构很复 杂，现在还未完全弄清楚，但基本的树脂化 反应包括了糠醇的第一醇基和呋喃环的第五 位氢之间的脱水缩合，此外呋喃环的断裂生 成乙酰丙酸，第一醇基间脱水生成醚和醛等 等的反应。