如何正确选用自硬树脂砂制芯造型工艺

　　在目前主要是指在混砂过程中，除加入树脂以外，还要加入常温固化剂或者硬化剂，制芯造型后在室温条件下型（芯）即可自行固化的一种制芯造型工艺。所用树脂一般是由C、H、O、N等原子以不同形式结合而形成的液态有机物。在树脂生产的时侯，糠醇、甲醛、苯酚等原材料分子在热和催化剂的作用下，初步聚合成具有两维空间的线形链状结构的初聚物分子。而在铸造生产使用时，由于第二种固化剂或硬化剂的加入，促使分子间这种聚合反应接着来进行，并形成分子量非常大的具有三维空间结构的不溶性的体形网状高分子聚合物。当三维结构聚合反应发生在砂子之间时，所形成的网状树脂结构就将砂粒彼此粘结起来，形成坚硬的骨架结构，即树脂产生固化反应而硬化。现阶段自硬砂用树脂主要有自硬呋喃树脂、自硬酚脲烷树脂和自硬碱性酚醛树脂。

　　自硬树脂砂性能主要有常温性能、高温性能、环保性能，以及工艺成熟度和对铸件质量的保证程度等。

　　粘结效率：铸造厂要求造型、制芯工艺具有高的生产率，特别是在批量生产时，生产率是选用自硬砂的首要因素。目前衡量自硬砂工艺生产效率的重要指标是型砂可使用时间与砂型起模时间之比，称为粘结效率。

　　粘结效率是常用的衡量自硬砂生产效率的有效方法，比值的大小是砂型起模时间一定时，型砂可使用时间长短的标志，其值范围在0～1之间，高比值(接近l)的自硬砂表示它具备极高的造型、制芯的生产效率和工装模样的周转率。在目前自硬砂工艺中，酚脲烷树脂砂比值最大，可达到0.75～0.80，这表示酚脲烷树脂砂在起模前的75%以上时间内具有非常好的流动性。其次是碱性酚醛树脂砂和自硬呋喃树脂砂。

　　工艺强度：为了能够更好的保证型（芯）在起模、储存、运输、装配及浇注时有充足的工艺强度，所以强度是选用自硬砂工艺基本的技术指标。在日常生产中常把常温强度细分为小时强度(固化速度)，24h强度（终强度）和抗吸湿强度等。大量试验和生产实践证明，在工艺条件基本相同的条件下，24h常温比强度最大的是自硬呋喃树脂砂，其次是酚脲烷树脂砂，最低的是碱性酚醛树脂砂。

　　从小时强度，即固化速度来看，酚脲烷树脂砂最快，自硬呋喃树脂砂和碱性酚醛树脂砂基本相当。从抗吸湿强度分析，碱性酚醛树脂砂拥有非常良好的抗吸湿性能，呋喃树脂自硬砂次之，酚脲烷树脂砂较差。生产实践证明，为保证必要的工艺强度，碱性酚醛树脂砂树脂加入量相对于呋喃树脂自硬砂而言往往要高一些。

　　高温热变形：图1给出了三种自硬砂的高温热变形曲线可知，酚脲烷树脂砂在正变形区表现为：最大正变形量为0.42mm，到达最大正变形量时7s，最大正变形量小，砂型（芯）热膨胀小，对铸件的影响小，到达最大正变形量时间短，铸件表面凝固时砂型（芯）膨胀已结束。酚脲烷树脂交联密度低，在塑性区表现为斜率大，塑性非常好，树脂砂退让性好。因此，在一些薄壁箱形铸钢件上，用呋喃树脂砂砂型（芯），很难消除的裂纹缺陷，用酚脲烷树脂砂后裂纹就很容易消除。但是，塑性过高，砂型（芯）松弛太大，铸件尺寸易超出范围。酚脲烷树脂砂在热固性区维持的时间很短，有时还看不到。酚脲烷树脂砂断裂时间为46s，高温强度较低，退让性好，铸件出现热裂机率小，但砂型（芯）容易开裂，金属液渗入砂型（芯）产生脉纹（飞翅）倾向大。

　　碱性酚醛树脂砂最大正变形量为0.49mm，到达最大正变形量时间为5s，与酚脲烷树脂砂几乎相同，但是碱性酚醛树脂砂热固性区域很长，这是其具有的二次硬化现象特点所决定的，因此，该树脂砂不易出现冲砂等缺陷，同时碱性酚醛树脂砂降解区（二次塑性区）斜率比较大，型芯退让性好，以此来降低铸钢件出现热裂缺陷的机率。碱性酚醛树脂砂断裂时间为136s，试样热分解较缓慢，具有较高的高温强度。

　　高温抗住压力的强度：图2是酚脲烷树脂砂、碱性酚醛树脂砂和呋喃树脂自硬砂的高温抗压强度曲线。由于三种树脂砂都是常温硬化的，“树脂没有完全交联，在温度上升后发生了进一步交 联，强度上升，随着温度的继续上升，树脂受热降 解和氧化作用慢慢地增加，强度逐渐降低。

　　酚脲烷树脂砂表现较为特殊，酚脲烷树脂砂的强度先降，然后又上升，最后再一直下降，呈现“N”形。这可能与酚脲烷树脂砂交联度低，受热易软化，同时受热后树脂砂进一步交联而产生强化作用有关。

　　针对酚脲烷树脂砂在200℃附近强度急剧下降、砂型（芯）易引起变形和开裂的特性，在控制有关工艺时需格外的注意。例如，在砂型（芯）涂覆涂料后进行烘干时，需要更加严格地控制烘干温度，以免变形和断裂。在烘干一些平板长条形型芯时也要格外的注意，最好能放置于平板托盘上，以免变形。

　　碱性酚醛树脂砂达到最高强度时温度在200℃附近，砂型（芯）上涂料或为加快固化进烘箱时温度不易超过200℃。呋喃树脂砂达到最高强度时温度在100℃附近，砂型（芯）上涂料或为加快固化进烘箱时温度不易超过100℃。

　　导致铸件产生缺陷的直接问题大多有气体的种类、数量和砂型（芯）表面安定性。

　　气体的种类、数量：气体导致铸件缺陷与自硬树脂的组成及其加入量有着十分密切的关系。从气体种类分析，呋喃树脂、酚脲烷树脂中异氰酸酯及固化剂中都含有氮，如加入量较多，氮的含量增加就非常有可能引起氮气孔缺陷；酚脲烷树脂在受热分解时能形成大量的光亮炭，这种光亮炭膜能阻碍金属液的凝固，在铸件表明产生“亮炭”缺陷。

　　如果生产铸钢件，铸钢件中碳、硫含量很低，而呋喃树脂及固化剂中的碳、硫含量都较高，当与钢液发生界面反应时，能使这些元素富集到铸钢件表面上，如碳可渗入2～3mm、硫可渗入1～3mm，从而引起铸件材质的变化和其力学性能的降低。如果生产球墨铸铁件，又有可能导致球化不良缺陷。而碱性酚醛树脂砂及其固化剂中基本上不含氮、硫和磷等元素。在金属液凝固时产生的气体较少，产生渗碳、渗硫、“亮炭”及气孔等铸造缺陷的可能性小。

　　砂型(芯)表面安定性：树脂砂型(芯)应能承受住搬运时的磨损，浇注时金属液的冲刷和烘烤而不至于引起冲砂、砂眼及机械粘砂等缺陷，因此其表面安定性是很重要的。为了能够更好的保证树脂砂的表面安定性，要格外的注意不可使用超过可使用时间的型(芯)砂，注意型(芯)砂的紧实，同时表面安定性与涂料质量的好坏、涂敷和烘干工艺也有很大的关系。

　　环保性能：自硬砂在应用过程中，在不同程度上都会释放出各种有毒有害化学气体，尽管大多数是微量的，但也会对作业环境和员工身体健康造成一定的负面影响。三种自硬树脂砂的热分解产生的有害气体见下

　　呋喃树脂自硬砂在造型、制芯时会释放开来甲醛、游离酚、糠醇等。在浇注、清砂时可释放出一氧化碳、硫化物、氨、苯酚等，这些有毒、有害化学气体不仅污染作业环境，而且还会影响铸件质量。

　　酚脲烷树脂砂在造型、制芯过程中，特别是浇注后在工作场地必然会产生一些有害的气体，如挥发性有机物、有害大气污染物，以及苯、甲苯、二甲苯等，影响操作工人的身心健康。

　　碱性酚醛树脂砂及其固化剂，由于是不含苯等芳香族的水溶性的碳水化合物，以及硫和氮等有害的物质，树脂中游离甲醛和游离酚的含量也极低，在混砂、造型、制芯、浇注和清砂等工序中释放出的有毒气体少，环境污染也小。因此碱性酚醛树脂砂在主流自硬树脂砂中环保性最好。

　　苏州兴业最近研发成功的芳香自硬呋喃树脂和环境友好型自硬酚尿烷树脂都是改进普通自硬树脂砂环保性能的新产品，推向市场后己引起广泛关注和欢迎。

　　旧砂可再生性：大量的生产应用表明：呋喃树脂、酚脲烷树脂旧砂再生性能较好，干法机械再生就可以将包覆于砂粒表面已失效的脆性树脂膜去掉。但是对于还有粘结能力的残留树脂没有必要全部去除，因为它们还能和新砂一起形成较高的粘结强度。所以，呋喃树脂再生砂粒一般磨损小，砂粒圆整度好，它们的粘结性能好，旧砂再生回用率可达到90%以上。

　　工艺成熟度：自硬呋喃树脂砂：树脂质量稳定，品种齐全，是国内外最早应用于铸造生产的自硬树脂，目前，被大范围的应用于铸钢、铸铁和非铁铸造合金的生产，约占我国整个树脂砂用量的四分之三，工艺技术和工艺配套最为成熟；自硬酚脲烷树脂砂：树脂质量稳定，品种齐全，从本世纪之初呈较快发展形态趋势，工艺成熟，是现阶段生产率最高的制芯、造型工艺；碱性酚醛树脂砂：树脂品种和质量稳定性近10年来取得了重大进步，尤其是树脂砂强度、粘度、质保期和旧砂再生率进步更为显著，是目前生产球墨铸铁和铸钢件理想环保粘结体系，未来市场发展的潜力广阔。

　　据不完全统计2011年之前，我国引进自硬树脂砂线年四年间我国又装备了树脂砂线年年底我国共有树脂砂生产线条①，年消费铸造合成树脂大约49.3万吨②。其中自硬呋喃树脂约占铸造合成树脂总量的80%至75%。但是，由于碱性酚醛树脂等其他树脂，既拥有呋喃树脂的应用功能特色，对环境的污染又比较小，正在逐渐替代呋喃树脂，呈逐年上升态势，致使呋喃树脂的消费比率呈年年在下降趋势，例如2015年呋喃树脂消费比率从2008年的79.4下降到76.53③。

　　如果生产厂一旦决定选用某种树脂砂，同时也就决定了生产车间的规模布置、工装模具、造型制芯设备、旧砂再生设备和清理设备等固定资产的投入，还决定了铸造工艺、生产所带来的成本、管理方式、工人熟练程度和产品的市场地位等诸多因素。因此，选用何种自硬砂工艺应非常慎重，通常应根据铸件的生产特点和批量、生产的现状和未来的要求等多方面做综合考虑。选用自硬砂工艺应最大限度地考虑上述功能对比分析，择优选用。