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近代化学固化砂铸造工艺

1．树脂固化砂工艺

树脂砂的特点较多，如型芯砂高强度、高固化效率、高溃散性，铸件高精度、高表面质量，为大批量流水线生冲模产各种复杂的中、小型铸件的型芯提供了一种理想的方法，从而很快在汽车、拖拉机和内燃机等行业得到了广泛应用。又由于其高强度、高精度、高溃散性，低的造型制芯劳动强度，对于满足多品种、小批量生产各种结构日趋复杂的中、大型铸件的型芯，也起了十分重要的作用。目前，树脂砂工艺繁多，可按其不同的硬化方式，分为如下三大类：加热硬化法、吹气硬化法和自硬法。

1. 加热硬化法

此法系指型芯本体经过外部加热源进行加热，使型芯砂在一定温度和时间下固化成型的一种工艺。目前在铸造生产中广泛应用的有：壳型法和热芯盒法两种。壳型法是一种开发最早、发展最快、应用甚广的高效造型、制芯工艺。由于覆膜砂的流动性、充型性和存放性均好，强度大、溃散性好，被汽车行业广泛应用于大批量生产各种结构复杂、质量要求高的型芯。热芯盒比壳型开发晚15年，由于它的型、芯砂制备简单，成型温度低，硬化速度快，在生产中也得到了应用，鉴于其型砂流动性差、存放性不好，吸湿性很大，含氮量较高，限制了它的应用，目前国外已开发了新型热芯盒树脂，效果较好，国内也在试用。由于这两种工艺操作方法基本相似，下面仅介绍壳型法。

（1）壳型用原材料及其特性 壳型用原材料主要是覆膜砂，它是由硅砂、热塑性酚醛树脂、乌洛托品硬化剂、硬脂酸钙润滑剂及其他附加物等材料，在专门的混制设备上热法混制而成，铸造厂家可根据铸件的种类和不同结构的要求来选用，目前市场上可提供的覆膜砂系列产品的性能见表1。 表1 覆膜砂系列产品的性能

（2）壳型、芯的制造工艺及其设备壳型、芯的制作方法一般有两种：翻斗法和吹砂法。翻斗法适用于壳型制作，而吹砂法多用于壳芯生产。吹砂法壳芯机又可分为底吹式和项吹式两大类。底吹式壳芯机制芯时，芯砂由底部吹入芯盒，吹芯压力为0.4～05MPa，吹砂时间为15～35s。由于芯砂由底部吹入芯盒，充填情况不如顶吹式理想，故一般适用于外形简单的壳芯。顶吹式壳芯机制芯时，芯砂由芯盒顶部吹入，充填情况较好，但整机结构复杂，常用于结构较复杂的壳芯制造，其吹芯压力为0.l～0.3MPa，吹砂时间为3～8s。

壳芯制造过程如下：把芯盒加热至210～250℃，吹入覆膜砂，这时覆膜砂上树脂受热融化、结壳后，翻转180 ，使芯盒自动左右摇摆数次，排放出未固化的砂子，翻斗复位，壳型、芯继续硬化2～3min，便可顶出制好的壳型、芯。

（3）发展前景 在热法制芯中壳型、芯工艺是一种很有发展前途的高效制芯工艺，但是目前覆膜砂中树脂加入量高，生产成本高，铸件气孔及变形严重。同时它存在硬化温度高，硬化时间长，硬化时气味大等缺点。国内外正在开发各种新型的低气味、高强度、速固化、流变性能好的改性酚醛树脂和低氮、无氮的硬化剂，并开发了新型覆膜混砂设备和；日砂再生设备。

2．吹气硬化法

此法系指型、芯本体不需加热，仅在气体催化剂作用下迅速固化成型的一种制芯工艺。这种工艺现有三乙胺法、SO2法和低毒、无毒气硬法等几种。目前在生产中仅三乙胺法得到广泛的应用。它的最大特点是硬化速度快，硬透性好，生产效率高；其次是芯盒不需加热，劳动条件好，芯盒生产成本低，现已在批量生产各种复杂的砂芯的汽车、拖拉机行业广为应用。

（l）三乙胺法用原材料 三乙胺法用原材料主要由硅砂、树脂和催化剂等组成。此法对硅砂3.材料改变实验机分辨率和动态性能(带宽)选择要求甚严，特别是含水量＜0.2％，含泥量＜0.3％（均指质量分数）。所用的树脂由二个组分组成；组分Ⅰ为苯醚型特制酚醛树脂，组分Ⅱ为聚异氰酸酯（PAPI）。为了降低树脂对硅砂及环境湿度的敏感性和适用于低温浇注铝合金铸件的需要，近年来，又开发了抗湿性树脂和铝合金专用树脂。催化剂为液态的三乙胺或二甲基乙胺，为了能使砂芯均匀硬化，液态三乙胺需要先雾化或汽化，再与惰性气体混合（常用的氮气），吹入芯盒，使砂芯硬化，以防止三乙胺气体浓度过大而引起爆炸。

（2）三乙胺法制芯工艺及其设备 三乙胺法制芯均在专用的冷芯盒射芯机上完成，所用射芯机的结构与普通射芯机相似，但增加了吹气机构和前后工序配套设备。前工序配2套设备有：混砂机、砂加热器、气体发生器、压缩空气干燥除湿系统、三乙胺气体雾化装置等。后工序配套设备包括废气净化系统。

制芯的主要工序为：硅砂加热至25～35℃，将组分Ⅰ酚醛树脂加入砂中，混制1～2min，再加入组分Ⅱ（PAPI），继续混制1～2min。通常两组分加入量各为0.75％，即为砂的质量分数为1％～2％。然后在0.30～0.35MPa射砂压力下，把砂子射入芯盒，再将与载体混合、体积分数为2％的三乙胺气体，在0.2MPa压力下吹入芯盒，使型、芯砂迅速硬化，硬化时间一般为几秒或几十秒钟。型、芯硬化后，紧接着通过原来吹气系统，再吹入洁净干燥的空气，以便清洗型、芯砂中的残胺，并可进一步提高它的强度。从芯盒中排出的空气中含有残余的有毒胺气，必须送到洗涤室内，用酸中和，将胺除去，也可采用燃烧法去胺。最后，打开芯盒，取出已硬化的砂芯，便可进行下一轮程序。

为了提高铸件的表面质量，减少粘砂缺陷，砂芯表面应刷一层涂料。可采用水基涂料，但必须待树脂完全硬化后上涂料，防止明显降低砂芯强度，刷涂后应及时烘干。

（3）发展前景 气硬冷芯盒二手设备制芯工艺是目前国内外重点开发、最有发展前途的一种高效制芯工艺，特别是低毒、无毒气硬工艺，在当前全球关注环境保护、推行清洁生产的情况下，更具有很大的现实意义。现正在开发的酚醛树脂／酯法，聚丙烯酸钠／CO2法和碱性酚醛树脂／CO2法等无毒制芯工艺，尽管还存在强度低，树脂加入量高，吹气硬化时间较长，抗湿性较差等一些问题，但可以预计，在不久的将来，会开发出更为理想、无毒无公害的高效制芯工艺，成功地应用于生产，有力推动我国铸造事业向前发展。

3．树脂砂自硬法

此法系指型、芯砂在室温下，通过加入一定量的固化剂，使之在芯盒或砂箱内，并在一定时间内自行硬化成型的一种造型、制芯工艺。目前在铸造生产中得到应用的有酸固化呋喃树脂砂、酯固化碱性酚醛树脂砂和酚尿烷树脂砂等。这种工艺的最大特点是：树脂砂可在常温下自行硬化成型，型、芯砂有一定的可使用时间，其硬化速度与强度受室温、环境湿度的影响很大，生产效率不高，故比较适用于单件、小批量、多品种的中、大型铸件的型、芯生产，在我国机床、通用、重型、造船、机车等行业得到了应用。

在上述几种树脂自硬砂工艺中，以酸固化呋喃树脂砂在我国应用最多，因为它所用的原辅材料及设备能成套供应，技术较成熟，积累的经验也最丰富，目前国内300多家采用树脂砂工艺的工厂，绝大多数是采用这种工艺，与粘土砂比较，可提高铸件的尺寸精度2～3级，改善表面粗糙度1～2级，废品率明显减少。

（l）呋喃树脂砂用原材料 呋喃树脂砂用的主要原材料有硅砂、呋喃树脂和固化剂。呋喃树脂砂对硅砂的质量要求较严，应从角形系数、含泥量、含水量、微粉含量、耗酸值与灼减量等项技术指标加以控制。粘结剂呋喃树脂从效益角度斟酌是以呋喃环为主、低聚合度的缩聚树脂，按其化学组成可分为酚醛改性呋喃树脂、脲醛改性呋喃树脂和酚醛脲醛改性呋喃树脂等，而以脲醛改性呋喃树脂在国内应用最广。用酚醛部分取代脲醛，不仅能保持一定强度，而且还能降低树脂中含氮量，是一种性能较好的呋喃树脂。按国家专业标准 GB／T7526－94的规定，呋喃树脂可按其含氮量分为无氮［ψ（N2）≤0.3％］、低氮［ψ（N2）＞0.3％～2.0％］、中氮[（ψ（N2）＞2.0％机械表～5.0％）]和高氮[ψ（N2）＞5.0％～13.5％］树脂，也可按游离甲醛含量（质量分数）分为二级；一级含≤0.4％，二级含≤0.8％。要求质量较高的铸件可选用低氮树脂，而有色金属铸件可采用含氮较高的树脂。目前呋喃树脂砂常用的固化剂为有机磺酸，它又可分为对甲苯磺酸和二甲苯磺酸二种，后者常用于气温较低的冬季。

（2）树脂自硬砂的专用设备 树脂自硬砂的成套设备主要包括混砂系统和旧砂再生系统两大系列，混砂系统以混砂机为主，并配以振实台、翻转起模机、输送辊道和电控等装置，组成树脂砂造型、制芯生产线。旧砂再生系统大多具有砂块破碎、筛分、磁选、旧砂再生、微粉分离和砂温调节等功能。为了满足环境保护的要求及微粉分离的需要，树脂砂生产线还必动物雕须配有良好通风除尘装置。

（3）树脂自硬砂的造型、制芯工艺 呋喃树脂在强酸固化剂作用下，树脂分子间相继产生加聚反应和缩聚反应，使原来低相对分子质量的线型结构相互交联，转变为相对分子质量很大的体型结构的树脂膜，将砂粒粘结起来，达到型、芯的常温固化。树脂加入量（质量分数）一般为0.8％～1.2％，磺酸类固化剂加入量为树脂的30％～60％，型、芯砂的可使用时间从几分钟至数十分钟，起模时间由十几分钟至数小时。

树脂自硬砂的造型、制芯工艺基本上与粘土砂类似，由于树脂自硬砂具有许多特点，在造型制芯时应考虑如下几点：

应根据合金种类和铸件的大小，合理选用树脂的类型及吃砂量的大小，尽量降低砂铁比和造型材料的生产成本；应根据室温的高低，合理选用固化剂，夏季室温高时，选用酸强度较低的固化剂，冬季室温较低时，应采用二甲苯磷酸为主，加入适量无机酸的醇溶性固化剂；树脂砂的流动性很好，但具有明显的时间性，必须在型砂可使用时间内完成造型制芯工作；树脂自硬砂起模困难，不可太晚；树脂砂在浇注时发气速度较快，必须采取措施将气体排出，防止气孔的产生；树脂砂耐热性较低，必须上涂料，以保证铸件的表面质量；根据有机粘结剂特点，应按“快、稳、封闭、底注、保证压头和处理脏铁液”等原则来设计浇注系统。实践证明，只有遵循上述原则来造型制芯，才可能获得质量高、成本低的树脂砂铸件。

（4）发展前景 我国80％以上铸造厂家属于单件、小批量生产，80年代以前大多数采用落后的粘土砂工艺，铸件质量差，生产效率低，劳动强度大，环境污染严重。由于机械工业的发展和铸件出口贸易的需要，不少厂家采用树脂砂代替粘土砂，取得了明显的效果，充分证明该工艺对单件、小批量生产的铸铁车间具有较大的发展前景，低游离甲醛和低糠醇呋喃树脂的开发，又有力地促进了该工艺的发展。特别是80年代后，酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂的问世，较好地解决了呋喃树脂砂的成本、环保和热裂等问题，为今后生产优质铸钢件创出了一条新路。但是，碱性酚醛树脂尚存的强度低、粘度大和再生困难等问题，预计在不久的将来，将会得到圆满的解决。在即将到来的21世纪，化学固化砂的各种新型造型、制芯技术将会在我国铸造厂家开花结果，为改变我国铸造事业落后现状作出较大的贡献。

2．水玻璃固化砂工艺

树脂固化砂的应用实践表明，呋喃树脂的价格较高，环境污染较大，在未来21世纪人们对于自身生存条件和环境的要求日趋严格的刚筹建时条件下，由于车间劳动保护和生产环境卫生方面的投资很大，从而使树脂砂的应用受到一定限制，许多国家又对水玻璃固化砂极为重视。最近十多年来，人们对于水玻璃的基本组成和“老化”现象实质的认识深化和新型硬化工艺的开发等两方面均取得了突破性进展，在型芯砂保持足够的工艺强度的条件下，水玻璃加入量（质量分数）可降至2.5％～3.5％，从而使水玻璃砂长期存在的溃散性差、旧砂不能回用的问题，得到了较好的解决。水玻璃砂的硬化方法可分为：CO2气硬法和自硬法两种，热硬法已很少采用。

1．CO2气硬法

此法是水玻璃粘结剂领域里应用最早的一种快速成型工艺，由于操作方便、使用灵活、无毒无味、在国内外大多数的铸钢件生产中，得到了广泛的应用。

（l）硬化原理和特点 水玻璃的出现已有三百多年历史，由于它的成分十分复杂、多变，它的基本组成一直没有搞清楚，对水玻璃的研究主要停留在宏观的层次上。近年来，多种先进测试手段的开发，可深入到分子范畴进行分析和研究，并发现，新制备的水玻璃是一种真溶液；但是在存放过程中，水玻璃中硅酸要进行缩聚，将从真溶液逐步缩聚成大分子的硅酸溶液，最后成为硅酸胶粒。因此，水玻璃实际上是一种由不同聚合度的聚硅酸组成的非均相混合物，易受其模数、浓度、温度、电解质含量和存放时间长短的影响。

水玻璃砂吹入CO2气体硬化时，水玻璃的表层因吸收CO2而其模数升高和脱水，在酸化和脱水两重作用下，迅速硬化而形成初强度。已固化的表层水玻璃阻碍了CO2往深层渗透，内层水玻璃只能靠脱水而继续增加强度。此法缺点是：型芯砂强度低，含水量大，易吸潮，溃散性差，目前大多用于中、小型铸钢件生产。

（2）水玻璃的改性 水玻璃在存放过程中分子产生编聚，形成胶粒，可使其粘结强度下降20％～30％，这一现象称为水玻璃老化。为了消除老化，必须对水玻璃进行改性，目前改性的方法有物理改性和化学改性两种。物理改性是用磁场、超声波、高频或加热等办法，往水玻璃中供给能量，使已聚合的胶粒解聚，聚硅酸分子重新均匀化。这种改性对高模数水玻璃有效，但是存在重新老化的问题。化学改性是往水玻璃中加入少量化合物，这些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羟基、醚基、氨基等极性基团，通过氢键或静电将其吸附在硅酸分子或胶粒表面，改变其表面位能和溶剂化能力，提高聚硅酸稳定性，从而阻止老化进行。例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸盐等，均取得了较好的效果。

（3）发展前景 采用水玻璃改性来提高其粘结能力，往往增加了生产成本和工艺复杂化。近年来，日本又开发了VRH法，此法是先把砂粒间空隙中的空气抽去，再吹入CO2气体，使铸型迅速硬化成型。此工艺可使水玻璃加入量（质量分数，下同）降至 3.0％以下，而CO2用量仅为原来的1／10。最近又有作者提出往水玻璃砂中加入一种无机物，经高温作用后，在常温时粘结桥上会形成大量孔洞，使型芯砂在不受外力作用下，自行溃散的新工艺。

2．酯硬化法

（1）硬化原理和特点 此法是采用液体的有机酯作水玻璃的硬化剂。有机酯在强碱性水玻璃溶液的作用下，水解为醇与酸。醇有很强的亲水性，它可夺去水玻璃的水分，构成它的溶剂化水。酸与水玻璃反应，析出醋酸钠，它也有一定的亲水性，能夺取水玻璃的水分，构成它的结晶水。在酸化和脱水双重作用下，使水玻璃砂硬化。这种硬化工艺可使型芯砂具有很高的强度，不仅水玻璃加入量可降至3.0％以下，而且硬透性和抗湿性均好，适用于各种大型铸钢件的生产。缺点是型芯砂硬化速度慢、脆性大和流动性较差。

（2）主要原材料及型砂的工艺控制 酯硬化的水玻璃砂用原材料有硅砂、水玻璃和液体有机酯，这些材料的质量和合理选用将直接影响工艺成败、铸件质量和生产成本。对酯硬化水玻璃砂来说，尽管对硅砂的要求不像树脂砂那样严格，为了降低水玻璃加入量，硅砂应满足如下要求：泥的质量分数≤1.0％，水的质量分数≤0.5％，细粉的质量分数＜l.0％和角形系数＜l.3。水玻璃应达到国家专业标准ZBJ31003－88的要求。严格控制水玻璃的模数是成功应用此工艺的关键，应根据季节和室温加以调整：夏季，M＝2.2～2.4，其余季节，M＝2.4～2.6，有条件时，最好对水玻璃进行改性，消除老化现象。目前用于铸造生产的有机酯有：丙三醇醋酸酯、乙二醇醋酸酯、二甘醇醋酸酯和丙二醇碳酸酯等，加入量（质量分数）占水玻璃的8%～12％。有机酯是决定酯硬化水玻璃砂的工艺性能和生产成本的关键材料，必须严加选择，即应根据型、芯的大小和水玻璃的模数，合理选用不同型号（快酯、慢酯或混合酯）的有机酯。

对于酯硬化水玻璃砂的工艺性能来说，主要控制如下性能：起模强度、终强度、可使用时间和残留强度等，详见表2。 表2 型、芯砂推荐的技术指标

大型铸件的混砂可采用连续式混砂机，造型、制芯均为手工操作。

（3）发展前景 加入某些附加物，形成复合水玻璃，起着助粘结剂作用，能进一步提高水玻璃的粘结性能，如加入磷酸盐、硼酸盐或铝酸盐等附加物。另外，应用较广泛的有机酯硬化剂，因其价格高而影响了该工艺的推广应用，有人又提出了一种无机酸和有机物配制成的硬化剂，其主要成分为磷酸、磷酸盐和尿素，这种新型硬化剂不仅生产成本低，而且，型芯砂具有较好的溃散性。

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