树脂砂高温性能综述

目前，国内大量采用酚脲烷树脂、酯固化碱性酚醛树脂和酸固化呋喃树脂生产砂型和砂芯，树脂砂的常温性能和直接影响铸件质量的高温性能之间不一定呈直接关系，树脂砂在金属液体的作用下会分解、烧蚀，热强度大幅度下降，呈现出不同的特性：有的树脂砂靠近铸件处浇注后一段时间后会软化，继而再硬化的现象；有的树脂砂脉纹倾向很大；有的树脂砂热裂倾向很大，等等。通过热变形曲线和高温抗压强度分别对酚脲烷树脂、酯固化碱性酚醛树脂和酸固化呋喃树脂的高温性能进行测试，揭示不同树脂砂的高温性能，以便对科研和生产应用提供参考。

1 试验材料

大林标准砂 符合GB/T 25138-2010标准要求；酚脲烷树脂 XPⅠ-1610和XPⅡ-2610；碱性酚醛树脂 XY-201和有机酯固化剂 XYG4；呋喃树脂 XY90-0、85-4和磺酸固化剂 XY-GC09。

2 试验仪器及方法

2.1 热变形曲线测试

热变形曲线测试仪用于测量树脂砂被突然剧烈加热后的变形行为，模拟树脂砂与高温金属液相接触的反应。热变形曲线测试仪设备见图1。

测试时试样一端水平固定，另一端（自由端）施加恒定的负载，试样下部用火焰加热，试样单面受火焰突然加热，试样上下层之间膨胀率不同，造成试样向上弯曲，提升它的自由端，之后，因两层面的温度差异减

少，向上的曲率下降，直至最后消除，树脂砂有高温塑性时，开始形成一个向下的弯曲。计算机自动记录试样变形量和时间的曲线。理论上来讲，这个设置与砂芯和高温金属液接触面的情况是相似的。

典型的热变形曲线如图2。

树脂砂高温性能综述

马晓锋

（苏州兴业材料科技股份有限公司，江苏苏州 215151）

摘要：通过热变形曲线和高温抗压强度分别对酚脲烷树脂、酯固化碱性酚醛树脂和酸固化呋喃树脂的高温性能进行测试，结果表明不同树脂砂的具有明显不同的高温性能。关键词：

树脂砂；热变形曲线；高温抗压强度

1.固定旋钮

2.测头板

3.传感器端

4.探头

5.试样模型或实样

6.火焰固定板

7.燃烧头

8.清洁盖

9.支架

图1 热变形曲线测试仪

图2 典型热变形曲线

210-1-2-3-4-5-6

变形量/m m

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

正变形区（A→B段）：

向上偏斜区域，砂芯受热，使得表面的硅砂膨胀（硅砂在573℃石英β-α相变引起急剧膨胀），试样受热的一面比未受热的一面膨胀比率要大得多，所以指针被推向上，所测得的数据为正数。热膨胀(正变形)大，增加铸件凝固收缩的阻力，铸件易产生热裂。

塑性区（B→C段）：

向下偏斜区域，试样两层面的温度差异减少，直至最后消除，树脂砂具有塑性时，形成一个向下的弯曲，塑性越好，时间越长，斜率越大。

热固性区（C→D段）：

与热塑区第2区域相比，因树脂由塑性变成热固性，使斜坡的负值相对变小。

降解区（D→E段）：

降解（二次塑性区）及断裂区域，型砂的高温持久时间（从试样受热开始至机理性断裂的时间）反映粘结剂的热强度。若高温持久时间短，热强度差，砂芯易开裂，铸件易出现脉纹等缺陷；若高温持久时间长，表明型砂粘结剂的热分解较缓慢，型砂强度损失速度慢，铸型的退让性差，若金属液在型（芯）中凝固后型（芯）仍保持坚硬，则可能导致热裂，或出现铸件受压的情况。

2.2 高温抗压强度测试

高温抗压强度测试仪用于测量树脂被加热一定温度和一定时间后的抗压强度。高温抗压强度测试仪设备见图3。

测试时设定马弗炉温度，试样放置于下柱上，降下温度恒定的马弗炉，保持预定时间后，仪器自动控制下柱上升测量试样的抗压强度。3 试验结果及分析

酚脲烷树脂砂加入量为XPⅠ-1610：0.85%，XLⅡ-2610：0.85%；碱性酚醛树脂加入量为XY-201:1.5%，有机酯固化剂XYG4：0.375%；呋喃树脂砂为呋喃树脂（酚醛型）XY90-0：1.0%，磺酸固化剂XY-GC09：0.5%，呋喃树脂（脲醛型）XY85-4：1.0%，磺酸固化剂XY-GC09：0.5%。

3.1 热变形曲线测试

图4是酚脲烷树脂砂、碱性酚醛树脂砂和呋喃树脂砂的热变形曲线。

根据图4对四种树脂砂进行分别讨论：

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间为7s，最大正变形量小，砂芯热膨胀小，对铸件的影响小，到达最大正变形量时间短，铸件表面凝固时砂芯膨胀已经结束。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，用呋喃树脂砂砂芯，很难消除的裂纹缺陷，用酚脲烷树脂后裂纹就很容易消除。但是，塑性过高，芯（型）松弛太大，铸件尺寸易超出范围。酚脲烷树脂砂在热固性区持续时间很短，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，铸件出现热裂几率小，但砂芯容易开裂，金属液渗入砂芯产生脉纹（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

1.马弗炉（可上下移动）

2.上柱（固定式，被马弗炉遮挡）

3.下柱（可移动，带传感器）

图3 高温抗压强度测试仪

1.酚脲烷树脂砂

2.碱性酚醛树脂砂

3.呋喃（酚醛型）树脂砂

4.呋喃（脲醛型）树脂砂

图4 四种树脂砂热变形曲线

陷，同时碱性酚醛树脂砂降解区（二次塑性区）斜率比较大，砂芯退让性好，从而降低铸钢件出现热裂缺陷的几率。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。

呋喃（酚醛型）树脂砂在正变形区表现为：最大正变形量为3.18mm，到达最大正变形量时间为102s。树脂砂具有良好的耐热性和高温强度，对减少砂型膨胀和砂芯变形有益，如球墨铸铁件采取不设冒口依靠石墨化膨胀补缩的铸造工艺，良好的砂型高温刚性提高了石墨化膨胀的利用程度。但是最大正变形大，树脂砂热膨胀大，增加铸件收缩时所需的退让量，增加铸件凝固收缩的阻力，同时铸件表面凝固后树脂砂还在热膨胀（正变形时间长），铸件易产生热裂。呋喃树脂砂几乎没有塑性区，这可能是呋喃树脂砂在高温作用下形成的坚固芳香族交联体状结构的似晶硬性碳，刚性非常强所致，从而增加了铸件产生热裂的几率。呋喃树脂砂断裂时间为127s，试样热分解较缓慢，强度损失速度慢，具有较高的高温强度。

呋喃（脲醛型）树脂砂在正变形区表现为：最大正变形量为1.32mm，到达最大正变形量时间为67s。脲醛型与酚醛型比较，最大正变形量较低，到达最大正变形量时间较短，热强度略低。呋喃（脲醛型）树脂砂大量成熟地应用于铸铁件和有色铸件上，近年来，在一些对氮不敏感的铸钢件上，提倡呋喃树脂中添加少量的氮，以减小树脂砂热膨胀和热强度，减少铸钢件的热裂倾向。3.2 不同树脂加入量热变形曲线测试

试验结果表明，树脂加入量对热变形曲线有明显的影响，随着树脂加入量的增加，高温断裂时间延长，

在满足树脂砂足够常温强度的前提下，可减少树脂加入量，改善树脂高温性能，减少树脂砂发气量。3.3 高温抗压强度测试

图9是酚脲烷树脂砂、碱性酚醛树脂砂和呋喃(酚醛型、呋喃型)树脂砂的高温抗压强度曲线。

由于四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

1.树脂加入量0.8%

2.树脂加入量1.0%

3. 树脂加入量1.5%

图7 呋喃（酚醛型）树脂砂的热变形曲线1.树脂加入量1.40% 2.树脂加入量1.70% 3. 树脂加入量2.00%

图5 酚脲烷树脂砂热变形曲线

1.树脂加入量1.2%

2.树脂加入量1.5%

3. 树脂加入量1.8%

图6 碱性酚醛树脂砂热变形曲线

1.树脂加入量0.8%

2.树脂加入量1.0%

3. 树脂加入量1.5%

图8 呋喃树脂砂的热变形曲线。