冷芯盒制芯技术及应用现状

冷芯盒制芯技术及应用现状

前言

自1968年美国的阿什兰公司发明并推广冷芯盒技术以来，冷芯盒制芯因其生产效率高、节能，砂芯尺寸精度高、发气量低，芯盒寿命长、变形量小，铸件表面光洁、尺寸精度高（可达到CT7级），浇注后砂芯溃散性好等特点而被广泛采用。尽管冷芯盒法除了ISOCURE法（阿什兰法）外，后来还开发了SO2法（呋喃树脂/SO2法、环氧树脂/SO2法、酚醛树脂/SO2法、自由基硬化法）、低毒或无毒的气硬促硬法（钠水玻璃/CO2法、酚醛树脂/脂法、有机粘结剂/CO2法）、FRC法，但目前应用最多的仍是ISOCURE法。

ISOCURE法是在原砂中加入一定量的组分I（液态的酚醛树脂）和II组分（聚异氰酸脂），在混砂机中混匀后，用射芯机射砂或人工填砂制芯，用干燥的空气、CO2气体或氮气作载体，通入约5%浓度的催化剂气体，使组分I中的酚醛树脂的羟基和组分II中的异氰酸基在催化剂的作用下，发生聚合反应生成尿烷树脂而固化。

冷芯盒的适应性强，它可以应用于铸造所有种类的黑色和有色合金以及适用于大多数铸造用砂，冷芯盒砂芯可小到136g，大到840Kg，最大达到1000磅；砂芯壁厚从3mm到170mm。在国内外，冷芯盒技术已成功的应用于汽车、拖拉机、飞机、机床、泵业等行业，但在实际生产中，冷芯盒制芯工艺受到许多因素的影响，包括原材料、工装、工艺参数等。本文对冷芯盒技术的应用中应注意的问题作了一定的综述，并对国内应用冷芯盒技术的情况作了说明。

一、冷芯盒生产中应注意的问题：

冷芯盒技术的本质是组分I（液态的酚醛树脂）和II组分（聚异氰酸脂）在催化剂的作用下，生成尿烷的过程，即：

催化剂

酚醛树脂+聚异氰酸脂尿烷

组分I的酚醛树脂结构要求为苯醚型，组分II为4，4’二苯基甲烷二异氰酸酯（MDA）或多次甲基多苯基多异氰酸脂（PAPI）等，美国推荐使用MDA，我国主要用PAPI。组分I和组分II通常用高沸点的酯或酮稀释，以增加树脂的流动性和可泵性，使树脂容易包覆在砂粒表面，也增加芯砂的流动性，使砂芯致密。催化剂为叔胺，可使用三乙胺（TEA）、二甲基乙胺（DMEA）、异丙基乙胺或三甲胺（TMA），因为三乙胺便宜，通常采用三乙胺作催化剂。该反应过程非常迅速，在催化剂的作用下，可以立即完成反应。

冷芯盒的生产过程通常为：

尽管冷芯盒树脂的硬化过程很快，但在生产过程中，原砂、水分、温度及工装对制芯过程和砂芯质量有很大的影响。

１、原砂

所有用树脂作黏结剂的原砂都要求粒形好，粒度适当，以减少树脂的加入量，降低浇注时的砂芯发气量。冷芯盒树脂要求原砂最好是圆形的，这样，原砂表面积最小，可以减少树脂的用量，对砂芯强度也最为有利。但次角形的砂对减少飞边或毛刺有利。一般要求原砂的角形系数<1.3,AFS细度为50-60，并且分布不要过于集中，最好分布在相邻的5-6个筛号，以利用浇注时不同粒度砂的膨胀时间差异来防止铸件产生脉纹现象。

因为冷芯盒树脂在碱性情况下提早发生反应，所以，原砂吸酸值高则芯砂的可使用时间缩短。原砂的吸酸值为0-5最好，5-20为可用范围。同样，原砂的PH=6-8是最好的。许多金属氧化物呈碱性，过多的氧化物也会降低芯砂的可使用时间，故原砂中的氧化物含量要求<0.3%。

原砂的含泥量要尽可能的小。含泥量增加，不仅降低了砂芯强度，降低了透气性，还使铸件产生脉纹缺陷的倾向增加，一般要求含泥量<0.3%。

水分能够与冷芯盒树脂中的组分II发生反应，而且水分的存在还能降低芯砂的流动性，造成砂芯疏松，使砂芯质量大大降低。所以，冷芯盒工艺中对原砂的水分要求严格，原砂的水分最好在0.1%以下。随着水分的增加，砂芯强度下降（如图1），铸件产生脉纹的倾向加大。原砂水分<0.25%的也可用，但水分>0.25%，则砂芯的品质大降。

图1：砂芯抗拉强度与原砂含水量的关系

冷芯盒制芯对原砂和树脂的温度要求也较为严格。尽管目前冷芯盒树脂的粘度较低（如苏州兴业的组分I≤300mpa.s,组分II≤100mpa.s；亚什兰（常州）的组分I=120-200mpa.s,组分II=10-30mpa.s （均在25℃时）），但如果温度太低（如低于10℃），因树脂中的组分I变得粘性增加而造成混碾不匀；相反，如果砂温过高，则树脂反应加快，混好的砂子存放期就会变短。目前使用的树脂，要求原砂温度最好在21-27℃之间，10-40℃虽然也能使用，但对砂芯质量有一定的影响。

２、混砂

虽然冷芯盒混砂可以使用任何类型的混砂机，但是，使用碗形快速混砂机最好，并且随用随混。混砂时，一方面要使混砂时间短些，以便不影响芯砂的可使用时间（空气的湿度、混砂时的发热和溶剂的挥发都可以影响到芯砂的可使用时间）；另一方面，又必须混匀，使树脂均匀的包覆在砂粒的表面，发挥最大的粘结强度。

混砂时一般为先加原砂，再加组分I，混碾一定时间后，再加组分II，混匀后出砂，即混碾混匀

原砂+组分I 组分II 出砂

其实，先加哪一组分并没有特别的优点，两组分同时加入也可以（但不可存放时混合）。砂芯的强度随树脂的加入量增加而增加，但同时铸件产生脉纹的倾向加大，而且，树脂加入量过高，成本加大，发气量增加，因此，一般控制树脂加入量在2.0%以内（国外生产轻金属合金时树脂的加入量最低可至0.6%，国内黑色铸造一般为1.2-2.0%）。在树脂加入量一定时，随着组分II的增加，砂芯终强度和抗吸湿性增加，在50：50时达到最高，之后，随着组分II的继续增加，砂芯终强度和抗吸湿性下降，在组分II的加入量为80%时，砂芯强度几乎完全丧失；随着组分II的减少，制芯时降低了粘模性，取芯变得容易，铸件产生脉纹的倾向减少，而且由于含氮量降低（组分II中含有3-4%的氮），铸件气孔缺陷减少，但对粘砂影响不大。决定砂芯质量的是组分I的性能和加入量。３、添加剂

正常生产时一般不加添加剂，为解决铸件出现的某一缺陷，有时在混砂时加入某种添加剂。添加剂有氧化铁、纤维素材料、耐火泥、硅粉、糖浆等。氧化铁红的加入量在砂总量的0.25-3%之间，可以减少铸件皮下气孔和表面针孔的缺陷，也可以减少脉纹缺陷。氧化铁黑也可以使用，并不需要多加树脂以弥补因砂中细粉过多而造成的强度下降。还有加极细的干燥的木屑来防止脉纹的产生。其原理可能是加入附加物后，能缓解石英砂在高温时的瞬时膨胀。但附加物的加入，可能引起粘砂