浅谈呋喃树脂自硬砂的生产及应用

场
技师专业论文
工种：铸造工
浅谈呋喃树脂自硬砂的生产及应用
摘要 (2)
引言 (2)
1.呋喃树脂砂性能的优缺点 (2)
2.呋喃树脂自硬砂的生产工艺技术 (3)
3.工艺及现场控制 (6)
4.呋喃自硬树脂砂铸件的缺陷分析及防止措施 (8)
5.结论 (9)
参考文献 (10)
本论文针对呋喃树脂自硬砂的坭芯生产，阐述了呋喃树脂自硬砂的原材料配比、混制及硬化工艺。

结合作者多年在实际生产工作中的经验，就生产中出现的实际问题进行分析和讨论，通过采取文中提出的控制、解决措施，有效地解决了铸件出现的气孔、粘砂、热裂、冲/夹砂、脉纹等铸造缺陷。

关键词：呋喃树脂自硬砂、铸造缺陷、夹砂、热裂、脉纹
引言
呋喃树脂自硬砂工艺是指在呋喃树脂砂中加入一定量的酸性固化剂，使之在芯盒或砂箱内经历一定时间后，在常温条件下通过自行硬化成型（不需烘烤或吹入硬化气体）的一种造型制芯工艺。

呋喃树脂自硬砂硬化反应机理可简单描述为：涂敷在砂粒表面的树脂在酸性固化剂的催化作用下，呋喃树脂分子上的活性氢、羟甲基与羟甲基之间发生缩聚反应和呋喃环上的双键打开发生加成聚合反应，形成三维网状结构固体树脂，使型（芯）砂硬化成型。

1.呋喃树脂砂性能的优缺点
1.1优点
1)铸件的尺寸精度高、外部轮廓清晰、铸件表面光洁，外观质量好、组织致密、铸件综合品质高。

2)呋喃树脂自硬砂具有较好的流动性，容易紧实，脱模时间可调节，硬化后强度高，在其后的搬运及合箱过程中不变形，因树脂砂的强度高，在浇注和凝固过程中基本上不会出现位移现象，所以铸件的尺寸精度高。

3)不用烘干，缩短了生产周期、节省了能源、芯砂易紧实、溃散性好、容易清理、大幅度降低了劳动强度，为实现机械化生产创造了条件。

1.2 呋喃树脂自硬砂的不足之处
1)对原砂质量要求高
2)在生产过程中有刺激性气味
3)采用树脂砂生产，成本较高
2.呋喃树脂自硬砂的生产工艺技术
2.1 原材料的选用
1)铸造用砂的要求：原砂对呋喃树脂砂的性能、粘结剂用量、以及对铸件表面质量的影响很大，要求原砂中的SiO2含量要高、含泥量和酸耗值要低。

2)呋喃树脂：含糠醇的树脂称为呋喃树脂，其糠醇含量较高，树脂的存放性能得以改善，热强度高但增加了成本，树脂中的游离甲醛是生产中产生刺激性气体的来源，也是恶化环境的因素之一，应加以控制。

3)固化剂：一般采用有机磺酸溶液按其水溶液的浓度来调节固化速度。

选用呋喃树脂自硬砂固化剂时，应注意以下问题：
A、应根据室温的高低，合理选用固化剂夏季室温高时，选用酸度较低的固化剂；冬季室温较低时，应采用酸度较高的固化剂。

B、应根据呋喃树脂种类，合理选用固化剂磷酸是生产中常用的酸固化剂，但多用于高氮呋喃树脂，而很少用于低氮呋喃树脂。

这是因为低氮高糠醇
树脂采用磷酸作固化剂时，硬化速度过慢，脱模时间过长；而高氮低糠醇树脂，使用磷酸作固化剂仍可获得必要的硬化速度；而且高氮低糠醇树脂采用磷酸作固化剂仍可获得很好的终强度，而低氮高糠醇用磷酸作固化剂时终强度较低。

C、应根据铸造合金种类和旧砂再生回用情况，合理选用固化剂呋喃树脂砂再生回用时，建议不采用磷酸作固化剂。

因为用磷酸作固化剂的砂型（芯）在浇注后，磷酸不能在金属液的热作用下分解破坏，而生成磷酸盐沉积在砂粒表面，较难通过再生去除，导致再生砂配制的树脂砂的强度下降很多，并且增加铸型膨胀量，使夹砂倾向增加。

D、应根据型砂的强度要求，合理确定固化剂加入量当固化剂加入量很少时，不足以使树脂的硬化反应完全，自硬砂的强度很低；随着固化剂加入量的增加，自硬砂的强度明显提高；强度达到最高值以后，如果继续增加固化剂，自硬砂的强度会急剧下降，这是因为硬化反应太强烈，树脂的交联结构不完整，导致树脂膜和黏结桥脆化。

由于固化剂加入量不同，加等量树脂的自硬砂的强度可以相差几倍之多。

值得注意的是：终强度达到最高时的固化剂用量不一定就是最佳的。

因为型砂终强度最高时，其硬化过程往往缓慢，甚至要等几个小时才能脱模，这在生产上是行不通的。

由此可见：采用呋喃树脂自硬砂时，对固化剂加入量的选定应非常慎重，切不可为追求硬化快而随意多加。

4)添加剂，为改善呋喃树脂自硬砂的性能，配比中常加入一些添加剂，一般加入少量的硅烷做偶联剂，可以明显的提高树脂砂的强度，但随着时间的延长，其作用逐渐减弱，一般情况下，其强度在两个月后将消失，因此，对于偶联剂硅烷应在使用之前加入并搅拌均匀，必须尽快用完。

2.2呋喃树脂自硬砂的再生回用：
旧砂能很好的回收与再生是呋喃树脂砂的一大优点，如何控制好再生砂的质量，是生产出高质量树脂砂铸件的关键。

1)砂温调节、稳定砂温是呋喃树脂自硬砂的关键，因此，砂温调节控制是必不可少的，再生砂的砂温尤其重要，如果砂温能控制好的话，它既可提高生产效率，减少砂型损坏和铸造缺陷、降低成本。

2)再生砂的酸耗值和PH值：对于用酸作固化剂的呋喃树脂，酸耗值通常取负值、PH值过高就较难确定酸性固化剂合适的加入量，一般PH值控制在3-6的范围。

3)再生砂反复使用以后，砂粒容易变小，将会影响型砂的透气性，在实际生产过程中，应该多注意观察。

2.3混制工艺
1)配比及混制：
①混合料配比：呋喃树脂的加入量一般占砂量的0.8~1.5%，而固化剂的加入量占树脂重的20-70%,这可以依据季节的温度变化来调节。

②混制工艺：造型最好采用连续式混砂机混制，一般是将原砂、再生砂、固化剂，树脂依次快速混合而成，要做到随混随用，用间歇式混砂机时，应先加砂，开动混砂机后小心加入固化剂，混拌1-2min之后加入树脂，待混匀后即放砂，制芯采用碗形混砂机，按所制芯的重量大小来选择混砂量的多少。

在呋喃树脂自硬砂配制时，还应对以下几个问题予以足够的重视。

(1)添加剂为了改善酸自硬树脂砂的某些性能，有时在配比中加入一些添加剂。

(2)计量装置为了保证树脂砂性能一致，树脂砂的各种原材料称量要准确。

原砂、树脂及硬化剂的定量装置必须每天在运行生产前进行严格校验，以确保
各种组分的计量准确无误。

(3)温度这里所说的温度包括车间环境温度、原砂或再生砂温度以及模具温度。

但是，目前国内生产过程中控制环境温度不容易实现，因此我们能够控制的实际上只有原砂或再生砂温度和模具温度。

(4)可使用时间和脱模时间树脂砂混制时，即开始了树脂的固化反应，如果混制好后停留一段时间再造型，则会将已经交联起来的部分树脂链重新破坏，使得终强度恶化。

所以刚混出的型砂做出的试样强度最高。

树脂砂造型制芯后，必须等型，芯砂建立一定强度后才可起模，否则型和芯将变形和破裂。

2）硬化工艺：
树脂砂硬化速度与砂温、环境温度、空气湿度及固化剂的种类加入量的多少都有很大的关系。

①温度：原砂温度最好控制在20-35℃，原砂及工作环境过低，硬化速度会变得很慢，延缓了脱模时间，降低生产效率，而温度过高，可使用的时间过短，砂子的流动性变差，影响了型芯的紧实度，所以应控制好硬化速度，合理的控制好呋喃树脂砂的可使用时间与脱模时间。

3.工艺及现场控制
3.1制芯工艺设计：起模斜度相比较而言应比粘土砂大，树脂砂的砂型在起模时，已经具有一定的硬化强度，几乎没有什么退让性，在起模的时候，摩擦力较大，生产现场可通过经验判定起模时间，一般手持钉子向砂型（芯）中扎不进去时，被认为是可以进行起模了，树脂自硬砂起模时不可太早，以免塌型；但也不可太晚，以免脱模阻力过大。

一般情况下不能采用敲击芯盒模样来起模，因此，
在制作模样时，应适当增加拔模斜度，保证外观质量的同时也便于起模，除此之外，还应充分考虑自硬砂特性，尽量减少活块，能用砂芯的尽量取消活块，以提高生产效率。

3.2砂箱设计：利用树脂砂硬化后强度高这一特点，在满足有效吃砂量的前提下，减小砂箱尺寸，降低生产成本。

3.3浇冒系统设计：
①设计浇冒口的原则是：少设补缩冒口，多设出气和溢流冒口，因为树脂砂型刚度好，浇注初期铸型强度高，有条件利用铸铁凝固过程的石墨化膨胀，有效地消除缩孔，缩松实现灰铸铁，球墨铸铁件的少冒口和无冒口铸造。

②尽量避免在冒口处集中开设浇口，应在提高挡渣和充型能力的前提条件之下，采用分散，径向引入加溢流的方式，横浇口端而开为高梯形，内浇口开设原则为短薄、宽。

③生产重量大的铸件时，浇注系统优先采用陶瓷管制作，防止出现因冲砂造成的砂眼缺陷。

4）与粘土砂相比可以适当的减小加工余量，提高机械加工效率。

3.4现场控制
1）造型工序最好使用震实台提高铸型的坚实度，保证型腔的几何形状和铸件的尺寸精度。

2）加强型芯的排气、多设出气孔和气道，在浇注过程中要保证型芯内的气体及时排出型外。

3）应注意刚起模的型芯不能立刻上涂料，因为刚起模的型芯树脂硬化反映还处于初期阶段，如果遇到水基涂料中的水分会影响硬化的正常进行。

如果刷醇基涂料立刻点燃也会使未反应的树脂过烧，影响型芯的表面湿度性。

4）夏天潮湿季节生产的时候，树脂砂型及型芯最好要进行表干处理，以祛除潮气，防止出现因“呛火”引起的气孔缺陷，铸型存放半小时后方可合箱浇注。

5）树脂砂铸件的材质控制：应充分利用树脂砂的保温性，生产过程中应分别采取措施，以确保材质质量。

4.呋喃自硬树脂砂铸件的缺陷分析及防止措施
呋喃树脂砂与其它砂型相比，具有铸件缺陷少、废品率低，尺寸精度高，表面光洁，轮廓清晰等优点，但是：如果现场使用不当，也会出现质量问题，有时甚至引起成批报废，主要废品类别及解决措施如下：
4.1气孔
主要有两种：
一是因树脂发气量大，气体来不及排出形成的侵入性气孔。

二是树脂中含氮的化合物，浇注后分解出的原子氮和氢进入铁液，冷凝时溶入的气体来不及析出，形成针孔。

防止措施：在满足型砂（芯砂）使用强度的条件下，降低树脂加入量，再者加强型芯的排气，浇注时应点火引气。

4.2粘砂
原因是：树脂在500℃左右时分解，树脂膜被烧蚀、砂与砂之间的间隙增大丧失粘结力，铁液渗入形成机械粘砂。

防止措施为：(1))增加型芯紧实度，(2)厚壁处可采用特殊原砂：如锆英砂、铬铁矿砂、及冷铁等。

(3)刷耐火涂料及适当降低浇注温度，(4) 提高树脂本身耐热性增加糠醇含量等。

(5)在树脂中加入附加物提高热强度如：氧化铁、硼砂等。

4.3热裂：
浇注薄壁铸件时，树脂砂型不能被烧透，形成一层坚固的结焦残碳层，阻碍铸件收缩，产生热裂纹。

防止措施；生产时不能只追求高的砂型强度，型芯应采用中空结构，铸型中可填入砂块或埋入塑性好的材料，提高型砂的退让性。

4.4铸件冲砂、夹砂、砂眼
铸件在浇注时由于行径内清砂不干净，浇注后形成铸件夹砂，砂眼，再就是浇注时金属液体对浇口的高温冲刷，把浇口壁上的砂冲进行径内，造成铸件夹砂、砂眼。

防止措施：(1)提高型砂强度。

(2)把型腔内散碎砂清除干净。

4.5脉纹
脉纹（脉状凸起、飞刺、飞翅）树脂硅砂、型（芯）表层在液态金属的包围下，表面及里面产生很大的温差，石英受热相变热膨胀，与此同时，呋喃树脂受热后其粘结桥突然收缩而脆化破裂，在膨胀收缩应力下导致表层开裂，金属液从裂缝渗入砂层，在铸件上形成毛刺状凸起，称之为“脉纹”它是呋喃树脂自硬砂所特有的一种表面缺陷，多出现在型（芯）拐角处，高温热节处，严重的呈网状分布，轻的只有1-2条存在，而且容易铲去。

防止措施：(1)采用热膨胀小或粒度较分散的原砂，(2)在型（芯）中加氧化铁粉。

(3)降低浇注温度。

(4)刷涂料。

5.结论
通过对呋喃树脂自硬砂坭芯生产中的原材料配比、混制及硬化工艺的分析，结合实际生产工作中的现场控制，就铸件出现的气孔、热裂、冲/夹砂、脉纹等铸造缺陷进行深入的分析讨论，得出以下结论：
5.1气孔的控制：在满足型砂（芯砂）使用强度的条件下，通过降低树脂加入量，加强型芯的排气，浇注时应点火引气，能有效地降低铸件气孔的产生。

5.2粘砂的控制：通过增加型芯紧实度、厚壁处可采用锆英砂、铬铁矿砂等特殊原砂，采用冷铁、补刷耐火涂料、适当降低浇注温度、增加糠醇含量以提高树脂本身耐热性、在树脂中加入氧化铁、硼砂等附加物提高热强度等措施，明显减少铸件的粘砂缺陷。

5.3铸件冲砂、夹砂的控制：经过提高型砂强度、清除干净型腔内散碎砂，对铸件砂子类缺陷的控制有明显效果。

5.4热裂的解决：铸型中填入砂块或埋入塑性好的材料，提高型砂的退让性，可有效解决铸件热裂。

5.5脉纹的解决：采用热膨胀小或粒度较分散的原砂、在型（芯）中加氧化铁粉及降低浇注温度、补刷涂料等措施，在实际生产中有效地解决了铸件出现的脉纹。

参考文献：
[1]余茂祚 .侯宪国，铸造工技师培训教材，北京，机械工业出版社：
2007.6
[2]刘丽宏，砂型铸造生产技术500问，北京，化学工业出版社：2007.10
[3]王海峰，铸造工艺学，北京，机械工业出版社：1993.10
10。