呋喃樹脂砂生產鑄鐵件工藝

張天旭

呋喃樹脂自硬砂造型（芯）是我廠生產鑄鐵件的主要工藝技術，車間產品的對象是宣工主導產品平架推土機和高架推土機上所使用的灰鑄鐵及球墨鑄鐵件，青海齒輪箱廠的精度比較高的鑄鐵件，以及一部分出口美國、日本、德國的鑄鐵件。車間配置有20t/h連續混砂機機動線兩條，20t/h和10t/h連續混砂機手動線兩條，以及制芯用10t/h連續混砂機一臺和碗形混砂機一臺。砂處理系統由氣力輸送、機械再生、沸騰冷卻等設備組成，涂刷鑄型（芯）工藝由流涂機和手工刷涂兩部分構成。樹脂砂造型以其鑄型硬度、強度高，鑄型精度好，以及表面粗糙度值低的優勢成為近二十年來推廣應用最快的方法之一，然而在生產過程中我們體會到樹脂砂工藝過程遠比粘土砂成形和水玻璃V法成形復雜，其產品實現過程中的工藝技術質量控制是實現鑄造生產優質高效的關鍵。

樹脂砂造型（制芯）其特點是要經歷一個化學自硬過程，因而對每一個環節都應嚴格控制，原輔材料的性能，成形的環境條件，成形過程中的工藝技術要點都是同樣重要的因素，現結合我廠的生產實際分述如下。

1.原輔材料的性能控制

樹脂砂造型用的主要材料有原砂，粘接劑（多用呋喃樹脂）和固化劑（酸類），輔助材料有涂料、脫模劑等。

（1）原砂 根據我廠的產品特點，選用硅砂作為樹脂砂造型（芯）用的原砂。對于鑄鐵件，要求其SiO2含量>92%，以確保原砂的耐火度和復用性，同時出于對鑄件質量和成本的考慮，力求使用較少的粘接劑和固化劑，且能混制出性能最佳的型砂，因此需選用低酸耗值、低灼減量，且表面干凈、無污染的擦洗砂。我廠所用的原砂技術指標見表1。

（2）樹脂 針對我廠生產的球墨鑄鐵件和灰鑄鐵件的產品特點，我們選用技術相對成熟、成本相對低廉、供貨來源廣泛且質量相對穩定的高糠醇中氮呋喃樹脂作為自硬砂粘結劑。樹脂的黏度不僅影響到混砂設備計量的穩定性和準確性，也影響到樹脂對砂粒的包覆程度，因而影響到樹脂砂的比強度，而樹脂中的甲醛含量則影響到操作人員的勞動環境，因此必須對其提出嚴格的要求，具體指標見表2。

我廠在自硬砂制備過程中，呋喃樹脂加入量一般為型砂（原砂+再生砂）總量的0.85%～1.1%。

表1 樹脂砂用擦洗硅砂技術指標

表2 呋喃樹脂技術指標

（3）固化劑 呋喃樹脂砂可用酸作為固化劑，通過砂處理再生系統，我廠已經實現了再生砂的完全回用，在以再生砂為主混制呋喃樹脂砂的情況下，固化劑以采用二甲苯磺酸為宜，其易分解性、樹脂砂的潰散性和舊砂的再生性能都較好，且適應性廣，根據其酸值和濃度的不同，一年四季都可使用。近年來，一些廠家還開發出了兩組配合使用的磺酸類組合固化劑，調整兩組分配比，可適應不同季節、環境的生產要求。我廠目前采用的是濟南圣泉公司生產的固化劑，SQ-A適用于低溫，SQ-B適用于高溫，GS-04則適用于早春和深秋季。由計算機程序根據砂溫自動控制兩組固化劑定量泵，以適應不同砂溫，控制型砂的固化速度在設定的時間內起模，表3是我廠用固化劑的技術指標。

（4）脫模劑 樹脂砂型的起模是在砂型（芯）硬化后起模，因此不像粘土砂那樣可以松動一下模樣后起模，所以如果不在模樣上涂脫模劑，會給起模造成很大的困難，且極易損壞模樣，并造成砂型表面不光潔，修補困難，直接影響鑄件的尺寸精度和表面粗糙度，甚至造成粘砂和砂眼，嚴重影響鑄件質量，制約清理工序的生產。因此，為減少起模摩擦力，防止損壞模樣及樹脂固化劑在模樣表面產生粘砂現象，保證型、芯質量，均在模具表面刷鑄造脫模劑。

（5）涂料 對于自硬樹脂砂來說，由于有機粘結劑在高溫下不能承受較長時間，且砂型孔隙率較大，因此為了提高鑄件表面質量，改善鑄件局部的表面性能和表層內的質量，減少砂型鑄造時易產生的許多鑄造缺陷，需選用懸浮性、黏度及曝熱抗裂性均較好的涂料。目前我廠生產所使用的是宣化辛莊子涂料廠生產的醇基涂料，其主要技術指標見表4。

2.樹脂砂造型的其他影響因素

在樹脂砂造型（芯）生產過程中，樹脂砂的可使用時間、脫模時間和型砂強度是幾個關鍵性的重要參數，它直接影響到鑄型及鑄件質量，并對生產率等一系列經濟指標也有一定的影響。我廠樹脂砂的可使用時間根據砂箱大小及脫模時間不同都有相應的規定。我廠使用樹脂砂的6h抗拉強度為0.6～0.8MPa，24h抗拉強度為1.0～1.2MPa。呋喃樹脂砂的實際使用時間、脫模時間和終強度，受溫度、濕度等環境條件變化的影響較大，要使其控制在設定范圍內，則必須對成形的環境條件實施有效的控制，或根據環境條件的變化采用相應的措施。

（1）環境溫度 樹脂砂硬化過程的環境溫度對其反應速度影響極大。試驗表明，一般呋喃樹脂砂最佳反應溫度是30℃左右，這時無論是樹脂和固化劑的用量，還是樹脂砂的可使用時間、脫模時間和終極強度都處于較為理想的狀態。溫度過高會造成反應速度過快，不僅會使樹脂砂硬化不均，而且還會由于其可使用時間太短而無法滿足造型時間要求。但是如果把反應溫度降低到20℃，則其反應速度就會降低一半，相應的脫模時間也會延長一倍。隨著溫度的進一步降低，反應速度降低的趨勢進一步加劇，以致最終反應趨于停止，此時我們可以通過更換固化劑種類和調整不同固化劑比例的方式控制硬化速度，但最好能控制環境溫度在10～25℃。冬季廠內需安裝大量集中供熱暖氣片，保證車間溫度始終在10℃以上，以提供最好的硬化環境，保證型砂質量。

（2）再生砂溫度 呋喃樹脂砂制備過程中，砂子占98%左右，且大部分是再生砂，新砂是在再生砂進入砂冷卻器前加入的。毫無疑問，砂溫是樹脂砂工藝過程中的重要參數，而控制砂溫的關鍵是控制再生砂溫度。在連續作業的條件下，舊砂再生前總是攜帶大量的熱量，我廠地處北緯40°，屬于溫帶大陸性季風氣候，其氣候特點是：一年四季分明，冬季寒冷而漫長；春季干燥多風沙；夏季炎熱，降水集中；秋季晴朗冷暖適中。因此，對于砂溫的控制尤為重要，我廠再生砂采用沸騰床風冷和水循環調溫設施，除塵降溫效果很好，砂溫一般控制在20～30℃，通過調節固化劑牌號保證生產。

表3 呋喃樹脂砂用酸固化劑技術指標

表4 鑄鐵用醇基涂料主要技術指標

（3）樹脂和固化劑溫度 在呋喃樹脂砂中，樹脂的加入量占砂重的0.85%～1.1%，固化劑占樹脂重量的30%～60%。因此，樹脂和固化劑本身的溫度對砂溫即固化溫度的影響是極小的。但是，由于砂粒的表面積大，要將如此少量的樹脂和固化劑分散到砂粒表面上形成很薄的樹脂膜，最好是能使固化劑和樹脂保持與砂粒相近的溫度。為此，我廠的樹脂加入裝置前設置由計算機控制的加熱容器，以使其保持最佳溫度，固化劑不加熱。

（4）模具溫度 在低溫環境下，模具和芯盒的溫度對樹脂硬化成形的影響也不容忽視。一般來說，模具或芯盒的溫度會比型砂的溫度低一些，但是如果溫差太大，則模具和芯盒脫模就比較困難，因為自硬砂易于黏附在其表面上。另外，溫度低的模具和芯盒會從靠近其表面的自硬砂吸取熱量，從而減緩其硬化反應速度，尤其是傳熱效果好的金屬模具在寒冷季節的問題更為突出。從這點考慮，我廠的中小批量鑄件多采用傳熱效果差的木材或塑料來制作模具和芯盒，冬季環境氣溫較低時，大批量鑄件產品生產用的金屬模具或芯盒在使用前均需采取預熱措施。

（5）濕度 在鑄造生產中，不論何種成形工藝，潮濕的環境總是需力求避免的，樹脂砂工藝也不例外。型砂中的水分不僅會影響砂型的固化速度和鑄型剛度，還會惡化樹脂的一系列性能，如型砂中水分過大會增加鑄件的氣孔缺陷等。空氣濕度對樹脂砂終強度的影響很大，因為濕度大時，硬化產生的水分蒸發速度變慢。當相對濕度大于60%時，型砂硬化不徹底，強度可降低30%。因此，型砂要經過必要的干燥處理，按要求嚴格控制型砂中的水分，且在潮濕的環境下除了利用再生砂的余熱進行驅濕處理外，還要對造好的砂型進行必要的烘干后方可進行澆注。

（6）水分 樹脂砂對原砂水分要求非常嚴格，因為原砂中的水分不但會影響樹脂膜與砂粒的結合強度，還會減慢硬化速度，使型砂“外焦里嫩”，產生氣孔等缺陷。一般要求水分含量＜0.2%。如果用灑水方法降低砂溫時要嚴格檢測水分，但有良好的砂處理設備時可不必考慮此因素。

（7）砂型緊實度 樹脂砂流動性好，充填性強，但在造型過程中仍需十分注意活塊處、法蘭下部等不易充填部位的緊實。樹脂砂造型搗砂緊實非常重要，對于造型線而言，可以通過震實臺進行震實，但是對于活塊較多以及冷鐵較多不易上震實臺的鑄件而言就需人工搗實，從而避免由于砂型緊實度不夠而造成的鑄件粘砂、脹砂等一些列鑄造缺陷。同時在造型過程中，“頭砂”和“尾砂”的處理也尤為重要。

（8）發氣量 由于樹脂和固化劑都是以C、H、S、O為原子的有機物，遇到高溫時會產生大量的氣體，所以雖然樹脂砂的透氣性很好，但仍需注意排氣，否則會產生氣孔。發氣量的大小主要由兩個因素決定：①樹脂、固化劑的加入量。樹脂、固化劑加入量的提高都會增加發氣量，因此應盡量降低其加入量，這樣不僅會降低鑄件成本，還會減少氣孔缺陷，提高鑄件質量。②灼燒減量。灼燒減量越高，發氣量越大，幾乎成線性關系。型砂的發氣量應控制在22mL/g，因此生產中要適量補充新砂，嚴格限制再生砂的灼燒減量，其值一般≤0.3%，我廠新砂補充量為12%。

3.結語

樹脂砂造型工藝具有較高的勞動生產率，而且砂型具有強度高、表面粗糙度及精度都較好的鑄造生產方式，適合于制造結構復雜的砂型（芯），能滿足自動化、機械化輸送要求。

綜上所述，樹脂砂的影響因素非常多，樹脂砂的工藝控制可以說是一個系統工程，只有對各個環節都很好地控制，才能高效、高質量地使用樹脂砂，為生產優質鑄件打下良好的基礎。