優化呋喃樹脂和固化劑加入量研究

李小龍，寧顯潤，夏奇兵

(1.宜賓普什聯動科技有限公司，四川宜賓 644007；2.四川省動力零部件制造工程技術研究中心，四川宜賓 644007）

0 引言

鑄件的質量很大程度上依賴于其半成品砂芯和砂型的質量，砂型砂芯質量參數主要包括砂芯砂型的強度、透氣性、水分以及發氣量等指標，而這些重要參數指標，除與型砂自身粒度分布、水分、灼減量相關外，更重要的是造型制芯中型砂的樹脂和固化劑的加入量控制。

要想得到優質鑄件，樹脂和固化劑的加入量控制極為關鍵。樹脂加入比例過高不僅造成生產成本增加，而且引起型砂灼減量上升及型砂發氣量增加，造成鑄件氣孔缺陷；樹脂加入比例過低，型砂強度差，鑄件夾砂缺陷嚴重；固化劑加入比例過高，型砂固化速率太快，造成型砂脆性增加，砂芯開裂造成鑄件夾砂缺陷；固化劑加入比例過低，產生型砂固化速率慢或出現型砂固化不完全現象，不僅影響生產效率，而且砂型強度差造成鑄件夾砂問題。因此，優化樹脂和固化劑加入量配比變得非常重要，通過優化樹脂和固化劑加入量能很大程度上降低鑄件夾砂、氣孔問題。

1 試驗條件及試驗方案

1.1 型砂參數條件設定

機械再生砂的選用規格為ZGS90-50/30（340）[1]，其主要參數包含灼減量2.5%～3%，微分含量0.1%～0.3%，砂粒集中度30～50 目≥80%，含水量0.1%～0.3%；原砂的選用規格為ZGS90-30/50（31）[1]，SiO2含量≥90%，含泥量≤0.3%，微分含量0.1%～0.3%，砂粒集中度30～50 目≥90%，含水量0.1%～0.3%。采用機械再生砂：原砂=5:1 的比例混砂。

1.2 試驗方案

在室內溫度22～26℃條件下，采用40%比例的05B 類型固化劑，按呋喃樹脂含量為0.9%、1%和1.1%加入比例進行各30 組試驗，研究保證型砂強度的最經濟樹脂比例。然后采用該樹脂比例，分別在試驗室內溫度＜10℃、[10～14）℃、[14～18）℃、[18～22）℃、[22～26）℃、≥26℃共6 種環境條件下，研究能40min 完全固化起模的最合適的固化劑類型配比。

2 試驗結果及分析

2.1 最優樹脂比例研究

為保證數據的一致性和準確性，試驗必須在相同的條件下進行。本試驗嚴格按照機械再生砂：原砂=5:1 比例混砂并由專人制做8 字試驗樣，取混砂樣時必須去掉頭尾砂，在取樣后立即安排專人制8 字試樣，整個制樣時間嚴格控制在5min內；制樣完成40min 后將固化的試樣取出并放在車間現場（模擬現場環境）等待1h 后送檢試驗室待檢。

為規范試驗，采用同一規格的呋喃樹脂，呋喃樹脂牌號為ZF-1.5%N-2-4[2],其氮含量為1.5%，抗拉強度1.1MPa,游離甲醛0.3%。為了確保固化劑混砂均勻性，需要確保添加量不宜過低，實際生產中固化劑比例一般按35%～50%控制，本試樣統一采用40%固化劑比例進行試驗。試驗前用溫度計測量車間室內環境溫度為22～26℃，該溫度范圍采用05B 類型固化劑剛好滿足40min 完全固化起模要求。

在確定樹脂和固化類型和用量后，試驗前必須對混砂機進行流量校核，檢測混砂機15s 的型砂-呋喃樹脂-固化劑流量，檢測值如表1。

表1 混砂機流量核定

混砂機流量校核作為本次試驗的最重要的一個環節，其目的是為了得到相應樹脂和固化劑控制頻率參數，在后面的試驗中通過混砂機控制面板調整樹脂和固化劑頻率來滿足相應的試驗條件進行重復試驗。通過檢測各種樹脂比例的2h 和24h 強度，形成如圖1 所示的強度曲線。需要注意的是，為確保數據具有代表性，本次試驗中只保留有效強度（每組3 個試樣中，任何一個數值與平均值相差不超出10%[3）]檢測值，然后每組3 個試樣強度取均值作為最終試驗強度數據。

圖1 各種比例樹脂的2h 強度（MPa）

從強度曲線分析可知，同一樹脂比例下試樣強度具有0.3MPa 左右的波動性，但整體來說樹脂比例越高，8 字試樣的平均強度越高，為了進一步研究樹脂比例增加與強度增加的關系，將6 組強度曲線分別再次取均值，以研究平均強度增幅與樹脂增幅的關系，統計形成如表2 所示。通過分析可知：當樹脂比例＜1%（0.9%～1%）時，利用提高樹脂增加2h 強度作用較弱（提高11.1%樹脂，2h強度僅增加7.7%），不利于保證2h 強度；當樹脂比例＞1%（1%～1.1%），利用提高樹脂增加24h強度作用較弱（提高10%樹脂，24h 強度僅增加3.4%），造成成本浪費，因此樹脂比例1%是保證樹脂強度最經濟的樹脂比例。

表2 平均強度增幅與樹脂增幅之間關系

圖2 各種比例樹脂的24h 強度（MPa）

2.2 不同溫度條件下優化固化劑類型配比

由于樹脂砂硬化過程是放熱反應，周圍的環境溫度可直接影響到硬化反應速度[4]。通過長時間車間室內溫度的測定，發現室內氣溫每天的波動范圍在5℃內，根據這一特點，試驗室內溫度＜10℃、[10～14）℃、[14～18）℃、[18～22）℃、[22～26）℃、≥26℃共6 種環境條件下，研究能40min完全固化起模的最合適的固化劑類型配比。該試驗中采用磺酸固化劑CH03B、CH05B、CH08B 共3 種固化劑類型，其固化反應速度由慢變快。為了確保試驗一致性和減少環境變量影響，每組試驗都是在1%樹脂比例和40%固化劑比例的條件下進行。通過試驗發現室內環境溫度≤10℃必須100%加入CH08B 固化劑，否則固化時間過長，造成生產效率低，型砂2h 砂強度差；室內環境溫度≥26℃以下必須100%加入CH03B 固化劑，否則固化反應過快，型砂變脆。

試驗中在控制固化劑加工量的前提下不斷調整固化劑的類型進行試驗，分別測量出6 種溫度區間下，40min 完全固化起模的最合適的固化劑類型配比，如表3。

表3 各種溫度下混砂機固化劑配比

3 結論

（1）樹脂比例在1%是保證樹脂強度最經濟的樹脂比例。

（2）同一樹脂比例下試樣強度具有0.3MPa 左右的波動性，但整體來說樹脂比例越高，8 字試樣的平均強度越高。

（3）室內環境溫度≤10℃必須100%加入CH08B 固化劑，否則固化時間過長，造成生產效率低，型砂2h 砂強度差。

（4）室內環境溫度≥26℃時必須100%加入CH03B 固化劑，否則固化反應過快，型砂變脆。