鑄鋼件生產(chǎn)時(shí)采用的幾種自硬砂的

1、鑄鋼件生產(chǎn)時(shí)采用的幾種自硬砂的 工藝性能的對(duì)比分析、F .前言50 多年來(lái)造型、制芯材料和工藝，在國(guó)內(nèi)外有了長(zhǎng)足的發(fā)展，特別 是在生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)，采用呋喃樹(shù)脂砂取代粘土砂方面，顯示了許多優(yōu)越 性，它已成為鑄鐵廠家進(jìn)行技術(shù)改造的首選方案。在鑄鋼件生產(chǎn)中，從 20世紀(jì) 50年代開(kāi)始采用水玻璃砂， 到20世紀(jì) 70年代，由于采用水玻璃 砂生產(chǎn)的鑄鋼件的尺寸精度和表面質(zhì)量都差，尤其是型、芯砂的潰散性 不好，清砂十分困難，舊砂不能再生回用等問(wèn)題，沒(méi)有得到較好的解決， 于是，在某些重機(jī)廠、水泵廠和機(jī)車廠等的一些鑄鋼件改用了呋喃樹(shù)脂 砂。到 20 世紀(jì) 90 年代末，又由于呋喃樹(shù)脂砂生產(chǎn)的鑄鋼件易產(chǎn)生熱裂 等

2、缺陷，以及磺酸固化劑熱分解時(shí)產(chǎn)生的氣體，導(dǎo)致鑄鋼件表面滲碳、 滲硫，以及呋喃樹(shù)脂砂環(huán)境污染等問(wèn)題，使一些鑄鋼廠又開(kāi)始采用酯硬 化堿性酚醛樹(shù)脂砂。不過(guò)，直到今天，水玻璃砂造型、制芯工藝，還是 鑄鋼件生產(chǎn)中最基本、用量最多的一種造型、制芯方法。由于這三種自 硬砂各有其優(yōu)缺點(diǎn)，目前在我國(guó)這三種工藝并存，各廠都是根據(jù)本廠鑄 鋼件生產(chǎn)的特點(diǎn)和批量，生產(chǎn)的現(xiàn)狀和未來(lái)的要求等多方面進(jìn)行綜合考 慮，而確定本廠的造型、制芯工藝。例如，二重廠、廣重廠等生產(chǎn)中使 用了酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂，大重廠、沈重廠和一重廠等采用無(wú)氮呋喃 樹(shù)脂砂，其余的，包括鐵道部下屬的 20 多個(gè)機(jī)車車輛廠，還是采用水玻 璃砂。總之，人們總是

3、希望能以較高的生產(chǎn)效率、較低的制造成本、較好的作業(yè)環(huán)境，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的鑄鋼件來(lái)，可是，到目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一種 造型、制芯工藝能同時(shí)滿足上述的全部要求，為此，下面將從生產(chǎn)效率、 鑄件質(zhì)量、環(huán)境污染和制造成本等四個(gè)方面，對(duì)水玻璃砂、呋喃樹(shù)脂砂 和堿性酚醛樹(shù)脂砂等三種自硬砂的工藝性能進(jìn)行對(duì)比分析，以供參考。 二. 生產(chǎn)效率目前在鑄造生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用的造型、制芯工藝有三大類：熱硬砂 （如熱芯盒、覆膜砂等） 、氣硬冷芯盒砂（如三乙胺聚脲烷、 CO2 水玻璃 砂、S02咲喃樹(shù)脂砂等）和自硬砂（如酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂、酸固化咲 喃樹(shù)脂砂、酯硬化水玻璃砂和胺固化聚脲烷砂等） 。而對(duì)鑄鋼件生產(chǎn)來(lái)說(shuō)， 特別是生產(chǎn)

4、中、大型鑄鋼件時(shí)，前兩種工藝均不適用，目前主要是采用 自硬砂為主。所謂自硬砂系指一種粘結(jié)劑，通過(guò)加入一種液體固化劑， 使之在室溫下在一定時(shí)間內(nèi)，型、芯砂能在砂箱中，或芯盒內(nèi)自行硬化 成型的一種造型、制芯工藝。這種工藝最大的特點(diǎn)是，生產(chǎn)效率低，所 以，自硬砂的造型、制芯效率就成為衡量該自硬砂工藝性能的重要指標(biāo)。作為衡量自硬砂生產(chǎn)效率大小的量度，一般采用型、芯砂的可使用時(shí) 間與其起模時(shí)間的比值來(lái)表示，即其比值的大小表示在型、芯起模時(shí)間 一定時(shí)，型、芯砂可使用時(shí)間的長(zhǎng)短的一個(gè)標(biāo)志，一般取值范圍在01之間，接近 1 的高比值的自硬砂，表示它具有較高的造型、制芯的生產(chǎn) 效率，從而，模具、工裝的周轉(zhuǎn)率也可

5、加快，表 1 列出四種自硬砂的比 值。從表中的比值對(duì)比可知，酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂排在第二位，表示 它的硬化速度較快，生產(chǎn)效率較高。酸硬化呋喃樹(shù)脂砂排在第三，而酯表1四種自硬砂的比值。自硬砂種類酚脲烷砂酯酚醛砂酸咲喃砂酯水玻璃砂比值0.75 0.800.670.530.5硬化水玻璃砂排在最后，表示它的硬化速度最慢，造型、制芯效率最低。 由此可知，采用酯硬化水玻璃砂工藝時(shí)，工裝、模具要求較多，特別是 制造大型型、芯時(shí)，起模太早，型芯易變形，甚至出現(xiàn)斷裂等問(wèn)題，這 點(diǎn)必須引起足夠的重視。三.鑄件質(zhì)量隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，特別是外貿(mào)出口的需要，對(duì)鑄鋼件的表面質(zhì) 量和尺寸精度都提出了更為嚴(yán)格的要求，而這

6、些都與造型材料的合理選 用密切相關(guān)，現(xiàn)就以下幾個(gè)方面的工藝性能，進(jìn)行比較。3.1自硬砂的強(qiáng)度。咲喃樹(shù)脂砂的最大特點(diǎn)就是粘結(jié)強(qiáng)度高、 耐熱性好; 其次是堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂，粘結(jié)強(qiáng)度最小的是水玻璃砂，表 2列出三 種自硬砂的24小時(shí)的抗拉強(qiáng)度對(duì)比。表2 三種自硬砂的常溫抗拉強(qiáng)度的對(duì)比自硬砂種類咲喃樹(shù)脂砂堿性樹(shù)脂砂水玻璃砂粘結(jié)劑加入量（）1.22.03.024h抗拉強(qiáng)度（Mpa）1.51.41.03.2自硬砂的抗?jié)裥?。型、芯砂的抗?jié)裥圆?，表示它的表面?qiáng)度低，鑄鋼件易產(chǎn)生掉砂、沖砂、粘砂等表面缺陷?？?jié)裥缘脑囼?yàn)方法是；將待測(cè)的砂樣放入濕度100%密閉容器中，停放24小時(shí)后，測(cè)定其強(qiáng)度，再 分別計(jì)算它的

7、抗?jié)衤?，?3列出三種自硬砂的抗?jié)裥缘膶?duì)比數(shù)據(jù)。從表中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂的抗?jié)裥宰詈?，用它制得的型?芯可長(zhǎng)期在高濕度下存放。而水玻璃砂的抗?jié)裥宰畈睿谋砻姘捕ㄐ员? 三種自硬砂的抗?jié)裥缘膶?duì)比自硬砂種類堿性樹(shù)脂砂咲喃樹(shù)脂砂水玻璃砂抗?jié)裥裕ǎ?0 30505580 90不好，因此，水玻璃砂生產(chǎn)的鑄鋼件上的表面缺陷最多，如掉砂、沖砂、粘砂等鑄造缺陷造成的廢品率可達(dá)總廢品率的 50%以上，增加了鑄鋼件的焊補(bǔ)率3.2自硬砂的高溫?zé)嶙冃?。鑄鋼件的尺寸精度差，超重、超差常與型、 芯砂中的粘結(jié)劑緊密相關(guān)，圖1表示四種自硬砂的高溫?zé)嶙冃吻€。從jAt社料時(shí)眸2裁縱啪花一權(quán)-陽(yáng)搐巾一!C1”底程

8、碑圖可看出。水玻璃砂的熱變形最大，這是因?yàn)樗Ａг?50C左右會(huì)出現(xiàn) 低熔點(diǎn)液相的緣故。從圖還可見(jiàn)，咲喃樹(shù)脂砂在高溫下無(wú)塑性，熱變形 很小，僅為水玻璃砂的1/5,但其熱膨脹很大，比水玻璃砂大一倍。而堿 性酚醛樹(shù)脂砂的熱膨脹速度慢，膨脹量液小，這是它存在“二次硬化” 現(xiàn)象的原故。由此可看出，咲喃樹(shù)脂砂的熱變形小，鑄鋼件的尺寸精度 高，由于它的耐熱性好，卻增加了鑄鋼件在凝固時(shí)的收縮阻力，從而， 明顯增大了鑄鋼件的熱裂缺陷的傾向。水玻璃砂的高溫?zé)嶙冃巫畲?，鑄 鋼件的熱烈傾向小，而堿性酚醛樹(shù)脂砂則居中，它兼顧了咲喃樹(shù)脂砂的 高溫強(qiáng)度和水玻璃砂的高溫塑性的一種抗裂性較好的造型、制芯材料， 不過(guò)，它存在二

9、次硬化的現(xiàn)象，對(duì)于薄壁、箱形的鑄鋼件，也還可能存 在產(chǎn)生熱裂缺陷的可能。3.4自硬砂的殘留強(qiáng)度。 現(xiàn)今人們總是將型、芯砂在1000C加熱后冷 卻到室溫的砂樣的殘留抗壓強(qiáng)度，作為衡量一種自硬砂清砂難易的標(biāo)志， 表4列出三種自硬砂在1000C加熱、冷卻后的殘留抗壓強(qiáng)度的對(duì)比。從表4三種自硬砂1000C加熱、冷卻后的殘留抗壓強(qiáng)度的對(duì)比自硬砂種類堿性樹(shù)脂砂咲喃樹(shù)脂砂酯-水玻璃砂殘留抗壓強(qiáng)度（MPa）0 0.250 0.201.0 1.5表中的數(shù)據(jù)可知，盡管水玻璃通過(guò)化學(xué)改性和用有機(jī)酯作硬化劑，使其 加入量降低到3.0%以下，但其殘留強(qiáng)度還是比樹(shù)脂砂高很多，清砂還是 不如樹(shù)脂砂容易。3.5澆注時(shí)產(chǎn)生的氣

10、體對(duì)比。澆注時(shí)產(chǎn)生的氣體數(shù)量和成分，及其對(duì)鑄鋼件質(zhì)量的影響，都與所采用的型、芯砂的粘結(jié)劑的種類有關(guān)。從發(fā) 氣速度和發(fā)氣量來(lái)看，水玻璃砂都很小，而堿性酚醛樹(shù)脂砂的發(fā)氣量又 是所有樹(shù)脂砂中最小的，圖 2表示幾種自硬砂的發(fā)氣量。從澆注時(shí)產(chǎn)生 的氣體成分來(lái)看，咲喃樹(shù)脂中含氮（0.57.0%）,它是導(dǎo)致鑄鋼件產(chǎn)生 氣孔的主要原因；另外，咲喃樹(shù)脂的熱分解可使鑄鋼件的表面滲碳，磺 酸固化劑的熱分解也能使它的表面增硫，一般來(lái)說(shuō)，表層滲碳量可達(dá)23mm,滲硫量可達(dá)12mm,這都能引起合金材質(zhì)成分的改變及其力學(xué)性能的下降，而采用堿性酚醛樹(shù)脂砂和水玻璃砂均沒(méi)有這種困擾。.二 卒裊rHttfdr圖2 幾種自硬砂的發(fā)氣

11、量3.6鑄鋼件的尺寸精度和表面粗糙度。咲喃樹(shù)脂砂和堿性酚醛樹(shù)脂砂這兩種工藝是目前鑄造行業(yè)能實(shí)現(xiàn)能源消耗少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、生產(chǎn)效 率較高、鑄件尺寸精度高、表面質(zhì)量好的有效途徑，已成為我國(guó)鑄造行 業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量鑄鋼件和外貿(mào)出口鑄件的一條重要手段，但是，水玻璃砂 在這些方面還不如樹(shù)脂砂好，表 5列出樹(shù)脂自硬砂和酯硬化水玻璃砂生 產(chǎn)的鑄鋼件的尺寸精度和表面粗糙度的對(duì)比。由表可知，樹(shù)脂砂生產(chǎn)的 鑄鋼件的質(zhì)量均比水玻璃砂高1 2級(jí)。表5 幾種自硬砂生產(chǎn)的鑄鋼件的尺寸精度和表面粗糙度的對(duì)比自硬砂種類堿性樹(shù)脂砂咲喃樹(shù)脂砂酯-水玻璃砂鑄件尺寸精度（CT，級(jí)）8107910 12鑄件表面粗糙度（Ra,M）505050

12、 100四.生產(chǎn)成本造型、制芯的生產(chǎn)成本包括原、輔材料的成本和舊砂再生的成本等兩部分，表6列出了造型、制芯用的原、輔材料的成本。從表中數(shù)據(jù)可看出，酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂的原、輔材料的成本最高，而酯硬化水玻璃表6 幾種自硬砂用原、輔材料的成本自硬砂配方自硬砂種類堿性樹(shù)脂砂水玻璃砂咲喃樹(shù)脂砂硅砂加入量（）100100100單價(jià)（元/kg）0.320.320.32小 計(jì)（元）323232粘結(jié)劑加入量（）1.6 （對(duì)硅砂）3.0 （對(duì)硅砂）1.2單價(jià)（元/kg）122.014小計(jì)（元）19.2616.8固化劑加入量（）30 （對(duì)樹(shù)脂）15 （對(duì)水玻璃）40 （對(duì)樹(shù)脂）單價(jià)（元/kg）16166.0小計(jì)（

13、元）7.684.82.88總計(jì)（元）58.8842.851.68砂和咲喃樹(shù)脂砂的原、輔材料的成本都較低，僅為堿性酚醛樹(shù)脂砂的55% 左右，因此，減少堿性酚醛樹(shù)脂和有機(jī)酯的加入量及其降低它們的生產(chǎn) 成本，是當(dāng)前推廣酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂的關(guān)鍵之一。其次是舊砂再生的成本。舊砂是否容易再生，再生砂的質(zhì)量是否接近 新砂的水平，是決定一種自硬砂是否有發(fā)展應(yīng)用前景的大問(wèn)題，因?yàn)椋?它不僅能降低生產(chǎn)成本，節(jié)約原砂資源，而且，還可減少固體廢棄物的 排放，減輕環(huán)境污染，因此，在人們環(huán)保和成本等意識(shí)不斷增強(qiáng)的21世紀(jì)，舊砂再生顯得更為重要。眾所周知，咲喃樹(shù)脂舊砂的再生性能最好，可采用干法機(jī)械再生，再生率可達(dá)90%以上

14、，因?yàn)?，咲喃樹(shù)脂粘結(jié)劑膜屬于脆性的緣故。水玻璃 舊砂和堿性酚醛樹(shù)脂舊砂等粘結(jié)劑膜都屬于韌性，吸濕性又大，特別是 用有機(jī)酯作固化劑的場(chǎng)合，舊砂再生更為困難。目前國(guó)內(nèi)推出的水玻璃 舊砂再生線都較復(fù)雜，一次性投資較多，一般中、小鑄造廠無(wú)法采用。若采用簡(jiǎn)易再生的方法，再生砂的質(zhì)量太差，只能作背砂用，大部分舊 砂被排放，所以，水玻璃舊砂和堿性酚醛樹(shù)脂舊砂的再生問(wèn)題，尚沒(méi)有 得到滿意的解決。五.環(huán)境污染在人們環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，國(guó)家環(huán)保法規(guī)日益實(shí)施的今天，在選用造型、制芯的自硬砂時(shí)，必須清醒地考慮這一點(diǎn)。表7列出咲喃樹(shù)脂砂在混砂、造型、澆注和清砂等工序中釋放出來(lái)的有毒氣體的情況。表7列表7 咲喃樹(shù)脂砂在造型和澆注時(shí)析出的有毒氣體量序號(hào)氣體種類測(cè)定值mg/m3（冬季）測(cè)定值mg/m3（夏季）1一氧化碳造型5712澆注90802糠醇造型916澆注0.1-3硫化氫造型0.30.1澆注634二氧化硫造型0.20.1澆注255苯酚造型0.50.15澆注0.50.106甲醛造型0.31.6澆注0.12.0出了