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1．樹脂固化砂工藝

樹脂砂的特點較多，如型芯砂高強度、高固化效率、高潰散性，鑄件高精度、高表面質量，為大批量流水線生產各種復雜的中、小型鑄件的型芯提供了一種理想的方法，從而很快在汽車、拖拉機和內燃機等行業得到了廣泛應用。又由于其高強度、高精度、高潰散性，低的造型制芯勞動強度，對于滿足多品種、小批量生產各種結構日趨復雜的中、大型鑄件的型芯，也起了十分重要的作用。目前，樹脂砂工藝繁多，可按其不同的硬化方式，分為如下三大類：加熱硬化法、吹氣硬化法和自硬法。

1. 加熱硬化法

此法系指型芯本體經過外部加熱源進行加熱，使型芯砂在一定溫度和時間下固化成型的一種工藝。目前在鑄造生產中廣泛應用的有：殼型法和熱芯盒法兩種。殼型法是一種開發最早、發展最快、應用甚廣的高效造型、制芯工藝。由于覆膜砂的流動性、充型性和存放性均好，強度大、潰散性好，被汽車行業廣泛應用于大批量生產各種結構復雜、質量要求高的型芯。熱芯盒比殼型開發晚15年，由于它的型、芯砂制備簡單，成型溫度低，硬化速度快，在生產中也得到了應用，鑒于其型砂流動性差、存放性不好，吸濕性很大，含氮量較高，限制了它的應用，目前國外已開發了新型熱芯盒樹脂，效果較好，國內也在試用。由于這兩種工藝操作方法基本相似，下面僅介紹殼型法。

（1）殼型用原材料及其特性   殼型用原材料主要是覆膜砂，它是由硅砂、熱塑性酚醛樹脂、烏洛托品硬化劑、硬脂酸鈣潤滑劑及其他附加物等材料，在專門的混制設備上熱法混制而成，鑄造廠家可根據鑄件的種類和不同結構的要求來選用，目前市場上可提供的覆膜砂系列產品的性能見表1。

表1  覆膜砂系列產品的性能

（2）殼型、芯的制造工藝及其設備殼型、芯的制作方法一般有兩種：翻斗法和吹砂法。翻斗法適用于殼型制作，而吹砂法多用于殼芯生產。吹砂法殼芯機又可分為底吹式和項吹式兩大類。底吹式殼芯機制芯時，芯砂由底部吹入芯盒，吹芯壓力為0.4～05MPa，吹砂時間為15～35s。由于芯砂由底部吹入芯盒，充填情況不如頂吹式理想，故一般適用于外形簡單的殼芯。頂吹式殼芯機制芯時，芯砂由芯盒頂部吹入，充填情況較好，但整機結構復雜，常用于結構較復雜的殼芯制造，其吹芯壓力為0.l～0.3MPa，吹砂時間為3～8s。

殼芯制造過程如下：把芯盒加熱至210～250℃，吹入覆膜砂，這時覆膜砂上樹脂受熱融化、結殼后，翻轉180o，使芯盒自動左右搖擺數次，排放出未固化的砂子，翻斗復位，殼型、芯繼續硬化2～3min，便可頂出制好的殼型、芯。

（3）發展前景   在熱法制芯中殼型、芯工藝是一種很有發展前途的高效制芯工藝，但是目前覆膜砂中樹脂加入量高，生產成本高，鑄件氣孔及變形嚴重。同時它存在硬化溫度高，硬化時間長，硬化時氣味大等缺點。國內外正在開發各種新型的低氣味、高強度、速固化、流變性能好的改性酚醛樹脂和低氮、無氮的硬化劑，并開發了新型覆膜混砂設備和；日砂再生設備。

2．吹氣硬化法

此法系指型、芯本體不需加熱，僅在氣體催化劑作用下迅速固化成型的一種制芯工藝。這種工藝現有三乙胺法、SO2法和低毒、無毒氣硬法等幾種。目前在生產中僅三乙胺法得到廣泛的應用。它的最大特點是硬化速度快，硬透性好，生產效率高；其次是芯盒不需加熱，勞動條件好，芯盒生產成本低，現已在批量生產各種復雜的砂芯的汽車、拖拉機行業廣為應用。

（l）三乙胺法用原材料   三乙胺法用原材料主要由硅砂、樹脂和催化劑等組成。此法對硅砂要求甚嚴，特別是含水量＜0.2％，含泥量＜0.3％（均指質量分數）。所用的樹脂由二個組分組成；組分Ⅰ為苯醚型特制酚醛樹脂，組分Ⅱ為聚異氰酸酯（PAPI）。為了降低樹脂對硅砂及環境濕度的敏感性和適用于低溫澆注鋁合金鑄件的需要，近年來，又開發了抗濕性樹脂和鋁合金專用樹脂。催化劑為液態的三乙胺或二甲基乙胺，為了能使砂芯均勻硬化，液態三乙胺需要先霧化或汽化，再與惰性氣體混合（常用的氮氣），吹入芯盒，使砂芯硬化，以防止三乙胺氣體濃度過大而引起爆炸。

（2）三乙胺法制芯工藝及其設備   三乙胺法制芯均在專用的冷芯盒射芯機上完成，所用射芯機的結構與普通射芯機相似，但增加了吹氣機構和前后工序配套設備。前工序配套設備有：混砂機、砂加熱器、氣體發生器、壓縮空氣干燥除濕系統、三乙胺氣體霧化裝置等。后工序配套設備包括廢氣凈化系統。

制芯的主要工序為：硅砂加熱至25～35℃，將組分Ⅰ酚醛樹脂加入砂中，混制1～2min，再加入組分Ⅱ（PAPI），繼續混制1～2min。通常兩組分加入量各為0.75％，即為砂的質量分數為1％～2％。然后在0.30～0.35MPa射砂壓力下，把砂子射入芯盒，再將與載體混合、體積分數為2％的三乙胺氣體，在0.2MPa壓力下吹入芯盒，使型、芯砂迅速硬化，硬化時間一般為幾秒或幾十秒鐘。型、芯硬化后，緊接著通過原來吹氣系統，再吹入潔凈干燥的空氣，以便清洗型、芯砂中的殘胺，并可進一步提高它的強度。從芯盒中排出的空氣中含有殘余的有毒胺氣，必須送到洗滌室內，用酸中和，將胺除去，也可采用燃燒法去胺。最后，打開芯盒，取出已硬化的砂芯，便可進行下一輪程序。

為了提高鑄件的表面質量，減少粘砂缺陷，砂芯表面應刷一層涂料。可采用水基涂料，但必須待樹脂完全硬化后上涂料，防止明顯降低砂芯強度，刷涂后應及時烘干。

（3）發展前景   氣硬冷芯盒制芯工藝是目前國內外重點開發、最有發展前途的一種高效制芯工藝，特別是低毒、無毒氣硬工藝，在當前全球關注環境保護、推行清潔生產的情況下，更具有很大的現實意義。現正在開發的酚醛樹脂／酯法，聚丙烯酸鈉／CO2法和堿性酚醛樹脂／CO2法等無毒制芯工藝，盡管還存在強度低，樹脂加入量高，吹氣硬化時間較長，抗濕性較差等一些問題，但可以預計，在不久的將來，會開發出更為理想、無毒無公害的高效制芯工藝，成功地應用于生產，有力推動我國鑄造事業向前發展。

3．樹脂砂自硬法

此法系指型、芯砂在室溫下，通過加入一定量的固化劑，使之在芯盒或砂箱內，并在一定時間內自行硬化成型的一種造型、制芯工藝。目前在鑄造生產中得到應用的有酸固化呋喃樹脂砂、酯固化堿性酚醛樹脂砂和酚尿烷樹脂砂等。這種工藝的最大特點是：樹脂砂可在常溫下自行硬化成型，型、芯砂有一定的可使用時間，其硬化速度與強度受室溫、環境濕度的影響很大，生產效率不高，故比較適用于單件、小批量、多品種的中、大型鑄件的型、芯生產，在我國機床、通用、重型、造船、機車等行業得到了應用。

在上述幾種樹脂自硬砂工藝中，以酸固化呋喃樹脂砂在我國應用最多，因為它所用的原輔材料及設備能成套供應，技術較成熟，積累的經驗也最豐富，目前國內300多家采用樹脂砂工藝的工廠，絕大多數是采用這種工藝，與粘土砂比較，可提高鑄件的尺寸精度2～3級，改善表面粗糙度1～2級，廢品率明顯減少。

（l）呋喃樹脂砂用原材料   呋喃樹脂砂用的主要原材料有硅砂、呋喃樹脂和固化劑。呋喃樹脂砂對硅砂的質量要求較嚴，應從角形系數、含泥量、含水量、微粉含量、耗酸值與灼減量等項技術指標加以控制。粘結劑呋喃樹脂是以呋喃環為主、低聚合度的縮聚樹脂，按其化學組成可分為酚醛改性呋喃樹脂、脲醛改性呋喃樹脂和酚醛脲醛改性呋喃樹脂等，而以脲醛改性呋喃樹脂在國內應用最廣。用酚醛部分取代脲醛，不僅能保持一定強度，而且還能降低樹脂中含氮量，是一種性能較好的呋喃樹脂。按國家專業標準 GB／T7526－94的規定，呋喃樹脂可按其含氮量分為無氮［ψ（N2）≤0.3％］、低氮［ψ（N2）＞0.3％～2.0％］、中氮[（ψ（N2）＞2.0％～5.0％）]和高氮[ψ（N2）＞5.0％～13.5％］樹脂，也可按游離甲醛含量（質量分數）分為二級；一級含≤0.4％，二級含≤0.8％。要求質量較高的鑄件可選用低氮樹脂，而有色金屬鑄件可采用含氮較高的樹脂。目前呋喃樹脂砂常用的固化劑為有機磺酸，它又可分為對甲苯磺酸和二甲苯磺酸二種，后者常用于氣溫較低的冬季。

（2）樹脂自硬砂的專用設備   樹脂自硬砂的成套設備主要包括混砂系統和舊砂再生系統兩大系列，混砂系統以混砂機為主，并配以振實臺、翻轉起模機、輸送輥道和電控等裝置，組成樹脂砂造型、制芯生產線。舊砂再生系統大多具有砂塊破碎、篩分、磁選、舊砂再生、微粉分離和砂溫調節等功能。為了滿足環境保護的要求及微粉分離的需要，樹脂砂生產線還必須配有良好通風除塵裝置。

（3）樹脂自硬砂的造型、制芯工藝   呋喃樹脂在強酸固化劑作用下，樹脂分子間相繼產生加聚反應和縮聚反應，使原來低相對分子質量的線型結構相互交聯，轉變為相對分子質量很大的體型結構的樹脂膜，將砂粒粘結起來，達到型、芯的常溫固化。樹脂加入量（質量分數）一般為0.8％～1.2％，磺酸類固化劑加入量為樹脂的30％～60％，型、芯砂的可使用時間從幾分鐘至數十分鐘，起模時間由十幾分鐘至數小時。

樹脂自硬砂的造型、制芯工藝基本上與粘土砂類似，由于樹脂自硬砂具有許多特點，在造型制芯時應考慮如下幾點：

應根據合金種類和鑄件的大小，合理選用樹脂的類型及吃砂量的大小，盡量降低砂鐵比和造型材料的生產成本；應根據室溫的高低，合理選用固化劑，夏季室溫高時，選用酸強度較低的固化劑，冬季室溫較低時，應采用二甲苯磷酸為主，加入適量無機酸的醇溶性固化劑；樹脂砂的流動性很好，但具有明顯的時間性，必須在型砂可使用時間內完成造型制芯工作；樹脂自硬砂起模困難，不可太晚；樹脂砂在澆注時發氣速度較快，必須采取措施將氣體排出，防止氣孔的產生；樹脂砂耐熱性較低，必須上涂料，以保證鑄件的表面質量；根據有機粘結劑特點，應按“快、穩、封閉、底注、保證壓頭和處理臟鐵液”等原則來設計澆注系統。實踐證明，只有遵循上述原則來造型制芯，才可能獲得質量高、成本低的樹脂砂鑄件。

（4）發展前景  我國80％以上鑄造廠家屬于單件、小批量生產，80年代以前大多數采用落后的粘土砂工藝，鑄件質量差，生產效率低，勞動強度大，環境污染嚴重。由于機械工業的發展和鑄件出口貿易的需要，不少廠家采用樹脂砂代替粘土砂，取得了明顯的效果，充分證明該工藝對單件、小批量生產的鑄鐵車間具有較大的發展前景，低游離甲醛和低糠醇呋喃樹脂的開發，又有力地促進了該工藝的發展。特別是80年代后，酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂的問世，較好地解決了呋喃樹脂砂的成本、環保和熱裂等問題，為今后生產優質鑄鋼件創出了一條新路。但是，堿性酚醛樹脂尚存的強度低、粘度大和再生困難等問題，預計在不久的將來，將會得到圓滿的解決。在即將到來的21世紀，化學固化砂的各種新型造型、制芯技術將會在我國鑄造廠家開花結果，為改變我國鑄造事業落后現狀作出較大的貢獻。


2．水玻璃固化砂工藝

樹脂固化砂的應用實踐表明，呋喃樹脂的價格較高，環境污染較大，在未來21世紀人們對于自身生存條件和環境的要求日趨嚴格的條件下，由于車間勞動保護和生產環境衛生方面的投資很大，從而使樹脂砂的應用受到一定限制，許多國家又對水玻璃固化砂極為重視。最近十多年來，人們對于水玻璃的基本組成和“老化”現象實質的認識深化和新型硬化工藝的開發等兩方面均取得了突破性進展，在型芯砂保持足夠的工藝強度的條件下，水玻璃加入量（質量分數）可降至2.5％～3.5％，從而使水玻璃砂長期存在的潰散性差、舊砂不能回用的問題，得到了較好的解決。水玻璃砂的硬化方法可分為：CO2氣硬法和自硬法兩種，熱硬法已很少采用。

1．CO2氣硬法

此法是水玻璃粘結劑領域里應用最早的一種快速成型工藝，由于操作方便、使用靈活、無毒無味、在國內外大多數的鑄鋼件生產中，得到了廣泛的應用。

（l）硬化原理和特點   水玻璃的出現已有三百多年歷史，由于它的成分十分復雜、多變，它的基本組成一直沒有搞清楚，對水玻璃的研究主要停留在宏觀的層次上。近年來，多種先進測試手段的開發，可深入到分子范疇進行分析和研究，并發現，新制備的水玻璃是一種真溶液；但是在存放過程中，水玻璃中硅酸要進行縮聚，將從真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液，最后成為硅酸膠粒。因此，水玻璃實際上是一種由不同聚合度的聚硅酸組成的非均相混合物，易受其模數、濃度、溫度、電解質含量和存放時間長短的影響。

水玻璃砂吹入CO2氣體硬化時，水玻璃的表層因吸收CO2而其模數升高和脫水，在酸化和脫水兩重作用下，迅速硬化而形成初強度。已固化的表層水玻璃阻礙了CO2往深層滲透，內層水玻璃只能靠脫水而繼續增加強度。此法缺點是：型芯砂強度低，含水量大，易吸潮，潰散性差，目前大多用于中、小型鑄鋼件生產。

（2）水玻璃的改性   水玻璃在存放過程中分子產生編聚，形成膠粒，可使其粘結強度下降20％～30％，這一現象稱為水玻璃老化。為了消除老化，必須對水玻璃進行改性，目前改性的方法有物理改性和化學改性兩種。物理改性是用磁場、超聲波、高頻或加熱等辦法，往水玻璃中供給能量，使已聚合的膠粒解聚，聚硅酸分子重新均勻化。這種改性對高模數水玻璃有效，但是存在重新老化的問題。化學改性是往水玻璃中加入少量化合物，這些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羥基、醚基、氨基等極性基團，通過氫鍵或靜電將其吸附在硅酸分子或膠粒表面，改變其表面位能和溶劑化能力，提高聚硅酸穩定性，從而阻止老化進行。例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸鹽等，均取得了較好的效果。

（3）發展前景   采用水玻璃改性來提高其粘結能力，往往增加了生產成本和工藝復雜化。近年來，日本又開發了VRH法，此法是先把砂粒間空隙中的空氣抽去，再吹入CO2氣體，使鑄型迅速硬化成型。此工藝可使水玻璃加入量（質量分數，下同）降至 3.0％以下，而CO2用量僅為原來的1／10。最近又有作者提出往水玻璃砂中加入一種無機物，經高溫作用后，在常溫時粘結橋上會形成大量孔洞，使型芯砂在不受外力作用下，自行潰散的新工藝。

2．酯硬化法

（1）硬化原理和特點   此法是采用液體的有機酯作水玻璃的硬化劑。有機酯在強堿性水玻璃溶液的作用下，水解為醇與酸。醇有很強的親水性，它可奪去水玻璃的水分，構成它的溶劑化水。酸與水玻璃反應，析出醋酸鈉，它也有一定的親水性，能奪取水玻璃的水分，構成它的結晶水。在酸化和脫水雙重作用下，使水玻璃砂硬化。這種硬化工藝可使型芯砂具有很高的強度，不僅水玻璃加入量可降至3.0％以下，而且硬透性和抗濕性均好，適用于各種大型鑄鋼件的生產。缺點是型芯砂硬化速度慢、脆性大和流動性較差。

（2）主要原材料及型砂的工藝控制   酯硬化的水玻璃砂用原材料有硅砂、水玻璃和液體有機酯，這些材料的質量和合理選用將直接影響工藝成敗、鑄件質量和生產成本。對酯硬化水玻璃砂來說，盡管對硅砂的要求不像樹脂砂那樣嚴格，為了降低水玻璃加入量，硅砂應滿足如下要求：泥的質量分數≤1.0％，水的質量分數≤0.5％，細粉的質量分數＜l.0％和角形系數＜l.3。水玻璃應達到國家專業標準ZBJ31003－88的要求。嚴格控制水玻璃的模數是成功應用此工藝的關鍵，應根據季節和室溫加以調整：夏季，M＝2.2～2.4，其余季節，M＝2.4～2.6，有條件時，最好對水玻璃進行改性，消除老化現象。目前用于鑄造生產的有機酯有：丙三醇醋酸酯、乙二醇醋酸酯、二甘醇醋酸酯和丙二醇碳酸酯等，加入量（質量分數）占水玻璃的8%～12％。有機酯是決定酯硬化水玻璃砂的工藝性能和生產成本的關鍵材料，必須嚴加選擇，即應根據型、芯的大小和水玻璃的模數，合理選用不同型號（快酯、慢酯或混合酯）的有機酯。

對于酯硬化水玻璃砂的工藝性能來說，主要控制如下性能：起模強度、終強度、可使用時間和殘留強度等，詳見表2。

表2   型、芯砂推薦的技術指標

大型鑄件的混砂可采用連續式混砂機，造型、制芯均為手工操作。

（3）發展前景   加入某些附加物，形成復合水玻璃，起著助粘結劑作用，能進一步提高水玻璃的粘結性能，如加入磷酸鹽、硼酸鹽或鋁酸鹽等附加物。另外，應用較廣泛的有機酯硬化劑，因其價格高而影響了該工藝的推廣應用，有人又提出了一種無機酸和有機物配制成的硬化劑，其主要成分為磷酸、磷酸鹽和尿素，這種新型硬化劑不僅生產成本低，而且，型芯砂具有較好的潰散