樹脂砂基礎(chǔ)知識

舊話重提。今天才發(fā)現(xiàn)我們在基礎(chǔ)教育方面出了很大的問題。一個搞了二三十年的鑄造工程師居然不知道通過調(diào)固化劑來調(diào)節(jié)樹脂砂的反應(yīng)速度。砂溫超過70℃了還干得不亦樂乎。鑄造行業(yè)的門檻真的是越來越低了，是個人就能干。。。

一、基本概念：

    呋喃樹脂自硬砂工藝是指在呋喃樹脂砂中加入一定量的酸性固化劑，礦物鑄件使之在芯盒或砂箱內(nèi)經(jīng)歷一定時間后，在常溫條件下通過自行硬化成型（不需烘烤或吹入硬化氣體）的一種造型制芯工藝。（英文nobake sand而不是green sand）

呋喃樹脂自硬砂硬化反應(yīng)機理可簡單描述為：涂敷在砂粒表面的樹脂在酸性固化劑的催化作用下，呋喃樹脂分子上的活性氫、羥甲基與羥甲基之間發(fā)生縮聚反應(yīng)和呋喃環(huán)上的雙鍵打開發(fā)生加成聚合反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固體樹脂，使型（芯）砂硬化成型。

1.呋喃樹脂砂性能的優(yōu)缺點

1.1優(yōu)點

1)鑄件的尺寸精度高、外部輪廓清晰、鑄件表面光潔，外觀質(zhì)量好、組織致密、鑄件綜合品質(zhì)高。

2)呋喃樹脂自硬砂具有較好的流動性，容易緊實，礦物鑄件脫模時間可調(diào)節(jié)，硬化后強度高，在其后的搬運及合箱過程中不變形，因樹脂砂的強度高，在澆注和凝固過程中基本上不會出現(xiàn)位移現(xiàn)象，所以鑄件的尺寸精度高。

3)不用烘干，縮短了生產(chǎn)周期、節(jié)省了能源、芯砂易緊實、潰散性好、容易清理、大幅度降低了勞動強度，為實現(xiàn)機械化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

1.2 呋喃樹脂自硬砂的不足之處

1)對原砂質(zhì)量要求高

2)在生產(chǎn)過程中有刺激性氣味

3)采用樹脂砂生產(chǎn)，成本較高

二、樹脂砂生產(chǎn)工藝

2.1原砂選擇

一般仍選用天然石英砂。對于部分高合金鋼鑄件或特殊需要的情況下，也有選用鉻礦砂或鋯砂等特殊骨料的。這里我們主要討論樹脂砂對石英砂的要求。

2.1.1原砂的主要礦物成分是石英（即 SiO2）、長石和云母，還有一些鐵的氧化物和碳化物。石英比重2.55，莫氏硬度七級，熔點1713℃，具有耐高溫、耐磨損等優(yōu)點。若原砂中石英（SiO2）含量高，則原砂的耐火度和復(fù)用性都好。長石是鋁硅酸鹽，常見的有鉀長石、鈉長石和鈣長石，長石比重2.54-2.76，莫氏硬度6-6.5級，熔點1100-1250℃，因其熔點低、硬度低、不耐磨、易粉碎，會降低樹脂砂的復(fù)用性和耐火度。

云母是種含鋁硅酸鹽，有黑白云母之分，云母的熔點為1145-1270℃，比重2.7-3.2。硬度很低，礦物鑄件極易破碎，它在砂中的含量多少對原砂的復(fù)用性很有影響?？傊?，在選擇原砂時，SiO2含量應(yīng)盡量高一些，不純物要少，當(dāng)然還與金屬的熔點和澆注溫度，鑄件壁厚等因素有關(guān)。一般來說，鑄鋼用原砂SiO2含量應(yīng)大于95%，鑄鐵應(yīng)大于92%，有色金屬可以低一些。雜質(zhì)允許含量還與舊砂是否再生回用以及下面談到的耗酸量有關(guān)。

2.1.2粒形，要求圓形或類圓形，砂粒表面應(yīng)光潔平整，沒有孔洞或裂紋。這樣的砂粒表面積小，砂粒表面涂上一層薄膜所需的樹脂量少些。一般用角形系數(shù)表示砂粒形圓整度，人造石英砂雖然SiO2含量高，但粒形為多角形甚至尖角形，角形系數(shù)太大，需經(jīng)研磨處理，一般不采用。天然砂中角形系數(shù)最小的要算風(fēng)積砂，如內(nèi)蒙通遼一帶的大林標(biāo)準(zhǔn)砂，角形系數(shù)小于 1.2，呈圓形。為了改善粒形，對原砂最好進行擦磨處理。

目前我國唯一生產(chǎn)擦磨砂的是江西星子砂礦。該礦對原砂經(jīng)擦磨處理后，角形系數(shù)從1.47減少到 1.35，與此同時， SiO 2含量也從 93%（水洗砂）提高到 95%（ 45/75目）砂樣抗拉強度也由 12.2Kg /cm 2增加到 16.3Kg /Cm 2。原砂的粒形不僅影響樹脂砂加入量，同時還影響到樹脂砂的流動性及緊實程度，砂粒表面空洞裂紋不僅無效消耗樹脂，而且砂粒易碎，影響復(fù)用性及粒度保持性。

2.1.3粒度分布及微粉含量

粒形相同的原砂，以粒度較粗的總表面積小，樹脂用量少，透氣性好，耐火度高。粗砂的缺點是抗機械粘砂能力低。一般多選用 30/50目、 40/70目為宜。微粉及含泥量嚴(yán)重惡化樹脂砂性能。由于微粉表面積很大，消耗樹脂及固化劑影響透氣性及強度，原砂中的泥份中堿土金屬含量較高，據(jù)介紹細粉狀比粒狀耗酸值要大3-10倍。一般要求原砂含泥量應(yīng)小于0.3%。（泥分即大于140目的砂子）

在用濕型粘土砂造型時。我們習(xí)慣于用三篩砂，這是因為濕型粘土砂造型要求有良好的透氣性，希望砂粒間的空隙大些。當(dāng)原砂粒度分布基本上集中于相鄰的三篩時，緊密排列的粗紗顆粒間的空隙中，不會有細粒砂進入，這就保證了型砂的良好透氣性。而樹脂砂則不然，由于用樹脂作黏結(jié)劑時，樹脂含量一般都只有1. 5％左右，而且型砂中又不含任何粉狀材料，所以透氣性極好，就沒有必要要求原砂粒度集中三篩。此外，由于樹脂價格昂貴，應(yīng)該用最少量的樹脂使型砂具有必要的強度，這就成了考慮工藝方案時的首要問題。為了增加黏結(jié)橋的數(shù)量而提高型砂的強度，反倒希望細砂能嵌入緊密排列的粗砂之間。用四篩砂或五篩砂，理論上可以達到這一目的。國內(nèi)外實踐經(jīng)驗也都證明：用四篩或五篩砂時，樹脂砂的強度大為提高，有時甚至可提高一倍。因此，選用合適原砂顆粒度及其分布這一問題，值得我們特別注意。在中小型鑄件上，推薦使用兩種不同規(guī)格的原砂：50／100+70／140．可結(jié)合本廠具體情況，通過試驗，確定兩者的比例。

2.1.4含水量。樹脂砂的硬化是放熱反應(yīng)，原砂含水量嚴(yán)重影響樹脂的固化強度與固透性，礦物鑄件實驗證明，含水量由 0.2%升高到0.4%，型砂的抗拉強度可從13.2kg /cm 2降低到8.6kg /cm 2，固化時間也從30分鐘延長到70分鐘。國外一般要求原砂含水量小于0.1%，國內(nèi)一般要求小于 0.2%。所以對樹脂砂用原砂應(yīng)進行干燥處理。

2.1.5PH值與耗酸量。原砂的 PH值對樹脂砂的固化速度及終強度有一定的影響，由于樹脂是在酸催化劑作用下脫水縮合固化的，故當(dāng)原砂堿性較強時，需耗費額外的酸固化劑。。砂的PH值一般為 6.5- 7.2，若使用海砂時，PH值為 9左右，耗酸量可達17以上，其中貝殼和 CaCO3的耗酸量遠遠超過了其它物質(zhì)，易固化，需經(jīng)過淡水沖洗或擦洗，擦磨處理。前面也談到 ，原砂中 SiO2含量減少時，長石、云母和其它雜質(zhì)會增加，長石和云母兩種礦物中都含有堿金屬化合物 Na 2O、 K 2O，鈣長石和其它一些雜質(zhì)中則含有CaO、 MgO等，都是增加耗酸量的成分。因為原砂中含有某些不溶于水的堿性物質(zhì)，所以砂不采用簡單的 PH值實驗，而采用耗酸量實驗。使用再生處理砂時，由于新砂加入量少，耗酸量的影響較輕，但對于全部采用新砂的樹脂砂，耗酸量的影響則不可低估一般應(yīng)控制在5以下。

2.2再生砂

對澆注后的樹脂砂經(jīng)砂塊破碎后的砂粒，通過機械摩擦等方法將其表面殘留的固化樹脂層去掉一部分的處理叫樹脂砂有再生處理。使用再生砂有重要的經(jīng)濟意義，同時對鑄件質(zhì)量有一定好處。以下介紹再生砂幾項主要性能。

2.2.1粒度變化。舊砂反復(fù)再生回用后，礦物鑄件在粒度變化上存在變粗和變細的兩種因素。前者是因為除塵去掉一部分細粒及微粉，砂粒表面殘存有機物固化層等等；后者是因為砂粒的破碎等?？偟膩碚f當(dāng)原砂耐破碎強度較好，二種因素基本可以抵銷，使粒度分布變化不大。

2.2.2灼燒減量。所謂灼燒減量（LOI）是砂中有機物殘留量的一種度量。舊砂回用中，每次混砂后有粘結(jié)劑積累，但澆注和再生以及加入新砂都可“沖淡”有機物殘留量的比例，通過10次以上的反復(fù)回用，可使舊砂中的灼燒減量穩(wěn)定在一定的水平上，即這時每次加入的粘結(jié)劑量與澆注、再生、新砂所減少的粘結(jié)劑量相平衡。這時的灼燒減量稱為再生砂的灼燒減量。灼燒減量與鑄型發(fā)氣量成正比，所以灼燒減量高，則鑄件易產(chǎn)生氣孔缺陷。對鑄鐵件，一般要將再生砂灼燒減量控制在 3.0—3.5%以下。鑄鋼則要求在 2.5以下。

2.2.3微粉含量。這也是監(jiān)測再生砂的主要指標(biāo)，微粉除了破碎的砂粒以外最主要的有再生時剝下的樹脂膜及涂料成分、燃燒過的有機物灰塵，礦物鑄件將大大增加灼減量、降低強度、影響透氣性，所以再生砂必須通過風(fēng)選或篩分，將微粉含量（底盤）控制在 0.3%以下。

再生砂與新砂相比，耗酸量大大降低，甚至呈負值。由于石英經(jīng)過澆注時的多次α-β相變，以及表面的殘留樹脂的緩沖作用，其熱膨脹系數(shù)有所降低，有助于減輕鑄件機械粘砂及脈紋。使用同樣的樹脂，再生砂也比新砂的強度高，再生砂的水分含量也很低。相反含氮量將會增加。