1、1铸钢件生产时采用的几种自硬砂的工艺性能的对比分析一. 前 言50 多年来造型、制芯材料和工艺，在国内外有了长足的发展，特别是在生产铸铁件时，采用呋喃树脂砂取代粘土砂方面，显示了许多优越性，它已成为铸铁厂家进行技术改造的首选方案。在铸钢件生产中，从20 世纪 50 年代开始采用水玻璃砂，到 20 世纪 70 年代，由于采用水玻璃砂生产的铸钢件的尺寸精度和表面质量都差，尤其是型、芯砂的溃散性不好，清砂十分困难，旧砂不能再生回用等问题，没有得到较好的解决，于是，在某些重机厂、水泵厂和机车厂等的一些铸钢件改用了呋喃树脂砂。到 20 世纪 90 年代末，又由于呋喃树脂砂生产的铸钢件易产生热裂等缺陷，以
2、及磺酸固化剂热分解时产生的气体，导致铸钢件表面渗碳、渗硫，以及呋喃树脂砂环境污染等问题，使一些铸钢厂又开始采用酯硬化碱性酚醛树脂砂。不过，直到今天，水玻璃砂造型、制芯工艺，还是铸钢件生产中最基本、用量最多的一种造型、制芯方法。由于这三种自硬砂各有其优缺点，目前在我国这三种工艺并存，各厂都是根据本厂铸钢件生产的特点和批量，生产的现状和未来的要求等多方面进行综合考虑，而确定本厂的造型、制芯工艺。例如，二重厂、广重厂等生产中使用了酯硬化碱性酚醛树脂砂，大重厂、沈重厂和一重厂等采用无氮呋喃树脂砂，其余的，包括铁道部下属的 20 多个机车车辆厂，还是采用水玻璃砂。总之，人们总是希望能以较高的生产效率、较
3、低的制造成本、较好2的作业环境，生产出优质的铸钢件来，可是，到目前国内外还没有一种造型、制芯工艺能同时满足上述的全部要求，为此，下面将从生产效率、铸件质量、环境污染和制造成本等四个方面，对水玻璃砂、呋喃树脂砂和碱性酚醛树脂砂等三种自硬砂的工艺性能进行对比分析，以供参考。二. 生产效率目前在铸造生产中得到广泛应用的造型、制芯工艺有三大类：热硬砂（如热芯盒、覆膜砂等） 、气硬冷芯盒砂（如三乙胺聚脲烷、CO 2 水玻璃砂、SO 2 呋喃树脂砂等）和自硬砂（如酯硬化碱性酚醛树脂砂、酸固化呋喃树脂砂、酯硬化水玻璃砂和胺固化聚脲烷砂等） 。而对铸钢件生产来说，特别是生产中、大型铸钢件时，前两种工艺均不适用
4、，目前主要是采用自硬砂为主。所谓自硬砂系指一种粘结剂，通过加入一种液体固化剂，使之在室温下在一定时间内，型、芯砂能在砂箱中，或芯盒内自行硬化成型的一种造型、制芯工艺。这种工艺最大的特点是，生产效率低，所以，自硬砂的造型、制芯效率就成为衡量该自硬砂工艺性能的重要指标。作为衡量自硬砂生产效率大小的量度，一般采用型、芯砂的可使用时间与其起模时间的比值来表示，即其比值的大小表示在型、芯起模时间一定时，型、芯砂可使用时间的长短的一个标志，一般取值范围在01 之间，接近 1 的高比值的自硬砂，表示它具有较高的造型、制芯的生产效率，从而，模具、工装的周转率也可加快，表 1 列出四种自硬砂的比值。从表中的比值
5、对比可知，酯硬化碱性酚醛树脂砂排在第二位，表示它的硬化速度较快，生产效率较高。酸硬化呋喃树脂砂排在第三，3而酯表 1 四种自硬砂的比值。自硬砂种类 酚脲烷砂 酯酚醛砂 酸呋喃砂 酯水玻璃砂比 值 0.750.80 0.67 0.53 0.5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艺时，工装、模具要求较多，特别是制造大型型、芯时，起模太早，型芯易变形，甚至出现断裂等问题，这点必须引起足够的重视。三. 铸件质量随着装备制造业的发展，特别是外贸出口的需要，对铸钢件的表面质量和尺寸精度都提出了更为严格的要求，而这些都与造型材料的合理选用密切相关，现
6、就以下几个方面的工艺性能，进行比较。3.1 自硬砂的强度。 呋喃树脂砂的最大特点就是粘结强度高、耐热性好；其次是碱性酚醛树脂自硬砂，粘结强度最小的是水玻璃砂，表 2 列出三种自硬砂的 24 小时的抗拉强度对比。表 2 三种自硬砂的常温抗拉强度的对比自 硬 砂 种 类 呋喃树脂砂 碱性树脂砂 水玻璃砂粘结剂加入量（） 1.2 2.0 3.024h 抗拉强度(Mpa) 1.5 1.4 1.03.2 自硬砂的抗湿性。 型、芯砂的抗湿性差，表示它的表面强度低，铸钢件易产生掉砂、冲砂、粘砂等表面缺陷。抗湿性的试验方法是； 4将待测的砂样放入湿度 100密闭容器中，停放 24 小时后，测定其强度，再分别计
7、算它的抗湿率，表 3 列出三种自硬砂的抗湿性的对比数据。从表中的数据可见，酯硬化碱性酚醛树脂砂的抗湿性最好，用它制得的型、芯可长期在高湿度下存放。而水玻璃砂的抗湿性最差，它的表面安定性表 3 三种自硬砂的抗湿性的对比自硬砂种类 碱性树脂砂 呋喃树脂砂 水玻璃砂抗湿性（） 2030 5055 8090不好，因此，水玻璃砂生产的铸钢件上的表面缺陷最多，如掉砂、冲砂、粘砂等铸造缺陷造成的废品率可达总废品率的 50以上，增加了铸钢件的焊补率3.2 自硬砂的高温热变形。铸钢件的尺寸精度差，超重、超差常与型、芯砂中的粘结剂紧密相关，图 1 表示四种自硬砂的高温热变形曲线。从图可看出。水玻璃砂的热变形最大，
8、这是因为水玻璃在 550左右会出现低熔点液相的缘故。从图还可见，呋喃树脂砂在高温下无塑性，热变形很小，仅为水玻璃砂的 1/5，但其热膨胀很大，比水玻璃砂大一倍。而碱性酚醛树脂砂的热膨胀速度慢，膨胀量液小，这是它存在“二次硬5化”现象的原故。由此可看出，呋喃树脂砂的热变形小，铸钢件的尺寸精度高，由于它的耐热性好，却增加了铸钢件在凝固时的收缩阻力，从而，明显增大了铸钢件的热裂缺陷的倾向。水玻璃砂的高温热变形最大，铸钢件的热烈倾向小，而碱性酚醛树脂砂则居中，它兼顾了呋喃树脂砂的高温强度和水玻璃砂的高温塑性的一种抗裂性较好的造型、制芯材料，不过，它存在二次硬化的现象，对于薄壁、箱形的铸钢件，也还可能存
9、在产生热裂缺陷的可能。3.4 自硬砂的残留强度。 现今人们总是将型、芯砂在 1000加热后冷却到室温的砂样的残留抗压强度，作为衡量一种自硬砂清砂难易的标志，表 4 列出三种自硬砂在 1000加热、冷却后的残留抗压强度的对比。从表 4 三种自硬砂 1000加热、冷却后的残留抗压强度的对比自硬砂种类 碱性树脂砂 呋喃树脂砂 酯水玻璃砂残留抗压强度（MPa ）00.25 00.20 1.01.5表中的数据可知，尽管水玻璃通过化学改性和用有机酯作硬化剂，使其加入量降低到 3.0以下，但其残留强度还是比树脂砂高很多，清砂还是不如树脂砂容易。3.5 浇注时产生的气体对比。 浇注时产生的气体数量和成分，及其
10、对铸钢件质量的影响，都与所采用的型、芯砂的粘结剂的种类有关。从发气速度和发气量来看，水玻璃砂都很小，而碱性酚醛树脂砂的发气量又是所有树脂砂中最小的，图 2 表示几种自硬砂的发气量。从浇注时产生6的气体成分来看，呋喃树脂中含氮（0.57.0） ，它是导致铸钢件产生气孔的主要原因；另外，呋喃树脂的热分解可使铸钢件的表面渗碳，磺酸固化剂的热分解也能使它的表面增硫，一般来说，表层渗碳量可达23mm，渗硫量可达 12mm ，这都能引起合金材质成分的改变及其力学性能的下降，而采用碱性酚醛树脂砂和水玻璃砂均没有这种困扰。图 2 几种自硬砂的发气量3.6 铸钢件的尺寸精度和表面粗糙度。 呋喃树脂砂和碱性酚醛树
11、脂砂这两种工艺是目前铸造行业能实现能源消耗少、劳动强度低、生产效率较高、铸件尺寸精度高、表面质量好的有效途径，已成为我国铸造行业生产高质量铸钢件和外贸出口铸件的一条重要手段，但是，水玻璃砂在这些方面还不如树脂砂好，表 5 列出树脂自硬砂和酯硬化水玻璃砂生产的铸钢件的尺寸精度和表面粗糙度的对比。由表可知，树脂砂生产的铸钢件的质量均比水玻璃砂高 12 级。表 5 几种自硬砂生产的铸钢件的尺寸精度和表面粗糙度的对比自硬砂种类 碱性树脂砂 呋喃树脂砂 酯水玻璃砂7铸件尺寸精度(CT,级) 810 79 1012铸件表面粗糙度（Ra, ）50 50 50100四. 生产成本造型、制芯的生产成本包括原、辅
12、材料的成本和旧砂再生的成本等两部分，表 6 列出了造型、制芯用的原、辅材料的成本。从表中数据可看出，酯硬化碱性酚醛树脂砂的原、辅材料的成本最高，而酯硬化水玻璃表 6 几种自硬砂用原、辅材料的成本自 硬 砂 种 类自硬砂配方碱性树脂砂 水玻璃砂 呋喃树脂砂加入量（） 100 100 100单价（元/kg） 0.32 0.32 0.32硅砂小 计（元） 32 32 32加入量（） 1.6（对硅砂） 3.0（对硅砂） 1.2单价（元/kg） 12 2.0 14粘结剂小计（元） 19.2 6 16.8加入量（） 30（对树脂） 15（对水玻璃） 40（对树脂）单价（元/kg） 16 16 6.0固化剂
13、小计（元） 7.68 4.8 2.888总 计 （元） 58.88 42.8 51.68砂和呋喃树脂砂的原、辅材料的成本都较低，仅为碱性酚醛树脂砂的55左右，因此，减少碱性酚醛树脂和有机酯的加入量及其降低它们的生产成本，是当前推广酯硬化碱性酚醛树脂的关键之一。其次是旧砂再生的成本。旧砂是否容易再生，再生砂的质量是否接近新砂的水平，是决定一种自硬砂是否有发展应用前景的大问题，因为，它不仅能降低生产成本，节约原砂资源，而且，还可减少固体废弃物的排放，减轻环境污染，因此，在人们环保和成本等意识不断增强的 21世纪，旧砂再生显得更为重要。众所周知，呋喃树脂旧砂的再生性能最好，可采用干法机械再生，再生率
14、可达 90以上，因为，呋喃树脂粘结剂膜属于脆性的缘故。水玻璃旧砂和碱性酚醛树脂旧砂等粘结剂膜都属于韧性，吸湿性又大，特别是用有机酯作固化剂的场合，旧砂再生更为困难。目前国内推出的水玻璃旧砂再生线都较复杂，一次性投资较多，一般中、小铸造厂无法采用。若采用简易再生的方法，再生砂的质量太差，只能作背砂用，大部分旧砂被排放，所以，水玻璃旧砂和碱性酚醛树脂旧砂的再生问题，尚没有得到满意的解决。五. 环境污染在人们环保意识不断增强，国家环保法规日益实施的今天，在选用造型、制芯的自硬砂时，必须清醒地考虑这一点。表 7 列出呋喃树脂砂在混砂、造型、浇注和清砂等工序中释放出来的有毒气体的情况。表 79列表 7
15、呋喃树脂砂在造型和浇注时析出的有毒气体量序号 气体种类测定值 mg/m3（冬季）测定值 mg/m3（夏季）造型 57 121 一氧化碳浇注 90 80造型 9 162 糠 醇浇注 0.1 -造型 0.3 0.13 硫化氢浇注 6 3造型 0.2 0.14 二氧化硫浇注 2 5造型 0.5 0.155 苯 酚浇注 0.5 0.10造型 0.3 1.66 甲 醛浇注 0.1 2.0出了呋喃树脂自硬砂在造型和浇注两个工部释放出来的各种有毒气体的情况。从表中数据清楚地表明，在造型、制芯工部释放出来的有毒气体主要是甲醛和糠醇；而在浇注和清砂工部折出的有毒气体主要是一氧化碳、硫化氢和二氧化硫等，其中浇注工部空气中的一氧化碳、硫化氢等有毒气体的含量均严重超过我国环保法规定的允许浓度，减少呋喃树脂砂的有毒、有害气体对人体的危害，是关系到呋喃树脂砂发展的关键技10术之一。而水玻璃砂和碱性酚醛树脂砂对环境污染都很小，这是它们的优势所在。
