覆膜砂鑄造材料工藝

1、覆膜砂鑄造材料&工藝皆見來龍去脈我國于20世紀(jì)50年代開始研究應(yīng)用覆膜砂及殼(芯)工藝，直至 80年代 中期以前只有少數(shù)幾家工廠采用自制的覆膜砂用于殼芯生產(chǎn)。自此以后，覆膜砂 開始作為商品推向市場。隨著原材料、制造設(shè)備和制造工藝的不斷改進(jìn)，覆膜砂 品質(zhì)不斷得到提高，生產(chǎn)成本下降，90年代以來，覆膜砂的應(yīng)用得到了更迅速的 發(fā)展，產(chǎn)品種類不斷增多，并已形成系列化。目前，我國鑄造用覆膜砂年產(chǎn)量已 達(dá)50萬噸以上，共有專業(yè)生產(chǎn)廠家近百家。隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和機(jī)械 產(chǎn)品外貿(mào)出口需要，以及鑄件國際市場的開發(fā)，對鑄件品質(zhì)的要求越來越高，覆 膜砂的應(yīng)用將會在短期內(nèi)得到迅速增長。一、覆膜砂原材料

2、的選用覆膜砂一般由骨料、粘結(jié)劑、固化劑、潤滑劑和特殊添加劑組成。1 .骨料骨料是構(gòu)成覆膜砂的主體。對骨料的要求是：耐火度高、揮發(fā)物少、顆粒較 圓整并自身強(qiáng)度高等。一般選用天然擦洗硅砂，這主要是由于其儲量豐富，價(jià)格 便宜，能滿足鑄造要求。只有特殊要求的鑄鋼件或鑄鐵件才采用錯砂或銘鐵礦砂。 對硅砂的一般要求是：(1) SO2含量高。鑄鐵及有色鑄造用砂要求 SO2>90% ,鑄鋼件要求>97% ;(2) 含泥量W0.2%(3)粒度分布宜采用35篩分散度；(4) AFS細(xì)度：應(yīng)根據(jù)鑄件表面粗糙度要求來選定不同的細(xì)度，一般為 AFS50 65;(5)粒形：盡可能選用圓整性好的硅砂，角形因素應(yīng)

3、 <1.3;(6) pH 值<7;溫活性（7）硅砂需用水擦洗過，如有特殊要求，可將硅砂酸洗或進(jìn)行高處理（900 C焙燒）2 .粘結(jié)劑目前普遍采用酚醛類樹脂作為粘結(jié)劑。酚醛類樹脂有固體和液體、熱固性和 熱塑性之分。目前制作覆膜砂通常采用熱塑性固態(tài)酚醛樹脂。對其性能要求是：（1）聚合速度（熱板法）：2527s ;（2） 軟化點(diǎn)（環(huán)球法）：90105 C;（3） 流動性（斜板法）：60110mm ;（4）游離酚含量（澳化法）：W4%粘結(jié)劑的性能對覆膜砂的品質(zhì)有很大的影響，人們一直在致力于研究如何提 高酚醛樹脂的性能，以及尋找酚醛樹脂的替代品。國外已開發(fā)出不同性能的專用 樹脂，如高強(qiáng)度低發(fā)

4、氣樹脂、易潰散樹脂，也有采用改性聚酯樹脂的報(bào)道，但未 得到全面推廣，至今普遍采用的仍是改性酚醛樹脂。國內(nèi)近年來在覆膜砂專用酚 醛樹脂的研究開發(fā)方面發(fā)展較快，已開發(fā)出不同的改性酚醛樹脂供生產(chǎn)使用。3.固化劑、潤滑劑、添加劑固化劑通常采用烏洛托品即六亞甲基四胺，分子式為（ CH2） 6N4,要求 為工業(yè)一級品。潤滑劑一般采用硬脂酸鈣。具作用是防止覆膜砂結(jié)塊，增加流動 性，使型、芯表面致密及改善砂型（芯）的脫模性。添加劑的主要作用是改善覆 膜砂的性能。目前采用的添加劑主要有：耐高溫添加劑（如含碳材料或其他惰性 材料）、易貴散添加劑（如二氧化鎰、重銘酸鉀、高鎰酸鉀、已內(nèi)酰胺等）、增 強(qiáng)增韌添加劑（如超

5、短玻璃纖維材料、有機(jī)硅烷 KH-550等）以及防粘砂添加劑 和抗老化添加劑等等。二、覆膜砂的分類隨著覆膜砂應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，不同鑄造工藝、不同材質(zhì)要求以及不同結(jié) 構(gòu)的鑄件對覆膜砂提出了不同的性能要求。自 20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)開發(fā)了 不同性能的覆膜砂，按其性能特點(diǎn)來劃分，可將國內(nèi)市場上的覆膜砂分為干態(tài)和 濕態(tài)兩大類。其中干態(tài)類包括：普通類、耐高溫類、高強(qiáng)度低發(fā)氣類、易潰散類、 離心鑄造類等。濕態(tài)覆膜砂包括機(jī)械類和手工類兩種。各類覆膜砂的主要成分、 特點(diǎn)及適用范圍如下：1 .普通覆膜砂其組成通常由石英砂熱塑性酚醛樹脂、烏洛托品和硬脂酸鈣構(gòu)成，不加有關(guān) 添加劑。其樹脂加入量通常在一定強(qiáng)度要求

6、下相對較高，不具備耐高溫、低膨脹、 低發(fā)氣等特性，適用于一些要求不高、結(jié)構(gòu)較簡單的鑄鐵件生產(chǎn)。2 .高強(qiáng)度低發(fā)氣覆膜砂是在普通覆膜砂的基礎(chǔ)上，通過加入有關(guān)特性的 添加劑”和采用新的配制工 藝，使樹脂用量大幅下降，發(fā)氣量顯著降低，并能延緩發(fā)氣速度。該覆膜砂具有 高強(qiáng)度、低膨脹、低發(fā)氣、慢發(fā)氣等特點(diǎn)，特別適用于鑄鐵件、中小鑄鋼件中要 求發(fā)氣量低的砂芯，如閥體砂芯等。3 .耐高溫覆膜砂該砂一般是指覆膜砂的熱強(qiáng)度大、耐熱時間長、高溫變形小，而不是指其耐 火度很高。它是通過特殊的工藝配方技術(shù)（一般都是在硅砂覆膜時加入一定量的 惰性材料如銃砂、高銘礦砂、含碳材料或其他惰性材料等），生產(chǎn)出具有優(yōu)異高 溫性能

7、和綜合鑄造性能的新型覆膜砂。具有耐高溫、高強(qiáng)度、低膨脹、低發(fā)氣、 慢發(fā)氣等特點(diǎn)。特別適用于復(fù)雜薄壁精密的鑄鐵件（如汽車發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋等） 以及高要求的鑄鋼件（如集裝箱角和火車剎車緩沖器殼體等）的生產(chǎn)，可有效消除粘砂、變形、熱裂和氣孔等鑄造缺陷。4,易潰散覆膜砂它是針對有色金屬（特別是鋁合金）鑄件不易清砂而研制的一種覆膜砂。該 砂在具有較好的強(qiáng)度的同時具有優(yōu)異的低溫潰散性。用它生產(chǎn)有色金屬（鋁合金、銅合金等）鑄件，不需要將鑄件重新加熱來清砂，只需將澆注后的鑄件冷卻24小 時后，即可振動落砂。5 .離心鑄造覆膜砂該覆膜砂適用于離心鑄造工藝，可用它替代涂料生產(chǎn)離心鑄管等。根據(jù)鑄管 材質(zhì)與直徑大小及

8、技術(shù)要求不同，可加工成不同性能的離心鑄造覆膜砂。與其他 各類覆膜砂的不同之處，是該覆膜砂的密度較大一些，發(fā)氣量較低且發(fā)氣速度慢。6 .濕態(tài)機(jī)械類覆膜砂它是一種在室溫下呈濕態(tài)的覆膜砂。在室溫下長期存放不會自然固化（可存 放1年以上），根據(jù)不同鑄件的技術(shù)要求可使用濕態(tài)高強(qiáng)度低發(fā)氣等各種不同特 性的覆膜砂，該覆膜砂可完全替代熱芯盒砂（射芯機(jī)射頭不用改裝來生產(chǎn)各種材 質(zhì)和各種類型的鑄件）。7,濕態(tài)手工類覆膜砂該覆膜砂濕壓強(qiáng)度可在0,10.3MPa內(nèi)任意調(diào)整。存放期超過3個月，適用 于手工造型或制芯（類似于桐油砂和合脂砂），在室溫下脫模后，將型（芯）放 入烘箱或烘爐內(nèi)加熱，加熱溫度 250350C,加熱

9、時間310min,固化后的型 （芯）具有強(qiáng)度高、發(fā)氣量低、蠕變形量小、不吸潮等特點(diǎn)。該覆膜砂適于單件、 小批量及精度要求較高鑄件的生產(chǎn)，特別適于鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)采用。值得注意的是，在 型（芯）加熱固化時，必須等待爐溫達(dá)到所需的溫度時才能放入加熱，切忌隨爐 升溫加熱。三、覆膜砂制芯（型）工藝近年來，覆膜砂的應(yīng)用越來越廣，幾乎用于所有的鑄造方法中，其工藝方法 不盡相同，但無論是制芯還是造型，具基本工藝要求是（濕態(tài)手工類除外）：加 熱溫度200300 C；固化時間30150s;射砂壓力0.150.6MPa。具體參數(shù) 應(yīng)根據(jù)設(shè)備型號、型、芯質(zhì)量及復(fù)雜程度、覆膜砂的種類等進(jìn)行調(diào)整，原則是： 形狀簡單的砂芯、流動

10、性好（或粒度較粗）的覆膜砂可選擇較低的射砂壓力，細(xì) 薄砂芯選擇較低的加熱溫度，加熱溫度低時可適當(dāng)延長固化時間等；反之亦然。 以下分述幾種不同的應(yīng)用實(shí)例。1 .制作實(shí)體芯從理論上講，覆膜砂幾乎可以生產(chǎn)所有類型，尤其是高精度鑄件的實(shí)體芯。 采用濕態(tài)覆膜砂時，可直接利用熱芯盒設(shè)備和工裝制芯，而無需對原有設(shè)備和工 裝做任何改變。采用干態(tài)覆膜砂時，由于其流動性好，需對芯盒的排氣方式、射 嘴及芯盒密封進(jìn)行特殊處理。可利用安息角原理（覆膜砂的安息角約30o ）,解決射砂后排氣時覆膜砂進(jìn)入射腔和不射砂時覆膜砂自動下落等問題。目前，采 用干態(tài)覆膜砂熱芯盒制芯工藝的廠家較多。2 .制作殼型用覆膜砂制作殼型，常見于

11、澆注凸輪軸等軸類零件或剎車片等盤類零件及一 些表面要求高的閥類零件等。其相關(guān)參數(shù)如下：砂鐵比 1: （1.5）4;拔模斜 度0.5 °1°等，殼型壁厚812mm。均勻的殼型壁厚可以減少覆膜砂用量， 獲得均勻的鑄件組織。用覆膜砂制作殼型, 可采用固定式射芯機(jī)或翻轉(zhuǎn)式射芯機(jī)，前者可用干態(tài)覆膜砂或濕態(tài)覆膜砂，后者 只能選用干態(tài)覆膜砂。3 .制作殼芯用覆膜砂制作殼芯通常采用搖擺式殼芯機(jī)(如 K85、K87、K89等)，通過 射砂、結(jié)殼、提出余砂、固化、脫膜等環(huán)節(jié)完成制芯過程。為了確保殼芯的品質(zhì)，除了要保證覆膜砂的品質(zhì)之外，還必須根據(jù)每個砂芯的具 體情況來選擇合理的制芯工藝。(1)芯

12、盒溫度 芯盒溫度是影響殼層厚度的主要因素之一，一般控制在 230-300 C,并根據(jù)下列原則選定：保證覆膜砂上的樹脂軟化及固化所需的足夠 熱量；保證形成需要的殼厚且殼芯表面不焦化；盡量縮短結(jié)殼及硬化時間， 以提高生產(chǎn)率。(2)射砂壓力及時間 射砂壓力應(yīng)根據(jù)砂芯的形狀及復(fù)雜程度而定，以能使 芯砂緊密地 充填芯盒為宜。壓力過高時，易使砂芯出現(xiàn)縮頸和跑砂現(xiàn)象；壓力過 低時，砂芯易出現(xiàn)疏松現(xiàn)象。射砂時間過長，易使已結(jié)殼的型殼滑移，造成結(jié)殼 很??；時間過短則砂芯不能成型。射砂壓力一般為0.150.4MPa ,射砂時間一般 控制在310s。(3)結(jié)殼時間 結(jié)殼時間的長短取決于砂芯殼厚，殼厚由砂芯在運(yùn)輸、組

13、芯 及澆注時的強(qiáng)度要求而定。在覆膜砂品質(zhì)一定的前提下，殼層越厚強(qiáng)度越高。殼 厚68mm時，結(jié)殼時間1030s,殼厚10mm時，結(jié)殼時間2065s。(4)搖擺倒砂時間 殼芯機(jī)在結(jié)殼階段結(jié)束后，將芯盒射砂口朝下，以45o角 的幅度左 右搖擺，倒掉未結(jié)殼的余砂。該段時間可根據(jù)砂芯外形復(fù)雜程度及射砂 口的布置情況來確定，以倒凈為宜，一般為 5-10S。(5)硬化時間 為了使砂殼充分硬化，砂芯應(yīng)持續(xù)在加熱的芯盒中硬化，硬 化時間可根據(jù)殼厚及芯盒溫度而定。時間過短，殼層未完全固化則強(qiáng)度低些；時間過長，砂芯表層易燒焦4.熱法離心鑄造般控制在20-100S該工藝是在粗成形的金屬型（鐵型）內(nèi)傳統(tǒng)的離心鑄造工藝，

14、主要用于生產(chǎn) 管類回轉(zhuǎn)體鑄件，先在鐵模內(nèi)腔表面涂掛一層涂料以利于取模。近年來，已開發(fā) 出適于離心鑄造用覆膜砂替代涂料生產(chǎn)。由于其排氣效果較差，故要求壁薄（約 3mm）,且通常采用雙層砂，與鑄件接觸表面采用細(xì)砂（70/140目），外層采用 粗砂（50/100目）。5,鐵型覆膜砂工藝該工藝是在粗成形 的金屬型（鐵型）內(nèi)腔覆一薄層覆膜砂（3-8mm ）而形成 鑄型，見圖1。它通過各種手段，如工藝試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬、經(jīng)驗(yàn)圖表等，合理 地設(shè)定鐵型壁厚和覆膜砂厚度、澆注系統(tǒng)及覆膜砂層材料，以達(dá)到使鑄鐵在一個 比較有利的條件下完成充型凝固冷卻，提高其內(nèi)在品質(zhì)和表面品質(zhì)的目的。我國鐵型覆砂技術(shù)首先是在中小鑄造企

15、業(yè)中發(fā)展起來并成功應(yīng)用的。20世紀(jì)70年代末，我國建成了第一條鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線。80年代以后，我國鐵型覆砂 鑄造工藝的基本研究隊(duì)伍和應(yīng)用企業(yè)已形成，并得到較快地發(fā)展。目前，我國已 有近百家企業(yè)將鐵型覆砂鑄造應(yīng)用于生產(chǎn)， 年產(chǎn)鐵型覆砂鑄件10萬噸左右（主要 是曲軸、凸輪軸、齒輪及出口鑄件等），年耗覆膜砂約2萬噸。我國許多中小鑄造企業(yè)不同程度存在鑄件品質(zhì)差、經(jīng)濟(jì)效益低和鑄造生產(chǎn)條 件惡劣的情況，又很少有財(cái)力進(jìn)行根本性的技術(shù)改造，因此有些中小鑄造企業(yè)就 考慮采用投資少、見效快的鐵型覆砂鑄造技術(shù)來提高自身的競爭能力。因?yàn)殍F型 覆砂鑄造生產(chǎn)的鑄件平均精度為 CT7級左右，表面粗糙度為12.5um,投資

16、幾十 萬元就能基本形成生產(chǎn)能力。如果大企業(yè)采用此工藝則可有效地降低生產(chǎn)成本。鐵型覆砂鑄造的主要工藝參數(shù)：鐵型壁厚 25mm,覆砂層厚5-8mm （適用于小缸 徑球鐵曲軸）；鐵型質(zhì)量一般是型鑄件質(zhì)量的 5倍左右；鐵砂比（鑄件質(zhì)量與所耗覆膜砂量之比）為6-7。鐵型覆砂造型方法（即覆砂層的獲得）有射砂成型和壓模成型兩種，前者目前用得較多，覆砂層為普通覆膜砂，特別適于大批量生產(chǎn)； 后者適用于單件質(zhì)量較大（鐵型尺寸達(dá)數(shù)米長）的曲軸等，覆砂層為各種流態(tài)自 硬砂。前者射砂壓力的選擇與覆膜砂厚度有關(guān)，當(dāng)射砂壓力為0.2-0.6MPa ,覆膜砂厚度為4-5mm時，其密度最大。由于鐵型覆砂的鑄型剛度較好，可提高鑄

17、件的致密性，密度平均提高0.86%。 許多企業(yè)實(shí)現(xiàn)了四缸及以下球鐵曲軸的鑄態(tài)生產(chǎn)。鑄態(tài)性能達(dá) QT800-2以上，鑄 造廢品率為3%5%。四、覆膜砂的再生與品質(zhì)控制隨著人類對環(huán)保要求的不斷提高，覆膜砂的回收與再生顯得越來越重要和迫 切。目前常用的再生方法為機(jī)械再生與熱法再生。機(jī)械再生的基本原理是利用高速回轉(zhuǎn)輪的砂輪（約3500r/min ）和慢速轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)框之間的間隙（510mm）對舊砂進(jìn)行磨擦，以達(dá)到去除舊砂表面的樹脂和對舊 砂進(jìn)行整形的目的，所產(chǎn)生的粉塵則通過通風(fēng)除塵進(jìn)行處理。熱法再生的基本原理是利用舊砂預(yù)處理和沸騰式熱法再生爐設(shè)備，首先對舊砂進(jìn)行振動破碎和磁分 離，然后在沸騰式再生爐中焙

18、燒，出砂后再經(jīng)保溫、冷卻、篩分即可回用。經(jīng)熱 法再生后的回用砂性能可達(dá)：灼燒減量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）<0.3%;粒度集中率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）80%90% ;發(fā)氣量<3mL/g。為了保證覆膜砂芯的品質(zhì)，首先要確保覆膜砂的品質(zhì)，覆膜砂的各種性能指標(biāo)必須滿足生產(chǎn)要求，其檢驗(yàn)方法可參閱機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T8583.1997鑄造用覆膜砂）。覆膜砂芯的品質(zhì)除了砂芯的幾何形狀、尺寸精度、表面品質(zhì)與殼層厚度之外， 還要通過觀察砂芯顏色來檢驗(yàn)芯砂的固化情況。正常的情況是，砂芯外表應(yīng)為均勻的黃褐色，中心為淡黃色，過燒時外表呈現(xiàn)褐色乃至黑色，硬化不足時外表呈 黃色，中心為白色。五、展望21世紀(jì)的造型、制芯技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵問題，應(yīng)是開發(fā)無污染、少污染、生產(chǎn) 成本低、節(jié)能節(jié)材和勞動條件好的造型、制芯工藝。因此，覆膜砂技術(shù)今后的發(fā) 展方向應(yīng)該是：(1)減少覆膜砂的環(huán)境污染，開發(fā)低游離酚、低發(fā)氣、少污染的酚醛樹脂， 保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境。(2)酚醛樹脂代用品的研究。因酚醛樹脂價(jià)格昂貴，研制一種價(jià)廉物美的 新型粘結(jié)劑是當(dāng)務(wù)之急。(3)進(jìn)一步研究與改進(jìn)酚醛樹脂的流變性，不斷提高樹脂的反