鑄造用粘結(jié)劑的分類及發(fā)展方向

1、#綜述Survey#鑄造用粘結(jié)劑的分類及發(fā)展方向襄樊大學(xué)(湖北省襄樊市441003董選普華中理工大學(xué)黃乃瑜摘要對現(xiàn)行鑄造行業(yè)中使用的造型、制芯粘結(jié)劑作了概述,并進(jìn)行了科學(xué)分類。對它們的工藝性能、使用情況作了較全面的歸納,指出了鑄造用粘結(jié)劑的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:鑄造粘結(jié)劑發(fā)展Development of Foundry BondingDong Xuanpu(X iangfan UniversityHuang N aiyu(Huazhong U niversity of Science and T echnologyAbstract In this paper,the bonding of moul

2、ding and coring in foundry w ere described and were classified secien-tifically.The usags and technological properties of the bonders w ere introduced systematically.T he authors pointed out the way of developing the foundry bonding.Key words:Foundry Bonding Developm ent在鑄造生產(chǎn)中,造型材料占有十分重要的地位。近幾十年來,隨著

3、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,鑄造粘結(jié)材料已經(jīng)由原始的粘土發(fā)展到了其它無機(jī)、有機(jī)或無機(jī)與有機(jī)相結(jié)合的系列粘結(jié)劑。40年代末出現(xiàn)了CO2-鈉水玻璃法,60年代又發(fā)明了有機(jī)或無機(jī)基團(tuán)相結(jié)合的有機(jī)粘結(jié)劑冷硬砂,80年代,有機(jī)冷硬砂進(jìn)入成熟期,使傳統(tǒng)的粘土砂和有機(jī)熱芯盒工藝受到了有力的挑戰(zhàn)。從砂芯(砂型強(qiáng)度、環(huán)境污染和費(fèi)用等多個(gè)角度衡量,新型的無機(jī)、有機(jī)冷硬砂都有明顯的優(yōu)越性。有人對各種造型、制芯方法的材料費(fèi)用作了比較,如表1所示。表1各種造型制芯方法的材料費(fèi)用指數(shù)1 T ab.1T he mater ial expense of mouldings and corings 造型、制芯方法費(fèi)用指數(shù)水玻璃CO2法造型

4、100水玻璃CO2法制芯117水玻璃有機(jī)酯117酚醛樹脂140呋喃樹脂186油砂148176熱芯盒法162208冷芯盒法174227殼型法479注:表中系指純材料費(fèi)、制芯過程中的費(fèi)用,不含澆注、清理、環(huán)保費(fèi)有機(jī)、無機(jī)及粘土粘結(jié)劑在各種制芯、造型方法的應(yīng)用比例也隨著時(shí)代的推進(jìn)而改變。70年代末,國外有人作了一次調(diào)查1,在造型方面采用粘土類材料的約占63%;采用其它無機(jī)粘結(jié)劑材料的占13%;采用有機(jī)粘結(jié)劑材料的占24%;在制芯方法方面,首先綜合了應(yīng)用無機(jī)粘結(jié)劑的各種制芯方法,其總和占總重量的21.6%;冷硬合成樹脂法占26.3%;而熱硬法占51.6%。進(jìn)入80年代以來,樹脂自硬砂工藝在歐美、日本等

5、發(fā)達(dá)國家發(fā)展很快,它已廣泛應(yīng)用于這些國家的機(jī)床、重型與礦山機(jī)械、造船及通用機(jī)械行業(yè)的大、中型鑄件生產(chǎn)中。英國70%以上的鑄鐵件和20%以上的鑄鋼件是采用呋喃樹脂自硬砂工藝生產(chǎn)的,最大件重達(dá)100t,在美國,化學(xué)粘結(jié)砂占全部型砂的20%以上,其中,40%左右為樹脂自硬砂(不包括殼型殼芯、熱芯盒、冷芯盒;在日本大型鑄件生產(chǎn)中,50%以上是采用樹脂自硬砂,樹脂自硬砂工藝已占其鑄造生產(chǎn)的第二位,僅次于濕型砂工藝;在歐洲樹脂自硬砂最大應(yīng)用者為德國,據(jù)原西德鑄造工程協(xié)會(VDG調(diào)查,在其會員廠中,1986年采用樹脂自硬砂造型的比例已由1975年的19.4%提高到30.2%2。我國于70年代開始研究和應(yīng)用樹

6、脂自硬砂,在/六五0、/七五0期間,通過技術(shù)改造,已有十幾家機(jī)床廠先后建起了樹脂自硬砂生產(chǎn)線,所生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量明顯提高,使其機(jī)床鑄件或機(jī)床產(chǎn)品打入了國際市場。同時(shí),對酯硬化酚醛樹脂砂也開展了研究工作。如,沈陽鑄造研究所于80年代后期,成功地開發(fā)了新型酚醛樹脂粘結(jié)劑6。90年代,我國在溫芯盒、低毒無公害氣硬冷芯盒法、近無余量鑄造方面進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān),也取得了令人滿意的效果。但應(yīng)看到,我國目前80%以上的單件小批量鑄件生產(chǎn)廠,大多數(shù)還是采用粘土砂工藝,樹脂自硬砂工藝還有待于加速研究和推廣應(yīng)用。為了方便廣大鑄造工作者正確選擇和使用鑄造粘結(jié)劑,曾有許多人對鑄造粘結(jié)劑進(jìn)行過分類,以前蘇聯(lián)里雅斯的分類較為科

7、學(xué)和實(shí)用8。但是幾十年過去了,造型材料領(lǐng)域已發(fā)生了很大變化,出現(xiàn)了許多新型粘結(jié)劑。隨著生產(chǎn)的進(jìn)步,鑄件質(zhì)量的要求越來越高,原先的分類就顯得不夠了。我們借鑒里雅斯分類的方法,按粘結(jié)劑的性質(zhì)、固化方式、機(jī)理等對現(xiàn)今型砂粘結(jié)劑進(jìn)行了分類,目的在于使人們能夠直接方便地對粘結(jié)劑的類型有個(gè)清晰的認(rèn)識。見表2。表2鑄造粘結(jié)劑的分類T ab.2T he classification of foundr y bonders硬化性質(zhì)有機(jī)含氮粘結(jié)劑有機(jī)無氮粘結(jié)劑無機(jī)粘結(jié)劑親水憎水親水憎水親水憎水化學(xué)粘結(jié)冷硬熱硬反應(yīng)不可逆中間反應(yīng)反應(yīng)可逆反應(yīng)不可逆中間反應(yīng)反應(yīng)可逆聚異氰酸脂脲醛樹脂胺基甲酸酯樹脂呋喃樹脂甲階酚醛樹脂苯

8、酚樹脂酚醛樹脂呋喃樹脂水玻璃酯法磷酸鹽陶瓷粘結(jié)劑水玻璃CO2水玻璃V RH法呋喃樹脂-1淀粉類聚乙烯醇呋喃樹脂11酚醛樹脂植物油合脂石灰石熱芯盒粘結(jié)劑石膏烘干水玻璃機(jī)械粘結(jié)粘土濕型、粘土干型物理粘結(jié)真空造型、磁型造型1粘結(jié)劑的分類無論是有機(jī)還是無機(jī)粘結(jié)劑都有親水和憎水之分。所謂憎水材料既不溶于水也不被水濕潤,反之稱為親水材料。粘結(jié)劑的固化、強(qiáng)度的形成機(jī)理,隨粘結(jié)劑的性質(zhì)而異。一部分粘結(jié)劑在型砂的固化過程中發(fā)生化學(xué)變化,形成一層固化薄膜,建立了強(qiáng)度,把砂粒彼此連接起來,它們不可能返回到初始態(tài)時(shí),稱之為不可逆固化;當(dāng)部分返回到初始態(tài)時(shí),稱之為中間固化;當(dāng)可以完全返回到初始態(tài)時(shí),稱之為可逆固化。這三

9、種方式在冷、熱硬砂中都存在。111含氮類有機(jī)粘結(jié)劑中、高氮類有機(jī)粘結(jié)劑一般來說不適用于鑄鋼,其原因是這類粘結(jié)劑在鋼鑄件中易產(chǎn)生氮?dú)饪?。但其工藝性能好、?qiáng)度高、價(jià)格低,多用于有色合金鑄件及鑄鐵件。最典型的就是親水的脲醛樹脂。但親水的樹脂砂在存放的過程中易吸收空氣中的水分,使強(qiáng)度下降。以糠醇為基的呋喃樹脂,當(dāng)糠醇含量達(dá)50%以上時(shí)適用于作酸自硬樹脂,50%以下則適用于作熱硬樹脂。它們硬化后形成不被水溶解的植物油膜類的薄膜,具有不可逆固化特性。含氮樹脂中脲醛含量越高,其價(jià)格越便宜,含氮量也隨之升高,常溫自硬強(qiáng)度好。但易產(chǎn)生氣孔,高溫強(qiáng)度下降。112無氮類有機(jī)粘結(jié)劑近年來發(fā)展的無氮樹脂種類較多,如酚醛

10、-糠醇樹脂、酚醛樹脂、親水的苯酚樹脂等。它們突出的優(yōu)點(diǎn)就是無氮、發(fā)氣量小,能有效地減少氣孔缺陷,適用于鑄鋼生產(chǎn)。但它們又各有不足。如酚醛樹脂:有游離苯酚、存放期短、粘度高,落砂性差,工藝性也不如呋喃樹脂。改性的苯酚樹脂或新型酚醛樹脂能夠克服以上缺點(diǎn),在生產(chǎn)中應(yīng)用得較好。如FB-160型甲吡酚醛樹脂等。我國常用的無氮樹脂有F700系列;ZGS-2、ZGS-3樹脂;FSH-1樹脂。在熱硬法工藝中,無氮有機(jī)粘結(jié)劑更多。除了一些低糠醇含量的無氮呋喃樹脂、酚醛樹脂外,植性油、合脂及各種干性油、淀粉類等都包括在這個(gè)范圍內(nèi)。這些粘結(jié)劑在樹脂粘結(jié)劑發(fā)明前,一直廣泛地作為芯砂粘結(jié)劑應(yīng)用于鑄造生產(chǎn),由于樹脂砂的強(qiáng)

11、度高、工藝性好、生產(chǎn)率高,可以人工合成制得,所以植物油、合脂類粘結(jié)劑正處于被淘汰的地位。113親水無機(jī)粘結(jié)劑一般使用的無機(jī)粘結(jié)劑都是親水的,如水玻璃、粘土、磷酸鹽等。粘土是最古老的鑄造粘結(jié)劑。水玻璃在我國鑄鋼車間應(yīng)用十分廣泛,水玻璃砂最早是用加熱,或吹CO2來硬化,采用這些硬化方式往往使型砂中水玻璃加入量較高,與粘土砂和其它有機(jī)粘結(jié)劑相比,型砂的潰散性差,長期以來未能得到合理解決。到了70年代在樹脂自硬砂工藝的沖擊下,它的發(fā)展十分緩慢。直到80年代初,酯硬化水玻璃砂和CO2-VRH法的問世,又重新引起了鑄造行業(yè)的重視,這是由于水玻璃具有無毒、無害和價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)的緣故。目前,提高水玻璃的粘結(jié)能力,

12、降低它的加入量、改善型芯砂潰散性的主要途徑有:加入改性劑、酯硬化、真空置換法等。但是,與樹脂砂相比,水玻璃砂有待逐步加以改進(jìn)。新型磷酸鹽粘結(jié)劑國內(nèi)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段,其潰散性優(yōu)于水玻璃砂,但成本比水玻璃砂高,離生產(chǎn)實(shí)用化還有一段距離。114憎水無機(jī)粘結(jié)劑陶瓷粘結(jié)劑是最近才興起的一種無機(jī)憎水材料,許多單位正在進(jìn)行研究。國外已研制出一種陶瓷粘結(jié)劑,由兩種液態(tài)水溶性粘結(jié)劑生成,當(dāng)它們混在一起時(shí)發(fā)生反應(yīng)形成一種不溶于水的非晶質(zhì)溶膠。據(jù)認(rèn)為它具有強(qiáng)度形成迅速、優(yōu)良的熱強(qiáng)度、鑄件尺寸光潔度良好、抗毛剌、抗沖砂及抗結(jié)疤能力、可顯著地減少熱裂、落砂性好等優(yōu)點(diǎn)。適用于黑色金屬及有色金屬鑄件。2各種粘結(jié)劑工藝性能比

13、較到目前為止,鑄造中可供選擇的造型制芯粘結(jié)劑很多,人們在選擇時(shí)不僅要考慮到它們的粘結(jié)能力、工藝性能及鑄件質(zhì)量,而且也要考慮到其成本構(gòu)成、有無污染及回用性能的好壞等因素,為利于合理地、因地制宜地組織生產(chǎn),把大部分種類的粘結(jié)劑的工藝性能等項(xiàng)因素列成表3。3造型(制芯用催化劑無論熱硬還是冷硬的型砂,其硬化大部分需要催化劑以加快其固化速度。無機(jī)粘結(jié)劑砂使用的催化劑往往發(fā)生化學(xué)作用,產(chǎn)生新的物質(zhì)。如CO2-水玻璃砂。有機(jī)粘結(jié)劑砂的固化劑一般起純催化作用,即在硬化過程中不產(chǎn)生化學(xué)消耗,而是機(jī)械地包含在聚合物結(jié)構(gòu)中。常用的催化劑(包括無機(jī)酸及有機(jī)酸分為長硬化周期和短硬化周期兩類。長硬化周期的催化劑有磷酸(一

14、般濃度為65%80%的水或酒精溶液、對甲苯磺酸、苯磺酸(使用時(shí)配制成65%80% 的水或酒精溶液。短硬化周期的催化劑有:硫酸酯、硫酸乙酯及增濃苯磺酸。這些催化劑的催化作用由強(qiáng)至弱的次序?yàn)?硫酸單酯>硫酸乙酯>對甲苯磺酸>苯磺酸>磷酸催化劑對型砂的重要性并不次于樹脂粘結(jié)劑本身,好的粘結(jié)劑要有好的催化劑配合才能充分發(fā)揮其粘結(jié)效能。因此,催化劑的選擇是確定型砂工藝性能中較重要的環(huán)節(jié)。通過歸納,把實(shí)際中常用的工藝列成表4。4鑄造粘結(jié)劑的發(fā)展方向目前風(fēng)行的有機(jī)樹脂粘結(jié)劑雖然以其硬化速度快、強(qiáng)度高、鑄件尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn),大有取代無機(jī)粘土及水玻璃粘結(jié)劑之勢,但是世界范圍內(nèi)面臨著有機(jī)樹

15、脂原料的短缺及環(huán)保要求漸高的狀況,使得人們又回過頭來重新認(rèn)識開發(fā)無機(jī)粘結(jié)劑領(lǐng)域。未來新型的改性水玻璃、粘土、磷酸鹽、陶瓷等粘結(jié)劑的研究與應(yīng)用以及無粘結(jié)劑鑄造工藝的研究和應(yīng)用,必將給鑄造界帶來一個(gè)新的局面?？梢灶A(yù)計(jì),21世紀(jì)將是無機(jī)粘結(jié)劑砂與有機(jī)粘結(jié)劑砂激烈競爭的年代,兩種型砂生存的空間將取決于它們發(fā)揮各自的優(yōu)勢和抑制自身缺點(diǎn)的程度。表4典型工藝舉例T ab.4T he ty pical ex amples of foundry technolog y 工藝名稱粘結(jié)劑催化劑添加劑適用范圍、特點(diǎn)CO2-水玻璃法水玻璃(5%8%CO2氣體潰散劑,增強(qiáng)劑鑄鋼,大型鑄鐵有機(jī)酯水玻璃法水玻璃(3.5%2.

16、5%乙二醇醋酸酯0.4%速度調(diào)節(jié)劑鑄鋼,鑄鐵,潰散性好磷酸鹽法磷酸(4.5%鐵的氧化物鑄鋼,鑄鐵,潰散性好CO2-VRH法水玻璃(2%3%CO2氣體抽真空鑄鋼件,鑄鐵,潰散性好SO2法呋喃樹脂(1.4%2.2%SO2氣體有機(jī)過氧化物0.5%1.1%鑄鋼,鑄鐵,潰散好,效率高,但有氣味ASHLAND 冷芯盒法苯酚樹脂(0.8%1.2%三乙醇胺等異氰酸鹽0.7%1.8%鑄鋼,鑄鐵,潰散好,效率高,但有臭味自由基固化法聚丙烯酸酯1.0%1.2%SO2氣體+氮的混合物有機(jī)過氧化物0.2%0.3%鑄鋼,鑄鐵,質(zhì)量好B-固化M F法堿性苯酚樹脂1.4%1.7%甲酸甲酯鑄鋼,潰散好,效率高,氣味小A-硬化法

17、PJ-Ò苯酚樹脂2.5%甘油二醇醋酸酯25%35%(是粘結(jié)劑的量特種鑄鋼,潰散好,效率高,氣味小CO2-樹脂法聚丙烯酸酯3.0%3.4%CO2氣體CaO1.5%鑄鋼,鑄鐵,潰散好,效率高,氣味小酚醛樹脂1.5%CO2氣體CaO粉末,甲苯磺酸乙醇40%(是樹脂的量鑄鋼,鑄鐵,潰散好,效率高,氣味小紅硬法苯酚甲醛樹脂0.8%1.4%二甲氧基甲烷氣體磺酸液0.5%0.95%鑄鋼,潰散好,效率高,氣味小,成本低酸自硬法酚醛樹酯或呋喃樹酯0.8%1.5%對甲苯磺酸、苯磺酸等20%40%(是樹脂的量硅烷鑄鋼,潰散好,操作簡單,氣味小,成本低熱芯盒法呋喃樹脂2.5%3.0%NH4Cl5%(占樹脂的量氧化鐵0.25%鑄鋼,鑄鐵,潰散好,效率高,成本低殼型法酚醛樹脂5%6%烏洛托品15%17%(占樹脂的量硬脂酸鈣潰散好,效率高,氣味小,成本高油砂法植物油2%2.5%烘干膨潤土、紙漿1%1.5%干強(qiáng)度高,濕強(qiáng)度低,可制作復(fù)雜的砂芯,成本高礦物油3.5%4.5%烘干膨潤土、紙漿1%1.5%干強(qiáng)度高,濕強(qiáng)度中等,可制作中等復(fù)雜的砂芯,成本低改性米糠油2%2.5%烘干膨潤土、紙漿1%1.5%干強(qiáng)度高,濕強(qiáng)度中等,可制作中等復(fù)雜的砂芯,成本低真空實(shí)