液態(tài)金屬鑄造成形（第3章）第9講 樹(shù)脂砂鑄造

1、材料科學(xué)與工程學(xué)院華中科技大學(xué)HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY1授課教師：董選普教授 呂書(shū)林博士第3章 砂型鑄造3.1 3.1 砂型（芯）制造方法砂型（芯）制造方法3.2 3.2 粘土濕型粘土濕型3.3 砂型性能控制砂型性能控制3.4 3.4 水玻璃砂型（芯）3.5 3.5 樹(shù)脂砂型（芯）樹(shù)脂砂型（芯）3.6 3.6 砂型烘干、合箱、澆注清理砂型烘干、合箱、澆注清理 以樹(shù)脂作為粘結(jié)劑與相應(yīng)的固化劑和原砂混合而成的鑄造用型砂。 3.5、樹(shù)脂砂型（芯） 樹(shù)脂砂的概念樹(shù)脂砂的概念樹(shù)脂的概念 樹(shù)脂是一種高分子物質(zhì)，分子量很大，主要是C、H、

2、O和N等元素構(gòu)成。是塑料的主要組元。按其分子結(jié)構(gòu)可分為線型樹(shù)脂和體型樹(shù)脂。 樹(shù)脂砂粘結(jié)劑中的樹(shù)脂必須是在造型時(shí)為線型樹(shù)脂，在造型后型砂固化過(guò)程中，樹(shù)脂為體型樹(shù)脂。 3.5、樹(shù)脂砂型（芯）-樹(shù)脂砂是鑄造中常用的造型、制芯方法之一，適用于多品種、小批量鑄件的生產(chǎn)，具有流動(dòng)性好，澆出的鑄件尺寸精度高、表面光潔度好，澆注后的型（芯）砂潰散性好，容易再生等特點(diǎn)。在機(jī)床、水利機(jī)械、工程機(jī)械、礦山機(jī)械等領(lǐng)域普遍使用。- 常用的樹(shù)脂砂造型法有 呋喃自硬樹(shù)脂砂法 酚脲烷（PEPSET）自硬樹(shù)脂砂法 堿酚醛（-Set）法等。- 常用的樹(shù)脂砂制芯法 呋喃熱芯盒法 殼芯 三乙胺冷芯盒法等。樹(shù)脂砂在鑄造生產(chǎn)中的地位樹(shù)脂

3、砂在鑄造生產(chǎn)中的地位G 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代以來(lái)，樹(shù)脂砂工藝在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快，它年代以來(lái)，樹(shù)脂砂工藝在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快，它已廣泛應(yīng)用于這些國(guó)家的機(jī)床、重型與礦山機(jī)械、造船及通用機(jī)械行業(yè)的已廣泛應(yīng)用于這些國(guó)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)中大、中型鑄件生產(chǎn)中 。G 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，英國(guó)英國(guó)70%70%以上的鑄鐵件以上的鑄鐵件均采用呋喃樹(shù)均采用呋喃樹(shù)脂砂工藝生產(chǎn)，最大件重達(dá)脂砂工藝生產(chǎn)，最大件重達(dá)100100噸。在噸。在，化學(xué)粘結(jié)砂占全部型砂的，化學(xué)粘結(jié)砂占全部型砂的20%20%以上，其中，以上，其中，為樹(shù)脂砂（不包括殼型

4、殼芯、熱芯盒、冷芯盒）；為樹(shù)脂砂（不包括殼型殼芯、熱芯盒、冷芯盒）；在在大型鑄件生產(chǎn)中，大型鑄件生產(chǎn)中，是采用樹(shù)脂砂，樹(shù)脂工藝已占其鑄造生是采用樹(shù)脂砂，樹(shù)脂工藝已占其鑄造生產(chǎn)的第二位，僅次于濕型砂工藝。產(chǎn)的第二位，僅次于濕型砂工藝。 3.5、樹(shù)脂砂型（芯）國(guó)內(nèi)制芯概況 其他3%水玻璃4%覆膜砂甲酸甲酯9%Cold-Box 56%熱芯盒法16%堿酚醛/CO224%2%SO2-法6%9% 的覆膜砂相當(dāng)于120萬(wàn)噸覆膜砂 3.5、樹(shù)脂砂型（芯）樹(shù)脂砂的典型應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)缸體芯發(fā)動(dòng)機(jī)缸體芯熱芯盒熱芯盒或或冷芯盒冷芯盒Cylinder head汽缸蓋汽缸蓋冷芯盒冷芯盒Cylinder head汽缸蓋 冷芯盒

5、冷芯盒 3.5、樹(shù)脂砂型（芯） 3.5.1 熱硬樹(shù)脂砂覆膜砂殼芯(型)1）殼芯(型)的制造l殼芯(型)- 直接承受液體金屬作用的表面一層厚度僅數(shù)毫米的砂殼；l“ C”法或“殼法”(shell process)，或叫殼型造型(shell molding)，1940年，Johannes Croning發(fā)明該法用酚醛樹(shù)脂作粘結(jié)劑，配制的型(芯)砂叫覆膜砂(Resin coated sand)，像干砂一樣松散。其制殼的方法有兩種。 1）殼芯(型)的制造翻斗法(dumping) 制造殼型制造殼芯 3.5.1 熱硬樹(shù)脂砂覆膜砂殼芯(型)2）覆膜砂及其生產(chǎn) 3.5.1 熱硬樹(shù)脂砂覆膜砂殼芯(型) 3） 覆膜

6、砂的硬化。當(dāng)覆膜砂受模溫作用時(shí)，樹(shù)脂膜引起3個(gè)階段的的化學(xué)反應(yīng)和物理轉(zhuǎn)移。l階段1：熱塑性樹(shù)脂開(kāi)始熔融，樹(shù)脂膜的粘度下降，混在凝膠化的樹(shù)脂中的烏洛托品開(kāi)始分解出甲醛。l階段2：在熱塑性的B階段的樹(shù)脂，放出少量的副產(chǎn)物水，此時(shí)，由烏洛托品放出的甲醛與酚醛反應(yīng)縮合，向熱固性的C階段進(jìn)行。粘結(jié)劑流過(guò)砂粒間，使砂粒間形成架橋。l階段3：隨著酚醛消耗掉由烏洛托品放出的甲醛的過(guò)程中，酚醛樹(shù)脂逐步完全硬化，由可熔可溶的熱塑性樹(shù)脂向熱固性的樹(shù)脂轉(zhuǎn)換，就在此時(shí)刻完成。 3.5.1 熱硬樹(shù)脂砂覆膜砂殼芯(型) 4) 采用覆膜砂造型、芯的特點(diǎn)l覆膜砂可以長(zhǎng)期貯存(6個(gè)月以上)；l流動(dòng)性好,無(wú)需搗砂，能獲得尺寸精確的

7、型、芯；型、芯強(qiáng)度易搬運(yùn)；l 透氣性好，可用細(xì)的原砂得到光潔的鑄件表面；無(wú)需砂箱；l覆膜砂使用量小；l型、芯可以長(zhǎng)期貯放;l要求鑄件表面光潔和尺寸精度甚高的行業(yè)應(yīng)用廣泛:液壓件、凸輪軸、曲軸以及耐蝕泵件、履帶板等鋼鐵鑄件；汽車、拖拉機(jī)、液壓閥體等鑄件。 3.5.1 熱硬樹(shù)脂砂覆膜砂殼芯(型) 3.5. 2 氣硬冷芯盒法-酚醛-脲烷/胺法lThe Phenol Urethane Amine Cold Box Process，簡(jiǎn)稱PUCB法。l由 Janis Robins發(fā)明，并于1968年在克里夫蘭舉行的AFS Cast Expo. 公布于眾。最先采用PUCB工藝的是德國(guó)的奔馳公司，1967年就

8、投入生產(chǎn)應(yīng)用；在歐洲得到推廣。l1970年，加拿大Holmes鑄造廠首先采用該工藝生產(chǎn)汽車零件。l美國(guó)直到70年代中期受“能源危機(jī)”影響，才開(kāi)始采用PUCB工藝。1）冷芯盒工藝?yán)湫竞泄に囀鞘股靶局苯釉谛竞袃?nèi)硬化通過(guò)這種方式,可以不需外部加熱而直接獲得高強(qiáng)度砂芯。完全氣化的催化劑使樹(shù)脂（黏結(jié)劑）和砂子的混合物在短時(shí)間內(nèi)硬化 3.5. 2 氣硬冷芯盒法-酚醛-脲烷/胺法2）冷芯盒工藝所使用的原材料原砂礦物學(xué)特性:石英砂 99.7%黏土 0.2%（最大含量）碳酸鈣 0.07%(最大含量）樹(shù)脂催化劑組份1-約30%液體酚醛樹(shù)脂組份2-約30%液體聚異氰酸酯胺(二甲基丙胺-二甲基乙胺、三乙胺)粒度測(cè)定:

9、平均細(xì)度:40-60AFS平均顆粒尺寸取平均值粉塵含量:最大值 0.02% 3.5. 2 氣硬冷芯盒法-酚醛-脲烷/胺法 3）三乙胺法制芯工藝流程混砂射砂后硬化取芯洗滌吹氣 3.5. 2 氣硬冷芯盒法-酚醛-脲烷/胺法 4） 冷芯盒工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：l 無(wú)須加熱/ 瞬時(shí)固化，生產(chǎn)率高/l 工裝容易維修，工裝使用成本低且壽命長(zhǎng)/l 適應(yīng)性廣/芯砂流動(dòng)性好，砂芯表面質(zhì)量好/尺寸精確/l 5min后砂芯可澆注/砂芯潰散性好/l 大大改善作業(yè)環(huán)境并消除工人熱疲勞/ 3.5. 2 氣硬冷芯盒法-酚醛-脲烷/胺法3.5.3 自硬冷芯盒法制芯（型）1）概述 將原砂、液態(tài)樹(shù)脂及液態(tài)催（固）化劑混合均勻后，填充

10、到芯盒(或砂箱)中，稍緊實(shí)即于室溫下在芯盒(或砂箱)內(nèi)硬化成形，叫自硬冷芯盒法造芯，簡(jiǎn)稱自硬法造芯(型)。 基本配方（ ，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下： 原砂(再生砂）：100 樹(shù)脂粘結(jié)劑：0.82.5 催（固）化劑：占樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10 60 附加物：少量或微量3.5.3 自硬冷芯盒法制芯（型）1 1）概述）概述l呋喃樹(shù)脂是以糠醇為主，配以甲醛、苯酚、丙酮或尿素等合成的，它是以用酸催化的粘結(jié)劑。l其結(jié)構(gòu)以呋喃環(huán)為主，在結(jié)構(gòu)鏈中有相當(dāng)高濃度羥甲基團(tuán)（CH2OH）存在，并有次甲基橋（CH2）作為鏈節(jié)間的主要化學(xué)鍵。它是低聚合度的縮聚樹(shù)脂。 2 2）呋喃樹(shù)脂砂）呋喃樹(shù)脂砂3.5.3 自硬冷芯盒法制芯（型）呋喃環(huán)

11、呋喃環(huán)次甲基橋次甲基橋脲醛呋喃樹(shù)脂具有強(qiáng)度高、韌性好、毒性小、價(jià)格便宜、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn),是應(yīng)用量最大的一類樹(shù)脂。呋喃樹(shù)脂硬化反應(yīng)的機(jī)理l主要鏈節(jié)組分為： l在酸作用下，主要發(fā)生兩種類型的反應(yīng)：羥基與羥基或活性氫原子之間的失水縮聚，以及呋喃環(huán)破裂然后進(jìn)一步加成聚合的反應(yīng)。3.5.3 自硬冷芯盒法制芯（型）2 2）呋喃樹(shù)脂砂）呋喃樹(shù)脂砂3.5.3 自硬冷芯盒法制芯（型）StrippingPouring possible afterthis timeThis slopevaries withcatalyststrengthVibrating after filling T/10 T 3T to 5T minimum Time硬化曲線硬化曲線可澆注階段脫模時(shí)間操作時(shí)間斜率隨催化劑不同而不同2 2）呋喃樹(shù)脂砂）呋喃樹(shù)脂