覆膜砂鑄造材料工藝

覆膜砂鑄造材料﹠工藝皆見來龍去脈我國(guó)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(chǎng)。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(guó)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(guó)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(guó)際市場(chǎng)的開發(fā)，對(duì)鑄件品質(zhì)的要求越來越高，覆膜砂的應(yīng)用將會(huì)在短期內(nèi)得到迅速增長(zhǎng)。一、覆膜砂原材料的選用覆膜砂一般由骨料、粘結(jié)劑、固化劑、潤(rùn)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(duì)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(chǔ)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鋯砂或鉻鐵礦砂。對(duì)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≤0.2%；

（3）粒度分布宜采用3～5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)<1.3；

（6）pH值<7;

（7）硅砂需用水擦洗過，如有特殊要求，可將硅砂酸洗或進(jìn)行高溫活性處理（900℃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(duì)其性能要求是：

（1）聚合速度（熱板法）：25～27s；

（2）軟化點(diǎn)（環(huán)球法）：90～105℃；

（3）流動(dòng)性（斜板法）：60～110mm；

（4）游離酚含量（溴化法）：≤4%。

粘結(jié)劑的性能對(duì)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(guó)外已開發(fā)出不同性能的專用樹脂，如高強(qiáng)度低發(fā)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(guó)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(rùn)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(jí)品。潤(rùn)滑劑一般采用硬脂酸鈣。其作用是防止覆膜砂結(jié)塊，增加流動(dòng)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（如二氧化錳、重鉻酸鉀、高錳酸鉀、已內(nèi)酰胺等）、增強(qiáng)增韌添加劑（如超短玻璃纖維材料、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，其基本工藝要求是（濕態(tài)手工類除外）：加熱溫度200～300℃；固化時(shí)間30～150s；射砂壓力0.15～0.6MPa。具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)設(shè)備型號(hào)、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(jiǎn)單的砂芯、流動(dòng)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(shí)可適當(dāng)延長(zhǎng)固化時(shí)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(shí)，可直接利用熱芯盒設(shè)備和工裝制芯，而無需對(duì)原有設(shè)備和工裝做任何改變。采用干態(tài)覆膜砂時(shí)，由于其流動(dòng)性好，需對(duì)芯盒的排氣方式、射嘴及芯盒密封進(jìn)行特殊處理?？衫冒蚕⒔窃恚ǜ材ど暗陌蚕⒔羌s30o），解決射砂后排氣時(shí)覆膜砂進(jìn)入射腔和不射砂時(shí)覆膜砂自動(dòng)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8～12mm。

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(gè)砂芯的具體情況來選擇合理的制芯工藝。

（1）芯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℃，并根據(jù)下列原則選定：①保證覆膜砂上的樹脂軟化及固化所需的足夠熱量；②保證形成需要的殼厚且殼芯表面不焦化；③盡量縮短結(jié)殼及硬化時(shí)間，以提高生產(chǎn)率。

（2）射砂壓力及時(shí)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(shí)，易使砂芯出現(xiàn)縮頸和跑砂現(xiàn)象；壓力過低時(shí)，砂芯易出現(xiàn)疏松現(xiàn)象。射砂時(shí)間過長(zhǎng)，易使已結(jié)殼的型殼滑移，造成結(jié)殼很??；時(shí)間過短則砂芯不能成型。射砂壓力一般為0.15～0.4MPa，射砂時(shí)間一般控制在3～10s。

（3）結(jié)殼時(shí)間結(jié)殼時(shí)間的長(zhǎng)短取決于砂芯殼厚，殼厚由砂芯在運(yùn)輸、組芯及澆注時(shí)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6～8mm時(shí)，結(jié)殼時(shí)間10～30s，殼厚10mm時(shí)，結(jié)殼時(shí)間20～65s。

（4）搖擺倒砂時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間可根據(jù)殼厚及芯盒溫度而定。時(shí)間過短，殼層未完全固化則強(qiáng)度低些；時(shí)間過長(zhǎng)，砂芯表層易燒焦。一般控制在20-100s。4.熱法離心鑄造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，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?。s3mm），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(gè)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(guó)鐵型覆砂技術(shù)首先是在中小鑄造企業(yè)中發(fā)展起來并成功應(yīng)用的。20世紀(jì)70年代末，我國(guó)建成了第一條鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線。80年代以后，我國(guó)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(guó)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)能力。因?yàn)殍F型覆砂鑄造生產(chǎn)的鑄件平均精度為CT7級(jí)左右，表面粗糙度為12.5um，投資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(zhǎng)）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(shí)，其密度最大。由于鐵型覆砂的鑄型剛度較好，可提高鑄件的致密性，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(duì)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(dòng)的回轉(zhuǎn)框之間的間隙（5～10mm）對(duì)舊砂進(jìn)行磨擦，以達(dá)到去除舊砂表面的樹脂和對(duì)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(duì)舊砂進(jìn)行振動(dòng)破碎和磁分離，然后在沸騰式再生爐中焙燒，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(shí)外表呈現(xiàn)褐色乃至黑色，硬化不足時(shí)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(dòng)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，不斷提高樹脂的反應(yīng)、覆膜及固化特性。

（4）研究樹脂合成過程中的性能控制，對(duì)樹脂中大分子及小分子的合適級(jí)配也需進(jìn)一步研究，以提高樹脂的強(qiáng)韌性和抗脫殼性。

（5）進(jìn)一步研究舊砂的回用。隨著我國(guó)覆膜砂用量的不斷增大，許多廠家用量已達(dá)到數(shù)千噸以上，