熱法覆膜砂的熱態(tài)性能

熱法覆膜砂的熱態(tài)性能

自第二次世界大戰(zhàn)時期以來，德國克朗寧發(fā)明了殼體（芯）法，該工藝已經經歷了半個多世紀。這種加工方法已經在汽車和內河行業(yè)的芯制造領域得到了應用和發(fā)展。雖然這幾十年中熱芯盒、冷芯盒等各種新工藝層出不窮,但對形狀復雜、薄壁、表面質量和尺寸精度要求高的諸如大批量生產的缸體、缸蓋、變速箱等中空殼型芯,仍采用覆膜砂制芯。但隨著汽車等行業(yè)技術的發(fā)展,對鑄件的質量要求愈來愈高,再加上環(huán)保方面的要求,現有的覆膜砂性能已滿足不了生產的要求,主要的問題是樹脂加入量偏大,又污染環(huán)境。殼型(芯)的固化溫度、結殼速度、覆膜砂中樹脂的加入量、原砂性能以及填砂方式等等工藝參數對鑄件的尺寸精度、表面粗糙度和成品率均有影響,但在基本工藝條件的情況下,最重要的影響因素是覆膜砂本身的熱態(tài)性能。鑄造工作者幾十年來在覆膜砂的熱態(tài)性能提高上做了很多工作,目標主要是在降低樹脂加入量的同時提高或保持必要的熱態(tài)性能。幾十年來,樹脂的加入量已從上世紀80年代的3.5%,到90年代降低到2.5%左右,但仍感到加入量過大,熱態(tài)性能不夠好,同時膜殼等缺陷問題也解決得不好。要改善覆膜砂的熱態(tài)性能主要是要提高覆膜砂的熱強度和熱韌度。為滿足市場需求,我們對現有常用的熱塑性酚醛樹脂進行改性,精選原砂,研究各種催化劑、促進劑,包括常用的增塑劑、潤滑劑等,嚴格控制覆膜工藝參數等來提高現有覆膜砂的熱態(tài)性能。常用的熱法覆膜工藝流程是將原砂加熱到140~160℃,與酚醛樹脂均勻混合,樹脂受熱而熔化,包在砂粒表面;隨著溫度降低,混合物變粘,再加入烏洛托品非溶液作為固化劑,硬脂酸鈣作為潤滑劑,和各種添加劑等。在制芯過程中,覆膜砂被芯盒加熱,砂粒表面被融化,形成牢固的粘結橋,將砂粒與砂粒粘結在一起,固化成為可用的殼芯。我們經過反復對原砂、樹脂等挑選,優(yōu)化選擇有效的添加料,使覆膜砂的熱態(tài)性能大為提高,樹脂的加入量也降到2%(不包括焙燒砂)。1物理改性的方法覆膜砂對原砂的要求較高,應當選擇SiO2含量高、粒形好、雜質少的原砂。如果SiO2含量低,雜質多,則這部分雜質將與覆膜的樹脂結合,增加樹脂的消耗量,同時連接砂粒與砂粒的樹脂粘結橋,也會因雜質的過多混入,使固化后的覆膜砂強度降低。我們選用福建東山砂,其SiO2含量97%,粒形圓,耐火度達1450℃,原砂集中率在60%左右,可直接使用,無需水洗?？筛鶕材ど暗氖褂脤ο筮x用不同的粒度,以提高強度。樹脂是混制覆膜砂的重要組成,現有商品類熱型性酚醛樹脂的聚合速度、聚合強度等性能均不能滿足混制低樹脂快速固化覆膜砂的要求,必須進行改性。我們選用物理改性的方法,即在混制覆膜砂的覆膜過程中,加入兩種以上、不同分子量的樹脂和其他添加料,作為促進劑A,來對現有樹脂進行改性。在常用的屬于大分子的酚醛樹脂中加入適當的低分子堿性樹脂,其在處理過程中產生的特殊酚醛羥莖具有較強的活性,在覆膜砂混制時與B物質和烏洛托品等在受熱的情況下產生聯縮聚反應,使得覆膜砂具有較高的熱態(tài)強度。B是一種有硅物質成分的促進劑,這種促進劑實質上是在偶聯劑硅烷的基礎上加入某種粘結劑使其具有特殊的作用,這是一種具有雙重化學性質的物質,其分子結構中通常都會有兩種不同性質的基因,一種是親無機物(強極性)的基因易和無機物(如砂子)起反應,形成牢固的化學鍵;另一種是親有機物(極性小或非極性)的基因能和有機物(合成樹脂)起反應或互溶。在混制覆膜砂時選擇合適的時間和溫度以獲得強度的最大值。這兩種促進劑可以提高樹脂在原砂表面的附著力,增加強度;可以加強樹脂膜的內聚強反應,使樹脂與原砂間的粘結橋內聚力提高,覆膜砂的強度也隨之提高;可以增加覆膜砂韌性;可以改變覆膜砂的固化速度,在一定的固化時間內可提供足夠強度的殼體,提高殼芯生產的合格率。生產大型中空殼芯時,脫殼缺陷是造成廢品的主要原因。脫殼的特征是結殼終了時,殼芯內腔仍有部分塑性狀態(tài)的砂層,其表面的樹脂膜粘結橋尚未硬化,從鄰近的已硬化層脫開而落下,有部分脫落,也有層脫現象,形成殼芯報廢。這是由覆膜砂的固化速度不夠快和其吸水性造成的,特別在南方空氣濕度較大或存放時間過長這種缺陷就更多些。因此在促進劑中也考慮加入阻止樹脂吸水的組分。A物質中是兩種以上的樹脂組成,在覆膜砂加熱固化時,酚醛樹脂內的水分子與A物質中其他物質結合,快速反應,形成氧化保護膜,使水分子不再散發(fā)出來。2覆膜砂力學性能(1)覆膜砂配方福建東山砂(70/140):100%;熱塑性酚醛樹脂:2%;促進劑A:2.5%(占樹脂);促進劑B:2.5%(占樹脂);烏洛托品(33%溶液):15%(占樹脂);硬脂酸鈣:0.15%。(2)混制工藝(3)熱態(tài)性能的試驗試驗參照瑞士GF公司的測試方法進行。主要考核覆膜砂的熱抗拉強度和熱態(tài)抗彎強度,熱抗彎強度一定程度上也反映覆膜砂的熱韌度高低。熱抗拉強度試樣為8字試樣,其腰部尺寸為22.36mm×11.18mm,長65mm,在XS-RS杠桿強度試驗機上進行。加熱溫度為232℃±5℃,時間為2min。熱抗彎強度的加熱溫度和時間與抗拉強度相同,抗彎試驗在SWX數顯硬度儀上進行。經過多次試驗,這種覆膜砂的熱態(tài)性能穩(wěn)定,熱抗拉強度≥5.0MPa,熱抗彎強度≥7.0MPa。表1是2008年10月對這種砂的一次檢查測試結果。(4)脫殼性能試驗:在GF公司的PCA型脫殼實驗機上進行。其過程是將450g覆膜砂利用漏斗自由撒落到加熱溫度為232±5℃的金屬圓盤上結殼,60s后,加熱盤翻轉180°,此時砂殼朝下,部分覆膜砂掉下,稱其重為W1,再等60s,其間又有部分覆膜砂掉落,稱其重為W2。多次試驗其平均值W1為59g,W2為0。這樣可定義結殼率為:(450-W1-W2)/450×100%=87%。在此結殼率下,殼芯因脫殼造成的廢品<5%。(5)耐高溫性能的簡易對比驗證:將“8”字試樣放入已加熱到1000~1200℃的馬弗爐中,試樣是橫態(tài)直立方式放置在爐內,保溫4h后,隨爐冷卻到室溫,冷卻后這種覆膜砂的試樣不掉砂、不變形、無損傷;而不加促進劑的普通覆膜砂試樣在15min后已完全燒透、燒塌。(6)在TSM-2型掃描電鏡下觀察熱炕拉后的試樣斷口,可見斷口比較光滑,無撕裂痕跡,屬于脆性斷裂類型,說明樹脂粘結橋的內聚強度比較高,相對于不加促進劑A和B的試樣斷口來說有明顯的不同。3殼芯砂芯的制備這種低樹脂快速固化覆膜砂自1999年開始已