自硬樹脂砂工藝的發(fā)展

自硬樹脂砂工藝的發(fā)展

在鑄造表面，造型芯加工通常包括熱芯加工（熱芯盒）、氣硬快速冷芯硬化（冷芯盒）和自硬砂加工。自上世紀(jì)五六十年代以后,有機(jī)合成粘結(jié)劑的研制和開發(fā)應(yīng)用已使諸多鑄造廠拋開了傳統(tǒng)的造型工藝,根據(jù)其生產(chǎn)條件,如鑄件種類、造型(芯)生產(chǎn)線規(guī)模、勞動力狀況、環(huán)保與能源的要求等來選擇更適合的造型制芯工藝及鑄造用原輔材料。由于全世界范圍內(nèi)出現(xiàn)的環(huán)保危機(jī)、能源危機(jī)以及日益激烈的市場競爭對鑄造界的影響,迫使鑄造廠尋求環(huán)保節(jié)能高效的綠色鑄造方式。自硬樹脂砂造型與制芯工藝已被世界范圍內(nèi)大多數(shù)中小型型芯砂制造者所接受,由于其型砂緊實(shí)堅(jiān)硬、易于控制、鑄件尺寸精度高,故目前自硬樹脂砂工藝已用于澆注所有種類的金屬鑄件,例如當(dāng)今宇航工業(yè)以及軍事工業(yè)所需的輕質(zhì)合金鋼、銅合金、鋁合金、普通鋼、高合金鋼的鑄造都可以采用自硬樹脂砂工藝來生產(chǎn)。當(dāng)今,正迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)自動化控制也對自硬樹脂砂工藝的發(fā)展起到了推波逐瀾的作用,在造型制芯方面自硬樹脂砂工藝均取得了不可低估的作用和充分地顯示了其本身優(yōu)勢。1呋喃樹脂樹脂的使用目前用于自硬樹脂砂工藝的鑄造用樹脂一般分為以下三類:1)酸催化的呋喃樹脂。例如呋喃樹脂,酚醛、脲醛、酚脲醛改性的呋喃樹脂,這些樹脂可以單獨(dú)使用,必要時也可以混合使用。2)由異氰酸酯和多元醇組成的聚脲烷類樹脂。3)堿性酚醛樹脂。這類樹脂可以與任何種類的砂混合而用于自硬砂工藝(包括橄欖石砂,由于橄欖石砂呈堿性,不能用作酸催化的呋喃樹脂自硬砂)。2自蝕刻樹脂的特性2.1增強(qiáng)聚合物的研制一般情況下,鑄造用樹脂是由C、H、O、N等原子以不同的形式結(jié)合而形成的液態(tài)的有機(jī)化合物。在樹脂生產(chǎn)階段,各種原材料分子在熱和催化劑的作用下,初步聚合成具有兩維空間的線性鏈狀結(jié)構(gòu)的初聚物分子,如圖1所示。而在鑄造廠使用時,由于第二種催化劑(固化劑或硬化劑)的加入,促使分子間這種聚合反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行并形成具有非常大的分子量的具有三維空間結(jié)構(gòu)的不溶不熔性的體形網(wǎng)狀高分子聚合物,如圖2所示。當(dāng)三維結(jié)構(gòu)聚合反應(yīng)發(fā)生在砂子之間時,所形成的網(wǎng)狀樹脂結(jié)構(gòu)就將砂粒彼此粘結(jié)起來,形成堅(jiān)硬的骨架結(jié)構(gòu)。這也就是我們通常所說的樹脂產(chǎn)生固化反應(yīng)而硬化了。當(dāng)二維空間結(jié)構(gòu)的線性聚合物分子與砂子混合時,在固化劑的作用下,樹脂的聚合反應(yīng)開始時較慢,繼而反應(yīng)加速直到反應(yīng)完全。剛開始的聚合反應(yīng)會被砂子的流動而打斷,即阻礙聚合反應(yīng)生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);反之,網(wǎng)狀聚合物的形成也阻礙了砂子的流動性,即影響造型制芯操作過程以及型砂的最終機(jī)械強(qiáng)度。自硬樹脂在固化劑作用下由兩維空間特性結(jié)構(gòu)變成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是其共性,每一種自硬樹脂由于其分子結(jié)構(gòu)不同,活性基團(tuán)不同,由兩維向三維轉(zhuǎn)化的方式、速度、生成物均各不相同。了解各類樹脂的硬化特性對鑄造廠在樹脂的選擇時起一定的幫助。2.2硬木脂砂的使用壽命和采樣時間了解各類樹脂的硬化特性,首先明確“可使用時間”和“可脫模時間”兩個概念。(1)砂體終抗壓強(qiáng)度測試測試方法有三種。1)測型砂的初抗壓強(qiáng)度值。將混好的樹脂砂立即做成若干個?50mm×50mm的型砂試樣,一半樣品置于密閉處,一半樣品置于空氣中,然后,每隔一定時間測其抗壓強(qiáng)度,繪出的強(qiáng)度時間曲線,如圖3所示。2)測型砂的終抗壓強(qiáng)度值。將混好的樹脂砂置于空氣中,每隔一定時間制成一個?50mm×50mm的試樣,硬化24h后測其抗壓強(qiáng)度,當(dāng)某個試樣最終強(qiáng)度只有第一個試樣的70%時,那么制這個試樣以前的那段時間就是可使用時間。一般工廠均采用這種方法測可使用時間。3)經(jīng)驗(yàn)判斷法。在空氣干燥、通風(fēng)良好的條件下,觀察混合好的樹脂砂在空氣中其表面變化情況,如果樹脂砂表面出現(xiàn)一層干皮,用手觸摸有硬感時,這段時間為其可使用時間。樹脂砂超過了其可使用時間就不應(yīng)該再使用了,如果再用,則由于砂的流動性變差會造成型芯砂的終強(qiáng)度降低。通常情況下,樹脂和催化劑(固化劑)混合物聚合反應(yīng)速度越快,其可使用時間越短。(2)尺寸改變或塌箱指混好的樹脂砂從充型到脫模的時間范圍。一旦鑄模(芯盒)被裝滿樹脂砂后,樹脂砂應(yīng)盡快地固化,以便砂型、芯能從鑄?；蛐竞兄忻摮?而不引起任何尺寸的改變或塌箱現(xiàn)象。即型、芯砂具有可以移動的最低強(qiáng)度值所需的時間。很明顯,可使用時間與脫模時間之間有沖突,互為矛盾體?？擅撃r間與可使用時間均與樹脂類型、固化劑類、原砂的質(zhì)量、混砂機(jī)類型以及環(huán)境的溫度和濕度有關(guān)。鑄造廠總希望“可使用時間”越長越好,可脫模時間“越短越好”,也就是說“可使用時間與可脫模時間之比”越大越好,比值越大,脫模階段用的時間越少,造型速率越高,生產(chǎn)效率越高,鑄模和芯盒的周轉(zhuǎn)使用率也愈高。2.3硬木框架的硬化曲線和硬化特性2.3.1b化合物質(zhì)量控制呋喃樹脂的硬化曲線如圖4所示。呋喃樹脂砂具有如下特性:a)毒性小、氣味低、粘度低,型芯砂強(qiáng)度高。b)呋喃樹脂砂流動性好,性能穩(wěn)定,儲存期長。c)可使用時間和脫時間可以控制。d)澆注后包覆在砂粒表面的樹脂膜易除去,舊砂易回收利用。e)可澆注所有類型的金屬鑄件。f)對原砂的酸堿性要求嚴(yán)格,酸耗值高的砂不應(yīng)使用,如橄欖石砂。g)硬化過程受周圍環(huán)境的溫度、濕度影響大。2.3.2溫度、濕度對原砂性能的影響脲烷樹脂的硬化曲線如圖5所示。脲烷樹脂砂的特性為:a)生產(chǎn)的適應(yīng)性好,可使用時間長。b)環(huán)境溫度、濕度對固化過程影響小。c)原砂的酸耗值(PH值)對固化過程影響小。d)型砂澆注后的潰散性特好,適于生產(chǎn)有色金屬。e)樹脂毒性大,澆注時發(fā)氣量大。f)對環(huán)保及勞保不利。2.3.3型芯砂c型堿性酚醛樹脂硬化特性曲線如圖6所示。堿性酚醛樹脂砂的特性為:a)混砂工藝操作性好。b)不要求原砂的酸堿性,可用橄欖石砂。c)型砂具有韌性,澆注時產(chǎn)生的強(qiáng)熱可使型芯砂二次硬化,鑄件尺寸精度高。d)澆注時發(fā)氣量少,且不含氮、磷、硫等有害元素,適宜于鑄鋼與球鐵鑄件生產(chǎn)。e)樹脂存放期較短。f)舊砂回收困難,太多的含鉀鹽的舊砂會對環(huán)保造成危害。2.4硬木脂砂對鑄造質(zhì)量的影響自硬砂對鑄件質(zhì)量的影響如表1所示。2.5“下聚合”的表現(xiàn)自硬樹脂為一種高分子溶液,在溶劑混合物中,分子鏈在常溫下也會不斷聚合。所以,鑄造廠在使用樹脂時應(yīng)注意其貯存環(huán)境和儲存期,超過儲存期的樹脂最明顯的變化就是樹脂的粘度變大,樹脂變稠,影響造型制芯的速度和型芯砂的機(jī)械強(qiáng)度。3在芯的設(shè)計(jì)中，自硬樹脂對鑄造中使用的原砂的要求1酸催化固化劑原砂是型芯砂的骨架,硅砂是常用的鑄造用原砂。自硬樹脂砂工藝造型生產(chǎn)時,對所用的砂的成份要求是十分高的,特別是自硬呋喃樹脂砂是用酸催化而固化的,酸性催化劑固化劑可以與原砂中任何堿性化合物反應(yīng)而導(dǎo)致酸性減弱,為了提高酸的固化性能,就必須加大催化劑用量,而加大催化劑用量會導(dǎo)致砂粒表面存有過量的酸,過量的酸與堿性化合物的反應(yīng)比粘結(jié)劑固化反應(yīng)慢,且酸與堿性化合物反應(yīng)生成的CO2會破壞已經(jīng)硬化的樹脂膜而使型(芯)砂強(qiáng)度降低。2砂粒體積為無論哪一種自硬樹脂砂工藝,對砂子的特性要求都是一致的,即要求原砂的形狀應(yīng)是圓形或橢圓形砂,而相同砂粒體積的尖角砂或多角砂的表面積大,需要的粘結(jié)劑量多,尖(多)角砂的流動性較差,砂易于破碎,會導(dǎo)致射砂困難,填充不實(shí),型芯砂強(qiáng)度降低等。對原砂的粒度要求是分布均勻,粒形系數(shù)(角形系數(shù))越小越好。3砂體溫度對鑄件產(chǎn)生氣孔的影響自硬樹脂砂工藝特別是自硬呋喃樹脂砂工藝要求砂的濕度應(yīng)<1%,由于含水量大將減慢或阻止樹脂砂的固化速度并降低型芯砂的機(jī)械強(qiáng)度,過量的水份在澆注時還會使鑄件產(chǎn)生氣孔。4含泥量對“可使用時間”的影響微粉指原砂中粒徑低于140目的細(xì)砂,微粉含量越低越好。原砂中含泥量越小越好。含泥量超過0.01%的砂就可使樹脂砂混合物的“可使用時間”延長。含泥量高,砂粒表面還會沉積一層泥膜,使砂回收困難,并降低樹脂砂的強(qiáng)度。5砂溫對硬化速度的影響每一種自硬樹脂硬化速度對反應(yīng)溫度都是十分敏感的,自硬砂造型工藝在一般情況下,設(shè)備、反應(yīng)物、工作環(huán)境是不變的,砂子溫度的變化特別是使用回收砂時,砂溫的變化對硬化速度的影響是:溫度每增加10℃,型砂硬化時間減少一半,溫度每降低10℃,硬化時間會增加一倍。所以,在使用回收砂時,砂溫控制在室溫～35℃之間。6砂類砂回收砂比較從環(huán)保和成本核算兩方面考慮,均應(yīng)對舊砂進(jìn)行回收利用,但回收砂特別是樹脂砂回收中會含有過量的樹脂和固化劑殘留的氧化物,會使砂的灼減量加大,易揮發(fā)物量加大。澆注時,易揮發(fā)物會造成鑄件表面“橙皮現(xiàn)象”的缺陷。4自硬樹脂砂工藝使用的添加劑自硬樹脂砂工藝除了原砂與樹脂之外,還必須加固化劑、增強(qiáng)劑、抗?jié)駝?、預(yù)防鑄件缺陷的添加物等附加物。附加物的使用可以提高型芯砂機(jī)械強(qiáng)度,降低鑄造成本,預(yù)防鑄件缺陷,提高鑄件質(zhì)量。使用自硬樹脂砂時必須添加的附加物為硅烷和固化劑。硅烷為含硅的有機(jī)化合物,鑄造界又稱其為硅烷偶聯(lián)劑,由于硅烷具有特殊的兩極分子結(jié)構(gòu)。鑄造用樹脂中加入硅烷,可以認(rèn)為其形成了另一種具有一定意義的樹脂,加入硅烷可降低型芯砂的吸濕性,提高砂粒與樹脂網(wǎng)的粘結(jié)性,使型芯砂的強(qiáng)度提高許多。自硬樹脂砂工藝使用的固化劑:自硬呋喃樹脂砂所用的固化劑為酸性催化劑。如磷酸、硫酸、有機(jī)甲苯、二甲苯磺酸等。自硬聚脲烷類樹脂所用的固化劑為有機(jī)胺類和吡啶及其衍生物類等。自硬堿性酚醛樹脂所用的固化劑為酯類催化劑。如三醋酸甘油酯、甲酸甲酯等。5國外樹脂生產(chǎn)基地向我國擴(kuò)展隨著我國WTO的加入,對鑄造業(yè)既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。為提高鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本等需要,使用自硬樹脂砂造型制芯的生產(chǎn)廠越來越多,自硬樹脂的需求量也在不斷增多。為此,除了一些老的樹脂生產(chǎn)廠不斷擴(kuò)產(chǎn)以外,新的樹脂供應(yīng)商也正風(fēng)起云涌地加入到鑄造行業(yè)中,特別是國外一些樹脂供應(yīng)商也將其樹脂生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)基地不斷向我國擴(kuò)展,如美國阿什蘭公司、德國歐區(qū)·愛公司、法國福斯科