鑄造工藝學 第2版 課件 第3章 有機黏結(jié)劑砂

第3章有機黏結(jié)劑砂第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

黏土砂、水玻璃砂和水泥砂---黏結(jié)劑━→無機材料

來源豐富，成本低廉，能滿足鑄造生產(chǎn)的一般要求

不足：干強度不夠高，退讓性、潰散性比較差等。

雖可廣泛用作各種砂型和形狀簡單的砂芯，但難以滿足用來制造形狀復雜、斷面較薄的砂芯的要求，因此生產(chǎn)上需要采用性能更好的有機黏結(jié)劑。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.1概述3.1.1砂芯的作用砂芯的作用有：①主要用來形成鑄件的內(nèi)腔，孔洞、凹穴等。②形成鑄件的外形。當某些局部外形（如凹凸不平的面或溝槽等）妨礙起模時，可用砂芯成形。③組芯造型：鑄件外形、內(nèi)腔都很復雜，很難起模，大批量生產(chǎn)時。整個鑄型都用砂芯制成。此法為組芯造型。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.1.2對砂芯的要求

與鑄型相比，砂芯在澆注時，絕大部分被液體金屬包圍，因此它與金屬液的相互作用更加劇烈，故對砂芯的要求更高。同時，要制成形狀復雜、斷面細薄，而且要求所形成的鑄件內(nèi)腔表面光潔。這種砂芯需需滿足以下要求：第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學1)砂芯應(yīng)具有較高的干強度；以防止在搬運和澆注的過程中損壞。對于形狀復雜、斷面細薄的砂芯尤為重要；2)較高的透氣性和較低的發(fā)氣性；發(fā)氣量要小，發(fā)氣速度要慢，最好在鑄件表面已凝固一層金屬硬殼后，才析出大部分的氣體；3)芯砂良好的流動性；易得到復雜形狀；第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學4)具有優(yōu)良的退讓性和潰散性；由于液體金屬在凝固冷卻的過程中體積產(chǎn)生收縮，如果砂芯的退讓性差，就會阻礙鑄件收縮，致使鑄件產(chǎn)生裂紋和變形等缺陷。尤其是鎂合金鑄件，其收縮較大，高溫強度很低，產(chǎn)生上述缺陷的可能性更大；潰散性好可減少清理量。5)具有不吸濕或較小的吸濕性；易于存放，否則回潮易產(chǎn)生氣孔缺陷；第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學6)原材料來源豐富，價格低廉，無毒。

上述幾點是對砂芯總的要求，而不是說每一個砂芯都必須滿足上述全部要求。由于每個砂芯的技術(shù)條件、結(jié)構(gòu)形狀和生產(chǎn)條件不同，因此，對每個砂芯的要求是不同的。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.1.3砂芯的分級

為了便于根據(jù)砂芯的特點選用黏結(jié)劑，擬定相應(yīng)的制芯工藝規(guī)程，生產(chǎn)上常將砂芯分為五級。這是根據(jù)砂芯外形特征及在鑄型中的工作條件進行分級的。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學表3-1為砂芯的分級及各級砂芯的主要特征、性能。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.1.4砂芯黏結(jié)劑的分類

目前，鑄造生產(chǎn)上使用的砂芯黏結(jié)劑種類繁多，新的黏結(jié)劑和制芯工藝不斷涌現(xiàn)，為了便于合理選用黏結(jié)劑和制芯工藝，也為了開發(fā)新的黏結(jié)劑，有必要對黏結(jié)劑進行分類。

黏結(jié)劑的分類有許多種分類方法。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學③按其對水的親和力分

憎水材料：桐油、松香、瀝青、酚醛樹脂等

親水材料：糊精、面粉、脲醛、呋喃樹脂等第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學④按硬化特性分

物理硬化：硬化過程主要是黏結(jié)劑物理狀態(tài)改變，而原來的結(jié)構(gòu)并不改變。例如親水的黏結(jié)劑糖漿，受熱時水分蒸發(fā)而干燥硬結(jié)，遇水后又可恢復原來狀態(tài)；松香加熱熔化，冷卻后又凝固硬結(jié)。這些過程均是可逆的。

化學硬化：硬化過程是低分子化合物轉(zhuǎn)變成高分子化合物，由鏈狀線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)。這種硬化過程是不可逆的。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學根據(jù)砂芯比強度分類如表3-2。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.1.5砂芯黏結(jié)劑的選用選用砂芯黏結(jié)劑時常用以下幾點作為主要依據(jù)：1．根據(jù)砂芯特點選用Ⅰ、Ⅱ級砂芯選用1、2組有機黏結(jié)劑，因為這兩組黏結(jié)劑比強度高，不僅可以提高砂芯強度，還可以在滿足強度要求的條件下，減少黏結(jié)劑用量，降低芯砂發(fā)氣量。

Ⅲ級砂芯可選用2、3組有機黏結(jié)劑。

Ⅳ、Ⅴ級砂芯選用黏土、水玻璃作黏結(jié)劑就可以滿足強度要求。由于這兩級砂芯體積大，澆注后不易燒透，導致清砂困難，退讓性差，所以一般不采用有機黏結(jié)劑，以免產(chǎn)生缺陷。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2.根據(jù)生產(chǎn)條件選用

在大批量生產(chǎn)的情況下，由于需要提高制芯效率，且常常要求砂芯具有高的尺寸精度，Ⅰ、Ⅱ級砂芯甚至Ⅲ級砂芯采用殼芯法、熱芯盒法、溫芯盒法和冷芯盒法生產(chǎn)砂芯是合理的，除個別Ⅰ級砂芯外，黏結(jié)劑常采用酚醛樹脂、呋喃樹脂和酚醛-異氰酸酯。

在小批量生產(chǎn)的情況下，采用自硬呋喃、酚醛、酚脲烷樹脂或者采用烘干法硬化的干性油、合脂、渣油作Ⅰ、Ⅱ級砂芯的黏結(jié)劑是合理的。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.充分考慮材料的來源和成本

各地區(qū)材料供應(yīng)狀況不同，選擇黏結(jié)劑還要因地制宜，并注意降低成本。

在航空鑄造生產(chǎn)中，對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的砂芯，基本上都采用有機黏結(jié)劑，這是由于有機黏結(jié)劑具有一系列的良好工藝性能，能夠保證鑄件的質(zhì)量。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.1.6制芯方法的類別及其發(fā)展40年前，當人們選用制芯方法時沒有多少選擇余地，主要是采用黏土砂和部分采用油砂制芯。隨后逐步開發(fā)了不同樹脂黏結(jié)劑應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)，鈉水玻璃砂也被開發(fā)，使制芯(造型)技術(shù)日新月異，鑄造生產(chǎn)面貌出現(xiàn)了根本變化。當前可供選擇的制芯方法大致有：第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

1)砂芯在芯盒中成形，取出后在芯盒外面加熱硬化(用烘爐烘烤)；2)砂芯的成形和加熱硬化在芯盒中完成；3)砂芯在芯盒中自行硬化到尺寸形狀穩(wěn)定后再脫模，再在室溫下進一步硬化；4)砂芯在芯盒中靠通過氣體(或氣霧)硬化。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

上述4種制芯方法的主要區(qū)別，①砂芯在芯盒內(nèi)還是在芯盒外硬化成形；②其硬化靠加熱(熱法)還是在室溫(冷法)條件下。

為提高鑄件的尺寸精度，要求砂芯應(yīng)有高的尺寸精度，因而砂芯應(yīng)盡可能在芯盒中硬化成形。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學當前冷法和熱法按具體工藝劃分為：第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.2油砂和合脂砂3.2.1植物油及油砂

植物油砂是指用植物油所配制的芯砂。桐油、亞麻油等干性油(在空氣中自行干燥硬化的油)是傳統(tǒng)的制造I、II級砂芯的主要黏結(jié)劑，可不經(jīng)任何處理而直接使用。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

但植物油黏結(jié)劑也存在一些問題，主要是來源有限，成本高；濕強度較低，砂芯在烘干前易變形，影響了鑄件的精度；油砂芯的烘干時間較長，浪費燃料、影響勞動生產(chǎn)率。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

植物油砂硬化機理：經(jīng)過不斷重復地進行氧化和聚合，就使分子逐步增大，油從低分子化合物逐漸轉(zhuǎn)變成網(wǎng)狀的高分子化合物，液態(tài)油膜變?yōu)槿苣z，隨著分散介質(zhì)的逐漸消失，溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，最后成為堅韌的黏結(jié)膜，從而使砂芯具有高的干強度。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

隨著自硬樹脂砂和氣硬樹脂砂的發(fā)展，以及殼芯、熱芯盒法制芯的大量應(yīng)用，特別是砂芯的高尺寸精度和生產(chǎn)率等是油砂法制芯無法滿足的；

油砂制芯需要操作技能非常熟練的工人，能源消耗大；

因此現(xiàn)在除個別工廠的少數(shù)砂芯仍采用油砂制芯以外，大都被其他黏結(jié)劑和制芯工藝所取代。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.2.2合脂砂

合脂黏結(jié)劑是我國于1962年研制成功的植物油代用品，來源豐富，價格低廉。我國一些工廠近十幾年曾廣泛用來制造Ⅱ、Ⅲ級砂芯。1.合脂黏結(jié)劑

合脂是合成脂肪酸蒸餾殘渣的簡稱，是先由煉油廠原料脫蠟過程中得到石蠟，制皂企業(yè)再將石蠟制取合成脂肪酸時所得的副產(chǎn)品。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學合脂的成分

合脂的組成很復雜，很難精確分離，可以粗略地認為它含有三種主要成分：(1)稀堿液可溶成分：主要是高碳脂肪酸和羥基酸。(2)稀堿液不溶但是可以皂化的成分：主要為羥基酸的內(nèi)脂和交脂。(3)稀堿液不溶又不可皂化的成分：主要含有中性氧化物和未氧化的蠟。

上述組分中可皂化成分是合脂具有強黏結(jié)能力成分，其含量越高，則合脂的質(zhì)量越高。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學合脂的稀釋

合脂在常溫下為黑褐色膏狀物，低溫（冬季）時呈固體或半固體狀。為便于混砂，使用時加溶劑稀釋，鑄造中已用溶劑稀釋過的合脂稱為合脂黏結(jié)劑。

常用的溶劑為煤油，也可用油漆溶劑油作溶劑。

煤油在合脂中的加入量一般為44％～50％(質(zhì)量分數(shù))；熱天或?qū)ι靶玖鲃有砸蟛桓邥r為33%～42%(質(zhì)量分數(shù))。

大批量制芯要求縮短砂芯烘干時間，提高生產(chǎn)效率時采用油漆溶劑油稀釋。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

根據(jù)國家標準《鑄造用合脂黏結(jié)劑》(GB/T12216-1990)的規(guī)定，按合脂黏結(jié)劑用N-6黏度杯(容量100mI±3ml)在30℃測定的黏度(以秒計)的大小為：≥15～40s、>40～80s、>80～120s，分為40、80、120三級；按工藝試樣干拉強度的高低：≥1.4MPa、≥1.7MPa分為14和17兩級。

第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

其牌號用黏度值、干拉強度級別表示。例如實測鑄造用合脂黏結(jié)劑的黏度為35s，抗拉強度為1.45MPa，可表示為HZ-40-14。

評價合脂黏結(jié)劑性能的主要指標是酸值和黏度。未經(jīng)稀釋的合脂的酸值應(yīng)小于70，最好在50~60之間。黏度最好控制在15s~80s之間。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

合脂黏結(jié)劑的硬化機理十分復雜，既有不飽和脂肪酸的氧化聚合反應(yīng)，也有羥基酸的縮聚反應(yīng)，使合脂的相對分子質(zhì)量增大，使黏結(jié)劑膜從液態(tài)轉(zhuǎn)變成溶膠、凝膠，最后變成堅韌的具有彈性的薄膜，使砂芯具有相當高的強度。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

合脂砂的烘干溫度范圍比油砂寬些，但是最適宜范圍仍是200～220℃之間。

合脂黏結(jié)劑的加入量一般為砂質(zhì)量的2.5％～4.5％，過多，強度增加不顯著，而發(fā)氣量明顯增大，黏模加重，蠕變加大，潰散性變差。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2.合脂砂的性能及影響因素（1）合脂砂的性能特點

合脂砂濕強度低，—般只有2.0～3.5kPa；

干強度較高，但不如植物油砂強度高；

吸濕性小，發(fā)氣量比黏土砂大，比桐油砂略?。?/p>

合脂的表面張力雖然很小，但因黏度大，所以合脂砂的流動性比油砂差；合脂砂蠕變性大，砂芯制好后，在濕態(tài)下放置或在烘干過程中會逐漸變形。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（2）合脂砂性能的主要影響因素1）合脂的稀釋比：合脂的稀釋比是合脂和溶劑的重量比。例如稀釋比為10：6，即表示1kg合脂中加入0.6kg溶劑。固定合脂的實際含量不變，砂芯的干強度隨溶劑含量的增加而提高。這是因為溶劑增加，合脂的黏度下降，可更均勻包覆在砂粒表面。至10：8后干強度又逐漸下降。這可能是由于烘干過程中，大量溶劑向外蒸發(fā)，破壞了黏結(jié)劑膜的連續(xù)性。一般合脂的稀釋比控制在10：6～10：10比較適宜。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

但稀釋比與合脂原來黏度和使用時的溫度有關(guān)，所以生產(chǎn)中以控制合脂的黏度為標準，黏度一般控制在40-60(N-6黏度計)。

合脂的稀釋方法是先將合脂加熱到熔融狀態(tài)(80～100℃)，然后慢慢加入煤油，并充分攪拌到無分層和沉淀為止。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2）合脂加入量

合脂砂的干強度隨合脂黏結(jié)劑加入量的增加而增加，但合脂黏結(jié)劑加入到一定限度后，強度增加得很少，而發(fā)氣量明顯增大、黏模加重、蠕變加大、潰散性變差等，所以合脂加入量不能太高，一般為2.5％～4.5％。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3）黏土

合脂的濕強度低，蠕變性又大，所以實際應(yīng)用中常常加入黏土，以提高濕強度。但每加1％黏土，干強度要降低10％～15％。如果把黏土和糊精、紙漿廢液配合使用，不僅可改善濕強度，還可以減少干強度的降低量。但若單獨使用黏土、糊精、紙漿廢液，效果都不佳。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

4）烘干溫度

烘干溫度對合脂砂芯的影響與油砂相同，但烘干溫度范圍比油砂寬?？梢栽?80～240℃之間，不過最適宜范圍仍在200～220℃之間。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.乳化合脂的應(yīng)用

合脂黏結(jié)劑多用煤油稀釋，要消耗大量煤油，且煤油對人的皮膚有害，因此生產(chǎn)上常將合脂制成乳濁液使用，其配比為：

原合脂:水:苛性鈉(NaOH)=1:(1～1.3):(0.26～0.36)。

若乳化合脂加入量為6%、則濕壓強度可達7.5kPa，比煤油稀釋的合脂砂強度提高一倍。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.3合成樹脂砂

前節(jié)所討論的有機黏結(jié)劑（植物油、合脂等），雖可使砂芯有較好的性能，但因需烘干才能硬化，砂芯易變形，尺寸精度低，生產(chǎn)周期長，效率低。

化學工業(yè)的發(fā)展，使得鑄造生產(chǎn)采用樹脂作黏結(jié)劑成為可能。用合成樹脂作砂芯黏結(jié)劑是制芯工藝的一大變革。用合成樹脂制芯主要有以下幾種方法：殼芯法、熱芯盒法、溫芯盒法、冷芯盒法。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學這些工藝方法勻有以下特點：1)砂芯直接在芯盒中硬化，不需進烘爐烘干，可取消烘爐。2)硬化反應(yīng)快，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了車間面積。3)制芯工藝過程簡單，便于實現(xiàn)機械化和自動化。4)砂芯是在硬化后取出，變形小，精度高，從而提高了鑄件的尺寸精確度?？梢詼p少加工余量。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.3.1殼芯(型)砂1.概述

殼型（芯）法是JohannesCroning1940年發(fā)明的，故又稱為“C”法或“殼法”(shellprocess)，或叫殼型造型(shellmolding)，此法可以用于造型，主要用于制造殼芯。

殼芯法用酚醛樹脂作黏結(jié)劑，配制的型(芯)砂是松散狀態(tài)的，稱為殼芯砂，又叫做覆膜砂。其制殼的方法有兩種：翻斗法和吹砂法。

翻斗法常用于制造殼型，吹砂法用于制造殼芯。圖3-3殼型造型法示意圖a)在熱模樣上噴脫模劑b)模樣旋轉(zhuǎn)到翻斗上夾緊c)結(jié)殼d)結(jié)殼完畢、復位e)殼型仍附在模樣上并移到烘爐硬化f)脫殼、制成殼型

第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學圖3-3為翻斗法制造殼型工序示意圖。模型預熱到250～300℃，結(jié)殼時間15～50s，烘烤時間30～90s，殼厚5～15mm第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學吹砂法分頂吹法和底吹法兩種(見圖3-4)。圖3-4頂吹法和底吹法制造殼芯示意圖吹砂壓力：頂吹法0.1~0.35MPa，底吹法0.4~0.5MPa；吹砂時間：頂吹法2～6s，底吹法15～35s。

頂吹法可以制造較大型復雜的砂芯；底吹法常用于小砂芯的制造，最小的硬化時間為90s，但2min很普通，硬化時間長，殼厚增加，而硬化溫度提高，對硬化速率幾乎沒有影響，反而使靠近芯盒或模板的砂有過硬化的危險。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學殼法造型（芯）的優(yōu)點：①混制好的覆膜砂可以較長期貯存(三個月以上)；型、芯可以長期貯放；②無需搗砂，能獲得尺寸精確的型、芯；③型、芯強度高，質(zhì)量輕，易搬運；④透氣性好，可用細的原砂得到光潔的鑄件表面；⑤無需砂箱，覆膜砂消耗量小。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

盡管酚醛樹脂覆膜砂價格較貴，造型、制芯耗能較高，但在要求鑄件表面光潔和尺寸精度甚高的行業(yè)仍得到一定應(yīng)用。通常殼型多用于生產(chǎn)液壓件、凸輪軸、曲軸以及耐蝕泵件、履帶板等鋼鐵鑄件上；殼芯多用于汽車、拖拉機、液壓閥體等部分鑄件上。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2.殼芯(型)砂所用原料（1）黏結(jié)劑-酚醛樹脂殼芯(型)砂采用熱塑性酚醛樹脂作為黏結(jié)劑。

酚醛樹脂是最早出現(xiàn)的人工合成樹脂，它是由苯酚(C6H5OH)和甲醛(HCHO)合成，因合成條件不同，可得到性能不同的兩類樹脂。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

1872年，A.Baeyer發(fā)表了研制酚醛樹脂的成果，其后，很多人進行了大量的研究工作。酚醛樹脂可分為熱塑性（novolac諾沃臘克型）酚醛樹脂(也稱為殼型(芯)用酚醛樹脂)和熱固性酚醛樹脂（只用其甲階樹脂）兩種。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

苯酚和甲醛在酸性或堿性的催化劑作用下，通過縮聚反應(yīng)生成酚醛樹脂。

在酸性催化劑作用下，苯酚過量時生成線型熱塑性樹脂；

在堿性催化劑作用下，甲醛過量時生成體型熱固性樹脂。

熱塑性酚醛樹脂是在苯酚過量（苯酚和甲醛的摩爾比為1:0.75~0.85）和酸性催化劑（HCl）的條件下縮合而成，又稱Novolac（諾沃臘克）型酚醛樹脂。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

首先，一般是甲醛的氫原子有可能加成到與苯酚鄰、對位上活潑的氫，成為鄰位羥甲基酚或?qū)ξ涣u甲基酚。但鄰位氫原子比對位氫原子更活潑，所以在甲醛不足時，不會在對位上形成羥甲基。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學由于苯酚過量，在羥甲基酚與苯酚或羥甲基酚與羥甲基酚之間可能發(fā)生縮合反應(yīng)。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

由于對位上沒有羥甲基，因此本身不能自行縮聚，不會發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，也就不會形成體型分子。這是因為用酸催化時，縮合反應(yīng)速度遠快于加成反應(yīng)，一旦有羥甲基-CH2OH生成，將立即縮合，因此縮聚物分子中不可能留下多余的羥甲基。所以，在苯酚過量的情況下，只能得到線型樹脂。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

這種樹脂能溶于酒精，為黃色固體，加熱到105℃以上就軟化，冷卻后就硬化，再加熱又軟化。這種加熱到一定溫度范圍就軟化，熔化，冷卻后又硬化，其過程是可逆的樹脂稱為熱塑性樹脂。這種樹脂可長期存放不會發(fā)生顯著變化，可長期保存，適宜作為殼芯砂的黏結(jié)劑。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

如果在熱塑性酚醛樹脂中加入額外的甲醛作為交聯(lián)劑，可使其進一步縮聚。加熱后，像熱固性酚醛樹脂一樣變成不溶不熔的體型樹脂。甲醛源一般由六亞甲基四胺（烏洛托品）提供，它在微量水存在的情況下，受熱即可釋放出甲醛和氨。(CH2)6N4+6H2O=6HCHO+4NH3↑第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

產(chǎn)生的氨提供了堿性氣氛，在堿性條件下，則加成反應(yīng)速度快于縮合反應(yīng)速度，即優(yōu)先在酚醛樹脂分子鏈上的苯酚羥基的對位處形成羥甲基，此酚羥甲基再與其它酚醛樹脂分子鏈上苯酚中對位或鄰位的活潑氫原子縮合，生成亞甲基-CH2-鍵，使樹脂分子交聯(lián)。

所以，聚合物中一旦有羥甲基-CH2OH基團，就成為熱固性帶有分支的酚醛樹脂，進一步加熱就變成不溶不熔的體型樹脂。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學帶有羥甲基的線型樹脂或帶分支的樹脂能與另外一個樹脂分支起縮合反應(yīng)，形成網(wǎng)狀的體型結(jié)構(gòu)。

這樣樹脂成為了不溶不熔的網(wǎng)狀固體將砂粒緊緊黏在一起，使其具有較高的強度。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

烏洛托品起固化劑的作用。它是甲醛和氨的反應(yīng)產(chǎn)物，其加入量一般占樹脂質(zhì)量的10％～15％，并按烏洛托品：水=1：1～1.5(質(zhì)量比)配成水溶液加入。

但在反應(yīng)過程中，大部分氮成為氨排放到大氣中。由于烏洛托品含40％的N，給酚醛樹脂黏結(jié)劑帶來許多的氮，使得殼型澆注鑄鋼件易產(chǎn)生皮下氣孔。

第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

熱塑性酚醛樹脂中，如果加入的烏洛托品量過少，則帶入的氮少，殘存的未交聯(lián)成體型結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂較多，型、芯在澆注金屬熱的作用下，未成體型結(jié)構(gòu)的樹脂會重新軟化或熔化，增大型、芯變形量，但抗開裂能力卻增強；烏洛托品加入量過多，型、芯的線膨脹率增大，變形量小，較易開裂。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（2）殼芯法對黏結(jié)劑的要求主要有以下幾個方面：1)聚合時間：指樹脂受熱后由熔化到固化所需的時間。要求聚合時間短，聚合速度快，結(jié)殼時間一般要求35～115s。聚合時間短可以縮短制殼周期，提高制芯生產(chǎn)率，并減少因殘余的熱塑性引起殼芯變形和脫殼。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2)軟化點：是無定形聚合物開始變軟時的溫度。它不僅與高聚物的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還與其分子量的大小有關(guān)。樹脂是無定形物質(zhì)，沒有固定的熔點，故用其軟化點來表示其物理狀態(tài)的變化溫度。一般要求為80～90°C左右。這是因為如果樹脂的軟化點過低，樹脂砂就容易結(jié)塊，影響樹脂砂的流動性，殼芯表面易脫落。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3)流動度：指樹脂在熔融狀態(tài)時的流動能力。要求適中的流動度。如果樹脂的流動度過大，則熔融樹脂受重力作用，結(jié)殼時殼芯表面的樹脂容易往下流，使上下部分的樹脂含量不均勻，出現(xiàn)偏析。在含量多的地方澆注后可能產(chǎn)生氣孔，含量少的地方可能出現(xiàn)強度不足。4)游離酚的含量要低，一般要求少于3.5～5.0％。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

根據(jù)專業(yè)標準《鑄造覆膜砂用酚醛樹脂》(JB/T8834－2013)規(guī)定，鑄造覆膜砂用酚醛樹脂的分類、分級和牌號、技術(shù)要求見表3-6~表3-8。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（3）原砂

殼法一般采用硅砂，對于表面質(zhì)量要求很高的鑄件，特別是壁很厚實、易產(chǎn)生黏砂的鑄鋼件，也常使用鋯砂、鉻鐵礦砂。

原砂應(yīng)符合“圓、凈、純”的要求。從顆粒度看，在國外，殼型通常采用AFS細度90～110，而殼芯根據(jù)使用要求為AFS細度50~80之間。

原砂細度增加，生產(chǎn)一定強度所需要的樹脂黏結(jié)劑的量也要增加。因此最好在達到所要求表面粗糙度的前提下盡可能選粗的砂子。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

為了用最少量的樹脂黏結(jié)劑獲取最大的強度，必須使用干砂。水分會使砂結(jié)塊，并降低殼型強度。原砂中270目及底盤中砂粒的含量也必須適當限制，一般不應(yīng)超過10％(質(zhì)量分數(shù))。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（4）附加物

為了改善覆膜砂的性能，有時在覆膜過程中加入某些附加物。1)硬脂酸鈣：使覆膜砂存放期間不易結(jié)塊；增加覆膜砂的流動性，使型、芯表面致密；制殼時易于頂出等。加入量為砂量的0.25%～0.35%，2)石英粉：用于提高覆膜砂的高溫強度，加入量為砂量的2％左右。3)氧化鐵粉：用于提高型、芯的熱塑性，防止鑄件產(chǎn)生毛刺和皮下氣孔，加入量為砂量的1％～3％。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.覆膜砂混制工藝

酚醛樹脂覆膜砂一般以原砂為100(質(zhì)量比)，酚醛樹脂加入量為：3.5～6.0(殼型)，1.5～4.0(殼芯)，另加入烏洛托品(占樹脂的10~15%)和硬酯酸鈣。

覆膜砂的混制工藝可分為冷法、溫法和熱法三種。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.3.2熱芯盒法樹脂砂1.概述

熱芯盒法(hot-boxprocess)是用液態(tài)熱固性樹脂黏結(jié)劑和固化劑配制成的芯砂，填入已加熱到一定溫度的芯盒內(nèi)，貼近芯盒表面的砂芯受熱后，其黏結(jié)劑在很短時間即可縮聚而硬化。

只要表層有幾毫米結(jié)成硬殼即可從芯盒中取出，中心剩余未硬化的部分芯砂利用余熱和硬化反應(yīng)放出的熱量可自行硬化。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2.熱芯盒法用樹脂黏結(jié)劑

熱芯盒法所采用的樹脂黏結(jié)劑是以尿素、甲醛、苯酚、糠醛為原料，按一定的比例，在一定的pH值下經(jīng)聚合、縮聚反應(yīng)而制成的一類液態(tài)樹脂。樹脂的外觀一般為黃褐色或棕紅色黏性液體。這類樹脂也可以看成是以糠醛、酚醛改性尿醛樹脂和酚醛樹脂形成的改性樹脂。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學熱芯盒法常用的樹脂有：（1）糠醇改性脲醛樹脂（又稱脲呋喃UF/FA樹脂）（2）糠醇改性酚醛樹脂（又稱酚呋喃PF/FA樹脂）

糠醇亦稱呋喃甲醇，因此糠醛樹脂及以糠醇改性的這一類含有呋喃環(huán)的樹脂總稱為呋喃樹脂。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（1）糠醇改性脲醛樹脂（又稱脲呋喃UF/FA樹脂）其中，糠醇

（FurfuralAlcohol）FA

脲醛樹脂（Urea-FormaldehydeResin）UF它是由糠醇、尿素和甲醛在固化劑的作用下縮聚而成。而尿素是由氨和二氧化碳在高溫高壓下合成的。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學尿素、甲醛和糠醇在固化劑的作用下，發(fā)生下列反應(yīng)：

由于它的分子含有羥甲基，胺基上的氫原子以及呋喃環(huán)上的不飽和雙鍵，在加熱或固化劑作用下，呋喃環(huán)的雙鍵會打開，互相交聯(lián)，羥甲基與胺基上活潑氫原子進一步結(jié)合，產(chǎn)生縮聚反應(yīng)。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學硬化機理

這類樹脂的硬化機理在于樹脂的結(jié)構(gòu)為線型，分子鏈上的羥基、胺基上的氫原子以及呋喃環(huán)上的不飽和鍵在加熱的條件下，由于固化劑的作用會進一步產(chǎn)生縮聚和加聚反應(yīng)，最后交聯(lián)成為體型結(jié)構(gòu)而固化。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學這類樹脂中含氮量較高（質(zhì)量分數(shù)5~18%），主要用于有色合金鑄件（含氮量18%以上）和中小灰口鑄鐵件（含氮量9~14%），而用于鑄鋼或球墨鑄鐵件時，鑄件容易產(chǎn)生皮下氣孔。

對一些質(zhì)量要求較高的鑄鐵或有色合金鑄件，要求樹脂的含氮量5~8%。

這類樹脂又稱為呋喃

I

型樹脂。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（2）糠醇改性酚醛樹脂（又稱酚呋喃PF/FA樹脂）其中，酚醛樹脂（Phenol-FormaldehydeResin）PF它是由苯酚、甲醛和糠醇在一定條件制得。有三種看法:1）先制得酚醛樹脂，再加入糠醇，使它與酚醛樹脂發(fā)生縮聚反應(yīng)：第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

反應(yīng)生成鏈狀的聚合物，縮聚樹脂由于酚基中尚存在未反應(yīng)的部分。在熱的作用下，呋喃環(huán)的雙鍵會打開并彼此交聯(lián)；在烏洛托品中的亞甲基作用下，苯酚彼此進一步縮聚，交聯(lián)成為不溶不熔的體型樹脂。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學硬化機理

這類樹脂的硬化機理在于樹脂的結(jié)構(gòu)為線型，分子鏈上酚基上活潑的氫原子以及呋喃環(huán)上的不飽和鍵在固化劑的作用和加熱的條件下會進一步產(chǎn)生縮聚和加聚反應(yīng)，最后交聯(lián)成為體型結(jié)構(gòu)而固化。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

在酚呋喃樹脂中，增加糠醇含量，可提高砂芯強度，減少脆性，改善硬透性，延長樹脂儲存期，擴大適應(yīng)性，但成本將有所提高。

這類樹脂稱為呋喃Ⅱ型樹脂。與呋喃Ⅰ型樹脂相比，它具有低的發(fā)氣性和吸濕性，配制的樹脂砂流動性稍差，強度低，脆性大，價格貴，主要用于易產(chǎn)生氣孔的鑄鋼件和球鐵件。

對原砂的要求等除與呋喃I型相同者外，還要求選用耐火度較高的石英砂。樹脂加入量一般為3％～4％。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（3）脲-酚呋喃共聚物(UF／PF／FA)

由糠醇、苯酚、尿素和甲醛縮聚而成。由于加入了脲醛，從而改善了酚呋喃樹脂的硬化性能。此類樹脂中氮的質(zhì)量分數(shù)在1.0%左右，常用作鑄鐵、鑄鋼件用砂芯的芯砂黏結(jié)劑；含氮高的這類樹脂主要用于鑄鐵件，也可用于有色合金鑄件。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.固化劑

熱芯盒法使用的固化劑在室溫下處于潛伏狀態(tài)，一般采用在常溫下呈中性或弱酸性的鹽(這有利于混合好的樹脂砂的存放，即達到可使用時間長)，而在加熱時激活成強酸，促使樹脂迅速硬化。生產(chǎn)中常用的為氯化銨、硝酸銨、磷酸銨水溶液，也有采用對甲苯磺酸銅鹽、甚至對甲苯磺酸銨鹽的。

國內(nèi)對呋喃Ⅰ型樹脂砂最常用的固化劑是氯化銨和尿素的水溶液，其配比(質(zhì)量比)為氯化銨：尿素：水

=1：3：3。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

固化劑的配制：首先將水加熱到60～70℃左右，然后加入尿素，再加入氯化銨，當它們?nèi)芙馕鼰岫鴾囟认陆禃r，再將溶液加熱，并繼續(xù)攪拌，直到全部溶解成透明的液體。其密度為1.15～1.18g／cm3，pH值6.0～6.4，用量一般為樹脂質(zhì)量的20％左右。

呋喃Ⅱ型樹脂砂用烏洛托品作固化劑，加入量為樹脂的10％，水的加入量為樹脂量的10％左右。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學4.混制工藝

熱芯盒法樹脂砂混制工藝簡單，可用一般碾輪式混砂機。混砂時間不宜長，混勻即可放砂，以免造成溫度升高，影響芯砂的流動性?；熘乒に嚾缦拢?/p>

干砂+附加物→加固化劑→加樹脂黏結(jié)劑→出砂第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學5.工藝性能（1）呋喃Ⅰ型樹脂1）流動性

呋喃Ⅰ型樹脂砂其流動性比油砂低，但是在0.5～0.7MPa下，可射制形狀較復雜的砂芯，滿足一般生產(chǎn)要求；混好的樹脂砂，在存放過程中流動性逐漸降低，經(jīng)4h后，流動性下降至40％～50％，不利于緊實，所以可使用時間不宜超過4h，并應(yīng)用濕布遮蓋。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2）固化溫度

呋喃Ⅰ型樹脂砂的固化溫度在140～250℃之間，芯盒溫度保持在200～250℃較適宜。一般幾十秒即可從芯盒中取出砂芯。芯盒溫度高時硬化快，但砂芯容易燒焦，表面酥脆；芯盒也易變形；反之芯盒溫度低時，硬化時間延長，但能得到較好的砂芯表面質(zhì)量和較高的冷拉強度。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

3）吸濕性

從吸濕性看，呋喃Ⅰ型樹脂是水溶性高分子有機化合物，砂芯在貯放過程中比油砂、酚醛樹脂砂吸濕性大，易使鑄件產(chǎn)生氣孔。因此有時需進行二次烘烤，在100~200℃保溫2小時，強度可以回升。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學4）發(fā)氣性

從發(fā)氣性看，比油砂大，發(fā)氣速度也快，在1050℃時僅15s內(nèi)大部分氣體就會逸出，因此砂芯需注意排氣。

5）退讓性和潰散性

其退讓性和潰散性能滿足一般鑄鐵件的要求，但對復雜薄壁鑄件，其潰散性尚需進一步改善。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（2）呋喃Ⅱ型樹脂

呋喃Ⅱ型樹脂的高溫性能較好，吸濕性小。呋喃Ⅱ型樹脂砂固化速度較慢，存放性好，混制后24小時仍有流動性，未發(fā)現(xiàn)強度下降。呋喃Ⅱ型樹脂較呋喃Ⅰ型貴，只用于易產(chǎn)生黏砂或皮下氣孔的鑄件。用其可制作厚度為5～20mm的砂芯，可得質(zhì)量良好的鑄件。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.3.3溫芯盒法

用熱芯盒法制芯，砂芯在芯盒中時間長，表面會發(fā)酥，常引起鑄件質(zhì)量問題。若降低芯盒溫度，砂芯表面不會過燒，可使砂芯表面光潔和具有最高強度，可防止熱芯盒法常出現(xiàn)的某些砂芯表面過燒、某些截面硬化不足的現(xiàn)象。

另外從節(jié)能和勞動條件方面看，如將芯盒溫度從傳統(tǒng)熱芯盒法的260℃降到160℃，在實際生產(chǎn)中就可節(jié)能25%～30%。同時，工作場所散發(fā)出的有害物質(zhì)也會減少。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

溫芯盒法常指芯盒溫度低于175℃的制芯方法，最理想的芯盒溫度是低于100℃，例如50～70℃。

實現(xiàn)溫芯盒法制芯，目前主要的方法

一是開發(fā)能夠在較低溫度下產(chǎn)生高活性強酸的新型潛伏型固化劑。

二是增加樹脂反應(yīng)活性，盡量降低合成樹脂的含水量[從微量到2%～3%(質(zhì)量分數(shù))]和低分子物質(zhì)；或開發(fā)新型樹脂。

三是在工藝上采取措施。例如硬化時輔以真空或其他措施。這些方法中，既可單獨應(yīng)用，也可幾種方法結(jié)合。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

目前可以采用和有發(fā)展前途的幾種溫芯盒法制芯簡述如下：1.呋喃樹脂、酚醛改性樹脂溫芯盒法

溫芯盒用黏結(jié)劑通常采用糠醇型呋喃樹脂黏結(jié)劑，但是也有用酚醛改性的黏結(jié)劑。樹脂加入量取決于砂芯結(jié)構(gòu)的復雜程度和原砂的性能，對呋喃樹脂來說，一般為原砂質(zhì)量的1.2～2.0%。

第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2.輔以真空的溫芯盒法

芯盒溫度為60～100℃，其機理是在樹脂砂中存有在室溫和大氣壓力下穩(wěn)定的有機酸，當壓力降低和溫度升高時，破壞其潛伏性，分解出強酸，促使樹脂迅速硬化。其制芯方法是將砂、樹脂(呋喃或熱固性酚醛樹脂)和固化劑混合后，射(或吹)入100℃的芯盒內(nèi)，抽真空，接著通空氣，隨后取芯，取出后砂芯的溫度約50℃左右。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.C02熱硬化法

黏結(jié)劑為特種熱塑性酚醛樹脂，溶解于鋇、鈣或氫氧化鍶的堿溶液內(nèi)。固化劑或催化劑為六亞甲基四胺和CO2氣體。其芯砂的一種典型配方為：石英砂95.7%；特種樹脂3.0%，六亞甲基四胺0.4%；酚醛樹脂0.4%；水0.5%(按質(zhì)量分數(shù))。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學4.溫芯盒殼型法

黏結(jié)劑由熱固性酚醛樹脂和芳基磺酸-復合油混合物的水溶液組成。制芯時樹脂交聯(lián)在100℃以上發(fā)生，砂芯表層硬化一定厚度后，內(nèi)部未硬化的芯砂可通過芯頭倒出來。砂芯內(nèi)部出現(xiàn)的水分排逸能促使硬化停止，因而多余的芯砂仍可使用。

此法兼有殼型法和溫芯盒法的優(yōu)點，而沒有其缺點；用于1dm3以上的砂芯有很好的技術(shù)經(jīng)濟效果。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.3.4自硬冷芯盒法樹脂砂

將原砂、液態(tài)樹脂及液態(tài)固化劑混合均勻后，填充到芯盒(或砂箱)中，稍加緊實、即于室溫下在芯盒(或砂箱)內(nèi)硬化成型，叫自硬冷芯盒法制芯(造型)，簡稱自硬法。自硬法可大致分為酸固化樹脂砂自硬法、脲烷系樹脂砂自硬法和酚醛-酯自硬法。這類方法從20世紀50年代末起陸續(xù)問世以來，即引起了鑄造界的重視，發(fā)展很快。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學主要特點：①提高了鑄件的尺寸精度，改善了表面粗糙度。一些工廠采用自硬樹脂砂造型后，鑄鐵件表面粗糙度值Ra由黏土砂時的100μm改善到50～6μm(常見范圍Ra25～12.5μm)，鑄件尺寸精度等級由原來的CT13提高到CT8～CT11；②節(jié)約能源，節(jié)約車間面積；③砂中的樹脂質(zhì)量分數(shù)，由早期的3%～4%降到了0.8%～1.2%，這是通過對原砂的處理及對樹脂、固化劑、混砂設(shè)備、工藝等方面進行改進得到的，從而降低了成本；第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學④大大減輕了工人的勞動強度，便于實現(xiàn)機械化；⑤舊砂可再生，有利于防止二次污染。

由于自硬法具有上述許多獨特優(yōu)點，故目前不僅用于制芯，亦用于造型，特別適用于單件和小批量生產(chǎn)，可生產(chǎn)鑄鐵、鑄鋼及有色合金鑄件。有些工廠已用它取代黏土干砂型、水泥砂型、部分取代水玻璃砂型。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學1.酸固化樹脂自硬砂（1）呋喃樹脂自硬砂1)所用樹脂：呋喃樹脂，所用呋喃樹脂除常用脲呋喃、脲-酚呋喃、酚呋喃這類樹脂外，也有采用酮醛樹脂與糠醇的混合物(AR／FA)、糠醇-甲醛聚合體(FA／F)、糠醇與其他活性化合物的混和物(FA／C)?？反己吭礁?，氮和水的含量會愈低，黏結(jié)劑的質(zhì)量也愈好，但價格也愈高。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

用于鑄鋼件的樹脂，多要求氮含量小于3%(質(zhì)量分數(shù))甚至用無氮樹脂，主要是因為含量大于3%時，鑄件易發(fā)生氣孔，耐火度也會降低，但價格較便宜。

有些鑄鋼廠也使用含氮達7.5%的呋喃樹脂，但應(yīng)采用具有屏蔽性的合適涂料。

對鋁、鎂合金來說，則宜用含氮高的樹脂，既使高溫強度降低，也有利潰散。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2)呋喃樹脂自硬砂用的固化劑

在酸固化劑自硬法中，固化劑對硬化過程的控制起著決定性作用。一種好的樹脂必須有合適的固化劑與之配合，才能充分發(fā)揮其黏結(jié)效率，獲得比較理想的工藝性能。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學通常自硬法用固化劑應(yīng)符合以下要求：①保證該工藝過程所規(guī)定的硬化速度和強度；②具有低黏度的液體(采用粉末狀固化劑，原則上可以，但工藝上不方便)，不產(chǎn)生沉淀；長期貯存時，以及溫度在0～36℃范圍內(nèi)，性能不變；③如冬季運輸引起冷凝，隨后加熱熔化，性能可回復；④價格合理。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學與熱芯盒法的區(qū)別：

呋喃系樹脂自硬砂用酸性固化劑，與熱芯盒法制芯用的固化劑的主要差別是不采用潛伏型固化劑，而是采用活性固化劑，其本身就是強酸或中強酸。

第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學常用的固化劑：

一般采用無機酸、芳基磺酸、以及它們的復合物。

常用的無機酸為磷酸、硫酸單酯、硫酸乙酯；

芳基磺酸為對甲苯磺酸(PTSA)、苯磺酸(BSA)、二甲苯磺酸、苯酚磺酸、苯磺酸、對氯苯磺酸等。其中二甲苯磺酸在我國應(yīng)用較多。

據(jù)國外報導，二甲苯磺酸存在有苯分解產(chǎn)物的化學勢，已被淘汰。對固化劑用氟化物改性，實際上已不使用。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學磷酸：

磷酸是生產(chǎn)上常用的酸固化劑，但多用于高氮呋喃樹脂，而很少用于低氮呋喃樹脂。

低氮高糠醇樹脂，磷酸作固化劑，硬化速度過慢，脫模時間過長。

高氮低糠醇樹脂，磷酸作固化劑，獲得必要的硬化速度。

高氮低糠醇樹脂采用磷酸作固化劑可獲得很好的終強度，而低氮高糠醇用磷酸作固化劑終強度較低。

第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

原因：主要是由于磷酸與糠醇互溶性差，而與水的親和力大，使得樹脂和固化劑中所含水分以及樹脂在縮聚反應(yīng)中生成的水，以磷酸為核心成長為水滴，不易擴散排出，殘存于樹脂膜中，破壞了樹脂膜的致密性，故強度低。

而高氮樹脂與水的互溶性好，各種水分不易以磷酸為核心集中為水滴，樹脂膜結(jié)構(gòu)好，故強度高。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

硫酸酯-酸性最強的無機酸固化劑，僅當磷酸作固化劑硬化速度達不到工藝要求時才使用，可以單獨用作固化劑

最好按各種不同的比例與磷酸混合后使用。硫酸酯的比例越高，樹脂砂的硬化速度越快，可使用時間也愈短。硫酸酯能防止砂芯長期存放過程中軟化。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學硫酸酯的不足：

殘存樹脂膜中的硫酸酯對樹脂膜有腐蝕作用，而且硬化和脫水速度快，樹脂膜易產(chǎn)生應(yīng)力和裂紋，使終強度降低；澆注過程中，將產(chǎn)生SO2、H2S氣體，不僅污染環(huán)境，有可能使球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵出現(xiàn)異常表層組織，使球鐵球化不良。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

芳基磺酸：

采用芳基磺酸作固化劑可得到與相應(yīng)的無機酸同樣的硬化速度，但終強度較高，而且在澆注過程中，易被鑄件的高溫所破壞，酸的殘存率比無機酸低，對再生砂有利。從芳基磺酸固化樹脂硬化產(chǎn)生的強度看，苯磺酸的強度最高。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

通常酚醛樹脂用苯磺酸作固化劑非常有效，所以酚-呋喃共聚物、低氮或高酚醛含量樹脂也可用芳基磺酸(例如苯磺酸、對甲苯磺酸)作固化劑，同樣非常有效。這是因為這些樹脂與這類固化劑有好的互溶性。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學芳基磺酸的不足：

采用芳基磺酸作固化劑，混砂時，常散發(fā)難聞氣味；在澆注過程中用甲苯磺酸作固化劑時會產(chǎn)生少量SO2和H2S，也會使球鐵、蠕鐵鑄件出現(xiàn)異常表層組織和使鋼件增硫。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學固化劑所用的溶劑對固化速度的影響

提高自硬樹脂砂的硬化速度，不僅要注意選擇固化劑，而且應(yīng)合理選用溶劑，增加酸的活性，提高酸的濃度。

溶解或稀釋酸固化劑的溶劑常為水或甲醇、乙醇等，這類溶劑也影響硬化速度。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學甲醇的正離子化的能力比水小10倍，而乙醇比水小1000倍。

同樣的酸，其水溶液的活性是低于醇類溶液的，在總酸量相同的前提下，用酸的醇溶液比用酸的水溶液硬化速度快。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

用磷酸作苯磺酸的溶劑，由于H3PO4對于苯磺酸的離子是惰性的，而且作為具有高酸度的材料本身加強了固化劑的活性，因而可促使樹脂砂硬化速度加快。

這說明為提高自硬樹脂砂的硬化速度，不僅要注意選擇固化劑，還應(yīng)合理選用溶劑，增加酸的活性，提高酸的濃度。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3)可使用時間和脫模時間

這是自硬樹脂砂也是所有化學黏結(jié)劑砂的很重要的性能指標。

可使用時間-指自硬樹脂砂(其他化學黏結(jié)劑也相同)混砂結(jié)束開始到能夠制出最后一個合格砂芯的時間間隔。

第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

脫模時間-指從混砂結(jié)束開始，在芯盒內(nèi)所制砂芯(或未脫模的砂型)硬化到能將砂芯從芯盒中取出(或脫模)，而不致發(fā)生砂芯(或砂型)變形所需的時間間隔。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

影響可使用時間、脫模時間的因素：

實驗表明，所采用的原砂、樹脂、固化劑的類型、質(zhì)量和加入量、混砂工藝、環(huán)境溫度和濕度，均對可使用時間和脫模時間有明顯的影響。

影響最大的為環(huán)境溫度和固化劑加入量。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學4)偶聯(lián)劑——硅烷

在冷硬呋喃樹脂砂中加入少量的硅烷作偶聯(lián)劑，可以明顯地提高樹脂砂強度、熱穩(wěn)定性和抗吸濕性。國內(nèi)外用于冷硬呋喃樹脂(也可以用于熱芯盒法等的樹脂)的硅烷種類很多，有KH-550、560、570、792、602；南大-42、43、171（ND-42、43、171）等。

硅烷能提高樹脂的強度，主要是靠硅烷在樹脂與砂粒這兩種性質(zhì)差異很大的材料的表面之間架一個“中間橋梁”，以獲得良好的結(jié)合，因此常稱硅烷為偶聯(lián)劑。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

每一種偶聯(lián)劑都有一定的適用范圍，例如KH-550對呋喃樹脂特別是呋喃尿醛樹脂的增強效果好，其加入量為0.15%～0.3%(質(zhì)量分數(shù))。對于酚醛樹脂較有效的是苯氧基硅烷。

另外，砂粒表面被各種雜質(zhì)、氧化物包圍，真正裸露的石英表面非常少。因此實際上并非全部是純化學作用，而是物理和化學作用并存。在樹脂一端，硅烷偶聯(lián)劑與樹脂的反應(yīng)進行得也并非那樣理想，因為它與樹脂反應(yīng)的同時，樹脂本身也在起化學反應(yīng)。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學5)混砂工藝

原則上任何一種混砂機都可混拌樹脂砂，但最好還是使用覆膜效果好、又不會使砂子因強烈摩擦而發(fā)熱的混砂機。其混砂工藝如下

砂+固化劑→加樹脂→出砂

上述順序不可顛倒，否則局部會發(fā)生劇烈的硬化反應(yīng)，縮短可使用時間，影響樹脂砂性能。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

砂和固化劑的混合時間的確定，應(yīng)以固化劑能均勻地覆蓋住砂粒表面所需的時間為準。

太短，混合不勻，樹脂強度低，個別地方樹脂砂型硬化不良或根本不硬化；

太長，影響生產(chǎn)率和使砂溫上升。

樹脂加入后的混拌時間也不能過短(混拌不均)和過長(砂溫升高，可使用時間變短)?；彀钑r間一般通過實驗確定。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（2）熱固性酚醛樹脂自硬砂

又稱甲階酚醛樹脂自硬砂。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

制取甲階酚醛樹脂需要以下兩個條件：①甲醛過量②在堿性催化劑的作用下反應(yīng)第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

自硬砂用樹脂是在室溫硬化，為加快硬化速度，設(shè)計這類樹脂結(jié)構(gòu)時多側(cè)重反應(yīng)能力。如熱固性液態(tài)酚醛樹脂，其硬化主要靠化學反應(yīng)，即在苯酚核的鄰位或?qū)ξ簧系牧u甲基與另一個苯酚核的鄰位和對位上未反應(yīng)的氫原子的化學反應(yīng)。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學圖3-5酚核之間可能形成亞甲基的反應(yīng)

根據(jù)一個酚核的羥甲基與另一個酚核的氫原子相互位置配置的方式，可能有四種形成亞甲基橋的反應(yīng)式(圖3-5)的(1)～(4)。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2)催化劑

甲階酚醛樹脂的另一缺點是在低溫下硬化反應(yīng)緩慢。如用甲苯磺酸或苯磺酸的水溶液作催化劑，在環(huán)境溫度低于15℃時，型砂的硬化即明顯減慢，在10℃以下，經(jīng)2～3h仍不能具有脫模所需的強度。解決這個問題可以有兩種辦法：一是采用砂溫控制器，保證原砂溫度在25?C左右；二是改用總酸度高的有機酸(如二甲苯二磺酸)作催化劑，并用醇代替水作溶劑。即二甲苯二磺酸醇溶液作為催化劑。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3)混砂工藝

酸硬化的甲階酚醛樹脂自硬砂與呋喃樹脂自硬砂不同，甲階酚醛樹脂對酸不敏感，原因是：樹脂是由苯酚和甲醛在堿性催化劑作用下縮合而成的，出廠前用酸將堿性催化劑中和并使其呈弱酸性，因此，樹脂對酸性催化劑不如呋喃樹脂那樣敏感。

因此，混砂時，即可先加樹脂后加催化劑，也可先加催化劑后加樹脂。不同加料順序?qū)λ嵊不募纂A酚醛樹脂自硬砂抗拉強度的影響并不大。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學4)硬化特性

甲階酚醛樹脂自硬砂的催化劑不參與樹脂的硬化反應(yīng)，只起催化作用，這種樹脂有兩點與呋喃樹脂大不相同：①由于樹脂對酸性催化劑不如呋喃樹脂那樣敏感，在酸濃度相當高時才發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)；②此種樹脂的含水量高，一般都在15％左右或更高一些。發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)時，除樹脂本身縮合產(chǎn)生水外，還要釋放很多與樹脂互溶的水，這些水將使催化劑稀釋。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學①酸催化甲階酚醛樹脂自硬砂的強度與催化劑加入量的關(guān)系

自硬砂中的樹脂加入量增加，自硬砂硬化時對催化劑的稀釋作用加強，因而不得不增加催化劑的加入量。所以，對于甲階酚醛樹脂自硬砂，催化劑的加入量應(yīng)以占樹脂的百分數(shù)計算較為適宜。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學②酸催化甲階酚醛樹脂自硬砂的可使用時間與催化劑加入量的關(guān)系

在環(huán)境溫度為27～28℃、相對濕度為50％～70％的條件下，用75％甲苯磺酸水溶液作催化劑，不管樹脂加入量如何，只要催化劑占樹脂的百分數(shù)相同，自硬砂的可使用時間都大致相同。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2.酯硬化甲階酚醛樹脂自硬砂

這種自硬工藝是英國Bordon公司開發(fā)的，也稱為α-set工藝，于1981年獲得專利，1982年Bordon公司在英國鑄鋼研究與貿(mào)易協(xié)會年會上，首次發(fā)表了酯固化堿性酚醛自硬樹脂砂技術(shù)，1984開始被廣泛采用。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學1984年，Bordon公司在英國鑄造學會第81屆年會上，又發(fā)表了氣體固化堿性酚醛樹脂冷芯盒工藝（β-set工藝）。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學α-set工藝不采用大量磺酸固化劑，澆注時不產(chǎn)生SO2氣體，這是其主要的優(yōu)點。無氮、無磷、煙氣少，表面光潔，該工藝最先是用于鑄鋼生產(chǎn)，現(xiàn)已廣泛用于有色合金、鑄鐵及高鎳鉻合金中。

在日本，堿性酚醛樹脂砂已占到自硬砂總量的70%以上；在英國，堿性酚醛樹脂砂也接近自硬砂總量的60%。這個占比還在進一步擴大。國內(nèi)也在逐步發(fā)展。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（1）樹脂的特點

該工藝所用的樹脂是在酸硬化甲階酚醛樹脂的基礎(chǔ)上研制發(fā)展起來的，據(jù)報道，此種樹脂供應(yīng)狀態(tài)的pH為11～13.5，故有人稱之為堿性酚醛樹脂。樹脂為暗紅色的黏稠液體，黏度為150～160Pa·s，密度小于1.29g／cm3；熔點低，大約65℃，易燃，能溶于水；不含氮，游離甲醛含量小于0.5％。

此種樹脂的缺點是保存期短，20℃以下可存放6個月，30℃以下為2～3個月。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（2）固化劑和硬化特性

此種樹脂自硬砂的固化劑以有機酯為主。多種低級的有機酯均可作固化劑，可視對硬化速率的要求而定。作用強的，自硬砂的脫模時間可以短到2～3min；作用弱的可在40min以上。國內(nèi)常用甘油醋酸酯。

固化劑的用量大約是樹脂的20％～30％。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學硬化特性①固化速度取決于固化劑種類。由于固化劑參與樹脂的交聯(lián)反應(yīng)，所以固化劑的加入量應(yīng)與樹脂量相匹配，其固化速度與有機酯的種類有關(guān)。因此，不能用改變固化劑用量的辦法來調(diào)節(jié)自硬砂的硬化速率，只能通過改變固化劑的品種來達到目的。這是與酸硬化甲階酚醛樹脂自硬砂的重要差別。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

②二次固化。堿性樹脂在固化劑的作用下只發(fā)生部分交聯(lián)反應(yīng)，自硬砂硬化后仍有一定的熱塑性，澆注金屬后，還有一個因受熱而完成交聯(lián)反應(yīng)的過程，稱為二次固化。這也是與酸催化甲階酚醛樹脂自硬砂的不同之處。

③固透性好。固透性是指砂型或型芯內(nèi)外固化差別的程度。酯硬化堿性酚醛樹脂砂的砂型上下部分和內(nèi)外部分同時硬化，固透性好。有利于提高造型、制芯速度，容易掌握脫模時間。鑄造用堿性酚醛樹脂行業(yè)標準為：JB/T11739-2013第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（3）酯硬化堿性酚醛樹脂砂的特點1）對原砂的適應(yīng)性較強。對原砂的酸耗值和含水量要求不高，基本不受原砂酸性和堿性的影響，可用鎂橄欖石砂、鉻鐵礦砂等。在原砂水分較高的情況下，砂型和型芯仍可以得到較高強度。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學2）由于不采用大量磺酸固化劑，混砂、造型、澆注時不產(chǎn)生SO2氣體，其他有害氣體和煙氣發(fā)生量也小于自硬呋喃樹脂砂和脲烷樹脂砂。3）脫模時型砂仍保持一定的塑性，脫起模性能好，不易黏模，砂型表面比較光潔，模樣的拔模斜度也可以適當減小。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學4）鑄型存在二次硬化的過程，用此工藝所制得的鑄型或型芯，硬化后的強度不高，抗壓強度只有2～4MPa，鑄型在澆入金屬液后的一段時間內(nèi)砂型呈熱塑性狀態(tài)，鑄型在較長時間內(nèi)不被破壞，因而鑄型的尺寸穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定好，制得的鑄件尺寸精度高、表面質(zhì)量好，不易發(fā)生脈狀紋缺陷。還可避免型芯在高溫作用下，過早潰散而產(chǎn)生沖砂、夾渣等缺陷第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學5）黏結(jié)體系中只含有C、H、O元素，不含S、P、N等元素，不會導致鑄鋼件滲硫、滲磷和球墨鑄鐵件的球化不良現(xiàn)象，可減少針孔等缺陷。6）潰散性、落砂性能改善?？捎行Х乐硅T鋼件尤其是薄壁鑄鋼件產(chǎn)生裂紋等缺陷。

基于上述特性，酯硬化堿性酚醛樹脂砂已逐漸成為生產(chǎn)鑄鋼件和球墨鑄鐵件的首選黏結(jié)劑?，F(xiàn)已廣泛用于有色合金、鑄鐵及高鎳鉻合金中。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.脲烷樹脂自硬砂（1）酚醛脲烷樹脂砂

這種工藝于1970年開始用于鑄造，國外稱pep-set法，采用的黏結(jié)劑由三部分組成。

組分I-苯基醚酚醛樹脂；

組分Ⅱ-聚異氰酸酯；

組分Ⅲ-胺催化劑。

三種成分均為液體。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

組分I和組分Ⅱ之比常采用50：50，或為了減少含氮量而采用60：40，但砂芯強度將有所降低，而氣體缺陷有可能少些。這兩種成分的總加入量為砂質(zhì)量的1.4％～1.6％。

催化劑Ⅲ用于調(diào)整樹脂砂的硬化速度。通常采用比三乙胺法所用三乙胺的堿性弱得多的芳香族胺例如苯基丙基吡啶(液體)，其加入量為組分I質(zhì)量的1％～5％。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

硬化機理是苯基醚酚醛樹脂中的羥基與聚乙氰酸酯中的異氰酸根在胺催化劑的作用下發(fā)生加成聚合反應(yīng)，生成脲烷聚合物，而使型砂硬化。反應(yīng)式如下：

硬化特點：芯砂混合好后要待一小段時間才開始硬化，這一小段時間的75%為可用期,但硬化反應(yīng)一旦開始，硬化速度很快，硬透性很好。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（2）醇酸油脲烷樹脂砂

這種方法是1965年左右由美國Ashland化學公司開發(fā)的，稱為Linocure法。這種工藝采用的黏結(jié)劑由三部分組成。組分I-油改性醇酸樹脂；組分Ⅱ

-液態(tài)胺／金屬催干劑，常用的催干劑為有機酸的金屬皂類催干劑，例如環(huán)烷酸鈷和環(huán)烷酸鉛液；組分Ⅲ

-聚MDI(4，4’-二苯基甲烷二異氰酸酯)型異氰酸酯。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

三種成分均為液體，其中I和Ⅲ是主要成分。組分I的加入量占砂質(zhì)量的1％～2％；組分Ⅲ加入量為組分I的18％～20％；組分Ⅱ為用來達到預定的可使用時間和脫模時間，加入量為組分I的2％～10％，可單獨加入，也可預先摻入組分I內(nèi)。

醇酸樹脂用油改性的原因是因為醇酸樹脂性脆，溶解度有限，與許多組分不能混溶等，因而常在反應(yīng)物中引進單元酸組分如干性油等進行改性。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學根據(jù)鑄件合金種類，醇酸脲烷樹脂砂的黏結(jié)劑加入量見表3-9。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學

此工藝的優(yōu)缺點與酚醛脲烷樹脂自硬砂的相同，優(yōu)點是對原砂要求不嚴格，包括堿性砂子在內(nèi)的各種原砂都可使用，舊砂也易于再生。由于黏結(jié)劑具有較低的熱強度，因此往往需添加氧化鐵以改善熱強度。

由于黏結(jié)劑受熱分解，形成具有光澤的碳質(zhì)，在很多情況下可以改進鑄件的表面粗糙度，但過量的碳質(zhì)在鑄件表面會呈現(xiàn)類似冷隔的發(fā)光褶皺?；焐昂蜐沧r有煙氣，對呼吸系統(tǒng)有害。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學（3）多元醇脲烷樹脂砂

它是在70年代末期開發(fā)的，特別適用于鋁、鎂和其他輕合金鑄造。

組分I-一種具有良好熱潰散性的多元醇；

組分Ⅱ-MDI型異氰酸酯；

組分Ⅲ-胺催化劑。

當組分I和組分Ⅱ的質(zhì)量比為50：50時可得到最好結(jié)果。

組分Ⅲ一般不用，脫模時間從8min到超過1h，但也可用組分Ⅲ來控制脫模時間，有時可快達3min。黏結(jié)劑加入量對于輕合金來說為原砂質(zhì)量的0.7％～1.5％。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學3.3.5氣硬冷芯盒法樹脂砂

熱芯盒法、殼法因耗能高，芯盒工裝的設(shè)計和制造周期長，成本高，制芯時工人需在高溫及強烈刺激氣味下操作等，從而限制了它們的應(yīng)用。采用自硬冷芯法制芯，芯砂可使用時間短，脫模時間長，不利于高效大批量制芯，而氣硬冷芯盒法基本可以彌補它們的不足。

氣硬冷芯盒法制芯是將樹脂砂填入芯盒，而后吹氣硬化制成砂芯。根據(jù)使用的黏結(jié)劑和所吹氣體及其作用的不同，而有三乙胺法、SO2法、低毒和無毒氣體促硬制芯法等方法。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學1.三乙胺法

此法為美國Ashland油脂化學公司研制成功，1968年開始向鑄造廠推廣并取得應(yīng)用，在英國稱作Isocure法，或稱酚醛-脲烷冷芯盒法，我國叫三乙胺法。

黏結(jié)劑由兩部分液體組成：組分I-酚醛樹脂，組分Ⅱ-聚異氰酸酯。催化劑為液態(tài)叔胺，可用三乙胺[(C2H5)3N](TEA)、二甲基乙胺(DMEA)、異丙基乙胺和三甲胺[(CH3)3N](TMA)；一般用三乙胺，因其價格便宜，對于砂芯厚大或芯砂溫度、室溫較低時，最好用易氣化的二甲基乙胺(三乙胺沸點89℃、二甲基乙胺沸點35℃)。

第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學其工藝過程如圖3-6。

圖3-6三乙胺法制芯工藝過程第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學制芯時，填砂后向樹脂砂中吹入催化劑氣霧(壓力0.14～0.2MPa)，便能在數(shù)秒至數(shù)十秒內(nèi)硬化。達到滿足脫模搬運的強度，其硬化反應(yīng)如下：

液態(tài)組分I+液態(tài)組分Ⅱ→固態(tài)黏結(jié)劑；叔胺催化劑酚醛樹脂+聚異氰酸酯

脲烷

第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學三乙胺法用酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)要求為苯醚型，為

式中m+n≥2，m／n≥1，即要求苯醚鍵應(yīng)多于、至少等于亞甲基橋聯(lián)結(jié)；X為氫原子或羥甲基，X與H的摩爾比至少為1；R’是氫原子、烴基、醛基或鹵素衍生的酚羥基。這樣的酚醛樹脂與異氰酸酯室溫反應(yīng)的產(chǎn)物具有良好的力學