呋喃树脂砂应用中若干问题的探讨(下）

呋喃树脂砂应用中若干问题的探讨(下）

2015-11-27 马敬仲 铸造工业

四、树脂砂生产中操作与管理问题

精细的操作与严格的管理是树脂砂质量控制的核心，但目前不少厂皆未执行到位。

1．操作上的问题

（1）舂实的操作被忽视 树脂砂即使不舂实，也会自硬成型，这种现象导致一些操作者完全忽视了造型，制芯中的舂实工作，往往用脚踩、铁锹拍拍了事，也不用振动台，这是一个操作误区。树脂砂是一种自硬砂，硬化后铸型表面硬度很高。但型面硬度与铸型紧实度不是一个概念。未舂实的树脂砂铸型表面硬化后虽然很硬，但却降低了型砂强度。表14为舂实力度对型砂强度的影响。

表14 舂实力度对型砂强度的影响

未舂实的型砂其内部多有空隙，浇注后树脂受热、分解、气化，使砂粒失去支撑，造成胀砂、粘砂等缺陷，对石墨化膨胀强烈的球墨铸铁则会形成缩松与缩孔。因此，对于树脂砂造型、制芯的操作，人工辅助舂实是必不可少的。对模型凸台的下部，凹角转弯处及活块下部等处更要用手工紧实。实践证明，紧实、均匀的型与芯大幅度地提高了抗粘砂的能力与铸型表面稳定性。

（2）可使用时间的正确掌握 呋喃树脂砂有一个重要特性，刚混制时型砂的终强度最高，随着时间的延长，终强度逐渐下降，见图14。降到只剩下70%终强度时，这时的制作时间称为可使用时间。

操作者就是要在这有限的可使用时间内完成操作，此时型砂流动性好，舂实时省力，型砂强度高。如超过了可使用时间，流动性恶化，充型难，舂实力度加大也无法舂实，型砂终强度大幅度降低，表面稳定性差，极易冲砂。所以树脂砂操作的一个重要原则就是混制后尽快成型。必须在可使用时间内完成造型、制芯。图15是连续式混砂机。图16是树脂砂混砂-造型-起膜过程中的硬化过程与强度变化。

图16 树脂砂在混砂-造型-起膜过程中的硬化过程与强度变化示意

由图可知，树脂砂固化分三个阶段：预固化、封闭固化、敞开全固化。由于操作者不了解这三个固化过程，则在生产现场出现不同程度的问题。

预固化阶段最主要的任务是：要在可使用时间完成紧实操作。某中、大型铸造厂，造型时未能连续分层舂实，砂层之间的操作时间超过了可使用时间，造成砂型的分层，导致塌箱。某厂夜班造型时，造型中间停歇长，混砂机前段存放的时间早已超过可使用时间，未作头砂处理，再进行放砂造型时，头砂已固化，造成冲砂、夹砂缺陷。某厂造型准备工作不足，在造型操作的中间才去拿浇冒口，冷铁，活块。超过了可使用的时间，造成型砂强度下降，这都是在预固化阶段发生的问题。

封闭固化阶段要注意的问题是，不要为了提高生产率而过度地加快起膜时间。工厂操作者总希望可使用时间长一些，起膜时间短一些，根据呋喃树脂的硬化原理这是不可能的。重要的是增大固化剂加入量，的确提高了初始强度与起膜时间，但却降低了终强度。这是因为封闭固化阶段虽然硬化速度不快，建立强度缓慢，但却是后续全固化的基础。过快的硬化会使已交联的预聚物将未交联的预聚物包在内部使其未能充分有序地展开而参与交联。虽然初始强度较高，但终强度降低。因此操作前就应该根据铸型的大小，铸件的复杂程度选择固化剂的加入量，留足可使用时间，留足一定的封闭固化的时间，虽然起膜时间迟一点，但对后期的全固化作用好，终强度高。

敞开全固化阶段是快速硬化、强度迅速增长的阶段。该阶段应注意两个问题：一是刷涂料的时间。二是型、芯硬化后的吸潮。前者是刚起模的型、芯不宜立即上涂料。因为此时固化反应尚在初期阶段，若是水基涂料，则会影响硬化的正常进行。如是醇基涂料，则点燃后会使未完成合成反应的树脂过烧。这些皆会影响型、芯的表面稳定性。因此上涂料应在造型、制芯后4小时后进行。型、芯存放期会吸潮，强度下降。这也是强度达到最高值后强度下降的原因。因此在浇注前需要用热风烘烤。

（3）可使用时间的测定 目前用的70%强度法，即混砂后每隔2min取树脂砂制成若干组试样，经24h后测终强度，一般情况下，刚混好时型砂终强度最高，离其时间越远，强度越低。当强度降至最高强度的70%时，其对应的制样时为可使用时间。24h的强度不一定是最高强度，但通常仍以24h强度为终强度。此法存在两个问题：一是24h才知结果。测试过程太长且24h内环境温度、湿度是变化的，数据不够准确。二是方法繁琐。美国铸造工作者学会推荐的锤击法简易可行，一目了然，能清楚地诠释可使用时间的意义。方法如下：

①砂混好后，立即取样在仪器上锤击3次，制成Ф50mm×50mm的试样，记录冲杆顶端在刻线上的位置h1,并 称重量W1。

②每隔2min取同样重量W1的树脂砂，在仪器上锤击至h1的位置，记录锤击次数。

③当试样需锤击6次才达到h1高度时，则从混砂终了到此时的时间为可使用时间。

此法充分说明树脂砂离混砂终了的时间越近，型砂流动性越好，舂实最省力。离混砂终了时间越远，则需更多的锤击次数才能达到同样的高度。充分说明进行造型、制芯操作时掌握可使用时间是多么重要。

（4）表面稳定性 铸型表面与高温金属液接触，要求具有抗冲刷、耐磨损、抗烘烤的能力，这种能力用表面稳定性来表征。在日本的工厂里，有表面稳定性的要求，要达到90%以上。其测试方法是将Ф50mm×50mm的试样在一振动筛上振动，振动时间为60s，称其前后重量，算出表面稳定性：

SS1=×100%

SS1为表面稳定性，W1振动前重量，W2振动后重量。日本大部分工厂SS1为90%~95%。在日本表面稳定性达到95%的工厂，型、芯表面强度高，表面致密而光滑，不仅抗高温铁液冲刷的能力强，很少有冲砂缺陷，且与涂料配合，铸出表面光洁的粗糙度12.5~25um的优质铸件。国内也应该展开对表面稳定性的研究与应用。

我国的树脂砂的质量控制虽有一定的进步，但与国外先进水平的国家相比，尚有不少的差距。

笔者曾到日本五个应用树脂砂的铸铁件制造厂考察，许多地方值得我们学习。

A：重视原辅材料质量。

铸造原砂有三种，硅砂、铬矿砂、锆砂。硅砂的Sio2＞93%，水分控制十分严格，接近于零。吉田铸工所用的大部分是铬矿砂，高质量的铸件则选用进口的澳大利亚锆砂。树脂的含N量要求为2~6%。但市场供应的皆是N＜2%的树脂。他们指出，N＞8%，会产生N气孔。

B：树脂加入量少，旧砂再生率高，铸型表面而稳定性好。

树脂加入量见表15，吉田铸工所的树脂加入量0.7%～0.8%。

表15 日本树脂砂的性能

旧砂为250℃的加热处理+机械再生，再生率为95%，故配砂为95%再生砂+5%新砂。日本十分重视旧砂再生，吉田铸工所的树脂砂旧砂再生回用率达97%。每吨旧砂排放要缴纳4000日元的环保费。

C：废品率低，树脂砂的型砂成本低。

根据日本吉田铸工所的长年统计，粘土砂废品率7%～8%，水玻璃砂为5%，树脂砂为3%，用树脂砂时砂铁比为2.7%～3.1%。由于树脂砂回用率高，加入量低，其成本最低，吉田铸工所型砂的综合成本对比是，粘土砂10000日元/吨砂，水玻璃砂6000日元/吨砂，树脂砂5000日元/吨砂。该单位在1984年取消了水玻璃与粘土砂，全部改为树脂砂。日本丰田工机株式社铸造工厂铸件废品率0.9%，树脂砂型砂综合成本比粘土砂低1倍。

D：管理严格，操作精细。

配合生产需要，工厂做了大量树脂砂的试验工作，如室温、湿度对型砂性能的影响，氧化铁粉对树脂砂性能的影响，硬化剂加入量对可使用时间与起膜时间的影响，再生砂加入量对型砂强度的影响，由于有可靠的数据作依据，所以生产中很少发生问题，质量管理中特别重视砂温管理（30~35℃）。在生产砂的质量管理（灼减量＜2.5%，微粉含量＜0.2%）操作中十分重视舂实与排气，重要的铸件采用拔塞浇口，每个铸型上标有日期，铸件号，造型工代号，浇注卡有化学成分，三角白口，出铁温度等。浇注速度不采用公式计算，而是根据树脂砂耐高温强度，易形成发气峰值及夹渣方面的特点，采用快浇工艺，见表16。

表16 树脂砂的浇注速度

铁液温度1500～1550℃浇注温度1420～1370℃，铸出的铸件表面光洁，尺寸精度高，600mm长度上，不平度＜1mm。总之，他们的树脂加入量低，废品率低，精细的操作，严格的管理给笔者留下了深刻的印象。

树脂砂大规模的应用，在我国已有近30年的历史了，用树脂砂工艺生产出**的铸件已不是一件难事，因为树脂砂本身并没有高深的理论，也没有悬而不决的关键问题需要解决，难的是操作不精细，管理不严格。这正是我国从铸造大国走向强国中企业要努力做好的两件大事。

参考资料

1、谢明师.呋喃树脂自硬砂实用技术【M】.北京.机械工业出版社.1995.10

2、李传栻.造型材料新论.北京.机械工业出版社.1992.4

3、章舟.呋喃树脂砂铸造生产及应用实例【M】.北京.机械工业出版社.2008.1

4、黄志光.铸件内在缺陷分析与防止【M】.北京.机械工业出版社.2011.1

5、马敬仲.树脂砂生产的关键是精细的操作和严格的管理.今日铸造.2008.10

选自《铸造工业》杂志**期

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