技术分享:呋喃树脂砂铸造原砂、树脂,固化剂的影响分析和选择


目前,在我国铸铁型砂中应用的树脂砂主要是呋喃树脂砂。树脂砂的质量控制是原辅材料、工艺、设备、管理4个方面有机结合的系统工程,其中材料是基础,工艺是核心,设备是条件,管理是保证,有人说,这4方面如一台车的4个轮子缺一不可。现就呋喃树脂砂在生产应用中的几个问题进行探讨。这些问题是:
(1)树脂砂的原辅材料问题;
(2)树脂砂的环境温度与湿度的影响问题;
(3)树脂砂的发气量大的问题;
(4)树脂砂的刺激味问题;
(5)树脂砂操作与管理问题。

一、树脂砂的原辅材料问题
1.原砂质量
树脂砂有诸多优点,是铸造型砂从粘土砂走向自硬砂的重大突破,但它有4大缺点也为国内外所承认:即对原砂要求高;性能受环境影响;发气量大;有强烈的刺激味。
高质量的原砂是保证树脂砂性能的基础。而这点往往受到不少铸造厂的忽视。
(1)树脂砂原砂的质量指标 见表1
表1 树脂砂原砂的质量指标
项目
指标
SiO2(%)
铸钢
铸铁
≥97
≥90
耗酸值/mL
≤5
含泥量(%)
<0.2(擦洗砂)
微粉含量(%)
≤1.0(140号筛)
水分(%)
≤0.2
灼减量(%)
≤0.5
角形系数
≤1.35
粒度(目)
30/50、40/70、40/100
(2)原砂的SiO2含量 铸钢件与铸铁件的浇注温度不同,其原砂的SiO2含量也有所不同,见表2。
表2 树脂砂原砂的SiO2指标
名称
铸钢
(浇注温度1550~1620℃)
铸铁
(浇注温度1350~1420℃)
SiO2(%)
≥97
≥90
(3)原砂的耗酸值 对树脂砂而言,含有碱性物质的原砂,会使酸硬化的呋喃树脂砂延缓硬化,或不硬化。测试发现:硅砂的耗酸值高,硅砂中粘土矿物与碳酸盐等有害杂质的含量也高。这类物质的存在是恶化型砂性能,造成铸件缺陷的重要原因之一,选择原砂时,其硅砂的耗酸值不得超过5mL。试验表明:耗酸值由5mL至8.0mL时,型砂强度降低30%以上。表3为原砂耗酸值对树脂砂强度的影响。
表3 原砂耗酸值对树脂砂强度的影响
耗酸值
/mL
抗拉强度/MPa
0.5h
1h
2h
4h
24h
5.0
0.61
0.84
1.12
1.18
1.58
8.0
0.38
0.45
0.65
0.65
1.08
注:型砂配方:伊盟砂100%、呋喃树脂2.0%、对甲苯磺酸1.0%,室温(20±2)℃,相对湿度(64±3)%。

(4)原砂的含泥量 通常的规定是硅砂中<0.02mm的颗粒为含泥量。在实际含泥量中,<0.02mm以下的不仅包括Sio2硅砂,还包括一些矿物颗粒。
原砂含泥量高有三大害处:
其一,比表面积大,消耗树脂,降低树脂砂强度。
其二,泥中含有大量的碱金属与碱土金属氧化物,降低树脂砂的耐火度。
其三,泥中含有的碳酸盐及贝壳类物质会增大耗酸值,这些皆增加硅砂的发气量,恶化硬化特性。
因此,树脂砂的原砂含泥量应小于0.2%。含泥量由0.2%至1.0%时,树脂砂强度降低10%~35%。这就是为什么树脂砂原砂需要擦洗砂的原因。含泥量对呋喃树脂砂的强度影响见表4。
表4原砂含泥量对树脂砂强度的影响
含泥量(%)
抗拉强度/MPa
0.5h
1h
2h
4h
24h
0.2
0.61
0.84
1.12
1.28
1.58
1.0
0.40
0.72
0.80
0.82
1.43
注:配方与表3相同

(5)原砂的含水量 原砂含水量的增加常导致树脂砂三个方面性能的恶化:即树脂砂强度的下降;树脂砂的发气量与发气速度增大;硬化速度与起膜时间的延长。在生产中应严格控制原砂含水量不得高于0.2%。如原水中含水量由0.2%增至0.6%,型砂强度将降低50%左右,甚至更多,见表5,对硬化时间的延长影响,见图1。
表5 原砂含水量对树脂砂强度的影响
含水量(%)
抗拉强度/MPa
0.5h
1h
2h
4h
24h
0.2
0.50
0.83
1.01
1.12
1.25
0.6
0.12
0.29
0.38
0.48
0.65
注:配方与表3相同

图1 原砂含水量与树脂自硬砂强度及硬化时间的关系

(6)原砂中的微粉含量 硅砂的微粉是指粒度小于0.106mm(140目筛)的颗粒。
微粉的有害作用有三个方面:
第一,增大硅砂的总表面积,消耗树脂。
第二,降低型砂的强度与透气性。
第三,使再生砂中微粉增加,再生砂性能恶化。
生产中应严格控制原砂中的微粉含量小于0.2%。原砂微粉含量由0.2%升至0.8%,强度由1.5MPa降至0.5MPa,这将导致树脂量增加,成本的提高,发气量的增加,气孔缺陷倾向的增大,见图2。

图2 原砂微粉含量与树脂自硬砂强度的关系

(7)原砂的灼减量 灼减量是硅砂中有机类杂质和碳酸盐在高温下烧失的杂质量。它增加了型砂的发气量,对铸件表面质量十分有害,原砂的灼减量不得超过0.5%
(8)原砂的粒形 对硅砂的粒形表示有两种,圆形法与角形系数法。
图形法:用“○”表示圆形砂粒,用“□”表示多角形砂粒,用“△”表示尖角形砂粒,两种粒形组合的砂粒表示为“○-□”,“□-△”等。每种粒形均在显微镜下评定。
角形系数法:角形系数是指硅砂实际比表面积与理论比表面积的比值。比值越接近1.0,则砂粒越圆。
硅砂粒形与角形系数的关系见表6。
表6粒形与角形系数的关系
形状
分级代号
角形系数
圆形
1.15
椭圆形
○-△
1.30
多角形
1.45
方角形
□-△
1.63
尖角形
1.63
图3~图7为硅砂的各种粒形。

图 3 圆形砂粒(○型)

图4 多角形沙粒(□型)
图5 尖角形沙粒(△型)
图6 椭圆形沙粒(○+□型)
图7 方角形沙粒(□+△型)
原砂粒形对型砂性能有着重要影响,在相同树脂量下,圆形砂配置的型砂,强度比多角形大的多,见表7。
表7 原砂粒形对抗拉强度的影响
粒形
角形系数
型砂抗拉强度/MPa
抗拉试样重量/g
温度/℃
湿度(%)
圆形
1.22
1.74
111
26
74
多角形
1.56
0.5
95
26
77
注:树脂1.5%、固化剂55%(占树脂)。

由表可知,圆形砂粒的型砂强度比多角形粒形高2倍,且发现多角形砂配制的型砂流动性差,难以舂实。这可从其试样重量轻于圆形砂粒试样得到证实,紧实度差的树脂砂其必然导致树脂粘结桥数量的减少,这是强度降低的主要原因。因此要求树脂砂原砂的角形系数要求≤1.35。
综合上述,树脂砂质量必须从原材料抓起。如江苏某厂采用呋喃树脂砂,加入量原为1.5%~1.6%,后对8种原砂进行系统的筛选试验,选择了合格的原砂,树脂加入量降至1.2%,国内某大型机床铸件厂采用围场粒形较好的,经过擦洗的风积砂,选用了优质的树脂。其树脂加入量长期稳定在0.8%~1.0%。
2.树脂的质量
铸铁型砂用的呋喃树脂是以糠醇为基础的树脂,并以糠醇结构上特有的呋喃环而得名。
呋喃树脂主要由糠醇、尿素、甲醛或苯酚等组元缩合而成,主要组成是糠醇、尿醛、酚醛。呋喃树脂品种多样,通常按糠醇含量将呋喃树脂分为三大类,见表8。
表8 呋喃树脂分类
类别
糠醇树脂(%)
高糠醇树脂
80~100
中糠醇树脂
60~80
低糠醇树脂
40~60
铸铁用的呋喃树脂是中糠醇树脂。根据铸件材质选用呋喃树脂的参考见表9。
表9 铸件材质选用呋喃树脂的参考
铸件材质
选用的呋喃树脂
名称
牌号
糠醇
氮含量(%)
水分(%)
普通灰铸铁
HT200.HT250
中糠醇
4-6
≤7
高强度灰铸铁
HT300.HT350
2-4
≤6
球墨铸铁
各种牌号
2-4
≤6
铸钢
各种牌号
高糠醇
≤2
≤5
有色合金

低糠醇
10-15
≤15
值得提出的问题是,目前全国众多生产呋喃树脂的厂家,其产品质量参差不齐,鱼目混珠,尤其是在低价位的激烈的竞争下,为了降低成本,常使呋喃树脂中水分与氮含量严重超标,极大地影响了树脂砂的质量。水分对呋喃树脂是一种不利的成分,无水的呋喃树脂应是最好的,但实际上树脂中的水分通常是脱不净的,一般在2%~10%范围内。但在一些呋喃树脂中生产厂家为了降低成本,常生产出水分达12%~25%的呋喃树脂,这种高含水量的树脂将会造成下列问题的发生:降低硬化速度延长起膜时间;降低型砂强度与硬透性。因此,树脂进厂时必需对含水量进行测试。2010年现代铸铁杂志曾对数家呋喃树脂生产作过调查,其含水量有12%、18%、20%的不等,仅有一家为6%。
树脂中的含N量是一个重要指标,它对树脂的性能与价格皆有重要的影响。灰铸铁,球墨铸铁通常采用的是中氮树脂,即要求一定含量的N含量(2%~4%),又要求N含量不要过高(<5%)。原因是加入N可增加型砂的常温强度,韧性及溃散性,有利于型砂性能的提高。且带入N的尿素组分价格便宜,可降低成本。但N含量过高也会带来三个问题,一是抗湿性增加,即制造呋喃树脂时,随着N含量增加,粘度增加,导致包覆砂粒的树脂膜变薄或不完整,使型砂强度降低,若为降低粘度而少脱水,则导致含水量增加,使固化速度,硬透性及强度皆受影响,这也是含N高,含水分也高的原因。二是热强度降低,树脂砂要求的热稳定性是十分不利的;三是形成氮气孔,形成气孔缺陷。因此树脂进厂时,含氮量是必测项目。
即要不产生N气孔,又要降低成本是有可能的:如生产厂的树脂的N含量为4%,铸造厂的树脂加入量为1.5%,则带进的N含量为0.06%。如果铸造厂采取措施后,将树脂加入量降至为1.0%,则可用价格低的含N量为6%的树脂,带入的N含量仍为0.06%,这样树脂生产厂可降低树脂成本,铸造厂的树脂加入量低。购买的树脂价格也低,可双重得益。
3.固化剂的质量
目前,呋喃树脂常用的固化剂是对甲苯磺酸,二甲苯磺酸等有机酸,它主要的特点是酸度范围宽,硬化速度可以调节,硬化后强度高,浇注后有机磺酸分解,不残留在再生砂中,不影响再生砂的性能。因此,在铸铁中应用呋喃树脂砂时一定要用经过磺化的酸,切不可贪图便宜购买未经磺化的硫酸作固化剂,河北某机床铸件购买了价格低的硫酸固化剂后,操作者的咽喉、眼睛受到严重损害,并因其酸性强,硬化过程反应强烈而难于控制。受到双重损害。
高质量的原砂,合格的树脂与固化剂,它是保证树脂砂性能的基础,树脂砂质量必须从原辅材料抓起。


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