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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