【摘要】 冷自硬樹(shù)脂砂型除受樹(shù)脂本身的性能影響外，還受氣溫、砂溫、原砂的特性、固化劑的種類(lèi)、酸度值、固化劑的加入量以及混砂方式，混砂時(shí)間長(cháng)短等等方面的影響，在用于生產(chǎn)球墨鑄鐵件時(shí)，鑄型表面的涂料特性以及球鐵本身的固有特性等都將對球鐵鑄件產(chǎn)生影響。本文針對以上方面，并結合生產(chǎn)實(shí)際就冷自硬樹(shù)脂砂用于球鐵生產(chǎn)的過(guò)程控制及問(wèn)題進(jìn)行一些探討，求教于廣大鑄造同仁，以期對冷自硬樹(shù)脂砂用于球鐵生產(chǎn)有所幫助。
【關(guān)鍵詞】 冷自硬樹(shù)脂砂 固化劑 涂料 球墨鑄鐵
隨著(zhù)鑄件采購商對毛坯外觀(guān)和鑄件尺寸精度要求的提高，潮模砂生產(chǎn)鑄件的方式顯得越來(lái)越落伍了，特別是在較大型的機床、閥門(mén)類(lèi)鑄件的生產(chǎn)方面，無(wú)論是鑄件的外觀(guān)還是尺寸精度，尤其是鑄件的內在質(zhì)量甚至生產(chǎn)周期，樹(shù)脂砂生產(chǎn)的優(yōu)勢變得越來(lái)越明顯，并逐漸被廣大鑄造工作者和鑄件采購商所認同。雖然呋喃樹(shù)脂并不是新東西，文獻表明早在1873年就有了起源于玉米制品的呋喃乙醇樹(shù)脂記載，但國內用呋喃樹(shù)脂作為粘結劑用于鑄造生產(chǎn)卻只有二十多年的歷史，并已有最新成果“堿性酚醛自硬樹(shù)脂”等。樹(shù)脂砂在國內發(fā)展的這二十多年來(lái)，隨著(zhù)國內對樹(shù)脂、固化劑等研究的深入和成熟，生產(chǎn)中的應用也越來(lái)越廣泛，并且無(wú)論是造型還是制芯，無(wú)論是加熱固化還是催化固化——即所謂自硬都被大量應用，本文僅對加酸硬化的冷自硬樹(shù)脂砂在球墨鑄鐵生產(chǎn)中的運用過(guò)程及產(chǎn)生的一些影響產(chǎn)品質(zhì)量的問(wèn)題進(jìn)行分析探討并提出結合自己生產(chǎn)實(shí)際的解決辦法，以求得到方家的指正。
一、樹(shù)脂質(zhì)量對球鐵質(zhì)量的影響及控制方法
所謂冷自硬樹(shù)脂砂就是用樹(shù)脂作粘結劑用酸作催化劑，不用加熱，常溫下即能使砂型（芯）達到所要求的硬度的一種型（芯）砂。
要得到表面光潔、幾何尺寸精確（相對而言）、內在質(zhì)量高的鑄件，鑄型（芯）的表面必須光潔，鑄型的幾何尺寸必須符合金屬液的凝固、收縮特點(diǎn)而精確；要得到內在質(zhì)量高的鑄件，在鑄型（芯）上要做的文章更多，而樹(shù)脂的質(zhì)量則對鑄型（芯）的質(zhì)量起著(zhù)決定性的作用，樹(shù)脂就是通過(guò)影響鑄型（芯）的質(zhì)量從而影響到鑄件的質(zhì)量的。
1、樹(shù)脂含氮量對球鐵件皮下氣孔的影響及控制方法
現在，我們通常使用的樹(shù)脂全稱(chēng)：糠醇脲醛改性呋喃樹(shù)脂，是由主要原料：糠醇（C5H4O2）、尿素（（COCNH2）2）、甲醛（HCHO）等組成的高分子聚合物，球鐵鐵水溫度一般在1350℃以上，在球化過(guò)程中已產(chǎn)生了大量鎂蒸氣；作為鑄型粘結劑的樹(shù)脂在高溫鐵水的作用下發(fā)生裂解，產(chǎn)生H2、N2、CO2和H2O等氣體；且樹(shù)脂用量越大發(fā)氣量越大，特別是樹(shù)脂中尿素含量高時(shí)即含氮量高發(fā)氣量更高，這些氣體有一部分透過(guò)鑄型排放到空氣中，一部分則溶解到高溫鐵水中，待鐵水溫度下降，這些氣體在鐵水中的溶解度降低而逸出時(shí)，鑄件形成后則分布在鑄件的表面上形成鑄造缺陷——皮下氣孔，特別是當鑄型透氣性差的時(shí)候，鑄件的下型下表面更為嚴重。
而研究表明，適當增加樹(shù)脂中尿素的含量會(huì )提高樹(shù)脂的粘結強度，這就出現了一對矛盾，即若要提高樹(shù)脂的粘接強度就要增加樹(shù)脂原料中含氮較高的尿素的比例，而尿素增加，含氮量增加，球鐵件的皮下氣孔缺陷也要增加。
生產(chǎn)中還要考慮到成本因素的影響，尿素比例高的樹(shù)脂價(jià)格相對便宜，凡此種種，所以生產(chǎn)選用樹(shù)脂時(shí)要遵循這樣的原則：大型鑄件加工余量大可選含氮相對較高的樹(shù)脂，小型鑄件加工余量小要選含氮量相對較低的樹(shù)脂，并不是生產(chǎn)球鐵也跟生產(chǎn)鑄鋼一樣選用樹(shù)脂含氮越低越好，鑄件產(chǎn)生了皮下氣孔，只要能加工去除也是沒(méi)有關(guān)系的。當然，只要確保了鑄型的剛度和強度，盡量降低樹(shù)脂的用量和降低樹(shù)脂的含氮量是有利于消除球鐵件的皮下氣孔缺陷的。
2、樹(shù)脂粘度對鑄型強度的影響及其控制方法
如果樹(shù)脂粘度大，在配砂時(shí)，特別是用間歇式混砂機混砂時(shí)，集中加入進(jìn)混砂機的樹(shù)脂容易結團，不易對砂粒完全浸潤而均勻包覆在砂粒表面，同樣也不易與固化劑均勻接觸而發(fā)生固化反應，生產(chǎn)中表現為型砂局部樹(shù)脂含量高，不易固化，局部樹(shù)脂含量低固化后強度又不高。所以，選用樹(shù)脂的粘度時(shí)既要考慮其粘接強度又要考慮其對型砂的浸潤性。
樹(shù)脂砂的終強度要在24小時(shí)后才達到，其終強度并不一定是它的最高強度。有些工廠(chǎng)受生產(chǎn)班次的影響，鑄型固化后往往不到24小時(shí)就要澆注，這樣會(huì )損失樹(shù)脂砂的部分強度，或者需要增加樹(shù)脂加入量以保證提前澆注時(shí)樹(shù)脂砂的使用強度。
3、樹(shù)脂砂型剛度對球鐵補縮性能的影響及其控制方法
球鐵的最大特點(diǎn)就是在球鐵水冷卻過(guò)程中有一個(gè)石墨化過(guò)程，鐵水中的石墨碳在球化劑中的球化元素的作用下形成球狀石墨，并且在這一個(gè)過(guò)程中球鐵會(huì )發(fā)生體積膨脹——所謂石墨化膨脹，這一過(guò)程大概發(fā)生在鐵水澆注入型腔后的五分鐘左右時(shí)間內，如果鑄型剛度不夠，那么就會(huì )使鑄型開(kāi)裂，有時(shí)在砂型強度低時(shí)還會(huì )發(fā)生穿箱事故，這種現象在采用無(wú)箱造型時(shí)更為普遍；若有砂箱時(shí)還可能使上箱的型砂成整塊的上抬、冒出砂箱，使型腔變大，發(fā)生這種情況后鑄件若得不到很好的補縮就會(huì )形成縮松、縮孔等缺陷而致廢。
因為樹(shù)脂是有機高分子的聚合物，分子鏈長(cháng)短受聚合過(guò)程的溫度和時(shí)間的影響較大，僅從生產(chǎn)實(shí)踐方面來(lái)看，在有效期內（指樹(shù)脂不發(fā)生老化、水解、分解等），存放時(shí)間長(cháng)的樹(shù)脂比新鮮樹(shù)脂好，表現在：鑄型剛度好，即既具有一定的砂型表面硬度和粘接度，又具有一定的韌性。樹(shù)脂存放一定的時(shí)間，比如三個(gè)月左右，其配制的型砂固化后硬度均勻，強度均勻，性能穩定。
此外，向樹(shù)脂中滴加硅烷也能很好地改善樹(shù)脂的使用性能。硅烷是一系列含四價(jià)鍵硅的高分子聚合物，有長(cháng)效、速效之分。樹(shù)脂中加入硅烷后，砂型脆斷和開(kāi)裂的情況會(huì )大大改善，這樣，在球鐵凝固并發(fā)生石墨化膨脹階段，鑄型保持原有的尺寸，只要澆冒系統和鐵水成份合宜就不會(huì )發(fā)生縮孔、縮松等缺陷，并且還可有效地利用鑄型剛度進(jìn)行球鐵的“自補縮”，減小甚至取消球鐵的冒口并實(shí)現“均衡凝固”以提高鑄件的工藝出品率。
二、固化劑對球鐵質(zhì)量的影響及控制方法
沒(méi)有催化劑或不進(jìn)行加熱，樹(shù)脂砂是不會(huì )很快硬化成形的，樹(shù)脂與酸發(fā)生放熱的化學(xué)反應來(lái)使樹(shù)脂固化，并使型砂硬化，酸在樹(shù)脂的固化過(guò)程中是起催化作用的，所以也把這種催化劑叫固化劑，鑄型硬化后，鐵水在澆注入鑄型時(shí)，鑄型還未受熱的影響，在樹(shù)脂沒(méi)有分解之前，金屬液填充鑄型成形并冷卻，鑄件成形后樹(shù)脂才開(kāi)始分解并引起鑄型潰散。
作固化劑的酸都是中強酸，早期用磷酸，但磷酸在氣溫低時(shí)會(huì )變稠，很難使其均勻分布在砂粒表面，型砂的性能即使在夏天也不穩定，用量稍微偏少時(shí)鑄型長(cháng)時(shí)間不固化，稍微偏多時(shí)又很快固化了，使型砂的可使用時(shí)間變短，生產(chǎn)上很難掌握。冷自硬樹(shù)脂砂的固化劑目前使用得最普遍的是苯磺酸、對甲苯磺酸或二甲苯磺酸。
固化劑的酸度值對砂型強度影響較大。相同溫度下，酸值低的固化劑，使砂型硬化的時(shí)間長(cháng)，可使用時(shí)間長(cháng)，酸值高的固化劑，使砂型硬化時(shí)間短，可使用時(shí)間短。
相同酸度的固化劑在氣溫或砂溫高（例如旋即處理的舊砂）時(shí)，使砂型硬化時(shí)間短，可使用時(shí)間短，氣溫低或砂溫低時(shí)（有時(shí)是新砂），使砂型硬化慢，可使用時(shí)間長(cháng)。生產(chǎn)中應根據實(shí)際靈活掌握。
一般情況下，硬化快的砂型終強度低，硬化慢的砂型終強度高。
磺酸類(lèi)固化劑對球墨鑄鐵有很大的影響：會(huì )在鑄件的表面“增硫”并會(huì )發(fā)生局部的球化衰退、甚至球化不良，在鑄件加工后的表面上出現“花斑”，使鑄件表面局部出現灰鐵組織，硬度下降、強度下降，性能惡化。生產(chǎn)上一旦遇到此種情況，就應該采取多重措施：
1、使用磷酸或含游離磺酸低的固化劑?；撬犷?lèi)固化劑中大都含游離硫酸，硫酸與球化元素鎂起化學(xué)反應，削弱鎂的球化作用，因此要降低固化劑中游離硫酸的含量。
2、適當增加鑄件的加工余量。經(jīng)過(guò)解剖“局部花斑”發(fā)現，一般情況下，局部增硫只發(fā)生在鑄件的表面5mm左右范圍以?xún)?，確保鑄件加工部位有5mm的余量是必要的。
3、適當提高球化劑的用量進(jìn)行過(guò)量球化。如球化劑加入量1.3%就能球化的若提高球化劑量到1.4%甚至1.5%就能收到很好的效果。在加工余量只有3mm，表面全部加工的飛輪鑄件上用此方法，筆者已收到滿(mǎn)意的效果。
4、用新砂作“面砂”。再生砂的表面已存在一定的硫酸，若重復使用時(shí)，砂中的硫含量肯定增高，鑄件發(fā)生局部球化衰退或球化不良的可能性肯定增加，而使用全新的砂則可避免此種情況發(fā)生。
5、把鑄型表面的涂料層加厚，能消除或減輕固化劑因含硫而引起的鑄件表面增硫現象。
三、涂料對球鐵質(zhì)量的影響及控制方法
冷自硬樹(shù)脂砂中，樹(shù)脂、固化劑都是以液態(tài)形式浸潤在型砂的表面上的，砂粒與砂粒之間是薄薄的一層樹(shù)脂膜，因此即使和潮模砂相比，若不刷涂料，鑄件表面將相當粗糙，而且若不用涂料，在鐵水沖刷鑄型時(shí)，樹(shù)脂會(huì )很快燃燒而分解從而引起沖砂或鑄型潰散。
在冷自硬樹(shù)脂砂生產(chǎn)中，醇基石墨涂料使用最為普遍，石墨既耐火又具有潤滑作用，能使鑄件表面光潔。球墨鑄鐵的澆注溫度一般較高，為了使鑄件表面不粘砂，選用石墨作涂料是最好的。
醇基石墨涂料用酒精稀釋后向鑄型表面噴、涂、刷均可，噴的優(yōu)點(diǎn)是快且較均勻，缺點(diǎn)是點(diǎn)火干燥后松軟地附著(zhù)在鑄型表面，不能有效地附著(zhù)，防鑄件粘砂的效果不理想，對小件可以，而對大件來(lái)說(shuō)最好還是涂刷，而涂刷過(guò)程中需特別注意的是：稀釋涂料的酒精對樹(shù)脂也有稀釋作用，反復涂刷有時(shí)反而把鑄型表面“刷毛”。
因為硫對球鐵的有害影響，所以用于球鐵生產(chǎn)的石墨涂料中的石墨的含硫量也是要控制的，要選用雜質(zhì)含量特別是硫含量較低的石墨粉，這一點(diǎn)特別要引起涂料的生產(chǎn)廠(chǎng)家的注意。
四、用樹(shù)脂砂生產(chǎn)球鐵的其他注意事項
1、上封箱膠
和普通潮模砂相比，樹(shù)脂砂型不具備退讓性，合箱時(shí)在鑄型的分型面上0.4mm左右的砂粒間隙很難清除，即使將砂箱卡死或在上型加很多壓鐵也是如此，有時(shí)候過(guò)度卡緊砂箱還可能導致上型砂型從砂箱中掙脫上升，只卡了砂箱而松動(dòng)了砂型，過(guò)多的壓鐵有時(shí)也壓垮砂型，使上箱型腔壓變形，凡此種種都不利于球鐵的生產(chǎn)。這時(shí)，在鑄型的分型面，遠離型腔的地方敷擠上封箱膠是必要的，并且要求封箱膠既不能干——干的封箱膠會(huì )使鑄型在垂直于分型面的方向尺寸變大；也不能稀——稀的封箱膠會(huì )流入型腔而在鑄件表面形成溝槽、氣孔等缺陷。好的封箱膠膠合24小時(shí)后，膠合面強度大于鑄型的強度。
2、扎好排氣孔，并在澆注時(shí)點(diǎn)火引氣
樹(shù)脂砂型在澆注過(guò)程中因樹(shù)脂的燃燒分解會(huì )產(chǎn)生大量的氣體，此種氣體在型腔內若不能排出，會(huì )產(chǎn)生壓力從而使鑄件受氣阻而產(chǎn)生澆不足或形成氣孔等缺陷。因此，用樹(shù)脂砂生產(chǎn)球鐵件時(shí)，要扎好出氣孔，特別是在坭芯芯頭的地方最好開(kāi)設排氣槽，并在澆注過(guò)程中點(diǎn)火使氣體在型腔外燃燒，在鑄型外產(chǎn)生局部負壓而利于型腔內氣體排出。
3、利用砂塊或再生砂
樹(shù)脂砂型在鑄件澆注后，與鑄件直接接觸的型腔表面的砂會(huì )燒損潰散，而遠離鑄件的地方鑄型還比較堅硬，可以破碎成砂塊后重復利用，這種砂塊可以在造型時(shí)在避免直接接觸模樣表面的前提下直接填入鑄型中，與剛配制的樹(shù)脂砂能很好的粘合，一方面減少新配砂的用量，節約成本，另一方面也會(huì )降低鑄型的發(fā)氣量，增加鑄型的透氣性和潰散性。
樹(shù)脂砂生產(chǎn)時(shí)可以100%利用再生砂，砂型達到相同的強度所需要的樹(shù)脂量要少，可節約成本，前已述及，球鐵生產(chǎn)時(shí)面砂最好用新砂，制芯也要用新砂。
再生砂的溫度在樹(shù)脂砂的造型生產(chǎn)中也相當重要，一般情況下，砂溫高樹(shù)脂固化快，可使用時(shí)間短，強度低，甚至不能使用，這是有再生砂系統的生產(chǎn)者特別要注意的。
另外，對批量生產(chǎn)的鑄件一定要用砂箱，生產(chǎn)球鐵時(shí)若不用砂箱的話(huà)，砂鐵比要達到4∶1，而用砂箱的話(huà)則可達到1∶1，并且操作更方便，經(jīng)濟效益十分明顯。
4、樹(shù)脂砂的混制
因為樹(shù)脂粘度大，固化劑粘度小，所以混制樹(shù)脂砂時(shí)，要先加固化劑，讓固化劑均勻浸潤在型砂粒的表面，然后加入樹(shù)脂，樹(shù)脂遇到砂粒后與固化劑反應生成均勻的樹(shù)脂膜包覆在砂粒表面，這種順序如果顛倒過(guò)來(lái)，一方面樹(shù)脂不可能先均勻浸潤砂粒，它會(huì )結團，另一方面固化劑遇到樹(shù)脂后就發(fā)生了化學(xué)反應，也不能均勻浸潤砂粒而形成樹(shù)脂膜，其結果：型砂的強度不均勻，性能不穩定。對連續式混砂機而言，注入固化劑與注入樹(shù)脂的孔間距或螺旋給料器的旋轉速度一定要控制在使固化劑與砂粒均勻浸潤后才有樹(shù)脂進(jìn)入，對間歇式混砂機而言，一定要讓全部砂粒被固化劑浸潤后才能放樹(shù)脂，就是說(shuō)一個(gè)要控制距離空間，一個(gè)要控制時(shí)間。
5、勞動(dòng)保護
樹(shù)脂砂生產(chǎn)中因樹(shù)脂固化劑的燃燒分解會(huì )產(chǎn)生一定的有害氣體，如甲醛等，生產(chǎn)中一定要搞好勞動(dòng)保護。
總而言之，隨著(zhù)冷自硬樹(shù)脂砂的大量使用，各種問(wèn)題都會(huì )在生產(chǎn)中出現，有些問(wèn)題通過(guò)實(shí)踐摸索解決，有些問(wèn)題會(huì )帶來(lái)全新的觀(guān)點(diǎn)和視角，如球鐵的少、無(wú)冒口鑄造，局部球化衰退和不良產(chǎn)生“花斑”的問(wèn)題、型砂的反復使用及環(huán)保問(wèn)題等等。本文在此拋磚引玉，希望對全面提升我們的整體鑄造水平有所裨益，同時(shí)歡迎廣大同仁不吝賜教。
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