樹脂砂
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樹脂砂是指以人工合成樹脂作為砂粒的粘結(jié)劑的型砂或芯砂。用樹脂砂制成鑄型或型芯后，通過固(硬)化劑的作用，樹脂發(fā)生不可逆的交聯(lián)反應(yīng)而固化，從而給予鑄型或型芯以必要的強(qiáng)度。
中文名樹脂砂外文名resin sand功 能提高鑄件質(zhì)量等缺 點(diǎn)黏結(jié)劑價(jià)格昂貴等應(yīng) 用汽車工業(yè)等學(xué) 科機(jī)械術(shù)語
目錄
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1 簡介
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2 固化工藝
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3 效益
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4 發(fā)展
簡介
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各種人工合成的樹脂，其物理性能和化學(xué)性能與天然樹脂相似。樹脂由兩種或多種較為簡單的化合物縮聚而成，通常要脫除水分，以形成單一的分子。典型的反應(yīng)是苯酚或尿素與甲醛的縮合反應(yīng)，分別制得酚醛樹脂或脲醛樹脂。
現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)中廣泛使用樹脂砂作型(芯)砂。以樹脂為黏結(jié)劑的型(芯)砂主要有熱法覆膜樹脂砂、熱芯盒樹脂砂、冷芯盒樹脂砂、呋喃樹脂砂、I呋喃樹脂自硬砂等。樹脂砂硬化后強(qiáng)度高，特別適合于機(jī)器造型，能制出復(fù)雜、薄壁鑄件。
樹脂砂的缺點(diǎn)是黏結(jié)劑價(jià)格昂貴，對(duì)空氣有污染。為節(jié)約樹脂用量，一般采用經(jīng)水洗或擦洗處理過的純凈圓形砂粒的原砂。樹脂砂常選用粒度組別為15、21的原砂。
固化工藝
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樹脂砂的固化方式要符合樹脂的特點(diǎn)及具體的鑄造工藝的要求。固化方式是可以選擇的，也可以根據(jù)具體情況加以發(fā)展，但一般為以下三種方式。
(1)自硬
樹脂和固(硬)化劑均在混砂時(shí)加入。造型或制芯后，樹脂在固(硬)化劑的作用下逐漸反應(yīng)而自行固化，鑄型或型芯也就逐步獲得所需的強(qiáng)度。固化的速度可由固(硬)化劑的種類及其加入量來控制。
由于混好的砂要立即用掉，這種方式較適用于制造鑄型和較大的型芯，而且多用于小批量生產(chǎn)。
樹脂自硬砂制成的鑄型和型芯，一般要經(jīng)過數(shù)分鐘或數(shù)十分鐘后起模，起模以后仍有一繼續(xù)固化的過程。
(2)加熱固化
混砂時(shí)加入樹脂和常溫下不起作用或作用微弱的潛伏固化劑。用此種樹脂砂制造鑄型或型芯后，一經(jīng)加熱，潛伏固化劑就起作用，從而使樹脂固化。
(3)吹氣(霧)固化
固化劑不在混砂時(shí)加入。造型或制芯后，吹入氣態(tài)固化劑或霧化于氣體介質(zhì)中的液態(tài)固化劑，使其彌散于鑄型或型芯中，從而使樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。采用此種方式時(shí)，不吹氣霧，樹脂砂是不會(huì)固化的，混成砂可存放較長的時(shí)間。吹氣霧時(shí)，固化極快，一般只需吹幾秒鐘。采用這種方式生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)率極高，因其較適用于制造批量較大的型芯，故一般通稱之為“冷芯盒”法以區(qū)別于上述的“熱芯盒”法。
效益
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樹脂黏結(jié)劑之所以能很快在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，是由于其能給鑄造行業(yè)帶來顯著的效益，既可以提高鑄件質(zhì)量，又可以降低生產(chǎn)成本。
1．提高鑄件質(zhì)量。與一般的砂型鑄造相比，用樹脂砂生產(chǎn)的鑄件，鑄件質(zhì)量會(huì)有當(dāng)大有改善，這往往是鑄造廠采用樹脂砂的主要著眼點(diǎn)。鑄件質(zhì)量的提高主要在于：
(1)尺寸精度提高、輪廓清晰。采用樹脂砂，無論是造型還是制芯，都在硬化到一定程度后才脫模。雖然脫模后還有一繼續(xù)硬化的過程，但脫模時(shí)鑄型或砂芯的強(qiáng)度比黏土砂型或油砂芯高得多，在脫模過程及此后的搬運(yùn)、烘干、合型過程中均不致變形。因而，鑄型和砂芯都能較準(zhǔn)確地再現(xiàn)模樣的尺寸和表面特征。
另外，樹脂砂鑄型的剛度高，而且，澆注金屬液后無水分遷移現(xiàn)象。故在澆注及金屬凝固的整個(gè)成形過程中，基本上不致有型壁運(yùn)動(dòng)，鑄件尺寸的波動(dòng)較小。
鑄件的尺寸精度。按我國現(xiàn)行鑄件尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)或ISO相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，一般都比用黏土砂型和油砂芯制得者高1～2個(gè)等級(jí)。再加以制芯中心等高精度裝備的應(yīng)用，才使汽車用鑄件的輕量化、薄壁化成為可能。
(2)鑄件的表面質(zhì)量提高。樹脂在高溫下發(fā)生熱解，從而在砂粒表面形成光亮碳，并在鑄型一金屬界面上造成還原性氣氛，這對(duì)減輕鑄件表面的氧化，細(xì)化鑄件表面粗糙度大有裨益。在原砂粒度及粒度分布相同的條件下，用樹脂作黏結(jié)劑的鑄型，制得的鑄件表面粗糙度較細(xì)。
鑄件表面質(zhì)量提高，還可使清理工時(shí)縮短，這對(duì)降低成本和改善勞動(dòng)條件都有重要的作用。
(3)生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)鑄件的致密度改善。用黏土濕砂型制造鑄鐵件時(shí)，由于鑄鐵的收縮前膨脹。使鑄型產(chǎn)生型壁運(yùn)動(dòng)，此后凝固過程中的體積收縮得不到補(bǔ)充，因而鑄件將有枝晶疏松。甚至?xí)a(chǎn)生縮孔。
用樹脂砂造型，鑄型的剛度高，鑄鐵發(fā)生收縮前膨脹時(shí)，難以使鑄型擴(kuò)大，結(jié)果，迫使仍為液態(tài)的金屬填充枝晶間的空隙，枝晶問疏大為減輕，也不傾向于產(chǎn)生集中縮孔。因此，鑄件的致密度較用黏土砂濕型制造者高。
與此有關(guān)的是，用樹脂砂時(shí)，小型鑄鐵件一般可不必設(shè)置補(bǔ)縮冒口，鑄件的工藝出品率可提高5%～15%。
2．縮減基本建設(shè)投資、降低生產(chǎn)成本 由于樹脂的價(jià)格幾十倍于黏土，如果只計(jì)算型砂的成本，而不及其余，當(dāng)然會(huì)認(rèn)為采用樹脂砂會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。但是，如果我們用價(jià)值工程的觀點(diǎn)來分析，不斤斤計(jì)較于某一具體環(huán)節(jié)，而著眼于整個(gè)生產(chǎn)體系的總效益，則上述結(jié)論是否能成立就值得研究了。
(1)基建投資較少。樹脂砂的流動(dòng)性好，一般只需簡單的振擊臺(tái)，就能滿足緊實(shí)鑄型的要求、與龐大、復(fù)雜、高功率的黏土砂造型機(jī)相比，設(shè)備輕便得多，能耗也少得多。
大量生產(chǎn)芯子所用的自動(dòng)化的制芯設(shè)備，是相當(dāng)復(fù)雜的，和油砂制芯設(shè)備相比，投資的差別不啻天上地下，但其生產(chǎn)效率和芯子的尺寸精度都大幅度提高，總體仍然是有效益的。
用樹脂砂造型，砂一鐵比一般都比較低，砂型可以輕量化，而且需要運(yùn)輸并處理的造型材料的品種減少，因此型砂及鑄型的運(yùn)輸系統(tǒng)可大為簡化。
由于清理工作量減少，清理鑄件所需的設(shè)備減少。
此外，因生產(chǎn)設(shè)備簡單、輕便以及勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高，廠房的面積可以大幅度的縮減。
(2)生產(chǎn)費(fèi)用也不高。雖然采用樹脂自硬砂工藝時(shí)基建投資較少，但樹脂價(jià)格昂貴，一般都擔(dān)心其生產(chǎn)費(fèi)用將會(huì)很高。對(duì)這種擔(dān)心，不能簡單地視為無益的謹(jǐn)慎，而要根據(jù)具體情況，多作具體分析。在進(jìn)行核算時(shí)，要充分考慮與采用樹脂砂有關(guān)的降低生產(chǎn)成本的因素。主要有勞動(dòng)生產(chǎn)率提高，每噸鑄件的能耗降低，舊砂再生后可回收85%～95%，鑄件的工藝出品率提高、金屬損失減少等。這還未包括提高鑄件質(zhì)量所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。 [
發(fā)展
第二次世界大戰(zhàn)期間，德國的J.Croning發(fā)明了用酚醛樹脂作為粘結(jié)劑的殼型鑄造工藝。戰(zhàn)后此項(xiàng)專利公開，立即受到了普遍的重視。到了20世紀(jì)50年代，各工業(yè)國幾乎都開始采用此工藝。
20世紀(jì)50年代后期，歐洲開始采用由酸性液體催化劑固化的呋喃和酚醛自硬樹脂砂，美國大約在1958年前后也正式在生產(chǎn)中使用。
20世紀(jì)60年代前后，為適應(yīng)汽車工業(yè)的大發(fā)展，出現(xiàn)了呋喃樹脂熱芯盒法，其生產(chǎn)周期由油砂型芯的幾個(gè)小時(shí)縮短到幾分鐘。而且，因?yàn)槭窃谛竞袃?nèi)固化后再起模，型芯的尺寸精度大為提高。雖然其工藝的耗能較多，且工作場地的氣味較大，但這一工藝很快就在世界各國的汽車工業(yè)中廣泛使用。
1965年，酚脲烷自硬樹脂砂用于工業(yè)生產(chǎn)。
20世紀(jì)60年代中期，歐洲及美國開始研制用于自硬工藝的甲階酚醛樹脂，以期部分代替價(jià)格較高的呋喃樹脂，至20世紀(jì)70年代后期，這種樹脂粘結(jié)劑有了較大的發(fā)展。
為克服熱芯盒法的缺點(diǎn)，鑄造行業(yè)即著手研究冷芯盒法。1968年酚脲烷樹脂冷芯盒法問世。采用此種工藝時(shí)，芯盒不必加熱，只需幾秒鐘就可使型芯固化。
1970年，出現(xiàn)了第二代的酚脲烷樹脂，這就是三種組分的自硬酚脲烷樹脂系統(tǒng)(PEP SET)。
1975年，法國開發(fā)了吹二氧化硫氣體固化的呋喃樹脂冷芯盒法，這是應(yīng)用呋喃樹脂的一大進(jìn)步。從此，呋喃樹脂不僅可用于小批量生產(chǎn)的自硬工藝，也可用于大量生產(chǎn)的吹氣固化工藝，固化時(shí)間也只要幾秒鐘。20世紀(jì)80年代以來，此工藝在歐洲及美洲都有一定的發(fā)展。
1976—1978年，因天然氣短缺，熱芯盒法受到能源的限制，又加之熱芯盒法的一些其他缺點(diǎn)(如氣味大)日益難以為人們所接受，因而出現(xiàn)了溫芯盒法。
在室溫下固化的自硬樹脂砂工藝和冷芯盒工藝是造型、制芯工藝在20世紀(jì)的一項(xiàng)重大技術(shù)突破，在短短的30年中，尤其是在20世紀(jì)70年代，世界先進(jìn)工業(yè)國家的一些傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和工藝裝備迅速被樹脂砂技術(shù)取代，勞動(dòng)生產(chǎn)率、鑄件精度和質(zhì)量都有了明顯地提高。
但是上述樹脂砂在混砂、制芯、造型、澆注時(shí)產(chǎn)生有害氣體和難聞的氣味以及某些工藝和合金方面的缺點(diǎn)，促使鑄造界一直在尋求低毒或無毒樹脂砂技術(shù)。隨著世界各國勞動(dòng)衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)法規(guī)的日趨嚴(yán)格，上述問題就越加嚴(yán)重。
1982年美國Ashland公司推出了自由基固化法，在采用不飽和聚酯樹脂的基礎(chǔ)上，可使吹氣固化的時(shí)間縮短到零點(diǎn)幾秒鐘，而且所用的固化氣體是氮和二氧化硫的混合氣體，二氧化硫的濃度只有5%左右。
1982年，在英國鑄鋼研究與貿(mào)易協(xié)會(huì)(SCRATA)年會(huì)上，波頓(Borden)公司首次發(fā)表了已獲專利的酯固化堿性酚醛自硬樹脂砂技術(shù)，為解決勞動(dòng)衛(wèi)生和環(huán)境污染問題推出了一種低毒樹脂砂技術(shù)。
1983年環(huán)氧樹脂S02吹氣固化法問世。
1984年，在英國鑄造學(xué)會(huì)(IBF)第81屆年會(huì)上，波頓公司又發(fā)表了酯固化堿性酚醛樹脂冷芯盒工藝技術(shù)。
波頓公司的低毒樹脂砂技術(shù)一問世立即受到鑄造界的廣泛重視，經(jīng)過三年工業(yè)應(yīng)用，d-set法和B-set法在勞動(dòng)衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)上的明顯優(yōu)勢和優(yōu)良的工藝性能受到了歐美鑄造界的廣泛承認(rèn)和接受。
與樹脂發(fā)展的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展了有關(guān)的工藝設(shè)備。完全按樹脂砂特點(diǎn)設(shè)計(jì)的各種新型混砂機(jī)，砂溫控制裝置，舊砂再生裝置，造型及制芯設(shè)備等相繼問世，并不斷有所改進(jìn)。
由于樹脂砂的應(yīng)用，很大程度上改變了鑄造生產(chǎn)(特別是單件小批量生產(chǎn))車間和制芯車間的面貌，它已被各國公認(rèn)為未來發(fā)展的方向。美國、日本和瑞士等國已經(jīng)采用樹脂自硬砂鑄造出單件達(dá)幾十噸或上百噸的鑄件。世界各國汽車鑄造廠都已采用樹脂砂制芯，型芯最薄處達(dá)2mm，鑄件最薄壁厚可達(dá)3.5mm。
我國20世紀(jì)50年代中期研究過覆膜砂，20世紀(jì)60年代開始應(yīng)用熱芯盒，20世紀(jì)70年代末、80年代初研究開發(fā)呋喃樹脂自硬砂的成套工藝技術(shù)，但廣泛采用樹脂砂還是改革開放以來隨著鑄件出口的增加和確定機(jī)械、汽車作為支柱產(chǎn)業(yè)的近20年間。 [
參考資料
客服：
