樹(shù)脂砂基礎(chǔ)知識(shí)

舊話重提。今天才發(fā)現(xiàn)我們?cè)诨A(chǔ)教育方面出了很大的問(wèn)題。一個(gè)搞了二三十年的鑄造工程師居然不知道通過(guò)調(diào)固化劑來(lái)調(diào)節(jié)樹(shù)脂砂的反應(yīng)速度。砂溫超過(guò)70℃了還干得不亦樂(lè)乎。鑄造行業(yè)的門(mén)檻真的是越來(lái)越低了，是個(gè)人就能干。。。

一、基本概念：

    呋喃樹(shù)脂自硬砂工藝是指在呋喃樹(shù)脂砂中加入一定量的酸性固化劑，礦物鑄件使之在芯盒或砂箱內(nèi)經(jīng)歷一定時(shí)間后，在常溫條件下通過(guò)自行硬化成型（不需烘烤或吹入硬化氣體）的一種造型制芯工藝。（英文nobake sand而不是green sand）

呋喃樹(shù)脂自硬砂硬化反應(yīng)機(jī)理可簡(jiǎn)單描述為：涂敷在砂粒表面的樹(shù)脂在酸性固化劑的催化作用下，呋喃樹(shù)脂分子上的活性氫、羥甲基與羥甲基之間發(fā)生縮聚反應(yīng)和呋喃環(huán)上的雙鍵打開(kāi)發(fā)生加成聚合反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固體樹(shù)脂，使型（芯）砂硬化成型。

1.呋喃樹(shù)脂砂性能的優(yōu)缺點(diǎn)

1.1優(yōu)點(diǎn)

1)鑄件的尺寸精度高、外部輪廓清晰、鑄件表面光潔，外觀質(zhì)量好、組織致密、鑄件綜合品質(zhì)高。

2)呋喃樹(shù)脂自硬砂具有較好的流動(dòng)性，容易緊實(shí)，礦物鑄件脫模時(shí)間可調(diào)節(jié)，硬化后強(qiáng)度高，在其后的搬運(yùn)及合箱過(guò)程中不變形，因樹(shù)脂砂的強(qiáng)度高，在澆注和凝固過(guò)程中基本上不會(huì)出現(xiàn)位移現(xiàn)象，所以鑄件的尺寸精度高。

3)不用烘干，縮短了生產(chǎn)周期、節(jié)省了能源、芯砂易緊實(shí)、潰散性好、容易清理、大幅度降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

1.2 呋喃樹(shù)脂自硬砂的不足之處

1)對(duì)原砂質(zhì)量要求高

2)在生產(chǎn)過(guò)程中有刺激性氣味

3)采用樹(shù)脂砂生產(chǎn)，成本較高

二、樹(shù)脂砂生產(chǎn)工藝

2.1原砂選擇

一般仍選用天然石英砂。對(duì)于部分高合金鋼鑄件或特殊需要的情況下，也有選用鉻礦砂或鋯砂等特殊骨料的。這里我們主要討論樹(shù)脂砂對(duì)石英砂的要求。

2.1.1原砂的主要礦物成分是石英（即 SiO2）、長(zhǎng)石和云母，還有一些鐵的氧化物和碳化物。石英比重2.55，莫氏硬度七級(jí)，熔點(diǎn)1713℃，具有耐高溫、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)。若原砂中石英（SiO2）含量高，則原砂的耐火度和復(fù)用性都好。長(zhǎng)石是鋁硅酸鹽，常見(jiàn)的有鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和鈣長(zhǎng)石，長(zhǎng)石比重2.54-2.76，莫氏硬度6-6.5級(jí)，熔點(diǎn)1100-1250℃，因其熔點(diǎn)低、硬度低、不耐磨、易粉碎，會(huì)降低樹(shù)脂砂的復(fù)用性和耐火度。

云母是種含鋁硅酸鹽，有黑白云母之分，云母的熔點(diǎn)為1145-1270℃，比重2.7-3.2。硬度很低，礦物鑄件極易破碎，它在砂中的含量多少對(duì)原砂的復(fù)用性很有影響?？傊?，在選擇原砂時(shí)，SiO2含量應(yīng)盡量高一些，不純物要少，當(dāng)然還與金屬的熔點(diǎn)和澆注溫度，鑄件壁厚等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，鑄鋼用原砂SiO2含量應(yīng)大于95%，鑄鐵應(yīng)大于92%，有色金屬可以低一些。雜質(zhì)允許含量還與舊砂是否再生回用以及下面談到的耗酸量有關(guān)。

2.1.2粒形，要求圓形或類(lèi)圓形，砂粒表面應(yīng)光潔平整，沒(méi)有孔洞或裂紋。這樣的砂粒表面積小，砂粒表面涂上一層薄膜所需的樹(shù)脂量少些。一般用角形系數(shù)表示砂粒形圓整度，人造石英砂雖然SiO2含量高，但粒形為多角形甚至尖角形，角形系數(shù)太大，需經(jīng)研磨處理，一般不采用。天然砂中角形系數(shù)最小的要算風(fēng)積砂，如內(nèi)蒙通遼一帶的大林標(biāo)準(zhǔn)砂，角形系數(shù)小于 1.2，呈圓形。為了改善粒形，對(duì)原砂最好進(jìn)行擦磨處理。

目前我國(guó)唯一生產(chǎn)擦磨砂的是江西星子砂礦。該礦對(duì)原砂經(jīng)擦磨處理后，角形系數(shù)從1.47減少到 1.35，與此同時(shí)， SiO 2含量也從 93%（水洗砂）提高到 95%（ 45/75目）砂樣抗拉強(qiáng)度也由 12.2Kg /cm 2增加到 16.3Kg /Cm 2。原砂的粒形不僅影響樹(shù)脂砂加入量，同時(shí)還影響到樹(shù)脂砂的流動(dòng)性及緊實(shí)程度，砂粒表面空洞裂紋不僅無(wú)效消耗樹(shù)脂，而且砂粒易碎，影響復(fù)用性及粒度保持性。

2.1.3粒度分布及微粉含量

粒形相同的原砂，以粒度較粗的總表面積小，樹(shù)脂用量少，透氣性好，耐火度高。粗砂的缺點(diǎn)是抗機(jī)械粘砂能力低。一般多選用 30/50目、 40/70目為宜。微粉及含泥量嚴(yán)重惡化樹(shù)脂砂性能。由于微粉表面積很大，消耗樹(shù)脂及固化劑影響透氣性及強(qiáng)度，原砂中的泥份中堿土金屬含量較高，據(jù)介紹細(xì)粉狀比粒狀耗酸值要大3-10倍。一般要求原砂含泥量應(yīng)小于0.3%。（泥分即大于140目的砂子）

在用濕型粘土砂造型時(shí)。我們習(xí)慣于用三篩砂，這是因?yàn)闈裥驼惩辽霸煨鸵笥辛己玫耐笟庑?，希望砂粒間的空隙大些。當(dāng)原砂粒度分布基本上集中于相鄰的三篩時(shí)，緊密排列的粗紗顆粒間的空隙中，不會(huì)有細(xì)粒砂進(jìn)入，這就保證了型砂的良好透氣性。而樹(shù)脂砂則不然，由于用樹(shù)脂作黏結(jié)劑時(shí)，樹(shù)脂含量一般都只有1. 5％左右，而且型砂中又不含任何粉狀材料，所以透氣性極好，就沒(méi)有必要要求原砂粒度集中三篩。此外，由于樹(shù)脂價(jià)格昂貴，應(yīng)該用最少量的樹(shù)脂使型砂具有必要的強(qiáng)度，這就成了考慮工藝方案時(shí)的首要問(wèn)題。為了增加黏結(jié)橋的數(shù)量而提高型砂的強(qiáng)度，反倒希望細(xì)砂能嵌入緊密排列的粗砂之間。用四篩砂或五篩砂，理論上可以達(dá)到這一目的。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也都證明：用四篩或五篩砂時(shí)，樹(shù)脂砂的強(qiáng)度大為提高，有時(shí)甚至可提高一倍。因此，選用合適原砂顆粒度及其分布這一問(wèn)題，值得我們特別注意。在中小型鑄件上，推薦使用兩種不同規(guī)格的原砂：50／100+70／140．可結(jié)合本廠具體情況，通過(guò)試驗(yàn)，確定兩者的比例。

2.1.4含水量。樹(shù)脂砂的硬化是放熱反應(yīng)，原砂含水量嚴(yán)重影響樹(shù)脂的固化強(qiáng)度與固透性，礦物鑄件實(shí)驗(yàn)證明，含水量由 0.2%升高到0.4%，型砂的抗拉強(qiáng)度可從13.2kg /cm 2降低到8.6kg /cm 2，固化時(shí)間也從30分鐘延長(zhǎng)到70分鐘。國(guó)外一般要求原砂含水量小于0.1%，國(guó)內(nèi)一般要求小于 0.2%。所以對(duì)樹(shù)脂砂用原砂應(yīng)進(jìn)行干燥處理。

2.1.5PH值與耗酸量。原砂的 PH值對(duì)樹(shù)脂砂的固化速度及終強(qiáng)度有一定的影響，由于樹(shù)脂是在酸催化劑作用下脫水縮合固化的，故當(dāng)原砂堿性較強(qiáng)時(shí)，需耗費(fèi)額外的酸固化劑。。砂的PH值一般為 6.5- 7.2，若使用海砂時(shí)，PH值為 9左右，耗酸量可達(dá)17以上，其中貝殼和 CaCO3的耗酸量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其它物質(zhì)，易固化，需經(jīng)過(guò)淡水沖洗或擦洗，擦磨處理。前面也談到 ，原砂中 SiO2含量減少時(shí)，長(zhǎng)石、云母和其它雜質(zhì)會(huì)增加，長(zhǎng)石和云母兩種礦物中都含有堿金屬化合物 Na 2O、 K 2O，鈣長(zhǎng)石和其它一些雜質(zhì)中則含有CaO、 MgO等，都是增加耗酸量的成分。因?yàn)樵爸泻心承┎蝗苡谒膲A性物質(zhì)，所以砂不采用簡(jiǎn)單的 PH值實(shí)驗(yàn)，而采用耗酸量實(shí)驗(yàn)。使用再生處理砂時(shí)，由于新砂加入量少，耗酸量的影響較輕，但對(duì)于全部采用新砂的樹(shù)脂砂，耗酸量的影響則不可低估一般應(yīng)控制在5以下。

2.2再生砂

對(duì)澆注后的樹(shù)脂砂經(jīng)砂塊破碎后的砂粒，通過(guò)機(jī)械摩擦等方法將其表面殘留的固化樹(shù)脂層去掉一部分的處理叫樹(shù)脂砂有再生處理。使用再生砂有重要的經(jīng)濟(jì)意義，同時(shí)對(duì)鑄件質(zhì)量有一定好處。以下介紹再生砂幾項(xiàng)主要性能。

2.2.1粒度變化。舊砂反復(fù)再生回用后，礦物鑄件在粒度變化上存在變粗和變細(xì)的兩種因素。前者是因?yàn)槌龎m去掉一部分細(xì)粒及微粉，砂粒表面殘存有機(jī)物固化層等等；后者是因?yàn)樯傲５钠扑榈取？偟膩?lái)說(shuō)當(dāng)原砂耐破碎強(qiáng)度較好，二種因素基本可以抵銷(xiāo)，使粒度分布變化不大。

2.2.2灼燒減量。所謂灼燒減量（LOI）是砂中有機(jī)物殘留量的一種度量。舊砂回用中，每次混砂后有粘結(jié)劑積累，但澆注和再生以及加入新砂都可“沖淡”有機(jī)物殘留量的比例，通過(guò)10次以上的反復(fù)回用，可使舊砂中的灼燒減量穩(wěn)定在一定的水平上，即這時(shí)每次加入的粘結(jié)劑量與澆注、再生、新砂所減少的粘結(jié)劑量相平衡。這時(shí)的灼燒減量稱(chēng)為再生砂的灼燒減量。灼燒減量與鑄型發(fā)氣量成正比，所以灼燒減量高，則鑄件易產(chǎn)生氣孔缺陷。對(duì)鑄鐵件，一般要將再生砂灼燒減量控制在 3.0—3.5%以下。鑄鋼則要求在 2.5以下。

2.2.3微粉含量。這也是監(jiān)測(cè)再生砂的主要指標(biāo)，微粉除了破碎的砂粒以外最主要的有再生時(shí)剝下的樹(shù)脂膜及涂料成分、燃燒過(guò)的有機(jī)物灰塵，礦物鑄件將大大增加灼減量、降低強(qiáng)度、影響透氣性，所以再生砂必須通過(guò)風(fēng)選或篩分，將微粉含量（底盤(pán)）控制在 0.3%以下。

再生砂與新砂相比，耗酸量大大降低，甚至呈負(fù)值。由于石英經(jīng)過(guò)澆注時(shí)的多次α-β相變，以及表面的殘留樹(shù)脂的緩沖作用，其熱膨脹系數(shù)有所降低，有助于減輕鑄件機(jī)械粘砂及脈紋。使用同樣的樹(shù)脂，再生砂也比新砂的強(qiáng)度高，再生砂的水分含量也很低。相反含氮量將會(huì)增加。