树脂砂基础知识

旧话重提。今天才发现我们在基础教育方面出了很大的问题。一个搞了二三十年的铸造工程师居然不知道通过调固化剂来调节树脂砂的反应速度。砂温超过70℃了还干得不亦乐乎。铸造行业的门槛真的是越来越低了，是个人就能干。。。

一、基本概念：

    呋喃树脂自硬砂工艺是指在呋喃树脂砂中加入一定量的酸性固化剂，矿物铸件使之在芯盒或砂箱内经历一定时间后，在常温条件下通过自行硬化成型（不需烘烤或吹入硬化气体）的一种造型制芯工艺。（英文nobake sand而不是green sand）

呋喃树脂自硬砂硬化反应机理可简单描述为：涂敷在砂粒表面的树脂在酸性固化剂的催化作用下，呋喃树脂分子上的活性氢、羟甲基与羟甲基之间发生缩聚反应和呋喃环上的双键打开发生加成聚合反应，形成三维网状结构固体树脂，使型（芯）砂硬化成型。

1.呋喃树脂砂性能的优缺点

1.1优点

1)铸件的尺寸精度高、外部轮廓清晰、铸件表面光洁，外观质量好、组织致密、铸件综合品质高。

2)呋喃树脂自硬砂具有较好的流动性，容易紧实，矿物铸件脱模时间可调节，硬化后强度高，在其后的搬运及合箱过程中不变形，因树脂砂的强度高，在浇注和凝固过程中基本上不会出现位移现象，所以铸件的尺寸精度高。

3)不用烘干，缩短了生产周期、节省了能源、芯砂易紧实、溃散性好、容易清理、大幅度降低了劳动强度，为实现机械化生产创造了条件。

1.2 呋喃树脂自硬砂的不足之处

1)对原砂质量要求高

2)在生产过程中有刺激性气味

3)采用树脂砂生产，成本较高

二、树脂砂生产工艺

2.1原砂选择

一般仍选用天然石英砂。对于部分高合金钢铸件或特殊需要的情况下，也有选用铬矿砂或锆砂等特殊骨料的。这里我们主要讨论树脂砂对石英砂的要求。

2.1.1原砂的主要矿物成分是石英（即 SiO2）、长石和云母，还有一些铁的氧化物和碳化物。石英比重2.55，莫氏硬度七级，熔点1713℃，具有耐高温、耐磨损等优点。若原砂中石英（SiO2）含量高，则原砂的耐火度和复用性都好。长石是铝硅酸盐，常见的有钾长石、钠长石和钙长石，长石比重2.54-2.76，莫氏硬度6-6.5级，熔点1100-1250℃，因其熔点低、硬度低、不耐磨、易粉碎，会降低树脂砂的复用性和耐火度。

云母是种含铝硅酸盐，有黑白云母之分，云母的熔点为1145-1270℃，比重2.7-3.2。硬度很低，矿物铸件极易破碎，它在砂中的含量多少对原砂的复用性很有影响。总之，在选择原砂时，SiO2含量应尽量高一些，不纯物要少，当然还与金属的熔点和浇注温度，铸件壁厚等因素有关。一般来说，铸钢用原砂SiO2含量应大于95%，铸铁应大于92%，有色金属可以低一些。杂质允许含量还与旧砂是否再生回用以及下面谈到的耗酸量有关。

2.1.2粒形，要求圆形或类圆形，砂粒表面应光洁平整，没有孔洞或裂纹。这样的砂粒表面积小，砂粒表面涂上一层薄膜所需的树脂量少些。一般用角形系数表示砂粒形圆整度，人造石英砂虽然SiO2含量高，但粒形为多角形甚至尖角形，角形系数太大，需经研磨处理，一般不采用。天然砂中角形系数最小的要算风积砂，如内蒙通辽一带的大林标准砂，角形系数小于 1.2，呈圆形。为了改善粒形，对原砂最好进行擦磨处理。

目前我国唯一生产擦磨砂的是江西星子砂矿。该矿对原砂经擦磨处理后，角形系数从1.47减少到 1.35，与此同时， SiO 2含量也从 93%（水洗砂）提高到 95%（ 45/75目）砂样抗拉强度也由 12.2Kg /cm 2增加到 16.3Kg /Cm 2。原砂的粒形不仅影响树脂砂加入量，同时还影响到树脂砂的流动性及紧实程度，砂粒表面空洞裂纹不仅无效消耗树脂，而且砂粒易碎，影响复用性及粒度保持性。

2.1.3粒度分布及微粉含量

粒形相同的原砂，以粒度较粗的总表面积小，树脂用量少，透气性好，耐火度高。粗砂的缺点是抗机械粘砂能力低。一般多选用 30/50目、 40/70目为宜。微粉及含泥量严重恶化树脂砂性能。由于微粉表面积很大，消耗树脂及固化剂影响透气性及强度，原砂中的泥份中碱土金属含量较高，据介绍细粉状比粒状耗酸值要大3-10倍。一般要求原砂含泥量应小于0.3%。（泥分即大于140目的砂子）

在用湿型粘土砂造型时。我们习惯于用三筛砂，这是因为湿型粘土砂造型要求有良好的透气性，希望砂粒间的空隙大些。当原砂粒度分布基本上集中于相邻的三筛时，紧密排列的粗纱颗粒间的空隙中，不会有细粒砂进入，这就保证了型砂的良好透气性。而树脂砂则不然，由于用树脂作黏结剂时，树脂含量一般都只有1. 5％左右，而且型砂中又不含任何粉状材料，所以透气性极好，就没有必要要求原砂粒度集中三筛。此外，由于树脂价格昂贵，应该用最少量的树脂使型砂具有必要的强度，这就成了考虑工艺方案时的首要问题。为了增加黏结桥的数量而提高型砂的强度，反倒希望细砂能嵌入紧密排列的粗砂之间。用四筛砂或五筛砂，理论上可以达到这一目的。国内外实践经验也都证明：用四筛或五筛砂时，树脂砂的强度大为提高，有时甚至可提高一倍。因此，选用合适原砂颗粒度及其分布这一问题，值得我们特别注意。在中小型铸件上，推荐使用两种不同规格的原砂：50／100+70／140．可结合本厂具体情况，通过试验，确定两者的比例。

2.1.4含水量。树脂砂的硬化是放热反应，原砂含水量严重影响树脂的固化强度与固透性，矿物铸件实验证明，含水量由 0.2%升高到0.4%，型砂的抗拉强度可从13.2kg /cm 2降低到8.6kg /cm 2，固化时间也从30分钟延长到70分钟。国外一般要求原砂含水量小于0.1%，国内一般要求小于 0.2%。所以对树脂砂用原砂应进行干燥处理。

2.1.5PH值与耗酸量。原砂的 PH值对树脂砂的固化速度及终强度有一定的影响，由于树脂是在酸催化剂作用下脱水缩合固化的，故当原砂碱性较强时，需耗费额外的酸固化剂。。砂的PH值一般为 6.5- 7.2，若使用海砂时，PH值为 9左右，耗酸量可达17以上，其中贝壳和 CaCO3的耗酸量远远超过了其它物质，易固化，需经过淡水冲洗或擦洗，擦磨处理。前面也谈到 ，原砂中 SiO2含量减少时，长石、云母和其它杂质会增加，长石和云母两种矿物中都含有碱金属化合物 Na 2O、 K 2O，钙长石和其它一些杂质中则含有CaO、 MgO等，都是增加耗酸量的成分。因为原砂中含有某些不溶于水的碱性物质，所以砂不采用简单的 PH值实验，而采用耗酸量实验。使用再生处理砂时，由于新砂加入量少，耗酸量的影响较轻，但对于全部采用新砂的树脂砂，耗酸量的影响则不可低估一般应控制在5以下。

2.2再生砂

对浇注后的树脂砂经砂块破碎后的砂粒，通过机械摩擦等方法将其表面残留的固化树脂层去掉一部分的处理叫树脂砂有再生处理。使用再生砂有重要的经济意义，同时对铸件质量有一定好处。以下介绍再生砂几项主要性能。

2.2.1粒度变化。旧砂反复再生回用后，矿物铸件在粒度变化上存在变粗和变细的两种因素。前者是因为除尘去掉一部分细粒及微粉，砂粒表面残存有机物固化层等等；后者是因为砂粒的破碎等。总的来说当原砂耐破碎强度较好，二种因素基本可以抵销，使粒度分布变化不大。

2.2.2灼烧减量。所谓灼烧减量（LOI）是砂中有机物残留量的一种度量。旧砂回用中，每次混砂后有粘结剂积累，但浇注和再生以及加入新砂都可“冲淡”有机物残留量的比例，通过10次以上的反复回用，可使旧砂中的灼烧减量稳定在一定的水平上，即这时每次加入的粘结剂量与浇注、再生、新砂所减少的粘结剂量相平衡。这时的灼烧减量称为再生砂的灼烧减量。灼烧减量与铸型发气量成正比，所以灼烧减量高，则铸件易产生气孔缺陷。对铸铁件，一般要将再生砂灼烧减量控制在 3.0—3.5%以下。铸钢则要求在 2.5以下。

2.2.3微粉含量。这也是监测再生砂的主要指标，微粉除了破碎的砂粒以外最主要的有再生时剥下的树脂膜及涂料成分、燃烧过的有机物灰尘，矿物铸件将大大增加灼减量、降低强度、影响透气性，所以再生砂必须通过风选或筛分，将微粉含量（底盘）控制在 0.3%以下。

再生砂与新砂相比，耗酸量大大降低，甚至呈负值。由于石英经过浇注时的多次α-β相变，以及表面的残留树脂的缓冲作用，其热膨胀系数有所降低，有助于减轻铸件机械粘砂及脉纹。使用同样的树脂，再生砂也比新砂的强度高，再生砂的水分含量也很低。相反含氮量将会增加。