呋喃树脂自硬砂生产球铁的过程控制及问题探讨.doc

a304d0dd93b5c216842b190dd3280045.pdf 作者：高连国 Page 10 of 10冷自硬树脂砂用于球铁生产的过程控制及问题探讨高连国(荆州环宇汽车零部件有限公司 湖北 荆州4340000)【摘要】 冷自硬树脂砂型除受树脂本身的性能影响外，还受气温、砂温、原砂的特性、固化剂的种类、酸度值、固化剂的加入量以及混砂方式，混砂时间长短等等方面的影响，在用于生产球墨铸铁件时，铸型表面的涂料特性以及球铁本身的固有特性等都将对球铁铸件产生影响。本文针对以上方面，并结合生产实际就冷自硬树脂砂用于球铁生产的过程控制及问题进行一些探讨，求教于广大铸造同仁，以期对冷自硬树脂砂用于球铁生产有所帮助。【关键词】 冷自硬树脂砂 固化剂 涂料 球墨铸铁随着铸件采购商对毛坯外观和铸件尺寸精度要求的提高，潮模砂生产铸件的方式显得越来越落伍了，特别是在较大型的机床、阀门类铸件的生产方面，无论是铸件的外观还是尺寸精度，尤其是铸件的内在质量甚至生产周期，树脂砂生产的优势变得越来越明显，并逐渐被广大铸造工作者和铸件采购商所认同。虽然呋喃树脂并不是新东西，文献表明早在1873年就有了起源于玉米制品的呋喃乙醇树脂记载，但国内用呋喃树脂作为粘结剂用于铸造生产却只有二十多年的历史，并已有最新成果“碱性酚醛自硬树脂”等。树脂砂在国内发展的这二十多年来，随着国内对树脂、固化剂等研究的深入和成熟，生产中的应用也越来越广泛，并且无论是造型还是制芯，无论是加热固化还是催化固化即所谓自硬都被大量应用，本文仅对加酸硬化的冷自硬树脂砂在球墨铸铁生产中的运用过程及产生的一些影响产品质量的问题进行分析探讨并提出结合自己生产实际的解决办法，以求得到方家的指正。一、树脂质量对球铁质量的影响及控制方法所谓冷自硬树脂砂就是用树脂作粘结剂用酸作催化剂，不用加热，常温下即能使砂型（芯）达到所要求的硬度的一种型（芯）砂。要得到表面光洁、几何尺寸精确（相对而言）、内在质量高的铸件，铸型（芯）的表面必须光洁，铸型的几何尺寸必须符合金属液的凝固、收缩特点而精确；要得到内在质量高的铸件，在铸型（芯）上要做的文章更多，而树脂的质量则对铸型（芯）的质量起着决定性的作用，树脂就是通过影响铸型（芯）的质量从而影响到铸件的质量的。1、树脂含氮量对球铁件皮下气孔的影响及控制方法现在，我们通常使用的树脂全称：糠醇脲醛改性呋喃树脂，是由主要原料：糠醇（C5H4O2）、尿素（COCNH2）2）、甲醛（HCHO）等组成的高分子聚合物，球铁铁水温度一般在1350以上，在球化过程中已产生了大量镁蒸气；作为铸型粘结剂的树脂在高温铁水的作用下发生裂解，产生H2、N2、CO2和H2O等气体；且树脂用量越大发气量越大，特别是树脂中尿素含量高时即含氮量高发气量更高，这些气体有一部分透过铸型排放到空气中，一部分则溶解到高温铁水中，待铁水温度下降，这些气体在铁水中的溶解度降低而逸出时，铸件形成后则分布在铸件的表面上形成铸造缺陷皮下气孔，特别是当铸型透气性差的时候，铸件的下型下表面更为严重。而研究表明，适当增加树脂中尿素的含量会提高树脂的粘结强度，这就出现了一对矛盾，即若要提高树脂的粘接强度就要增加树脂原料中含氮较高的尿素的比例，而尿素增加，含氮量增加，球铁件的皮下气孔缺陷也要增加。生产中还要考虑到成本因素的影响，尿素比例高的树脂价格相对便宜，凡此种种，所以生产选用树脂时要遵循这样的原则：大型铸件加工余量大可选含氮相对较高的树脂，小型铸件加工余量小要选含氮量相对较低的树脂，并不是生产球铁也跟生产铸钢一样选用树脂含氮越低越好，铸件产生了皮下气孔，只要能加工去除也是没有关系的。当然，只要确保了铸型的刚度和强度，尽量降低树脂的用量和降低树脂的含氮量是有利于消除球铁件的皮下气孔缺陷的。2、树脂粘度对铸型强度的影响及其控制方法如果树脂粘度大，在配砂时，特别是用间歇式混砂机混砂时，集中加入进混砂机的树脂容易结团，不易对砂粒完全浸润而均匀包覆在砂粒表面，同样也不易与固化剂均匀接触而发生固化反应，生产中表现为型砂局部树脂含量高，不易固化，局部树脂含量低固化后强度又不高。所以，选用树脂的粘度时既要考虑其粘接强度又要考虑其对型砂的浸润性。树脂砂的终强度要在24小时后才达到，其终强度并不一定是它的最高强度。有些工厂受生产班次的影响，铸型固化后往往不到24小时就要浇注，这样会损失树脂砂的部分强度，或者需要增加树脂加入量以保证提前浇注时树脂砂的使用强度。3、树脂砂型刚度对球铁补缩性能的影响及其控制方法球铁的最大特点就是在球铁水冷却过程中有一个石墨化过程，铁水中的石墨碳在球化剂中的球化元素的作用下形成球状石墨，并且在这一个过程中球铁会发生体积膨胀所谓石墨化膨胀，这一过程大概发生在铁水浇注入型腔后的五分钟左右时间内，如果铸型刚度不够，那么就会使铸型开裂，有时在砂型强度低时还会发生穿箱事故，这种现象在采用无箱造型时更为普遍；若有砂箱时还可能使上箱的型砂成整块的上抬、冒出砂箱，使型腔变大，发生这种情况后铸件若得不到很好的补缩就会形成缩松、缩孔等缺陷而致废。因为树脂是有机高分子的聚合物，分子链长短受聚合过程的温度和时间的影响较大，仅从生产实践方面来看，在有效期内（指树脂不发生老化、水解、分解等），存放时间长的树脂比新鲜树脂好，表现在：铸型刚度好，即既具有一定的砂型表面硬度和粘接度，又具有一定的韧性。树脂存放一定的时间，比如三个月左右，其配制的型砂固化后硬度均匀，强度均匀，性能稳定。此外，向树脂中滴加硅烷也能很好地改善树脂的使用性能。硅烷是一系列含四价键硅的高分子聚合物，有长效、速效之分。树脂中加入硅烷后，砂型脆断和开裂的情况会大大改善，这样，在球铁凝固并发生石墨化膨胀阶段，铸型保持原有的尺寸，只要浇冒系统和铁水成份合宜就不会发生缩孔、缩松等缺陷，并且还可有效地利用铸型刚度进行球铁的“自补缩”，减小甚至取消球铁的冒口并实现“均衡凝固”以提高铸件的工艺出品率。二、固化剂对球铁质量的影响及控制方法没有催化剂或不进行加热，树脂砂是不会很快硬化成形的，树脂与酸发生放热的化学反应来使树脂固化，并使型砂硬化，酸在树脂的固化过程中是起催化作用的，所以也把这种催化剂叫固化剂，铸型硬化后，铁水在浇注入铸型时，铸型还未受热的影响，在树脂没有分解之前，金属液填充铸型成形并冷却，铸件成形后树脂才开始分解并引起铸型溃散。作固化剂的酸都是中强酸，早期用磷酸，但磷酸在气温低时会变稠，很难使其均匀分布在砂粒表面，型砂的性能即使在夏天也不稳定，用量稍微偏少时铸型长时间不固化，稍微偏多时又很快固化了，使型砂的可使用时间变短，生产上很难掌握。冷自硬树脂砂的固化剂目前使用得最普遍的是苯磺酸、对甲苯磺酸或二甲苯磺酸。固化剂的酸度值对砂型强度影响较大。相同温度下，酸值低的固化剂，使砂型硬化的时间长，可使用时间长，酸值高的固化剂，使砂型硬化时间短，可使用时间短。相同酸度的固化剂在气温或砂温高（例如旋即处理的旧砂）时，使砂型硬化时间短，可使用时间短，气温低或砂温低时（有时是新砂），使砂型硬化慢，可使用时间长。生产中应根据实际灵活掌握。一般情况下，硬化快的砂型终强度低，硬化慢的砂型终强度高。磺酸类固化剂对球墨铸铁有很大的影响：会在铸件的表面“增硫”并会发生局部的球化衰退、甚至球化不良，在铸件加工后的表面上出现“花斑”，使铸件表面局部出现灰铁组织，硬度下降、强度下降，性能恶化。生产上一旦遇到此种情况，就应该采取多重措施：1、使用磷酸或含游离磺酸低的固化剂。磺酸类固化剂中大都含游离硫酸，硫酸与球化元素镁起化学反应，削弱镁的球化作用，因此要降低固化剂中游离硫酸的含量。2、适当增加铸件的加工余量。经过解剖“局部花斑”发现，一般情况下，局部增硫只发生在铸件的表面5mm左右范围以内，确保铸件加工部位有5mm的余量是必要的。3、适当提高球化剂的用量进行过量球化。如球化剂加入量1.3%就能球化的若提高球化剂量到1.4%甚至1.5%就能收到很好的效果。在加工余量只有3mm，表面全部加工的飞轮铸件上用此方法，笔者已收到满意的效果。4、用新砂作“面砂”。再生砂的表面已存在一定的硫酸，若重复使用时，砂中的硫含量肯定增高，铸件发生局部球化衰退或球化不良的可能性肯定增加，而使用全新的砂则可避免此种情况发生。5、把铸型表面的涂料层加厚，能消除或减轻固化剂因含硫而引起的铸件表面增硫现象。三、涂料对球铁质量的影响及控制方法冷自硬树脂砂中，树脂、固化剂都是以液态形式浸润在型砂的表面上的，砂粒与砂粒之间是薄薄的一层树脂膜，因此即使和潮模砂相比，若不刷涂料，铸件表面将相当粗糙，而且若不用涂料，在铁水冲刷铸型时，树脂会很快燃烧而分解从而引起冲砂或铸型溃散。在冷自硬树脂砂生产中，醇基石墨涂料使用最为普遍，石墨既耐火又具有润滑作用，能使铸件表面光洁。球墨铸铁的浇注温度一般较高，为了使铸件表面不粘砂，选用石墨作涂料是最好的。醇基石墨涂料用酒精稀释后向铸型表面喷、涂、刷均可，喷的优点是快且较均匀，缺点是点火干燥后松软地附着在铸型表面，不能有效地附着，防铸件粘砂的效果不理想，对小件可以，而对大件来说最好还是涂刷，而涂刷过程中需特别注意的是：稀释涂料的酒精对树脂也有稀释作用，反复涂刷有时反而把铸型表面“刷毛”。因为硫对球铁的有害影响，所以用于球铁生产的石墨涂料中的石墨的含硫量也是要控制的，要选用杂质含量特别是硫含量较低的石墨粉，这一点特别要引起涂料的生产厂家的注意。四、用树脂砂生产球铁的其他注意事项1、上封箱胶和普通潮模砂相比，树脂砂型不具备退让性，合箱时在铸型的分型面上0.4mm左右的砂粒间隙很难清除，即使将砂箱卡死或在上型加很多压铁也是如此，有时候过度卡紧砂箱还可能导致上型砂型从砂箱中挣脱上升，只卡了砂箱而松动了砂型，过多的压铁有时也压垮砂型，使上箱型腔压变形，凡此种种都不利于球铁的生产。这时，在铸型的分型面，远离型腔的地方敷挤上封箱胶是必要的，并且要求封箱胶既不能干干的封箱胶会使铸型在垂直于分型面的方向尺寸变大；也不能稀稀的封箱胶会流入型腔而在铸件表面形成沟槽、气孔等缺陷。好的封箱胶胶合24小时后，胶合面强度大于铸型的强度。2、扎好排气孔，并在浇注时点火引气树脂砂型在浇注过程中因树脂的燃烧分解会产生大量的气体，此种气体在型腔内若不能排出，会产生压力从而使铸件受气阻而产生浇不足或形成气孔等缺陷。因此，用树脂砂生产球铁件时，要扎好出气孔，特别是在坭芯芯头的地方最好开设排气槽，并在浇注过程中点火使气体在型腔外燃烧，在铸型外产生局部负压而利于型腔内气体排出。3、利用砂块或再生砂树脂砂型在铸件浇注后，与铸件直接接触的型腔表面的砂会烧损溃散，而远离铸件的地方铸型还比较坚硬，可以破碎成砂块后重复利用，这种砂块可以在造型时在避免直接接触模样表面的前提下直接填入铸型中，与刚配制的树脂砂能很好的粘合，一方面减少新配砂的用量，节约成本，另一方面也会降低铸型的发气量，增加铸型的透气性和溃散性。树脂砂生产时可以100%利用再生砂，砂型达到相同的强度所需要的树脂量要少，可节约成本，前已述及，球铁生产时面砂最好用新砂，制芯也要用新砂。再生砂的温度在树脂砂的造型生产中也相当重要，一般情况下，砂温高树脂固化快，可使用时间短，强度低，甚至不能使用，这是有再生砂系统的生产者特别要注意的。另外，对批量生产的铸件一定要用砂箱，生产球铁时若不用砂箱的话，砂铁比要达到41，而用砂箱的话则可达到11，并且操作更方便，经济效益十分明显。4、树脂砂的混制因为树脂粘度大，固化剂粘度小，所以混制树脂砂时，要先加固化剂，让固化剂均匀浸润在型砂粒的表面，然后加入树脂，树脂遇到砂粒后与固化剂反应生成均匀的树脂膜包覆在砂粒表面，这种顺序如果颠倒过来，一方面树脂不可能先均匀浸润砂粒，它会结团，另一方面固化剂遇到树脂后就发生了化学反应，也不能均匀浸润砂粒而形成树脂膜，其结果：型砂的强度不均匀，性能不稳定。对连续式混砂机而言，注入固化剂与注入树脂的孔间距或螺旋给料器的旋转速度一定要控制在使固化剂与砂粒均匀浸润后才有树脂进入，对间歇式混砂机而言，一定要让全部砂粒被固化剂浸润后才能放树脂，就是说一个要