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缸体、缸盖用覆膜砂性能研究 摘要 本文结合江淮汽车厂4 d a l 型发动机缸体、缸盖的生产实际，对覆膜砂及其 泥芯的各种性能进行了较为广泛而深入的研究，并采用热重分析方法对其机理 进行了有益的探索，得到了以下的粗浅认识： 所研究的北方覆膜砂a 为7 0 4 0 目的四筛砂，粒度较粗且粒形圆整，具有典型的 风砂特征。该覆膜砂还具有较高的熔点( 9 9 6 。c ) ，采用这种砂制造泥芯，更有利于 防止铸造缺陷的产生。 在覆膜砂常规固化温度( 2 0 0 2 5 0 ) 和固化时间( 9 0 s 1 4 0 s ) 范围内，固 化温度和固化时间对覆膜砂泥芯的发气性影响不大，在确定覆膜砂泥芯制各的固化温 度和固化时间参数时，可主要以强度高低作为选择的依据。 三种覆膜砂的固化强度都表现为随固化温度或时间的改变，先不断升高直至达到 最大值，然后再不断下降的基本规律，但鉴于b 砂和a 砂分别对固化温度和固化时间 较为敏感，在生产中应该分别对温度和时间加以严格控制。 泥芯的固化强度达到最大值后，进一步升高固化温度或延长固化时间都会使强度 下降。而t g 曲线表明该强度的下降主要是由于其高分子粘结膜产生部分化学键的断 裂所致。 溃散性试验和t g 分析结果表明，三种覆膜砂表面的酚醛树脂均在5 0 0 。c 以上产生 分解，从而使泥芯产生“溃散”。受7 0 0 加热的泥芯，溃散率为1 0 0 。 三种覆膜砂的最佳固化参数分别为覆膜砂a2 3 0 、1l o s ，覆膜砂b2 3 0 、 1 2 0 s ，覆膜砂c2 2 0 、1 2 0 s 。 关键词：缸体、缸盖，覆膜砂，物理性能，工艺性能，热重分析 s t u d yo nt h ep e r f o r m a n c eo fr e s i nc o a t e ds a n df o rt h e c a s t i n go fc y l i n d e rb o d ya n dh e a d a b s t r a c t t h et h e s i si sb a s e do nt h ep r o d u c t i o no fc y l i n d e rb o d ya n dh e a do fj i a n g h u a i a u t o m o b i l ec o m p a n y a f t e rs t u d y i n gt h ep e r f o r m a n c eo fr e s i nc o a t e ds a n d ，w ec a n g e tt h ef o l l o w i n gs i m p l er e s u l t s ： t h er e s i nc o a t e ds a n dai sr o u g h e ra n dm o r eu n i f o r ma n dr o u n d e r , i tb e l o n g st o t h et y p i c a lw i n d s a n d ，m o r e o v e ri t sm e l t - p o i n ti sl i g h t l yh i g h e rt h a nba n dc ，a sa r e s u l to ft h i s ，i ti sp r e f e r a b l et ob eu s e da st h ep r i o r i t yo fm a k i n gt h es a n d - c o r ea n d t op r e v e n tt h ea l lk i n d so fd e f e c t sf r o mh a p p e n i n g t h e c u r i n g t e m p e r a t u r e a n dc u r i n g t i m eh a v el i t t l ee f f e c to nt h e g a s - p e r m e a b i l i t yp r o p e r t y o f t h e r e s i n c o a t e ds a n d d u r i n g t h ec o n s t a n t c u r i n g - t e m p e r a t u r ea n dt h ec u r i n g t i m e ，w h i c ha r eb e t w e e n 2 0 0d e g r e ec e n t i g r a d e a n d2 5 0d e g r e ec e n t i g r a d ea n db e t w e e n9 0s e c o n d sa n d14 0s e c o n d sr e s p e c t i v e l y s oi t sn o tn e c e s s a r yt oc o n s i d e ri tw h e nw em a k es u r et h ep a r a m e t e r sf o rt h e p r o d u c t i o no fs a n d c o r e t h es t r e n g t h so ft h r e ek i n d so fr e s i nc o a t e ds a n da l lb e g i nt oi n c r e a s eu n t i lt h e u t m o s ta n dt h e nb e g i nt od e c r e a s ew h i l ec h a n g i n gt h ef a c t o r so fc u r i n g b u ti t s n e c e s s a r yt oc o n t r o lt h et i m ea n dt h et e m p e r a t u r es t r i c t l yd u r i n gt h ep r o d u c t i o n ， b e c a u s ebr e s i nc o a t e ds a n di ss e n s i t i v et ot h ec u r i n g - t e m p e r a t u r ea n da i ss e n s i t i v e t ot h ec u r i n g - t i m er e s p e c t i v e l y w h e nt h e i rs t r e n g t h sa l lr e a c ht h ep e a k ，t h e yb e g i nt od e c r e a s ew h i l ei n c r e a s i n g t h et e m p e r a t u r eo rp r o l o n gt h et i m e t h ec u r v e so ft h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s s h o wt h a tt h ea b o v er e s u l t sa r ec a u s e db yt h eb r e a k a g eo fc h e m i c a ll i n k s t h ee x p e r i m e n to fb r e a k i n gt h er a n k sa n dt h et h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i ss h o w t h a tt h ep h e n o lf o r m a l d e h y d er e s i nb e g i n st od e c o m p o s ew h e nt h et e m p e r a t u r ei s a b o v e5 0 0d e g r e ec e n t i g r a d e ，w h i c hm a k et h es a n d c o r eb r e a kt h er a n k s w h e nt h e y a r eh e a t e dt o7 0 0d e g r e ec e n t i g r a d e ，t h er a t e so fb r e a k i n gt h er a n k sc a nr e a c h10 0 p e r c e n t t h eo p t i m a l c u r i n g - p a r a m e t e r so ft h r e ek i n d so fr e s i nc o a t e ds a n da r e r e s p e c t i v e l yt h a ta i s2 3 0d e g r e ec e n t i g r a d ea n dl1 0s e c o n d s ，bi s2 3 0d e g r e e c e n t i g r a d ea n d1 2 0s e c o n d s ，ci s2 2 0d e g r e ec e n t i g r a d ea n d1 1 0s e c o n d s k e y w o r d s ：t h er e s i nc o a t e ds a n d ，c y l i n d e rb o d ya n dh e a d ，t h et h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s ，c r a f t f a c t o r s 插图清单 图1 1 水套芯( 正面) 1 0 图1 2 水套芯( 侧面) 1 0 图1 3 顶朽芯1 0 图1 4 缸体组芯1 0 图1 5 壳芯机1 1 图2 1s f l 型发气性试验仪1 2 图2 2s w y 一2 数显示液压万能强度试验机1 2 图2 3s a f 型覆膜砂制样机1 3 图2 4t d w 箱式电阻炉( o 1 6 0 0 ) 1 3 图2 5s s z 震摆式筛砂机1 3 图2 6 “8 ”字形抗拉强度试样1 4 图2 7 覆膜砂在不同温度下的发气曲线一1 5 图3 1 覆膜砂a 的形状4 0 一1 7 图3 2 覆膜砂b 的形状4 0 1 8 图3 3 覆膜砂c 的形状4 0 一1 8 图4 1 固化温度对覆膜砂抗拉强度的影响2 5 图4 2 固化时间对覆膜砂抗拉强度的影响3 0 图4 3 固化温度对覆膜砂发气性能的影响3 4 图4 4 固化时间对覆膜砂发气性能的影响3 8 图5 1 覆膜砂a 的t g 分析4 l 图5 2 覆膜砂b 的t g 分析4 1 图5 3 覆膜砂c 的t g 分析4 2 表格清单 表1 i 热法覆膜砂混制工艺 表1 2 覆膜砂热芯盒工艺参数 表1 3 壳芯机制芯工艺参数实例 表3 1z b 一5 3 1 0 0 4 试验筛的a f s 细度乘数 表3 2 覆膜砂a 的平均细度 表3 3 覆膜砂b 的平均细度 表3 4 覆膜砂a 的平均细度 表3 5 三种覆膜砂的熔点 表4 1 不同固化温度下覆膜砂a 的抗拉强度 表4 2 不同固化温度下覆膜砂b 的抗拉强度 表4 3 不同固化温度下覆膜砂c 的抗拉强度 表4 4 不同固化时间下覆膜砂a 的抗拉强度 表4 5 不同固化时间下覆膜砂b 的抗拉强度 表4 6 不同固化时间下覆膜砂c 的抗拉强度 表4 7 不同固化温度下覆膜砂a 的发气量( m l g ) 表4 8 不同固化温度下覆膜砂b 的发气量( m l g ) 表4 9 不同固化温度下覆膜砂c 的发气量( m l g ) 表4 1 0 不同固化时间下覆膜砂a 的发气量( m l g ) 表4 1 l 不同固化时间下覆膜砂b 的发气量( m l g ) 表4 1 2 不同固化时间下覆膜砂c 的发气量( m l g ) 表4 1 3 不同温度下三种覆膜砂的溃散率2舟9舯m挖抖拼笛瑚剪挣m舶昌： ， 一 = | ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：研了伟签字日期：凶f 年矽月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥工业大 兰一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字b 期：卅年 研了伟 驴月“日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 阂皇 签字日期如，年汨) 弗日 电话： 邮编： 致谢 首先感谢我的导师周杰教授，本论文是在周老师的悉心指导和亲切关怀下 完成的。周老师渊博的学识、热诚而严谨的科学态度和平易近人的风度给我留 下了深刻的印象。周老师兢兢业业的工作态度，对事业的执著追求更是值得我 一生学习。本论文的完成，包含着周老师的心血和汗水，没有周老师的教诲和 启发，没有周老师的鼓励和支持，就不可能有我目前的成绩。在此谨向恩师致 以我最衷心的感谢i 在三年的硕士学习和工作中，本人得到了本研究组陈杰同学、江贤波同学、 何来胜同学、黄俊同学的支持和帮助，在此，向他们表示衷心的感谢。 感谢安徽大学生化学院的沈玉华教授和马东同学在试验工作中对我的支持 和帮助；感谢铸造试验室熊振茵老师、何元祥老师在实验上对我的支持；感谢 安徽江淮汽车厂的张经宏师傅、张京伟主任、汪女士、黄工，感谢他们在覆膜 砂试验过程中给予的大量支持和帮助。也要感谢上面未曾提及但却一直在关心、 鼓励、帮助我的老师、同学和朋友们，真心的谢谢您们! 特别要感谢我的父母，回首身后的2 4 个春秋，一直是他们无私的关爱和默 默的奉献伴随着我成长；一直是他们用辛勤和汗水换来的财富支持我不断的进 步、才使我有今天的成绩，他们是我心中最可爱的人，衷心感谢他们为我所付 出的一切! 同时我要感谢我的女友周静，没有她的支持与关爱，本文也不可能 顺利完成! 谨以此文献给他们! 作者：邵丁伟 2 0 0 6 年4 月 第一章前言 1 1 覆膜砂技术概述 1 1 1 基本原理 覆膜砂是树脂覆膜砂( r e s i nc o a t e ds a n d ) 的简称，它是指在造型、制芯 前砂粒表面上已覆有一层固态树腊膜的型砂、芯砂，也称壳型( 芯) 砂。它最早 是一种热固性树脂砂，由德国克罗宁( c r o n i n g ) 博士于1 9 4 4 年发明。其工艺过程 是将粉状的热固性酚醛树脂与原砂机械混合，加热时固化。现己发展成用热塑 性酚醛树脂加潜伏性固化剂( 如乌洛托品) 与润滑剂( 如硬脂酸钙) 通过一定的覆 膜工艺配制成覆膜砂，覆膜砂受热时包覆在砂粒表面的树脂熔融，在乌洛托品 分解出的亚甲基的作用下，熔融的树脂由线性结构迅速转变成不熔的体型结构， 从而使覆膜砂固化成型。 覆膜砂的混制流程如下“1 ： 砂加热一加树脂一加表面活性剂和部分硬脂酸钙一加固化剂和部分硬脂酸 钙一冷却一出砂。 覆膜砂常见的混制工艺有三种，分别为：冷法覆膜、温法覆膜和热法覆膜。 其每种混制工艺如下： 冷法覆膜砂一一它是将原砂及热固性粉状酚醛树脂加入混砂机中混拌 均匀，然后加入适量的溶剂( 如酒精等) 继续混合，直到粉状树脂被融化粘附到砂 粒表面、溶剂挥发完，出砂后经破碎、过筛而成。此法混砂时间长，溶剂耗量大， 而且挥发的溶剂气体易产生爆炸，目前已很少使用。 温法覆膜砂一一它是将热固化液态酚醛树脂与6 0 8 0 的原砂混合，混 制2 3 m i n 后出砂，然后冷却、破碎、筛分而成。 热法覆膜砂一一它是先将原砂加热到定温度，然后分别与树脂、乌洛 托品水溶液和硬脂酸钙混合搅拌，经冷却、破碎和筛分而成。由于设备及配方 的差异，混制工艺有所不同，以叶片式混砂机为例，其基本过程见表1 1 “1 。与 其它树脂砂相比，覆膜砂具有以下特点： 具有适宜的强度性能，对于高强度的壳芯砂，中强度的热芯盒砂，低 强度的有色合金用砂均能满足要求。 流动性优良。砂芯成型性好、轮廓清晰，能够制造最复杂的砂芯，如 缸盖、机体等水套芯。 砂芯表面质量好，致密无疏松，可以少上或不上涂料，就能得到较好 的铸件表面质量。铸件尺寸精度可达c t 7 8 级，表面粗糙度可达r a 6 3 1 2 5 。 溃散性好，有利于铸件清理，提高产品性能。 砂：卷不易吸潮，长时间存放强度不易下降，有利于储存、运输及使用。 覆膜砂可作为商品供应，使用单位具有较大的选择余地。 缺点是成本相对较高，价格较贵、能耗较大，在造型、制芯及浇注过 程中产生的刺激性气味较大，在高温、高湿季节长时间储存时易结块，影响使 用等。 表1 1 热法覆膜砂混制工艺 t a b l e l 1t h em i x e dc r a f to fh o tr e s i nc o a t e ds a n d 工艺次序项目内容技术要求 1 原砂加热、砂温 1 4 0 1 6 0 2 加树脂混碾时间s4 5 5 0 3 砂温降至1 0 5 l l o 时加乌洛托品混砂时间s 1 0 4 加硬脂酸钙混碾时间s4 5 5 0 5 砂温降至7 0 以下时，卸砂一冷却一破碎时间s1 0 6筛分 1 1 2 常见覆膜砂的类型和应用范围 随着覆膜砂应用范围的不断扩展，不同铸造工艺、不同材质要求以及不同 结构的铸件对覆膜砂提出了不同的性能要求。自2 0 世纪9 0 年代以来，国内开发 了不同性能的覆膜砂，按其性能特点来划分，可将国内市场上的覆膜砂分为干 态和湿态两大类。其中干态类包括：普通类、耐高温类、高强度低发气类、易 溃散类、离心铸造类等。湿态覆膜砂包括机械类和手工类两种。各类覆膜砂的 主要成分、特点及适用范围如下： 普通覆膜砂一一其组成通常由石英砂、热塑性酚醛树脂、乌洛托品和硬 脂酸钙构成，不加有关添加剂。其树脂加入量通常在一定强度要求下相对较高， 不具备耐高温、低膨胀、低发气等特性，适用于一些要求不高、结构较简单的 铸铁件生产。 高强度低发气覆膜砂一一是在普通覆膜砂的基础上，通过加入有关特性 的“添加剂”和采用新的配制工艺，使树脂用量大幅下降，发气量显著降低， 并能延缓发气速度。该覆膜砂具有高强度、低膨胀、低发气、慢发气等特点，特 别适用于铸铁件、中小铸钢件中要求发气量低的砂芯，如阀体砂芯等。 耐高温覆膜砂一一该砂一般是指覆膜砂的热强度大、耐热时间长、高温 变形小，而不是指其耐火度很高。它是通过特殊的工艺配方技术( 一般都是在 硅砂覆膜时加入一定量的惰性材料如锆砂、铬铁矿砂、含碳材料或其他惰性材 料等) ，生产出的具有优异高温性能和综合铸造性能的新型覆膜砂。具有耐高温、 高强度、低膨胀、低发气、慢发气等特点。特别适用于复杂薄壁精密的铸铁件( 如 汽车发动机缸体、缸盖等) 以及高要求的铸钢件( 如集装箱角和火车刹车缓冲器 壳体等) 的生产，可有效消除粘砂、变形、热裂和气孔等铸造缺陷。 易溃散覆膜砂一一它是针对有色金属( 特别是铝合金) 铸件不易清砂而 研制的一种覆膜砂。该砂在具有较好的强度的同时具有优异的低温溃散性。用 它生产有色金属( 铝合金、铜台金等) 铸件，不需要将铸件重新加热来清砂，只 需将浇铸后的铸件冷却2 4 h 后，即可振动落砂。 离心铸造覆膜砂一一该覆膜砂适用于离心铸造工艺，可用它代替涂料生 产离心铸管等。根据铸管材质与直径大小及技术要求不同，可加工成不同性能 的离心铸造覆膜砂。与其他各类覆膜砂的不同之处是该覆膜砂的密度较大一些， 发气量较低且发气速度慢。 湿态机械类覆膜砂一一它是一种在室温下呈湿态的覆膜砂。在室温下长 期存放不会自然固化( 可存放一年以上) ，根据不同铸件的技术要求，可使用湿 态高强度低发气等各种不同特性的覆膜砂。该覆膜砂可完全替代热芯盒砂( 射芯 机射头不用改装) 来生产各种材质和各种类型的铸件。 湿态手工类覆膜砂一一该覆膜砂湿压强度可在0 1 o 3 m p a 内任意调 整。存放期超过3 个月，适用于手工造型或制芯( 类似于桐油砂和树脂砂) ，在室 温下脱模后，将型( 芯) 放入烘箱或烘炉内加热，加热温度2 5 0 3 5 0 ，加热时 间3 l o mi n ，固化后的型( 芯) 具有强度高、发气量低、蠕变形量小、不吸潮 等特点。该覆膜砂适于单件、小批量及精度要求较高铸件的生产，特别适于乡 镇企业采用。值得注意的是，在型( 芯) 加热固化时，必须等待炉温达到所需 的温度时才能放入加热，切忌随炉升温加热。 1 1 3 铸造用覆膜砂性能的要求 用于制造砂芯的材料称为芯砂，它是由旧砂、新砂、水、粘土或其他粘结 剂和附加物( 辅助材料) 配制而成。对于覆膜砂而言，其性能主要包括：存放 结块性、粒度、流动性、熔点、固化时间、剥壳指数、起模强度、常温强度、 高温强度、高温膨胀、发气量、灼减量和溃散性等j ”。具体要求如下： 为了保证砂芯的芯核形状精确和在浇注时与铁水接触而引起物理化学 反应过程的热稳定性，借以保证铸件的质量，因此要求芯砂要有一定的耐高温 强度和耐高温时间。 为了适应高效率生产的要求和获得轮廓清晰、表面光洁、尺寸精确的砂 芯，首先要求芯砂具有良好的成型性，即有良好的流动性、可塑性和起模性。 为了适应砂芯在生产过程中翻箱、搬运的要求和避免浇注时由于铁水的 冲刷、静压力的作用下使铸件产生冲砂、砂眼、粘砂、胀箱等缺陷，要求砂芯 具有一定的低温抗拉、抗弯强度。 考虑到在金属液浇注后铸件的收缩，所阻砂芯的高温强度不宜过大，以 免使铸件产生裂纹，同时由于其残留强度大，会给铸件的清砂处理工作带来困 难。所以要求芯砂不仅要具有良好的退让性还要有优异的溃散性能。 为防止高温铁水的作用下，由于芯砂的熔化等造成铸件粘砂，和由于芯 砂的热变形而造成起皮( 央砂) 、树脂的发气性造成铸件气孔等缺陷，还要求芯 砂具有较高的热化学稳定性、小的膨胀和收缩性、以及低的发气性能。 总之，对覆膜砂性能的总体要求为：粒度要适中、流动性要好、熔点要适 当高些、固化时间在保证制壳质量的前提下尽量短、起模强度好、高温性能好、 高温膨胀性能低、发气量小和溃散性能好。 1 1 4 覆膜砂对原材料的要求 从覆膜砂的混制工艺中我们可以知道，覆膜砂的组成主要是砂、粘结剂和 附加物，所以这三个方面的因素都是覆膜砂性能的主要影响因素： ( 1 ) 覆膜砂对树脂粘结剂的要求 目前。作为覆膜砂粘结材料的树脂主要是热塑性的酚醛树脂。这种树脂由于 生产、所用原料、使用设备、工艺配方及操作方法的不同和差异，产品的性能 各不相同。对于覆膜砂生产则希望在其达到一定强度性能的条件下，树脂的加 入量愈少愈好，也希望这种树脂是高粘结强度的。 铸造用覆膜砂选用优质的高粘结强度树脂，对其软化点、聚合速度、游离 酚的含量、熔融粘度及残留水分等性能指标都有严格的要求“1 ： 软化点树脂软化点过高，其粘度大而对砂粒的覆膜性能下降；若软化 点过低，则易造成树脂和覆膜砂结块，并使覆膜砂的熔点有所降低。一般要求在 8 5 9 5 为宣。覆膜砂生产厂应根据自身所在地及供货单位地区的气温和湿度 的实际情况，确定树脂最佳软化点。如北方地区及气温较低季节，软化点应选 择下限温度；南方地区及气温较高、湿度较大季节，则选择上限温度。 聚合速度一般要求在2 5 4 5 s ，并视覆膜砂用户的要求而定。聚合速 度过快则结壳厚度过大；聚合速度过慢则固化时间长。一般控制在3 5 s 左右。 游离酚含量 要求树脂中游离酚的含量一般在5 以下。热塑性树脂中 含有一定数量的游离酚是正常现象，但其含量过高对覆膜砂生产、覆膜砂造型 ( 芯) 的作业环境污染严重，并易使树脂和覆膜砂产生结块：若其含量过低亦影 响固化剂六亚甲基四胺在树脂中的交联作用，使覆膜砂的固化性能有所降低。 熔融粘度 实践证明树脂熔融粘度的高低对用其混制的覆膜砂硬化强 度有逆向影响。因熔融粘度高的树脂内聚力大，对砂粒的浸润性差，难以在砂 粒表面均匀覆膜并使覆膜层的厚度加大。这在树脂加入量少的情况下，会因部 分砂粒覆膜不均或未覆膜而使硬化后的树脂砂强度变低。熔融粘度低的树脂则 相反。即使树脂加入量少也能保证砂粒表面都完整覆层树脂膜，覆膜砂硬化后强 度均匀且较高。 残留水分树脂中含有微量水分，其含量应控制在2 。过高的残留水 分会影响树脂的聚合速度，并使覆膜砂硬化的强度降低。 目前，市场上一些功能性的覆膜砂也相继出现，常见的有高强度低发气量 酚醛树脂砂”“，其在树脂加入量为1 8 2 5 时。常温抗拉强度可达到3 0 4 5 m p a ，热拉强度为1 2 1 7 m p a ，发气量小于1 7 m l g ；耐高温覆膜砂技术， 4 其高温抗压强度大于0 8 m p a ，耐热时间由6 0 1 1 0 s 提高到1 5 0 s 以上，室温抗 拉强度大于3 5 m p a ，热抗强度大于2 o m p a 等。 ( 2 ) 覆膜砂对原砂的要求 角形系数角形系数是表明原砂粒形的一个参数。在满足覆膜砂所需强 度性能条件下，树脂加入量与原砂的角形系数直接有关，即角形系数小的圆形 砂粒，需加入树脂量少；角形系数大的多角形或尖角形砂粒，需加入树脂量多。 其原因是当原砂的重量及粒度相同时，角形系数小的原砂砂粒比表面积小，对 于相同厚度的覆膜层，用树脂量自然少。 。s i o ：含量覆膜砂用途的不同，对原砂s i o 。的含量亦有不同要求。用 于一般铸铁件及非铁合金铸件生产的覆膜砂，其原砂s i o 。含量可较低一些，甚 至含8 5 s i 0 ：左右的原砂即可使用：而较复杂铸铁件或铸钢件生产用覆膜砂， 原砂s i o 。含量要高，一般应达到9 2 9 7 ，特殊情况下则要9 9 9 。s i o 。含量高 的原砂杂质含量少、灼烧减量小，因此在生产低发气量的覆膜砂应考虑到这点。 p h 值原砂的产地及处理方式的不同，其表面吸附物的p h 亦不同。实 践证明，p h 值7 的中性或偏酸性原砂所配制的覆膜砂硬化后强度高；而p h 值 7 的偏碱性原砂所配制的覆膜砂硬化后强度低。一般海砂p h 7 ，若用其做生 产覆膜砂的原砂，则需经过酸处理，但这将增加原砂的成本。我国也有偏酸性 海砂的产地，因而被为数不少的覆膜砂生产厂所选用。 含泥量覆膜砂所用原砂一般采用擦洗砂，含泥量o 3 。原砂含泥量 高会降低覆膜砂硬化后的强度值。 含水量含水量应1 。含水量高应对其烘干，否则将使加热时间延长、 生产率降低，同时会出现料斗挂料故障。 粒度覆膜砂的粒度选用如下分组代号的原砂表示“：2 1 0 ( 5 0 1 0 0 目) ： 1 5 q ( 7 0 1 4 0 目) ；1 5 h ( 1 4 0 7 0 目) ；1 0 q ( 1 0 0 2 0 0 目) ；l o h ( 2 0 0 1 0 0 目) 。覆膜 砂粒度越细生产的铸件表面粗糙度值越小，但其树脂加入量增加。 ( 3 ) 覆膜砂对固化荆的要求 一般的热法覆膜砂采用乌洛托品( 六次甲基四胺) 使酚醛树脂固化，随其 加入量增加，树脂固化交联程度加大，同时作为溶剂的水量以增加，这会导致 不良后果。对综合热性能而言。其加入量以l o 1 2 ( 树脂重) 为宣0 1 。随着 环境保护意识的不断增强，同时为降低树脂体系中的含氮量，其他类型的硬化 促进剂也取代乌洛托品，如采用金属碱类化合物，以及硬化刹不舍乌洛托品 的无氮酚醛树脂体系”。 此外，覆膜砂中还常加入硬脂酸钙，其作用是防止结团，覆膜均匀，降低 能耗，增加流动性与填充性，降低脱模功，增加常温强度与热强度，改善表面 质量“，以及降低砂芯的起皮倾向1 。其加入量一般为2 6 ( 树脂重) 。 i 2 国内外研究现状 1 2 1 国外覆膜砂的研究发展现状 覆膜砂是根据壳型法造型( 芯) 而发明的一种新型造型材料。是二次世界 大战中德国克罗宁( c r o n i n g ) 先生发明。战后作为战利品公布于世。5 0 年代 己在国外普及推广，如1 9 5 8 年美国使用覆膜砂的厂家已达到5 0 0 家，日本于 1 9 5 4 年从美国引进了覆膜砂技术，苏联以及欧洲一些铸造技术发达国家在5 0 年代也先后使用覆膜砂生产铸件。 随着国外机械行业尤其是汽车行业的发展，对铸件质量要求也越来越高， 如铸件表面和尺寸精度提高：薄壁铸件增加；铸件内部缺陷降低等等，覆膜砂 在国外得到了稳步发展。为适应不同铸件的要求，国外先后发明了很多品种的 覆膜砂，如高温低膨胀覆膜砂、易溃散覆膜砂、高强度低发气量覆膜砂等等， 而且已公布并批准了大批专利。随着覆膜砂技术的发展，覆膜砂产销量也大幅 度增加。据统计美国、日本目前的覆膜砂产销量均达到1 0 0 万吨年左右，其他 铸造业发达国家年覆膜砂产销量也很可观。 随着覆膜砂技术的发展，国外覆膜砂专业生产设备也不断涌现。美国、日 本、英国、德国及俄罗斯等国家的很多铸机公司都生产覆膜砂专用设备和覆膜 砂生产线。在覆膜砂生产方面，随着国外覆膜砂技术的发展，覆膜砂已作为一 种造型材料商品广泛被铸造厂家购买，从而不断涌现很多的覆膜砂生产厂。如 日本在1 9 8 0 年前后已有专业覆膜砂厂3 5 家，加上自产自用的覆膜砂生产厂家共 有5 0 6 0 家。目前国外的覆膜砂用户厂一般以放弃自己生产覆膜砂，而改用购 买覆膜砂专业厂生产的覆膜砂，如美国的福特汽车公司。 1 2 2 国内覆膜砂的研究发展现状 我国采用覆膜砂生产壳芯技术是在6 0 年代初期，最先在洛阳拖拉机厂，其 后在长春第一汽车厂。之后即在全国内燃机厂、柴油机厂等机械行业的铸造厂 ( 车间) 推广。当时我国并无覆膜砂专用设备，混制覆膜砂是用普通碾滚混砂 机( 如s l l 6 、s 1 1 4 等) 改装而成。1 9 6 6 年我国“一汽”从英国进口了一套热法 树脂覆膜砂设备，当年国内组织技术消化，从丽发展成为国内有关厂家生产的 s z 7 2 1 5 热法树脂混砂装置，济南铸锻研究所参加了这项工作，2 0 年来s z 7 2 1 5 为 我国覆膜砂的发展做出了很大的贡献。 济南铸锻机械研究所从7 0 年代末开始，在该所的型砂实验室基础上组建了 造型材料实验室，从8 0 年代初开始研究覆膜砂新的工艺方法和配方，一批老的 科技人员和8 0 年代毕业的新型技术人员，查阅并翻译了国外大量的覆膜砂技术 资料，并吸收了国内的先进技术。如采用b z 一1 0 2 增塑剂技术。经过长期实验， 积累了大量的实验数据和资料，从而研究出了当时国内较先进的覆膜砂工艺方 法和配方。该技术最先转让给包头第一机械厂，而后转让给济南历城铁厂，该 6 厂后来由机械部直接投资，筹建了我国第一个覆膜砂专业厂。 8 0 年代末，随着机械工业的发展，覆膜砂技术得以推广。济南铸锻机械研 究所的科研人员还自行研究并设计出新的覆膜砂成套装置，即x s 2 1 2 0 2 t h 热法 覆膜砂生产线，并于1 9 8 9 年转让给青岛气动元件厂生产。该生产线的混砂机和 加热器均于1 9 9 0 年取得了专利权，至1 9 9 4 年1 0 月，已销售约5 0 台( 套) x s 2 1 2 0 ， 产品遍布全国3 0 多个覆膜砂专业厂和用户厂。 全国一些大专院校、科研单位以及覆膜砂用量较大的企业，几十年来在覆 膜砂的工艺、设备和应用方面也做出了大量的研究工作，并取得了大量的成果。 在大家的共同努力下，我国覆膜砂的产量稳步提高。8 0 年代末我国的覆膜砂主 要在覆膜砂的用户厂中生产，即自产自用为主。据不完全统计，当时全国覆膜 砂生产己转为以专业覆膜砂厂为主，到1 9 9 4 年全国覆膜砂总产量已增大到约 1 5 万吨年。目前我国已有专业覆膜砂厂约4 5 家”“。 目前，覆膜砂在汽车工业中的应用也越来越广泛，东风汽车公司开发的新 一代增压式6 1 0 5 d t 柴油发动机，就是采用k 8 7 壳心机进行排气道芯的制作的； 东风朝阳柴油机有限责任公司生产的4 1 0 2 型柴油机，其缸体是采用覆膜砂制 芯；哈尔滨东安发动机制造公司生产的d a 4 6 2 缸体其砂芯全部是由覆膜砂射制； - 。一汽车集团公司铸造厂生产的6 1 l o 柴油机缸盖水套芯也是采用覆膜砂制备 的。国内外覆膜砂铸型( 芯) 工艺的研究应用主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 酚醛树脂覆膜砂的改性研究 在覆膜砂中添加一些特殊的添加剂， 覆膜砂的性能常常发生很大的改变。h i t a d ic h e m i c a lc o l t d “用酚醛树脂和 芳香烃重油( 沸点2 5 0 2 6 0 。c ) 一起覆膜硅砂，这种覆膜砂能防止模具开裂，强 度得到提高。s u m i t o m od u r e zc o l t d “”覆膜砂时添加石油沥青( 软化点1 0 8 ) 降低覆膜砂的热膨胀。将盐酸铵盐加入覆膜砂中，覆膜砂的力学性能发生改变 “。含有硅烷偶联剂( 氨基、环氧基或乙烯基的硅烷) 和酰胺( 丙烯酰胺、二甲 基丙烯酰胺、n 一苯基乙酰胺和n 一苯基丙酰胺等) 的酚醛树脂对硅砂进行覆膜， 覆膜砂的抗弯强度和抗拉强度得到提高“。b r e z i n a 等“用氧化的蓖麻油脂肪 酸乳化硬脂酸钙后，将其加入覆膜砂中，提高了覆膜砂的弯曲强度。e l b e l “钉 发现石英砂中的方英石在铸造过程中会膨胀造成铸造尺寸的变化，加入四氧化 三铁能抑制这种现象。游敏等“们使用氧化铁、天然树脂对覆膜砂热开裂倾向进 行了研究，发现氧化铁能减少壳型法铸件的脉纹或飞翅缺陷。h a r a d a 等”o 。用苯 甲酸铵或水杨酸铵促进热塑性酚醛树脂的快速固化。k a t o 等”用铁盐降低覆膜 砂的气味。l u r o m a c h i ”用合有除味剂( 橙油、松节油和雪松油) 的酚醛树脂降 低覆膜砂的气味。p a s a v a 等“3 1 覆膜砂时添加微晶石蜡、硬脂酸甘油脂、松香、 乙氧基脂肪酸或醇、褐煤蜡和硬脂酸钙，提高覆膜砂的常温抗拉强度，增加抗 热振动性和限制部分试剂( 如乳化硅油) 对覆膜砂强度的影响。含有脲衍生物 ( 脲、联二脲或缩二脲) 或三唑衍生物的酚醛树脂，能提高覆膜砂的强度”。 7 ( 2 ) 覆膜砂粒度的选择应根据不同的合金、不同的铸型以及铸件的大 小和复杂程度等来选择砂粒：铸钢件一般用砂较粗些，如2 0 4 0 5 0 1 0 0 目； 铸铁件的砂粒选择范围较广些，如3 0 5 0 1 0 0 2 0 0 目。实际生产中对芯砂粒度 有严格要求，例如在柴油机缸盖水套砂芯生产中，要求芯砂中不能有直径大于 3 m m 的颗粒，否则容易堵塞射砂通道，因为射砂过程中芯砂吹不进去，而空气 进入芯腔造成砂芯局部疏松”“。此外，采用稍粗些( 如4 5 7 5 规格) 的、圆整 度高( 角形系数小) 的原砂有利于提高覆膜砂的强度“。 ( 3 ) 制型( 芯) 工艺无论制芯还是造型，基本工艺( 湿态手工除外) 要 求如下：加热温度为2 0 0 3 0 0 ，固化时间为3 0 1 5 0 s ，射砂压力0 1 5 0 6 m p a 。具体参数应根据设备型号、型( 芯) 重量及复杂程度、覆膜砂的种类 等进行调整。原则是：形状简单的砂芯，流动性好( 或砂粒度较粗) 的覆膜砂 可选择较低的射砂压力，细薄砂芯选择较低的加热温度，加热温度低时可适当 延长固化时间等。其中，固化时间及温度是成型工艺中的两个关键因素，一般 而言，覆膜砂的固化时间有两方面的影响因素：一则与粘结剂的聚合速率有关， 一则与芯盒温度有关。一般酚醛树脂的聚合速率在3 0 s 以上，而现在有人已研 制出聚合速率在i 5 2 0 s 的覆膜砂树脂”1 1 ；另一方面，芯盒温度高则固化时间 短，但温度过高则型芯表面易烧焦，而内部和局部厚大的部位却没有熟透，导 致砂芯强度低，发气量大，一般固化温度控制在2 0 0 2 5 0 ，固化时间控制在 9 0 1 7 0 s 。2 “。制型( 芯) 又可分为以下几类：制作实体芯、壳型、壳芯等， 下表1 2 列出了几个厂家生产不同实体砂芯时的工艺参数“1 。用覆膜砂制作壳 表1 2 覆膜砂热芯盒工艺参数 t a b l e l 2t h ep a r a m e t e r so fh o tc o r e - b o xc r a f t 砂蓐名冉 熬 重i 口潞 榭虞( ) 戳警戒溉篙喘懿滞 单置 上萄董下t 萄麓 缸向l # 枕头芯 - 鼻茬l - 嬲熬水套巷 6 谳格小芯 并小甚 木塞荐( 囊撕 猢嚣 瓣 水囊芯( 上半)i ， 搿糊 水薯 蒜( 下半) 型，常见于浇注凸轮轴等轴类零件或刹车片等盘类零件及一些对表面要求高的 阀类零件等。其相关参数如下：砂铁比1 ：1 5 4 ；拔模斜度0 5 。、i 。等， 壳型壁厚8 1 2 m m 。均匀的壳型壁厚可以减少覆膜砂用量，获得均匀的铸件组织。 用覆膜砂制作壳型，可采用固定式射芯机或翻转式射芯机，前者可用干态覆膜 砂或湿态覆膜砂，后者只能选用干态覆膜砂。制作壳芯时，通常选用摇摆式壳 8 芯机( 如k 8 5 、k 8 7 、k 8 9 等) ，通过射砂、结壳、排出余砂、固化、脱模等环节 完成制芯过程。一般芯盒温度为2 3 0 3 0 0 的主要因素之一是根据下列原则选 定：保证覆膜砂上的树脂软化及固化所需的足够热量；保证形成需要的 壳厚且壳芯表面不焦化；尽量缩短结壳及硬化时间，以提高生产率。射砂压 力为0 1 5 0 4 m p a ，压力过高易使砂芯出现颈缩和跑砂现象；过低砂芯易出现 疏松现象。射砂时间为3 l o s ，时间过长，易使已结壳的型壳滑移，从而造成 结壳很薄；时间过短，则砂芯不能成型。结壳时间根据结壳厚度而定，6 8 m m 后的结壳时间为1 0 3 0 s ；l o m m 厚的结壳时间为2 0 6 5 s 。下表1 3 ”1 列出了壳芯 机制芯的工艺参数实例。 表1 3 壳芯机制芯工艺参数 t a b l e l 3t h ec r a f tp a r a m e t e r so fs h e l lc o r eb l o w e r 瓷岸芯重 芯盒沮度射砂压力 翩芯时间t 0 序呼芯名 ( )“p a ) 射砂绌党摇摆 硬化 ( n u n )0 【g ) 前轮毂7 一1 0t 2 1 32 7 0 v3 o 2 一o 3ps2 0 一3 0，一l o2 0 一2 s 后轮船 7 v i o2 2 ，02 7 0 一3 0 p0 3，vs 2 0 - 3 0s i o2 0 - - 1 0 进气管 72 2 ，口一2 0 2 一o 3弘51 p 1 51 04 0 5 5 播气管 72 4 2 6 0 2 o 2 一仉卜6l ，3 01 04 5 5曲轴葙1 2 1 52 7 0 v3 0 0o 2 一o ，53 - - s6 0 6 5弘1 08 0 - - 1 0 0 ( 4 ) 剥壳指数熔点低、固化速度快，制芯时易产生脱壳缺陷，脱壳造 成壳芯壁厚不均或多层结壳，浇注时金属液易从脱壳部位芯以上穿透钻入砂芯 使铸件报废。脱壳易造成大量未固化的覆膜砂不能从芯盒中倾倒出来，并阻塞 空腔影响排气。在壳芯生产中，应控制剥壳指数在1 0 以下“”。 ( 5 ) 高温强度 覆膜砂的高温性能是其一个重要的参考标准。但不同树 脂含量的覆膜砂其高温强度也不相同，例如同是北京仁创有限公司生产的覆膜 砂，其熔点分别为9 8 、9 0