冷芯盒制芯技术及应用现状

冷芯盒制芯技术及应用现状前言自1968年美国的阿什兰公司发明并推广冷芯盒技术以来，冷芯盒制芯因其生产效率高、节能，砂芯尺寸精度高、发气量低，芯盒寿命长、变形量小，铸件表面光洁、尺寸精度高（可达到CT7级），浇注后砂芯溃散性好等特点而被广泛采用。尽管冷芯盒法除了ISOCURE法（阿什兰法）外，后来还开发了SO2法（呋喃树脂/SO2法、环氧树脂/SO2法、酚醛树脂/SO2法、自由基硬化法）、低毒或无毒的气硬促硬法（钠水玻璃/CO2法、酚醛树脂/脂法、有机粘结剂/CO2法）、FRC法，但目前应用最多的仍是ISOCURE法。ISOCURE法是在原砂中加入一定量的组分I（液态的酚醛树脂）和II组分（聚异氰酸脂），在混砂机中混匀后，用射芯机射砂或人工填砂制芯，用干燥的空气、CO2气体或氮气作载体，通入约5%浓度的催化剂气体，使组分I中的酚醛树脂的羟基和组分II中的异氰酸基在催化剂的作用下，发生聚合反应生成尿烷树脂而固化。冷芯盒的适应性强，它可以应用于铸造所有种类的黑色和有色合金以及适用于大多数铸造用砂，冷芯盒砂芯可小到136g，大到840Kg，最大达到1000磅；砂芯壁厚从3mm到170mm。在国内外，冷芯盒技术已成功的应用于汽车、拖拉机、飞机、机床、泵业等行业，但在实际生产中，冷芯盒制芯工艺受到许多因素的影响，包括原材料、工装、工艺参数等。本文对冷芯盒技术的应用中应注意的问题作了一定的综述，并对国内应用冷芯盒技术的情况作了说明。一、 冷芯盒生产中应注意的问题：冷芯盒技术的本质是组分I（液态的酚醛树脂）和II组分（聚异氰酸脂）在催化剂的作用下，生成尿烷的过程，即：催化剂酚醛树脂+聚异氰酸脂 尿烷组分I的酚醛树脂结构要求为苯醚型，组分II为4，4二苯基甲烷二异氰酸酯（MDA）或多次甲基多苯基多异氰酸脂（PAPI）等，美国推荐使用MDA，我国主要用PAPI。组分I和组分II通常用高沸点的酯或酮稀释，以增加树脂的流动性和可泵性，使树脂容易包覆在砂粒表面，也增加芯砂的流动性，使砂芯致密。催化剂为叔胺，可使用三乙胺（TEA）、二甲基乙胺（DMEA）、异丙基乙胺或三甲胺（TMA），因为三乙胺便宜，通常采用三乙胺作催化剂。该反应过程非常迅速，在催化剂的作用下，可以立即完成反应。冷芯盒的生产过程通常为：混砂 射砂 吹气硬化 洗涤 取芯 后硬化尽管冷芯盒树脂的硬化过程很快，但在生产过程中，原砂、水分、温度及工装对制芯过程和砂芯质量有很大的影响。、 原砂所有用树脂作黏结剂的原砂都要求粒形好，粒度适当，以减少树脂的加入量，降低浇注时的砂芯发气量。冷芯盒树脂要求原砂最好是圆形的，这样，原砂表面积最小，可以减少树脂的用量，对砂芯强度也最为有利。但次角形的砂对减少飞边或毛刺有利。一般要求原砂的角形系数1.3,AFS细度为50-60，并且分布不要过于集中，最好分布在相邻的5-6个筛号，以利用浇注时不同粒度砂的膨胀时间差异来防止铸件产生脉纹现象。因为冷芯盒树脂在碱性情况下提早发生反应，所以，原砂吸酸值高则芯砂的可使用时间缩短。原砂的吸酸值为0-5最好，5-20为可用范围。同样，原砂的PH=6-8是最好的。许多金属氧化物呈碱性，过多的氧化物也会降低芯砂的可使用时间，故原砂中的氧化物含量要求0.3%。原砂的含泥量要尽可能的小。含泥量增加，不仅降低了砂芯强度，降低了透气性，还使铸件产生脉纹缺陷的倾向增加，一般要求含泥量0.3%。水分能够与冷芯盒树脂中的组分II发生反应，而且水分的存在还能降低芯砂的流动性，造成砂芯疏松，使砂芯质量大大降低。所以，冷芯盒工艺中对原砂的水分要求严格，原砂的水分最好在0.1%以下。随着水分的增加，砂芯强度下降（如图1），铸件产生脉纹的倾向加大。原砂水分0.25%，则砂芯的品质大降。图1：砂芯抗拉强度与原砂含水量的关系冷芯盒制芯对原砂和树脂的温度要求也较为严格。尽管目前冷芯盒树脂的粘度较低（如苏州兴业的组分I300mpa.s,组分II100mpa.s；亚什兰（常州）的组分I=120-200mpa.s,组分II=10-30mpa.s（均在25时），但如果温度太低（如低于10），因树脂中的组分I变得粘性增加而造成混碾不匀；相反，如果砂温过高，则树脂反应加快，混好的砂子存放期页：2芯砂即时强度下降30%时的存放时间就会变短。目前使用的树脂，要求原砂温度最好在21-27之间，10-40虽然也能使用，但对砂芯质量有一定的影响。、 混砂虽然冷芯盒混砂可以使用任何类型的混砂机，但是，使用碗形快速混砂机最好，并且随用随混。混砂时，一方面要使混砂时间短些，以便不影响芯砂的可使用时间（空气的湿度、混砂时的发热和溶剂的挥发都可以影响到芯砂的可使用时间）；另一方面，又必须混匀，使树脂均匀的包覆在砂粒的表面，发挥最大的粘结强度。混砂时一般为先加原砂，再加组分I，混碾一定时间后，再加组分II，混匀后出砂，即 混碾 混匀原砂+组分I 组分II 出砂其实，先加哪一组分并没有特别的优点，两组分同时加入也可以（但不可存放时混合）。砂芯的强度随树脂的加入量增加而增加，但同时铸件产生脉纹的倾向加大，而且，树脂加入量过高，成本加大，发气量增加，因此，一般控制树脂加入量在2.0%以内（国外生产轻金属合金时树脂的加入量最低可至0.6%，国内黑色铸造一般为1.2-2.0%）。在树脂加入量一定时，随着组分II的增加，砂芯终强度和抗吸湿性增加，在50：50时达到最高，之后，随着组分II的继续增加，砂芯终强度和抗吸湿性下降，在组分II的加入量为80%时，砂芯强度几乎完全丧失；随着组分II的减少，制芯时降低了粘模性，取芯变得容易，铸件产生脉纹的倾向减少，而且由于含氮量降低（组分II中含有3-4%的氮），铸件气孔缺陷减少，但对粘砂影响不大。决定砂芯质量的是组分I的性能和加入量。、 添加剂正常生产时一般不加添加剂，为解决铸件出现的某一缺陷，有时在混砂时加入某种添加剂。添加剂有氧化铁、纤维素材料、耐火泥、硅粉、糖浆等。氧化铁红的加入量在砂总量的0.25-3%之间，可以减少铸件皮下气孔和表面针孔的缺陷，也可以减少脉纹缺陷。氧化铁黑也可以使用，并不需要多加树脂以弥补因砂中细粉过多而造成的强度下降。还有加极细的干燥的木屑来防止脉纹的产生。其原理可能是加入附加物后，能缓解石英砂在高温时的瞬时膨胀。但附加物的加入，可能引起粘砂缺陷。氧化铁的加入，还会使出砂性能变差。有色金属用砂芯还常在树脂中加入0.1%-1.0%的氟硼酸钾或0.25-0.5%的硫磺作为抑制剂，以弥补由于树脂系统误差而引起的误差。、 压缩空气压缩空气用做催化剂的载体和洗涤砂芯用，也有用CO2和N2用载体的（因为三乙胺易燃易爆，用CO2和N2用载体更加安全）。所用的压缩空气如果含有水分，则对砂芯的质量影响很大，因为在射砂时或随后的吹气净化过程中，水分都可与树脂中的II组分发生反应而影响砂芯的强度。分还降低了砂子的流动性而使砂芯疏松。因此，冷芯盒所用的压缩空气必须是干燥的。一般来说，生产薄的复杂砂芯时所用的空气的露点最好在大气压下为50，生产厚大砂芯时所用的空气的露点在10下也可以使用。一般采用吸附法或冷冻法除水。冷冻法比吸附法效果要好，而且稳定。、 工装在冷芯盒制芯中，由于砂芯的硬化不是加热，而是靠三乙胺气体的催化来完成的，因此，芯盒可以使用任何材料制作，铸铁、钢、铝、塑料、树脂甚至木头都可以，芯盒不会因加热引起变形，砂芯精度非常高。在制芯过程中，为了得到完好的砂芯，首先必须确保砂芯射得致密，其次，要确保催化剂均匀的达到砂芯的每一个地方，使砂芯硬化。芯砂紧实一般利用压缩空气来完成，这在大量生产时非常必要。也可以用震实、挤压、手椿或刮砂的方法来完成，但必须保证砂芯的紧实度。如果利用压缩空气来完成射砂及紧实，射嘴的大小和位置是十分重要的，应该尽量选用口径大而直的射嘴，以降低吹砂压力即冲击速度，从而减少树脂残留在芯盒上，同时降低砂子与芯盒的磨损。射砂时间非常短，通常在3-5s之间，射砂时气流的速度非常快，通常情况下，如果射砂时的空气压力为0.6Mpa，则在射嘴出口的气流速度可达235m/s。如此高的冲击速度，极容易造成砂粒撞击芯盒内壁后回弹，使树脂粘在芯盒上，增加粘模性，不易脱模甚至砂芯损坏。因此，要选用低的射砂压力和大的射嘴。射嘴面积的选用，厚大的砂芯要保证0.2平方英寸/磅，复杂砂芯则要保证不小于0.35平方英寸/磅。吹砂压力在0.25-0.3MPa是最好的，不要超过0.4MPa。三乙胺发生器到芯盒的进气管路设计要根据砂芯的大小来决定，最好是大口径的管路，弯头尽可能的少，线路尽可能的短，保证催化剂气体迅速、畅通的进入芯盒。推荐的进气管口径如表1。表1：推荐的进气管口径砂芯重量（磅）进气管口径（in）1-15115-5011/450-10011/21002而排气管路（芯盒排气到废气处理）的管径也要尽可能的大，最好设计排气量为进气量的3倍以上，尽量少用弯头和T型接头，保证排气畅通。射砂嘴和排气塞的数量和布置既要保证射砂时能使整个砂芯致密，还要保证催化剂能均匀的到达砂芯的每一个部位。进气面积要尽可能的大，可以保证在砂芯的一面迅速充满催化剂气体，排气面积比进气面积要小，一般为进气面积的60-80%，并且位置要适当。如果催化剂气体不能到达，则该处就不能硬化，造成砂芯局部强度不够；如果要想使该部位硬化，只有延长硬化时间，这样就造成了催化剂的浪费，也降低了生产效率。射嘴位置最好开在砂芯的最大面积处，以便砂子均匀的、畅通无阻的射满模腔各个角落。射嘴方向、催化剂流动的方向和排气塞方向要一致，以保证催化剂能通畅的到达砂芯的每一个地方。压缩空气管路口径太小、催化剂输送管路口径太小、催化剂混合气进气分布不好、射嘴、排气塞面积过小、催化剂在砂芯中流动有短路现象、排气管太长或太细都会导致催化剂用量过高或硬化速度过慢。正常的砂芯硬化速率应是厚大砂芯高于10磅/秒，复杂砂芯高于3磅/秒。就具体的三乙胺用量而言，厚大的砂芯每吨砂少于1磅（0.33ml/b），复杂砂芯少于1.6磅（0.5ml/b），说明工装设计的非常合理。在实际生产中，平均催化剂消耗量要高一些，厚大的砂芯通常在1-2b/t、复杂砂芯在1.7-2.2b/t之间，超过了该范围，说明工装设计存在不合理的地方。芯盒的密封也非常重要。密封有芯盒与芯盒、芯盒与射腔，如图2所示，如果密封损坏，催化剂就会漏掉，造成硬化不良、硬化速度慢和催化剂浪费。图2：硬化过程示意图硬化所用的三乙胺只是一种催化剂，加速两种树脂的聚合反应速度，使反应在几秒中内即可完成，而没有催化剂，反应则需要几个小时或几天的时间才能完成。在反应过程中，胺只是某种电子的位移，反应结束后，三乙胺本身并没有发生改变。因此，进入多少催化剂，就排出多少催化剂。由于三乙胺有臭味，蒸汽刺激眼睛和呼吸系统，并且是极易燃易爆的危险品，因此，除了必须保证密封外，硬化反应过程中，必须抽风排出尾气；反应结束后，还必须清洗干净砂芯中和芯盒工装中的胺，保证工作环境良好。阿什兰公司和英国劳动部规定的TEA的极限浓度为25ppm。从环保和健康出发，尾气要用燃烧法、酸洗涤中和法、吸附法或通过显微有机组织进行生物处理，而不要直接排入大气。射头内的存砂量应根据芯盒的用砂量来确定，最好是调整到芯盒的容积，2-3倍的芯盒容积也可使用，不要超过3倍。射头内的砂量过多，经过多次射砂，压缩空气频繁冲击砂子，导致部分溶剂蒸发而降低了砂子的流动性。由于冷芯盒砂的流动性很好，射砂压力要低一些（0.4MPa）。有些设备厂家设计了无射砂筒射砂机，实现低压射砂。、 存放期制好的砂芯强度并不是取芯后立即达到最大值，而是过1-24小时才能达到。但由于异氰酸脂遇水易分解，芯砂的存放性较差；硬化后的砂芯有吸湿倾向，在湿度大的环境下存放，会明显降低砂芯的强度而使铸件产生缺陷。所以，砂芯的存放时间不能过长，最好不要超过一天。研究也表明，如果在从制芯到固化全过程不受任何干扰（水分、杂质离子等），放在干燥通风的环境中并让催化剂挥发干净，即使存放几个月也不会损失砂芯的强度。二、 国内外冷芯盒技术的应用冷芯盒技术自推广应用以来，在全球范围内得到了广泛的应用，仅在美国，就有超过200个铸造厂家将其应用于生产，在欧美国家，采用冷芯盒生产的砂芯占整个砂芯重量的70%以上。在树脂方面，美国研究出高强度冷芯盒工艺，将组分I中酚醛树脂改为酚醛多元醇树脂，将芯砂的溃散时间从100s延长到300s，大大提高了耐高温时间；在抗吸湿性方面，新型的抗吸湿性树脂的性能在不断提高。在制芯设备和技术方面，制芯机向小巧、自动、快速方向发展，树脂和催化剂的自动定量，满足吹胺特性曲线的比例阀技术，大功率加热汽化器，PLC控制技术可实行人机对话，自由修改各工艺参数，自动诊断故障等新技术都已成功的应用于冷芯盒设备。在国内，全部采用冷芯工艺的有上海柴油机总厂和华东泰克西，其中，华泰的自动化程度最高，采用自动锁芯工艺，代表了国内冷芯盒应用的最高水平。其他厂家，如一汽铸造厂、潍坊柴油机厂、四川柴油机厂、哈尔滨东安动力铸造厂等大型铸造厂应用冷芯盒也较成功，只是推广应用的程度各不相同。东风汽车公司也有少量的应用。、 华东泰克西华东泰克西以生产发动机缸体为主，砂芯全部是冷芯盒生产，制芯、修芯、组芯、上涂料全部在制芯中心进行，所有动作全靠机器人完成。它从设备、粘结剂到涂料全部进口，采用LORAMENDI的制芯中心和自动锁芯工艺，阿什兰树脂和三乙胺，意大利进口的烧结性涂料。、 上海柴油机股份有限公司1990年上柴引进美国B&P公司的垂直分型冷芯盒射芯机，专用于生产小于10Kg的中等或复杂砂芯。到目前，上柴已全部采用冷芯盒制芯。它生产的6114缸体园棒芯，每个循环只有30秒左右，缸盖的底座芯（长近1米）每个循环只有25秒左右，而同样的砂芯如果采用热芯，一个循环大致在180-240秒左右。由于冷芯的发气量低和发气速度快，铸件的气孔率很低，上柴的缸体、缸盖，在没有任何排气道的情况下，很少有因为气孔而报废的铸件。、 一汽铸造厂一汽铸造厂引用冷芯盒技术较早，1984年引进美国B&P公司的CB-S-30CC水平分型的Flexiflomatic冷芯盒射芯机，用于生产CA6102缸体水套芯和气门室芯。缸体四开模水套砂芯每班生产240-250个，工作循环周期80-100s，废品率在5%以下；生产气门室砂芯，每班生产750个，工作循环80s，废品率在2%以下。缸盖采用冷芯盒生产后，明显改变了进排气道的表面粗糙度，改善了铸件的质量。在目前一汽已广泛采用冷芯盒工艺。、 潍坊柴油机厂潍坊柴油机厂从20世纪80年代初就开始应用冷芯盒技术，有美国B&P公司、德国兰佩公司和毫廷格公司的，生产的砂芯从1Kg到60Kg，有上百个品种。通过对冷芯盒设备、工艺和工装方面的研究和探索，也可能得益于冷芯盒技术带来的益处但由于受资金的影响，潍柴自己将多台热芯盒改成冷芯盒，投资不大，但很管用。不过用现在的眼光看，改造的设备档次、制芯精度和环保方面存在较多问题。潍坊柴油机厂共有各种冷芯盒制芯机20余台，其中第二铸造分厂有10台，有LORAMENDIDE的2台、苏州兰佩生产的2台、利用2ZZ8640热芯盒双工位射芯机改造的有2台、利用2ZZ8612改造的一台、利用60Kg双工热芯盒位射芯机改造的1台，主要生产柴油机缸体顶面芯和侧壁芯，最大的砂芯尺寸为4001001000，砂芯基本无废品。生产效率较高，达40盒/小时。维柴的6160、WD615、WD618和95系列柴油机的缸体、缸盖、齿轮室等件的砂芯均成功的应用冷芯盒技术生产，使铸件的整体质量显著提高。维柴的冷芯盒生产采用大林和围场的擦洗砂，粒度75/150或55/100，含泥量和含水量均小于0.3%，角形系数1.3，使用的树脂是阿什兰（常州）生产的ISOCURE（艾赛克）I-397W、I-697W抗吸湿性冷芯盒树脂，连续混砂机，树脂加入量为1.8%（简单砂芯）或2.0%（复杂砂芯），组分I、II的比例为50：50，芯砂可使用时间：夏季2-3小时，冬季3-5小时，催化剂为三乙胺，压缩空气采用冷冻法干燥。每天下班提前20分钟进行设备保养，主要清理射头和芯盒。、 四川柴油机厂四川柴油机厂从年开始应用冷芯盒制芯技术，最早是用于生产斯太尔发动机缸体水套芯，砂芯壁厚约mm，最小壁厚mm，射芯机进口，树脂加入量为。由于重庆地区的湿度大，砂芯强度低，加上对冷芯盒工艺的不熟练，铸件废品率曾高达80-90%，后来通过采取措施，控制原砂水分0.2%，原砂温度为305,泥分0.4%,确保压缩空气干燥，快上涂料和快速烘芯，缩短砂芯存放时间（砂芯存放时间不超过24小时），加强芯盒排气保证砂芯的致密和足够的强度，防止断芯，提高碳当量和浇注速度，并适当提高浇注温度，缸体废品下降到10%左右。、 哈尔滨东安动力铸造厂主要应用于生产491Q发动机缸体，造型线采用日本新东的静压造型线，砂箱尺寸850X600X280X280，一箱只能放一个缸体模样。整个砂芯由4个圆棒芯（曲轴箱芯）、1个顶面芯、1个水套芯、2个侧壁芯和1个凸轮轴芯组成，全部采用冷芯盒制芯工艺，组芯采用粘胶粘结。由于该缸体是由丰田486缸体扩缸而来，缸筒间壁厚只有4mm，属于典型的薄壁件，因此工艺要求很严。在组芯、下芯上，通过减少砂芯定位间隙，设计高精度的组芯、下芯夹具来保证尺寸精度。在制芯上，采用阿什兰冷芯盒树脂和三乙胺催化剂，LORAMENDI的冷芯盒射芯机，树脂加入量为1.4-1.7%，砂芯的发气量为12ml（树脂加入量为1.6%），生产效率高，为热芯盒的3-5倍。由于哈尔滨空气较干燥，尚未发现压缩空气（未经特殊干燥）中的水分对砂芯产生严重的影响，砂芯存放期可适当延长，但一般不超过3天，超过3天的砂芯要重新烘干后才能浇注，并且要烘干、烘透，以尽量减少砂芯的发气。冬季气温低，设有原砂加热装置，保证原砂的温度在16-30之间。为了提高效率和砂芯的质量，特别重视芯盒排气问题。厚大砂芯的吹胺时间为3s，净化时间为15s，生产效率40套/小时。使用醇基涂料，自然干燥2小时后进入烘干炉内烘干，在铸件容易产生铁包砂的相应砂芯部位涂刷锆英粉涂料，防止产生铁包砂缺陷。三、 我厂冷芯盒应用现状及存在问题建议我厂自1985年开始应用冷芯盒工艺，最初是为桑塔纳轿车缸体的生产而引进的2台LORAMENDI的SVA60L垂直分型射芯机，芯盒尺寸1000X800X325X325，最大砂芯尺寸880X720X500，最大砂芯重量可达60Kg，吹气压力0.05-0.3MPa（低压0.05-0.1MPa，高压0.15-0.3MPa）。但由于桑塔纳缸体的废品居高不下，不能形成批量供货，最后终止了桑塔纳缸体的生产。2台设备由于工装不好布置，工艺上存在许多问题，最终造成2台设备一直闲置至今（其中一台已搬走封存）。目前使用的有一分厂60L、40L水平分型各一台（生产神龙缸体曲轴箱芯和侧壁芯），四分厂40L水平分型一台（生产153缸盖进气道芯）、试制车间6L的水平分型一台（生产IMF线用定位销）共4台在使用。就使用情况来看，我厂冷芯盒的应用主要存在以下问题：1、状况欠佳：实际上，三台进口设备的可靠性还是很高的，但维修方面跟不上，小毛病经常发生，跑砂严重，尾气没有处理，抽风后直接排入大气中；新上的济南铸锻研究所的设备，由于设计或制造方面存在诸多缺陷，不到一年，进行了7次较大的改进，目前仍然无法正常用于生产，即使勉强生产，砂芯的废品率也很高。2、混砂方面，我们的原砂经过烘干，含水量和含泥量很低，但在原砂和树脂的加热和保温上，目前无法保证，这将导致混砂不匀，从而影响砂芯的质量。设计有2套原砂加热装置（一套是蒸汽加热，一套是电加热），但目前都没有使用。树脂加热系统也有，同样也没投入使用。从原砂或树脂加热处到混砂机的砂斗，输送管道也没有保温措施。3、空气干燥方面，尽管空压站新上了空气净化系统，但在冷芯盒生产现场没有具体的干燥指标和检测、监测手段，无法保证压缩空气的干燥和除油，也没有具体的压缩空气干燥塔的再生周期或指标。4、芯砂质量检验方面，原有一台GF的冷芯盒试验机，但一直没有用上，设备目前尚在，但缺少不少零件。5、工装方面，芯盒清洗不够，排气塞堵塞较严重。HA的冷芯盒清洗剂和天津特得拉的冷芯盒清洗剂效果很好。6、涂料能有效的抑制脉纹和粘砂缺陷，提高铸件的表面质量，应应用质量好的涂料。我厂使用的是水基涂料，应在制芯后尽快上涂料，并立即烘干，烘干温度至少160，时间不少于20分钟。建议使用烧结性涂料，一方面，烧结性涂料本身发气量低，只有10-12ml/g左右，比石墨基涂料的发气量要低，另一方面，烧结性涂料可以屏蔽砂芯的发气，减少砂芯的发气进入铁水的机会。烘好的砂芯要尽快使用，防止吸水后砂芯强度下降。对我厂冷芯盒的推广应用，提出几点建议：1、我厂HWS线投产和砂处理改造后，砂处理和造型能力是很强的，铸件的砂眼、粘砂缺陷已经大大减少，铸件表面质量有很大的改观，清理手段相对落后（主要是清理人员的素质和Q384抛丸室），而制约一分厂铸件质量的最有可能的就是制芯。冷芯制芯以其突出的优点，是一种发展的必然趋势，其技术应用已很成熟，国内外在最复杂的缸体、缸盖上早已成功的应用，应用于其它铸件更不成问题。我厂应该加大应用投资力度。特别是一分厂以后主要以生产缸体缸盖为主，