三乙胺冷芯盒工艺对砂芯性能的影响

三乙胺冷芯盒工艺对砂芯性能的影响

在许多芯加工方法中，三乙酰胺气硬芯盒法具有生产能力高、体积高、节约能源、芯沙流动性好、注水后开裂性能好等优点，因此许多生产工厂都使用了这个方案。它已成为使用最广泛的芯加工方法，尤其是在欧美和其他发达国家的制造和合成树脂中。我国自80年代中期引进该工艺,并在汽车发动机等制芯工艺中推广,逐渐替代热芯盒和部分壳芯工艺,将成为高效制芯工艺的主流。我国在三乙胺气硬冷芯盒法应用方面存在问题体现在以下几个方面:(1)树脂加入量偏高,可使用时间短,抗吸湿性能差;(2)树脂的高温性能差,脱模性能不好;(3)缺乏完善的质量控制和检测手段;(4)对环保问题不重视。本试验中,用苏州兴业生产的树脂作试验对象,结合江淮铸造有限责任公司生产的4DA1发动机缸体生产实践,系统地进行了冷芯盒制芯试验,研究了原砂水分、原砂吸水性能、树脂两组分配比工艺、吹胺时间和环境的相对湿度等制芯工艺因素对砂芯性能的影响。1试验条件1.1试验用砂强度射芯制样机:自行设计加工的三乙胺冷芯盒制样机。强度测定仪器:冷芯的强度是在XQX-Ⅱ智能型砂强度机上测量。混砂装置:试验采用的混砂装置为SHY树脂砂混砂机。干燥装置:用于试验前原砂烘干以及保温加热的烘箱为电热恒温鼓风干燥箱。其它:电子天平(感量0.01)。1.2粘结剂树脂原砂:试验原砂为科尔沁擦洗砂,规格是50/100目。粘结剂:苏州兴业冷芯盒树脂(组分Ⅰ酚醛树脂,组分Ⅱ聚异氰酸脂)。催化固化剂:液态三乙胺。1.3试验设备及工艺参数的确定混砂工艺:芯砂混制在SKY树脂砂混砂机中进行;混砂工艺为先将原砂和液态酚醛树脂(组分Ⅰ)混10s,再加聚异氰酸脂(组分Ⅱ)混50s后出砂,出砂后立即送入射芯机砂斗,以备制芯。制芯工艺:试样的制备是在自行设计加工的三乙胺冷芯盒制样机上完成的;经过反复试验摸索,确定的试验工艺参数如表1所示。强度的测定:在制芯工艺参数相同的情况下,试验采用固定一个因素,改变另一个因素的方法,分别测得不同原砂水分、原砂吸水性能、树脂两组分配比工艺、吹胺时间、加热温度和环境的相对湿度下,砂芯的平均即时强度(射砂后即测其强度)和平均终强度(试样存放24h后的强度),研究适合生产的工艺参数。2试验结果及分析2.1反应机理及强度增长试验结果水分对胺法冷芯盒树脂砂的性能有很大的影响,原砂中的含水量对型芯强度影响更大。为了了解原砂含水量对砂芯强度的影响规律,在其他工艺条件不变的前提下,将原砂在140℃的烘箱内烘1h,然后冷却至室温,称取4组原砂,每组1.5kg,芯砂混制时在原砂中分别加入0%、0.1%、0.2%、0.3%的水,树脂以Ⅰ、Ⅱ两组分按1∶1加入2%,混砂制芯,测量砂芯的即时强度和终强度。试验结果如图1所示:由图1可以看出,水分对三乙胺冷芯盒树脂砂强度的破坏几乎是呈线性的,原砂含水量的微量变化都会使型芯强度急剧下降,这是由于冷芯盒树脂砂中组分Ⅱ中的氰酸根(NCO)与水中的OH根发生水解反应。随着原砂的中的含水量的增加,组分Ⅱ的水解倾向增加,树脂的粘度强度下降,进而导致砂芯的强度下降。反应机理为:该反应消耗了粘结剂中的聚异氰酸脂,降低了粘结剂的有效作用;另外,冷芯盒粘结剂中的溶剂对水分的双极子OH-及H+有良好的亲和性,能被水分溶解,从而导致了型芯强度急剧下降。在生产中,原砂水分是胺法冷芯盒树脂砂工艺至关重要的参数之一,应该越低越好。在要求即时强度时,原砂含水量应小于0.1%;要求终强度时,原砂含水量应小于0.2%。2.2原砂吸附水分量测试如上所述,原砂含水量对砂芯性能有显著的影响,在原砂使用过程中,有时拆封不能即时用完,这时有必要研究一下原砂吸水性能。将在140℃烘箱中烘1h的原砂冷却至室温,在感量0.0001的天平上称取10.0000g原砂,放在温度25℃、相对湿度为90%的干燥器内。存放24h,测得重量的变化即原砂吸附水分量。测试结果见表2。由试验数据可知,原砂在高湿环境下存放24h后的吸水量约占原砂总量的0.06%。虽然尚未超过冷芯盒原砂含水量的要求,但随存放时间延长,吸水量将增加,将会严重影响砂芯的强度(即时强度较水分0%时减少7.1%,终强度减少13%)。故要求加强原砂存放环境的管理,特别是梅雨季节(合肥市相对湿度高达85%),在制芯前应该对原砂的品质进行检验,如有必要应先将原砂烘干后制芯。2.3树脂粘结剂对树脂砂力学性能的影响为了了解树脂加入总量对砂芯强度的影响规律,在其他工艺条件不变的前提下,分别加入占原砂重量1.4%、1.6%、1.8%、2.0%、2.2%的树脂粘结剂,树脂两组分配比为1∶1,混砂制“8”字试样。试验所用原砂在140℃烘箱中烘1h,待其冷却至室温后使用。测得“8”字试样的即时抗拉强度和终强度。试验结果如图2所示。由图2可以看出,树脂砂的抗拉强度随着树脂加入总量的增加而增加。这是由于砂粒之间的树脂膜厚度增加。但随着树脂加入量增多,生产成本必然增加,并且砂芯发气量也随着增大,故不能盲目的增大树脂加入量。应根据生产需要,在保证树脂砂强度的前提下适量加入。2.4混制树脂砂芯树脂两组分的配比不同对砂芯强度及铸件质量影响不同,为了得到砂芯的最佳综合性能,对两组分配比应合理设计。本试验在树脂加入总量不变的情况下改变树脂两组分配比,即在其他工艺条件不变的前提下,树脂加入总量为2.0%,组分Ⅰ和组分Ⅱ之比分别为45∶55、50∶50、55∶45、60∶40,混制树脂砂制芯,测量试样即时强度和终强度,研究两组分的不同配比对砂芯强度的影响。试验结果如图3所示。由图3可以看出,砂芯的终强度明显高于其即时强度。这是因为粘结剂双组元交联反应快,很短时间就能固化,脱模后其反应继续进行,随着存放时间延长组分Ⅱ交联度及有序度逐渐增强,从而使砂芯强度不断提高,并且可以看出在组分配比为55∶45时,砂芯的即时强度较高,而终强度则是在配比为50∶50的时候较高。但是据相关文献介绍,组分Ⅱ发气量大于组分Ⅰ发气量,并且当组分Ⅰ加入量高于组分Ⅱ时,砂芯发气量减少,含氮量相对降低,气孔、皮下气孔缺陷的出现几率降低;当组分Ⅱ加入量高于组分Ⅰ时,结果正好相反。在满足即时强度的前提下,尽可能的降低气体、氮气引起的气孔和皮下气孔缺陷的几率,这是生产薄壁缸体铸件的基本要求,因此在生产中采用树脂配比55∶45。2.5混砂、制芯的制备试验三乙胺有强烈的刺激性气味,对呼吸道有强烈的刺激性,眼及皮肤接触可引起化学性灼伤,吸入后可引起肺水肿甚至死亡。同时三乙胺量对砂芯的性能也有直接的影响。本试验的目的在于保证砂芯强度的同时,尽量减少三乙胺用量。试验前,将原砂在140℃的烘箱内烘1h,然后冷却至室温。树脂加入量为原砂的2.0%,组分Ⅰ和组分Ⅱ配比为1∶1;设置制芯参数分别为:射砂压力0.4MPa,载体压力0.2MPa,洗涤压力0.2MPa,洗涤时间8s,吹胺时间分别设置为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2s。混砂、制芯后,测量砂芯的即时强度和终强度。试验结果如图4所示。由图4可以看出,随着吹胺时间的增长,砂芯强度增大;但是当吹胺时间到了0.8s以后,砂芯即时强度几乎没有增加,终强度的增加幅度也不大。因此在要求砂芯即时强度时,吹胺时间应≥0.8s,考虑三乙胺的性质,可取吹胺时间为0.8s。要求砂芯终强度时,可根据铸造的复杂程度及制芯环境,选择吹胺时间。2.6砂芯在不同放放时的稳定性能试验中对空气湿度与砂芯强度关系进行了试验研究,将制好的砂芯在模拟的3种不同湿度的环境(60%、75%、90%)下存放0、12、24、48、72h,然后测量砂芯的抗拉强度,分析砂芯抗湿性即砂芯在一定湿度条件下的存放性能。试验结果如图5所示。由图5可以看出,砂芯抗拉强度随着相对湿度减小而增大,并且在同一相对湿度条件下随着存放时间的延长,强度呈先增大后减小的走向。这是由于冷芯盒砂芯在存放过程中,一方面会由于粘结剂的进一步强化作用,使得在0~24h区间存放,砂芯的强度随存放时间延长而增大;另一方面由于水分的侵入而破坏在砂粒表面附近形成的粘结剂中未反应的第二组分反应而产生弱化作用,从而使得砂芯在高湿环境下强度随存放时间的延长而大幅度下降。2.7砂芯的常温强度考虑到在实际生产中,制好的冷芯并不是立即浸涂烘干使用,有的要存放一定时间后再浸涂烘干使用。为此,我们对存放一定时间后再浸涂对砂芯的性能影响做了试验研究,将制好的砂芯在自然环境下存放6、24h后浸涂料烘干,测量三组砂芯的常温抗拉强度。试验结果如图6所示。通过上述试验结果分析可知,当砂芯制备后即时浸涂料所得到的强度最大,而存放6h后浸涂得到强度最低,存放24h后浸涂得到的强度接近即时浸涂得到的强度。这是由于随着放置时间增加,粘结剂中所含溶剂也在不断挥发,使形成的包覆在砂粒表面上的聚氨酯微粒的间隙增大,浸涂料时涂料中的水分极易渗透到砂芯内部。而涂层干燥时,渗入砂芯的水分不易挥发出来,消弱了联接强度导致砂芯强度的降低。而当砂芯存放24h后浸涂料,砂芯已完全固化,使水分渗透对砂芯破坏程度也消弱,故存放24h后浸涂料的砂芯烘干后强度较存放6h的高。3砂芯强度对充填料表面全尾砂芯工艺的影响(1)砂芯强度随原砂含水量的增加而下降。当原砂含水量达到0.2%后,砂芯强度性能将不能满足生产要求,砂芯报废。因此冷芯盒用原砂应干燥,含水量一般应在0.1%以下。(3)随树脂加入总量的提高,砂芯强度升高。但在生产中不能盲目添加树脂量,应根据实际选择加入量。(4)当要求砂芯的即时强度时,组分Ⅰ和组分Ⅱ之比为55∶45可得到最佳综合效果;当要求砂芯终强度时,两组