呋喃树脂自硬砂回用砂的应用及质量控制

呋喃树脂自硬砂回用砂的应用及质量控制

2001年以来，一汽铸造有限公司技术中心的两个生产车间使用了森脂砂岩的形状和芯集。在试验期间，他们仅在约100kg的车体内生产小型汽车试验箱和材料。之后，随着大型车间的风扇装置的运行，可以生产几吨重的大型铸造材料。目前,用量可达18000t/年,砂铁比约2∶5。两车间均采用了5t和10t干法再生工艺(见图1),再生率90%左右。所生产的铸件质量良好,不但满足了国内风电铸件、汽车试制件的需要,还大量生产了出口铸件,如为英国JCB公司生产了大量QT1200奥贝球铁铸件。部分铸件实物如图2～5所示。在树脂砂再生及质量控制方面,我们也走过一些弯路。开始使用树脂砂时,没有上再生设备,100%采用新砂。但随着铸件产量的不断增大,车间内的废砂开始堆积如山,不但给车间的环境造成了很坏的影响,而且生产用砂的成本也居高不下。为了解决废砂再生的问题,我们自己动手,制造了简易的破碎筛分设备。所生产的再生砂,实际是简单的破碎砂块,虽然降低了原砂的用量,但树脂砂的强度非常低,只能做背砂,且树脂表1是2006年3月进行的自制再生砂检测分析。通过试验及生产验证,我们认为:(1)与新砂相比,旧砂硬化速度慢、强度低,尤其是初强度较低,不利于起模。(2)与新砂相比,旧砂发气量较大,芯砂含氮量也较大,易产生气孔。(3)再生砂具有一定的终强度,可作为辅助造型材料谨慎使用。使用中还发现,铸件的砂眼、气孔缺陷也较多,从铸件成本上看得不偿失。通过生产实践使我们认识到,为彻底解决树脂砂的回用及质量控制的问题,不但要下决心购买旧砂再生设备,而且要对呋喃树脂砂的硬化机理及影响因素进行认真的分析和试验,确定合理的质量控制参数。以下是我们在购买了先进的再生设备后所做的一些工作和体会。二、本伯罗夫自硬化树脂的特性分析1.阻燃双组分纤维网状结构一般情况下,铸造用树脂是由C、H、O、N等原子以不同的形式结合而形成的液态的有机化合物。在树脂生产阶段,各种原材料分子在热和催化剂的作用下,初步聚合成具有两维空间的线性链状结构的初聚物分子。而在铸造厂使用时,由于第二种催化剂(固化剂或硬化剂)的加入,促使分子间这种聚合反应继续进行并形成具有非常大的分子量的具有三维空间结构的不熔性的体形网状高分子聚合物。当三维结构聚合反应发生在砂子之间时,所形成的网状树脂结构就将砂粒彼此粘结起来,形成坚硬的骨架结构,这也就是我们通常所说的树脂产生固化反应而硬化了。当二维空间结构的线性聚合物分子与砂子混合时,在固化剂的作用下,树脂的聚合反应开始时较慢,继而反应加速直到反应完全。刚开始的聚合反应会被砂子的流动而打断,即阻碍聚合反应生成网状结构;反之,网状聚合物的形成也阻碍了砂子的流动性,即影响造型、制芯操作过程,以及型砂的最终机械强度。自硬树脂在固化剂作用下,由两维空间特性结构变成三维空间网状结构是其共性。树脂砂的硬化与树脂类型、固化剂类、原砂的质量、混砂机类型,以及环境温度和湿度有关。使用树脂砂的企业,必须根据自己的条件确定自硬砂的固化特性。2.树脂砂可使用时间的确定(1)可使用时间是指混好的树脂砂可以用来造型、制芯的时间。测试方法有三种。(1)测型砂的初抗拉强度值。将混好的树脂砂立即做成若干个抗拉试样,一半样品置于密闭处,一半样品置于空气中,然后每隔一定时间测其抗拉强度,并绘出强度-时间曲线。(2)测型砂的终抗拉强度值。将混好的树脂砂置于空气中,每隔一定时间制成一个抗拉试样,硬化24h后测其抗拉强度,当某个试样最终强度只有第一个试样的70%时,那么制这个试样以前的那段时间就是可使用时间。一般工厂均采用这种方法测可使用时间。(3)经验判断法。在空气干燥且通风良好的条件下,观察混合好的树脂砂在空气中其表面变化情况,如果树脂砂表面出现一层干皮,用手触摸有硬感时,这段时间为其可使用时间。树脂砂超过了其可使用时间就不应该再使用了,否则由于砂的流动性变差会造成型芯砂的终强度降低。通常情况下,树脂和催化剂(固化剂)混合物聚合反应速度越快,其可使用时间越短。(2)可脱模时间是指型(芯)砂可从铸模中取出的一段时间,即混好的树脂砂从充型到脱模的时间范围。一旦铸模(芯盒)被装满树脂砂后,树脂砂应尽快地固化,以便砂型、砂芯能从铸模或芯盒中脱出,可脱模时间越短越好,也就是说“可使用时间与可脱模时间之比”越大越好。比值越大,脱模阶段用的时间越少,造型速率越高,生产效率越高,铸模和芯盒的周转使用率也越高。3.初预测型砂的初预测及控制为了确定自硬树脂砂的“可使用时间”和“可脱模时间”,以及确定浇注时间,我们多次绘制了硬化特性曲线。以下曲线按测型砂的初抗拉强度值方法测定(见图6)。从图6曲线可以清楚地看出,树脂砂的可脱模时间在0.5h左右,浇注时间应控制在硬化时间>6h之后。随着气温、湿度、树脂生产厂家及固化剂种类,尤其是回用砂加入量的不同,曲线都可能发生变化,因此该曲线应及时更新。我们曾经发生过由于气温较低,硬化较慢,浇注时间过早而使铸件报废的情况。三、本罗伯塔对原砂的要求分析1.固化剂的用量原砂是型芯砂的骨架,而硅砂是常用的铸造用原砂。自硬树脂砂工艺造型生产时对所用砂的成分要求是十分高的,特别是自硬呋喃树脂砂是用酸催化而固化的,酸性固化剂可以与原砂中任何碱性化合物反应而导致酸性减弱。为了提高酸的固化性能就必须加大固化剂用量。而加大固化剂用量会导致砂粒表面存有过量的酸,过量的酸与碱性化合物的反应比粘结剂固化反应慢,将导致型砂的强度降低。因此,原砂的酸耗值必须较低。我们一般控制在5mL以下。2.多角砂胶结充填法无论哪一种自硬树脂砂工艺,对砂子的特性要求都是一致的,即要求原砂的形状应是圆形或椭圆形,而相同砂粒体积的尖角砂或多角砂的表面积大,需要的粘结剂量多,尖(多)角砂的流动性较差,砂易于破碎,会导致射砂困难,填充不实,型芯砂强度降低等。对原砂的粒度要求是分布均匀,粒形系数(角形系数)越小越好。较大的风电铸件,我们选择粒度为0.45～0.224mm(40/70目)的大林砂,小件选粒度为0.355～0.154mm(50/100目)的大林砂。3.砂的湿度自硬树脂砂工艺特别是自硬呋喃树脂砂工艺要求砂的湿度应<1%,由于含水量大将减慢或阻止树脂砂的固化速度并降低型芯砂的机械强度,过量的水分在浇注时还会使铸件产生气孔。4.细砂与含泥量的配比对树脂砂体系的影响原砂微粉和含泥量要少,微粉指原砂中粒径低于粒度为0.106mm(140目)的细砂,微粉含量越低越好。原砂中含泥量越少越好。含泥量超过0.01%就会使树脂砂混合物的可使用时间延长。含泥量高,砂粒表面还会沉积一层泥膜,使砂回收困难,并降低树脂砂的强度。5.砂温对硬化速度的影响每一种自硬树脂硬化速度对反应温度都是十分敏感的,自硬砂造型工艺在一般情况下,设备、反应物、工作环境是不变的,砂子温度的变化特别是使用回收砂时,砂温的变化对硬化速度的影响是:温度每增加10℃,型砂硬化时间减少一半,温度每降低10℃,硬化时间会增加一倍。因此,在使用回收砂时,砂温控制在室温至35℃。四、回用砂质量控制回用砂除满足有以上原砂的要求外,还应满足以下要求:(1)再生砂砂粒表面要光滑,粒度分布较均匀,微粉含量少。(2)再生砂的稳定性要好,热膨胀率要小,化学性能稳定,酸耗量要明显减少。(3)再生砂的树脂加入量比采用全部新砂的加入量应减少12%以上,可以降低铸件成本,造型及浇注时散发的恶味少,减轻对环境的污染。为了达到以上要求,我们在日常的质量控制中,主要进行对回用砂的粒度分析、灼减量及工艺试样抗拉强度等指标的测定。从而有效地控制了新砂和旧砂比例,树脂和固化剂加入量及旧砂再生的质量(见表2、表3),稳定了混砂工艺。灼烧减量是反映再生效果的很重要的的技术指标。如果灼烧减量高,那么要想达到所需强度,则必须多加树脂,成本提高,且型砂的发气量增大。灼烧减量与发气量几乎是直线关系,气体导致气孔缺陷。但过分强调低的灼烧减量,从经济效益方面并不合理。通过表2的试验,可以确定当旧砂的比例在50%时,灼烧减量在2.0%左右,发气量也可以接受,我们将其作为控制的标准。微粉含量也是回用砂需控制的一个重要指标。我们通过调整再生装置的除尘抽风量来控制微粉含量,通过加大除尘力度来减少微粉含量。残留含氮量高是产生氮气孔的一