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用于冷芯盒工艺高性能水基涂料研究

Development the Water-based coating for cold box process

刘生银,孙兴华,金晓春,黄爱民
（亚什兰(中国)投资铸造部,上海 30）

摘要: 水对冷芯盒工艺砂芯强度影响很大, 试验数据表明,已经生产出来砂芯,假如
在高潮湿(相对湿度 90%)中存放 24 小时,强度会下降 50%-67%.生产实际中,芯砂中假如含水
量大于 0.2%时,几乎不能用于冷芯盒工艺;鉴于此,开发出一个对砂芯强度影响最小水基
涂料。
关键词: 冷芯盒工艺; 砂芯强度; 9022C 水基涂料

Abstract: Sand cores made by cold box process are very sensitive to moisture. It
is shown that the tensile strength of sand cores will decrease by 50-67% after they
are stored 24 hours under 90% relative humidity. It is recommended that sand
moisture should be less than 0.2% in the foundry. To minimize the impact of water
based coating to sand core strength, Ashland developed a kind of coating with minimal
penetration into sand cores.
Key Words: Cold Box Process, Sand core strength, 9022C water based coating

早在上世纪 60 年代时,冷芯盒工艺就由亚什兰企业发明并申请了专利,随即 80 年代,
中国引进了该工艺用于汽车发动机关键零部件生产，并一度在我们铸造教科书上称之为
亚什兰工艺。
冷芯盒树脂是由酚醛树脂和异氰酸酯树脂两组分组成，两组分在三乙胺作催化剂作用
下，常温时快速硬化。该工艺优点显著,可快速同时硬化(10 秒之内),无需加热,初始强度
和终强度高,适合大批量快速生产要求。
冷芯盒树脂反应机理:

酚醛树脂


异氰酸酯


聚氨酯

伴随中国铸造业对该工艺深入了解和实际使用,越来越多铸造厂采取了该工艺,据
不完全统计,现在中国几乎全部大型汽车发动机铸造厂家均采取冷芯盒工艺。不过该工艺中
II 组份异氰酸酯和水有很强反应倾向
异氰酸酯和水反应:
H

R-NCO + H2O
 [R-N-COOH]
 R—NH2 + CO2

异氰酸酯和水反应优先于和 I 组分酚醛树脂反应,即反应前,假如异氰酸酯碰到水,
不管是在树脂中或砂子中,均会先和水反应,然后才会和酚醛反应,所以砂芯强度会大大降
低。所以冷芯盒工艺要求芯砂中含水量不得高于 0.2%.

1 原砂中带有水分情形
我们在试验室里做了试验,采取标准大林砂 50/100 目,原砂含水量为 0.13%.试验前,先
将砂子在烘箱中烘干,再分别加入 0.2%、0.3%、0.4%、0.5% 和 1.0%水, 然后测试不一样含
水量砂子冷芯盒工艺强度。采取亚什兰 440C/840C 冷芯盒树脂, 树脂加入量两组份共
为 1.5%(组份 I: 组份 II=50:50)。

表 1:砂含水量对砂芯强度影响

砂含水量,%
30s
1hr
3hr
24hr
0.00
11.12
14.76
15.10
17.41
0.20
10.35
13.64
14.62
16.15
0.30
9.79
11.89
11.47
13.50
0.40
4.97
6.57
5.45
7.69
0.50
2.80
4.55
3.99
3.08
1.00
0.00
0.00
0.00
0.00

12.00

9.00
6.00

3.00
0.00
0.00


原砂含水量对瞬时强度（30S)影响

0.20 0.40 0.60 0.80
含水量(%)


1.00

20.00
15.00
10.00
5.00
0.00


图 1 原砂含水量对瞬时（30s）强度影响

原砂含水量对3小时强度影响

0.00
0.20
0.40
0.60
含水(%)
0.80
1.00

强度
（
KGF
)
强度
(
KGF
)

图 2 原砂含水量对 3 小时强度影响

从表 1、图 1、图 2 结果能够看出,当原砂中含水量为 0.3%时，砂芯 3 小时强度及 24 小
时强度显著降低，所以冷芯盒工艺要求原砂含水量小于 0.2%。

2 固化后砂芯碰到水分影响
采取亚什兰 440C/840C 冷芯盒树脂,大林标准 40/70 目砂,砂含水量低于 0.2%, 树脂
加入量两组份共为 1.5%(组分 I: 组分 II=50:50)。将固化后砂芯分别放置于室温，50%相
对湿度，和 40℃，90%相对湿度下比较湿度对砂芯强度影响。
表 2:大气湿度对固化后砂芯强度影响

试验室温度/湿度 25℃/ 50RH
40℃/ 90RH

30s
5Min
1Hr
3Hr
5Hr
7Hr
9Hr
24Hr

25.0

20.0

15.0

10.0

5.0

0.0
13.8
17.1
18.6
19.1
19.7
20.3
21.0
21.5
14.2
15.0
14.4
14.9
13.3
12.4
12.2
7.1

440C/840C,25C,50RH
440C/840C,40C,90RH

30S 5Min 1Hr 3Hr 5Hr 7Hr 9Hr 24Hr
时间

图 3 大气湿度对砂芯强度影响

从表 2 和图 3 能够得出以下结论:
1）440C/840C 冷芯盒树脂在加入量各组份仅为 0.75%时,初始强度已经达成 14.2KGF, 明

强度
(
Kgf
)

显高于正常见户使用需求;
2）在常温(25℃)和常湿(相对湿度 50%)状态下,砂芯强度由初始 13.8KGF 达成 24 小时
21.5KGF,增加了 56%. 说明冷芯盒树脂继续反应，砂芯强度会伴随时间继续增加。
3）在高温(40℃)和高湿(相对湿度 95%)状态下,砂芯强度由初始 14.2KGF 降到 24 小时
7.1KGF,降低了 50%.说明固化后树脂和水发生了反应，同时因为水和砂子有更强亲和
性，阻碍了树脂和砂子结合作用，从而造成强度显著降低.

由此可见,固化后冷芯盒砂芯遇水强度会显著降低。所以，开发一个能对砂芯强度影
响最小涂料是我们一个关键课题。
采取不含水涂料,如醇基涂料影响较小。不过醇基涂料价格较高,而且醇基易燃,对环
境不友好,运输不便,包装要求较高。
采取水基涂料有价格较低,包装运输方便等优点,中国较多工厂采取水基涂料,大部分
水基涂料因为渗透较深，会显著影响砂芯强度。所以我们开发出一个高性能、低渗透水基
涂料－9022C 来满足中国用户需求.
该涂料由高级铝硅酸盐材料、云母、石墨、粘土、有机粘结剂、表面活性剂和防腐剂组
成。含片状绝热耐火矿物材料，有利于降低脉纹缺点，并使粘砂和表面侵蚀最小。加入足够
石墨，在多数情况下可使涂料在铸件表面形成一层易脱落壳层。对未喷涂过量脱模剂
砂芯表面含有良好润湿性和粘结性，涂料渗透性小,能够为细薄砂芯因水分侵蚀而产
生断裂降低到最小。
9022C涂料在充足满足常规涂料常温和高温强度前提下,涂料渗透到砂芯表内层非
常少,对砂芯强度影响很小。

3 涂料对砂芯强度影响试验
我们在试验室做了以下试验:
准备工作:制备了标准 8 字样块( 样块采取 440C/840C 冷芯盒树脂, 大林标准 40/70
目砂,砂含水量低于 0.2%, 树脂加入量两组份共为 1.5% I: II=50:50), 准备了 9022C、9105C
涂料各 1KG .(其中 9022C 为低渗透涂料,而 9105C 为一般渗透涂料,作为参比对象).
我们将生产现场提取涂料,分别加入不一样百分比水,调整到相同波美度,Baum=30,测得结
果如表3。
表3 所用两种涂料性能

涂料名称
加入水量
固体含量
粘度,100rpm/10rpm,(cps)
9022C
35%
31.71%
42/330
9105C
49%
29.31%
37/250

注:以上数据均采取较高正确度测量仪检测,其中称量仪采取梅特勒-托利多PL303型电
子天平,正确度达0.001G;粘度仪采取美国Brookfield企业DVII-Pro,波美计采取亚什兰公
司90 DIETERT Detroit MI。
涂料稀释后,用8字样块浸涂上述不一样涂料,而且模拟实际使用情况,在拉伸仪上测试拉
伸强度,测得结果见表4。

表4 浸涂料对砂芯抗拉强度影响

抗拉强度（KGF）
未浸涂料 浸涂9022C 浸涂9105C 浸水

不烘干,放置2分钟
不烘干,放置30分钟
先不烘干,放置30分钟,
然后再120℃烘30分钟


15.10
15.10
20.70


10.77
8.18
12.66


10.28
6.36
9.44


10.49
7.76
11.89

由测试结果可见，低渗透9022C砂芯强度比一般渗透9105C高出20%以上。

最终,我们用烘干好8字样块,用拉伸仪自然拉断后,断面未经任何处理,放在高倍显微
镜下,拍出涂料渗透厚度图4所表示。

图4 9022C低渗透涂料和一般涂料9105C渗透厚度对比,采取MOTIC SMZ-168高倍显微镜,

同时我们采取千分尺将涂料渗透厚度进行了测试,结果见表5。
表5 两种涂料渗透厚度

涂料名称
渗透厚度
9022C
0.8mm
9105C
1.8mm

市场上通用涂料渗透厚度通常为2mm左右，而9022C涂料渗透厚度降低了二分之一，小于
1mm，所以能最大程度降低对砂芯强度影响。

综合以上数据能够得出,9022C涂料是一个低渗透性高性能水基涂料，适合机械化大批
量生产使用。

4 9022系列涂料应用实例

（1）9022C用于山西三联发动机缸体
9022C水基涂料经典物理属性: 形状: 浆状; 金属： 铸铁; 颜色: 灰色/黑色; 应用方
法： 浸涂; 耐火材料： 混合物; 作用方法： 形成涂层; 溶剂： 水; 干燥方法：烘干; 固
体％： 42.0; 比重：1.33；波美度： 50

应用: 在多数情况下,9022C 浆状涂料供货状态时粘度比使用时高。故需采取和涂料
相容清洁水加以稀释,加入30-40%水。依据应用方法和砂芯温度不一样，9022C 浆状涂
料使用波美度通常在30-32。
有时候波美度不足以充足说明涂料性能。为使涂敷达成满意效果，还需要测定涂料
比重或固体含量。生产稳定后，波美度可用作检测浆状涂料性能快捷手段。

图5:山西三联为韩国现代生产1.6L发动机缸体,采取9022C涂料

（2）9022D用于保定长城内燃机及镇江银峰阀类铸件
采取人工方法浸涂涂料时,因为极难控制正确涂料滴淌时间,要求涂料有良好触变
性,所以我们在9022C基础上,改善了流淌性，开发出9022D涂料。9022D能够满足人工方法
浸涂,因为当手工浸入涂料提起来时,9022D涂料就会立即停止流淌,没有滴挂,表面很光
洁.

图6 保定长城内燃机用9022D涂料（含有很好平滑表面）

图7 镇江银峰铸造企业采取9022D水基涂料替换醇基涂料生产汽车和阀类铸件.

（3）9022FD涂料用于武汉威斯卡特排气歧管
为满足部分用户低温快干要求，我们又开发了9022FD快干涂料，9022FD涂料可在80
℃温度下10分钟以内干燥，同时保留了9022系列其它优异性能，如低渗透，易脱落等。

图8 武汉威斯卡特 采取9022FD 涂料生产排气歧管,铸件表面光洁

9022系列涂料因为渗透低,涂层表面异常光洁, 因为芯砂通常为40/70目或50/100目砂,
表面达不到工艺要求,涂料通常是200-300目标更细骨料,9022系列涂料渗透性低,能够非
常完整地覆盖在砂芯表面. 所以而表现在铸件表面上光洁度更高.
经过以上大量测试工作,我们能够得出,9022系列涂料满足生产要求,而且对冷芯盒砂
芯强度影响降到最低.