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用于冷芯盒工艺的高性能水基涂料的研究

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)投资有限公司铸造部,上海 200030）

摘要: 水对冷芯盒工艺的砂芯强度影响非常大, 试验数据表明,已经生产出来的砂芯,如果
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,芯砂中如果含水
量大于 0.2%时,几乎不能用于冷芯盒工艺;鉴于此,开发出一种对砂芯强度影响最小的水基
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公司发明并申请了专利,随后的 80 年代,
我国引进了该工艺用于汽车发动机主要零部件的生产，并一度在我们的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的作用
下，常温时快速硬化。该工艺的优点明显,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

随着国内铸造业对该工艺的深入了解和实际使用,越来越多的铸造厂采用了该工艺,据
不完全统计,目前国内几乎所有大型汽车发动机铸造厂家均采用冷芯盒工艺。但是该工艺中
的 II 组份异氰酸酯和水有很强的反应倾向
异氰酸酯与水反应:
H

R-NCO + H2O
 [R-N-COOH]
 R—NH2 + CO2

异氰酸酯与水的反应优先于与 I 组分酚醛树脂的反应,即反应前,如果异氰酸酯遇到水,
无论是在树脂中或砂子中,均会先与水反应,然后才会和酚醛反应,因此砂芯强度会大大降
低。所以冷芯盒工艺要求芯砂中含水量不得高于 0.2%.

1 原砂中带有水分的情形
我们在试验室里做了试验,采用标准大林砂 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%的水, 然后测试不同含
水量的砂子的冷芯盒工艺强度。采用亚什兰的 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的影响

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)的影响

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）强度的影响

原砂含水量对3小时强度的影响

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 小时强度的影响

从表 1、图 1、图 2 结果可以看出,当原砂中含水量为 0.3%时，砂芯 3 小时强度及 24 小
时强度明显降低，因此冷芯盒工艺要求原砂含水量小于 0.2%。

2 固化后的砂芯遇到水分的影响
采用亚什兰的 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)。将固化后的砂芯分别放置于室温，50%相
对湿度，以及 40℃，90%相对湿度下比较湿度对砂芯强度的影响。
表 2:大气湿度对固化后的砂芯强度的影响

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的影响

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

强度
(
Kgf
)

显高于正常客户的使用需求;
2）在常温(25℃)和常湿(相对湿度 50%)状态下,砂芯强度由初始的 13.8KGF 达到 24 小时的
21.5KGF,增加了 56%. 说明冷芯盒树脂继续反应，砂芯强度会随着时间继续增长。
3）在高温(40℃)和高湿(相对湿度 95%)状态下,砂芯强度由初始的 14.2KGF 降到 24 小时的
7.1KGF,降低了 50%.说明固化后的树脂与水发生了反应，同时由于水与砂子有更强的亲和
性，阻碍了树脂与砂子的结合作用，从而导致强度明显降低.

由此可见,固化后的冷芯盒砂芯遇水强度会明显降低。因此，开发一种能对砂芯强度影
响最小的涂料是我们的一个重要课题。
采用不含水的涂料,如醇基涂料影响较小。但是醇基涂料价格较高,并且醇基易燃,对环
境不友好,运输不便,包装要求较高。
采用水基涂料有价格较低,包装运输方便等优点,国内较多的工厂采用水基涂料,大部分
水基涂料因为渗透较深，会明显影响砂芯强度。因此我们开发出一种高性能、低渗透的水基
涂料－9022C 来满足国内客户的需求.
该涂料由高档铝硅酸盐材料、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，有助于减少脉纹缺陷，并使粘砂和表面侵蚀最小。加入足够
的石墨，在多数情况下可使涂料在铸件表面形成一层易脱落的壳层。对未喷涂过量的脱模剂
的砂芯表面具有良好的润湿性和粘结性，涂料渗透性小,可以为细薄的砂芯因水分侵蚀而产
生的断裂减少到最小。
9022C涂料在充分满足常规涂料的常温和高温强度的前提下,涂料渗透到砂芯表内层非
常少,对砂芯的强度影响很小。

3 涂料对砂芯强度影响的实验
我们在实验室做了如下试验:
准备工作:制备了标准 8 字样块( 样块采用的 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 为普通渗透涂料,作为参比对象).
我们将生产现场提取的涂料,分别加入不同比例的水,调整到相同的波美度,Baum=30,测得结
果如表3。
表3 所用两种涂料的性能

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:以上数据均采用较高精确度的测量仪检测,其中称量仪采用梅特勒-托利多的PL303型电
子天平,精确度达0.001G;粘度仪采用美国Brookfield公司的DVII-Pro,波美计采用亚什兰公
司的90 DIETERT Detroit MI。
涂料稀释后,用8字样块浸涂上述不同涂料,并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的影响

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的砂芯强度比普通渗透的9105C高出20%以上。

最后,我们用烘干好的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,拍出的涂料渗透厚度如图4所示。

图4 9022C低渗透涂料与普通涂料9105C渗透厚度的对比,采用MOTIC SMZ-168高倍显微镜,

同时我们采用千分尺将涂料渗透厚度进行了测试,结果见表5。
表5 两种涂料的渗透厚度

涂料名称
渗透厚度
9022C
0.8mm
9105C
1.8mm

市场上通用涂料的渗透厚度一般为2mm左右，而9022C涂料的渗透厚度减少了一半，小于
1mm，因此能最大限度的减少对砂芯强度的影响。

综合以上数据可以得出,9022C涂料是一种低渗透性的高性能水基涂料，适合机械化大批
量生产使用。

4 9022系列涂料的应用实例

（1）9022C用于山西三联发动机缸体
9022C水基涂料典型物理属性: 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; 作用方式： 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的粘度比使用时高。故需采用与涂料
相容的清洁水加以稀释,加入30-40%的水。根据应用方法和砂芯温度的不同，9022C 浆状涂
料使用波美度一般在30-32。
有时候波美度不足以充分说明涂料的性能。为使涂敷达到满意的效果，还需要测定涂料
的比重或固体含量。生产稳定后，波美度可用作检测浆状涂料性能的快捷手段。

图5:山西三联为韩国现代生产的1.6L发动机缸体,采用9022C涂料

（2）9022D用于保定长城内燃机及镇江银峰阀类铸件
采用人工方式浸涂涂料时,由于很难控制精确的涂料滴淌时间,要求涂料有良好的触变
性,因此我们在9022C的基础上,改善了流淌性，开发出9022D涂料。9022D可以满足人工方式
浸涂,因为当手工浸入涂料提起来时,9022D涂料就会立刻停止流淌,没有滴挂,表面非常光
洁.

图6 保定长城内燃机用9022D涂料（具有非常好的平滑表面）

图7 镇江银峰铸造公司采用9022D水基涂料代替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
为满足一些客户低温快干的要求，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系列的其他优异性能，如低渗透，易脱落等。

图8 武汉威斯卡特 采用9022FD 涂料生产的排气歧管,铸件表面光洁

9022系列涂料由于渗透低,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目的更细的骨料,9022系列涂料渗透性低,可以非
常完整地覆盖在砂芯表面. 因此而体现在铸件表面上的光洁度更高.
通过以上的大量测试工作,我们可以得出,9022系列涂料满足生产要求,并且对冷芯盒砂
芯强度的影响降到最低.