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覆膜砂生产工艺流程及应用
覆膜砂铸造在造型、 制芯时大多数铸件都是用湿型和干型铸造的, 90％以上的砂芯用烘干炉干燥的砂芯油作粘结剂, 是由德国人J.Croning开发了以酚醛树脂作粘结剂的壳型造型, 使合成树脂粘结剂及合成树脂砂进入铸造工业。

以合成树脂作粘结剂的制型( 芯) 的方法主要有:
1、 热法: 砂型( 芯) 的成型和硬化直接在模板上或芯盒内靠已加热的模板( 芯盒) 或通热热气流完成。
主要有壳法( 壳型、 壳芯的制造法) 、 热芯盒法、 温芯盒法。
2、 冷法: 砂型( 芯) 的成型、 硬化在室温下完成。
主要有自硬法、 气硬冷芯盒法( 三乙胺法、 SO2法、 无毒、 低毒气体促硬法) 。

上述新型制芯、 造型技术的开发和应用, 给铸造生产工艺带来了一场重大变革, 其提高了砂型(芯)的尺寸精度, 简化了制芯工艺, 减少了能耗, 降低了对熟练工人的需求, 提高了生产效率, 同时提高了铸件质量( 铸件尺寸、 表面粗糙度) , 使砂型铸造朝着近无余量铸件的铸造工艺迈出了一大步。但应当指出, 上述的制芯、 制型法当前均在一定的范围内适用。生产实际应用上具体选用哪一种工艺往往受多种因素的影响, 除了考虑生产纲领、 材质、 尺寸的大小以及质量要求外, 还需考虑投资大小、 能源供应、 人员素质、 管理水平、 以及公害、 污染等因素。
中国在50年代末就开展了这方面的试验研究工作。由于当时中国壳型用酚醛树脂的性能不过关和供应难以保证, 价格也较高, 而且当时中国还没有专用的覆膜砂生产设备, 特别是汽车工业十分落后, 对铸件也没有很高的质量要求等多方面的原因, 壳型工艺在中国没有得到推广和应用。80年代以后, 随着中国汽车工业的迅速发展, 对铸件的质量也提出了很高的要求, 于是一汽从英国引进了一套热法树脂覆膜砂设备, 并经过技术消化开发出了国产SZ7215型热法覆膜砂混砂装置。随后济南铸锻机械研究所等一些科研单位和院校一方面改进覆膜砂混砂设备, 提高它的牵引动力和搅拌速度, 从而改进了酚醛树脂在硅砂表面的覆膜效果, 另一方面, 在方面过程中添加各种附加物, 以提高覆膜砂的强度、 耐热性和溃散性, 于是树脂覆膜砂在中国的汽车、 拖拉机、 柴油机工厂中得到了广泛的应用。当前, 中国的树脂覆膜砂专业生产厂家已达200－300家, 覆膜砂年产量超过50万吨, 覆膜砂的品种也从单一的普通型覆膜砂, 发展到了当前的高强度、 低发气、 耐高温、 速固化、 低膨胀和易溃散等多种性能的覆膜砂, 以及离心铸造用、 激冷型和湿态造型用等专用覆膜砂。

二、 壳型造型
1、 壳型造型:
壳型造型是指将树脂砂与预热到150－350℃的金属接触, 从而形成与金属模外形轮廓一致的型腔, 厚度6－12.5mm的坚硬薄壳的造型方法。

2、 优缺点:
壳型造型与传统用桐油、 合脂、 水玻璃、 粘土作粘结剂的铸造方法相比具有以下优缺点:

( 1) 优点:
1) 、 铸件尺寸精度高、 加工余量小
2) 、 铸件表面光洁、 粗糙度可达12.5－6.3μm
3) 、 可浇注薄壁铸件
4) 、 铸件废品率低
5) 、 提高了生产率

( 2) 、 缺点:
1) 、 用金属模、 耗能较多、 树脂加入量多、 成本较高
2) 、 混砂工艺较复杂
3) 难以铸造大件
4) 工作条件差。在造型及浇注时有甲醛、 苯酚、 氨等气体产生。

3、 壳型的制造方法
壳型( 芯) 的制造方法一般有两种:
1） 、 翻斗法――常见于制作壳型
2） 、 吹砂法――常见于制作壳芯
其基本原理是把金属模板或芯盒加热到一定的温度, 使覆膜砂中的树脂受热软化、 熔融、 硬化, 其工艺流程如下:
清理模板( 芯盒) ――模板( 芯盒) 加热――喷涂分型剂――制壳( 包括烘烤, 此时覆膜砂已混制) －－顶壳――合型――准备浇注。

三、 热壳法覆膜砂用原材料
壳型砂的原材料主要由人造树脂( 粘结剂) 、 原砂、 乌洛脱品( 硬化剂) 、 硬脂酸钙( 润滑剂) 以及其它附加物( 石英粉、 水、 煤油等) 组成。
( 一) 、 树脂粘结剂
1、 树脂粘结剂的分类
酚醛树脂( PF) 是由酚类和醛类缩合而成的一类树脂的总称。其中性能最好、 应用较广的是甲醛缩合而成的高聚物。
在聚缩反应中, 由于原材料配比和介质的酸碱性不同, 能够得到热塑性线型树脂, 也能够得到热固性体型树脂。
1) 、 热塑性线型树脂
在苯酚过剩和用酸性催化剂( 如Hcl) 的条件下进行缩合反应得到热塑性线型树脂。这种树脂由于苯酚过剩, 便于长期存放。
特点: 淡黄色固体, 加热时熔化, 有可塑性, 能溶于酒精等溶液。
壳型树脂砂用的粘结剂就是这种热塑性线型酚醛树脂。
2) 、 热固性体型树脂
在甲醛过剩和用碱性催化剂[如Ba(OH)]的条件下进行缩合反应而值得热固性体型酚醛树脂。其有甲、 乙、 丙三阶段产物。作为粘结剂使用的酚醛树脂系分子量在700－1000左右的甲阶酚醛树脂。热芯盒法用的2124液态酚醛树脂就是热固性树脂的乙阶段产物。
2、 铸造用壳型( 芯) 酚醛树脂分级与牌号

1） 按软化点分级
分级代号
75
85
95
105
温度范围
70－80
>80－90
>90－100
>100－110

2) 、 按常温抗弯强度分级

分级代号
8
7
6
强度范围
≥8.0
≥7.0
≥6.0

3) 、 按聚合速度分级

分级代号
A
B
C
D
聚合速度( s)
20－30
＞30－40
＞40－50
＞50－60

4) 、 牌号
铸造用壳型( 芯) 酚醛树脂的牌号表示如下:
ZKF ××――×
强度分级代号

软化点分级代号

铸造用壳型( 芯) 酚醛树脂( 铸、 壳、 酚汉语拼音第一个字母)
例: ZKF95－7

( 二) 、 原砂
覆膜砂( 壳型) 对原砂要求较高, 一般选用天然硅砂, 也可用锆砂、 铬铁矿砂、 或其它类似的耐火材料及混合砂等。
1、 粒度:
主要取决于产品的使用要求, 一般可选用140/70、 70/140、 100/200目的细砂。从减少树脂的加入量角度看, 原砂粒度宜相对集中, 但过于集中会加剧硅砂高温状态下的膨胀量, 造成脉纹缺陷, 故一般选择分布在相邻4－5个筛上( 四筛砂为宜) , 在不影响铸件表面粗糙度的前提下尽可能选用粗的砂子, 这有利于减少树脂加入量和覆膜砂的发气量, 并减少其脱壳倾向, 且能够保证壳型砂具有较高的强度, 适当的透气性和流动性。
2、 粒形:
所用原砂粒形因为圆形,即角形系数小于1.3。圆形砂在获得同样强度时, 树脂的加入量少, 发气量低, 流动性好。
3、 SiO2含量:
从提高铸件内腔质量、 减少粘砂角度看, SiO2含量宜高。一般应大于90％。
4、 含泥量、 微粉含量、 含水量要低。
砂中的泥分、 微粉( 200目以下) 含量高, 将大大吸附树脂, 增加树脂的消耗量, 降低型、 芯强度。一般原砂应经过水洗、 擦洗、 及干燥。
5、 碱性氧化物少:
原砂中的碱性氧化物会增加壳型砂的碱性, 降低砂的熔点, 且使壳型砂在存放过程中结块, 使流动性变差, 影响制壳( 芯) 时的吹砂性能。

( 三) 硬化剂:

1、 常见的硬化剂是六亚甲基四胺( 乌洛脱品) , 其分子式为( CH) 6N4。硬化作用是由于它受热后和混合料中的水份作用, 生成甲醛并放出氨气。
反应式: ( CH2) 6N4﹢6H2O＝6HCHO﹢4NH3↑
生成的甲醛与热热塑性线型酚醛树脂进一步反应, 从而使树脂由线型结构转变为体型结构, 把砂粒粘结成坚固的型壳。
加入量一般占树脂加入量的10－15％, 并以1: 1( 重量比) 或1: 1.5配成水溶液加入。

2、 技术要求:
纯度: ≥99%
水份: ≤0.5％
灰份: ≥0.03%

( 四) 、 其它附加物

为改进覆膜砂的性能, 有时还加入一些附加物, 主要用:
1、 硬脂酸钙:
加入硬脂酸钙能够增加覆膜砂的流动性和强度, 使型( 芯) 表面致密、 光洁, 制壳时易于脱模。另外, 它还能使壳型砂储存时不结块。其加入量一般为占砂重的0.25－0.5％。(国家标准JB/T8834－ )为: 硬脂酸钙为树脂量的6％。

2、 石英粉:
加入石英粉能够改进铸件表面光洁度, 但200目以下的石英粉宜少加, 否则影响强度。一般加入量占砂重2％左右。

3、 水:
水作为乌洛脱品的溶剂, 使它能均匀分布, 并起控制混砂过程化学反应速度及降温作用。

四、 覆膜砂的性能:

( 一) 、 强度:
( 1) 、 热强度――脱模、 起芯时要求的强度。主要与覆膜工艺有关。
( 2) 、 常温强度――在各工序之间的搬运及下芯时所需的抵抗外力破坏的强度。从生产角度看, 应根据覆膜砂其它指标来综合制订, 不必追求太高的常温强度。
(3)、 常温抗弯强度――足够的抗弯强度是为了保证型芯在浇注到铸件凝固过程中不发生破裂和变形。
一般情况下, 根据原砂堆积密度和粒度分散度, 保证覆膜砂的抗拉强度在一定要求范围内而确定树脂加入量, 常温抗弯强度变化范围较小, 因此抗弯强度测定是在保证顺利制出完好型芯的前提下测定控制。
( 二) 、 熔点:
指制壳时覆膜砂被加热, 包覆在覆膜砂表面的热塑性酚醛树脂开始熔融, 将砂粒粘结在一起的温度。一般为98－110℃。合适的覆膜砂熔点使覆膜砂具有良好的吹制工艺性( 如流动性、 充填性、 抗冲刷性及抗脱壳性等) , 以保证获得壁厚均匀的壳型、 芯。

( 三) 、 发气量:
发气量是型( 芯) 砂常规性能控制的一个重要指标, 它反映了型芯砂中有机物含量的高低及有机物的性质。一般经过发气性曲线来描述, 可直观地反映出覆膜砂的发气量及发气速度。从生产角度讲, 在满足其它性能的基础上, 发气量越低越好。

( 四) 、 必测的性能指标: 常温抗弯强度、 热态抗弯强度、 灼烧减量、 粒度和熔点。
选测的性能有: 常温抗拉强度、 热态抗拉强度、 发气量和流动性。

( 五) 、 铸造用覆膜砂的牌号表示如下:
FMS ×－××－×× ×
Q或H

覆膜砂的粒度分组代号

灼烧减量的分级代号

常温抗弯强度分级代号

铸造用覆膜砂汉语拼音第一字母
例: FMS 6-35-21H

五、 覆膜砂的混制工艺:

壳型砂的混制方法可分为干混粉状砂和覆膜砂两类。在壳型法发展初期采用普通輾轮式混砂机混成粉状砂, 随后开发了覆膜砂。覆膜砂是使树脂以薄膜形式包覆在砂粒表面, 先后创立了冷法、 温法及热法覆膜三种混制工艺。我厂应用的是热法覆膜工艺。
热法覆膜是一种适宜于大批量制备覆膜砂的方法, 需要专门设备。混制时一般先将砂加热到140－160℃, 加入树脂与热砂混均匀, 树脂被加热熔化, 包在砂粒表面。当砂温降到105－110℃时, 加入乌洛脱品水溶液, 然后鼓风冷却, 再加入硬脂酸钙混匀。经冷却、 破碎、 筛分备用。
热法覆膜的砂温不宜低于130℃, 亦即砂温应高于树脂软化点50－60℃, 否则大颗粒树脂不能完全熔化, 将导致树脂分布不均, 影响树脂的粘结效果。
加乌洛脱品时, 砂温以105－110℃为宜。因为乌洛脱品在117℃以上分解, 而作为乌洛脱品溶液的水在100℃以上有利于挥发气化。

六、 混砂设备

在制备热覆膜砂壳型砂时没有通用办法能够保证得到所需的性能。对性能影响最大的是树脂的品种和所用的设备。
现有的混砂设备有半连续复合式热法覆膜砂混砂机、 叶片式混砂机及一般輾轮式混砂机三种。如英国FORDATH公司 型和重庆铸造机械厂生产的SZ7215型, 每次100公斤, 用丙烷加热, 也可用煤气喷吹代替。
德国WEBAC－30HP高速摆轮式混砂机是全套覆膜砂生产设备的重要组成部分。它的特点是: 混砂速度快、 覆膜均匀、 操作方便、 安全。该机采用快速双摆轮结构、 底部中央有强力鼓风冷却系统。该机在覆膜过程中, 经过一对主刮板、 一对底刮板和双摆轮的高速旋转, 使集聚在桶壁附近的砂粒和树脂产生一种向上的悬浮状态, 悬浮砂团高度超过规定时, 由桶壁上的压板压下换向, 同时由摆轮碾向桶壁, 经侧刮板刮下, 再经底板向上抛起。不断重复这一过程, 实现树脂混合物对砂粒的均匀覆膜, 同时不会粘结成紧实的砂团。在混砂过程中, 经过高压风冷却, 使覆膜砂很快降温。
另有:
1、 电加热器: 原砂加热后, 利用滚筒装置搅拌混合砂粒, 使砂粒循环加热。
2、 计量系统: 原砂采用电子秤计量, 由计算机控制气动碟阀的开关来控制进料量。
3、 控制系统: 过程控制由计算机自动控制。
4、 冷却系统: 由混砂机排出的覆膜砂, 经过筛网筛分, 排到流态沸腾冷却床, 采用高压风冷, 使热砂在冷却床内移动过程中强制、 快速降温到出砂口时已达到便于储存或包装的温度。

七、 壳型、 芯制造和使用中存在的问题及原因分析:

壳型、 芯生产中可能出现的问题主要有: 脱壳、 壳型( 芯) 表面疏松、 浇注时壳型、 芯破裂、 壳型、 芯的变形、 脉状裂纹、 粘模等。
1、 脱壳:
在用覆膜砂制造壳型、 芯过程中, 结壳后翻转, 未熔化的松散的覆膜砂被倒出, 而结壳的壳型、 芯的已熔化但尚未固化的区域发生壳层脱落现象, 从而使脱落处的壳型、 芯过薄, 浇注时, 金属液可能在此强度不足处冲出, 导致铸件产生缺陷。
脱壳一般发生在自由悬挂的壳型、 芯部分及壳层完全受重力作用的部位。大都是结壳以后, 其里层呈塑性状态, 而强度承受不了砂块的自身重力而脱落。

脱壳产生的原因:
( 1) 、 树脂软化点太低( 聚合速度慢) 、 熔化温度过宽
( 2) 、 六亚甲基四胺加入量高, 增加了脱壳量
( 3) 、 树脂加入量高 , 使覆膜砂砂粒表面的树脂膜过厚
( 4) 、 模板、 芯盒温度太低或加热不均匀
( 5) 、 型、 芯不致密, 导热性差
( 6) 、 吹砂压力太高, 时间太长, 使芯盒表面激冷
( 7) 、 吹砂压力太低, 时间太短
( 8) 、 使用的覆膜砂温度太低, 导致模板或芯盒激冷( 16－32℃为宜)
( 9) 、 结壳时间太长, 结壳太厚
( 10) 、 硬脂酸钙加入量太高

2、 壳型、 芯表面疏松
壳型、 芯表面疏松是指壳型、 芯表面局部密实度差。其形成原因主要有:
( 1) 、 覆膜砂的熔点太低
( 2) 、 覆膜砂流动性差
( 3) 、 排气不当, 造成在深凹处疏松和缺肉
( 4) 、 翻斗时砂斗内砂量太少或砂斗高度不够
( 5) 、 吹砂空气量不足
( 6) 、 吹砂压力太低, 时间太短
( 7) 、 芯盒温度不均匀, 局部温度过高或过低
( 8) 、 使用的原砂太粗

3、 壳型芯浇注时破裂
指浇注时型、 芯破裂, 造成铁水进入壳芯内, 或壳型跑火而使铸件报废。其原因有: 树脂强度完全丧失, 造成崩溃, 或热应力过大、 脆性过大造成破裂。
具体有:
( 1) 、 型芯热强度低
( 2) 、 结壳太薄
( 3) 、 严重脱壳, 局部地方太薄
( 4) 、 原砂石英纯度高, 粒度集中, 热膨胀大
( 5) 、 壳型、 芯硬度不足或过烧
( 6) 、 壳型、 芯局部产生裂纹
为防止壳型、 芯开裂, 除针对上述原因加以改进外, 还能够在覆膜砂中加入能提高热塑性、 减轻开裂倾向的附加物。例如, 水杨酸、 甲酚树脂、 松香皂热塑性树脂、 水玻璃等均有效果。

4、 壳型、 芯变形

产生原因:
(1)、 壳型、 芯未硬化状态下脱模( 可采用较长硬化时间)
( 2) 、 壳型、 芯薄壁( 可采用较长的结壳时间)
( 3) 、 壳型、 芯尚热时储存不当
( 4) 、 模具温度不均
( 5) 、 脱模时粘模
( 6) 、 树脂不合适
( 7) 、 覆膜砂中乌洛脱品量不够
( 8) 、 顶杆使用不当

5、 壳型芯中脉状裂纹

产生原因:
( 1) 、 壳型、 芯太薄
( 2) 、 壳型、 芯硬化过度
( 3) 、 金属液温度太高
( 4) 、 砂的抗拉强度太高
( 5) 、 壳型砂配方中乌洛脱品过量
( 6) 、 铸件浇注系统设计不当
防止措施:
( 1) 改用四筛或五筛砂
( 2) 改用角形砂或掺配的原砂
( 3) 采用改性的酚醛树脂
( 4) 适当改变浇注系统设计

6、 铸件粘砂
产生原因:
( 1) 、 原砂太粗
( 2) 壳型芯的密实度差
( 3) 热强度低, 树脂加入量太少
( 4) 、 烘烤过度、 型芯表面硬度低
( 5) 、 覆膜砂中有杂质
( 6) 、 在模型上脱模剂过量

7、 气孔
用壳型芯砂生产铸钢件、 部分球铁件和复杂薄壁的铸件时易产生气孔。
其原因主要有: 乌洛脱品受热分解生成NH3、 CN这两种气体易卷入金属液, 在铸件凝固时就会形成气孔。

8、 铸件热裂及出砂不良
浇注时由于金属的热量使砂芯粘结剂烧毁, 从而常使树脂壳芯砂具有较好的退让性。但酚醛树脂在某些条件下亦会造成芯砂的退让性不足, 从而妨碍铸件收缩, 导致铸件表面出现热裂;同时也降低了溃散性, 使出砂困难。
其原因有:
( 1) 、 砂芯热强度太高
( 2) 、 砂内细粉( 石英粉) 等含量太高
( 3) 、 加入的树脂量太多
( 4) 、 浇注温度太低, 不能破坏热强度
( 5) 、 落砂太早
防止措施: 在保证必要的强度的基础上, 尽量降低树脂的加入量, 控制乌洛脱品加入量。在覆膜砂中加氧化剂附加物, 如高锰酸钾等有助于改进退让性、 溃散性。