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摘要: 经过对覆膜全过程的分析和优化实验, 确定影响覆膜砂性能的工艺因素主要有: 原砂的加热温度、
加入树脂后的混砂时间、 加入固化剂的混砂时间等, 为了获得最佳的工艺参数, 对各个工艺参数进行了正交实
验。实验结果表明: 为获得较高的热态抗拉强度, 能够选用砂温180℃, 加树脂后的混砂时间为100s , 加固化
剂后的混制时间为40s , 加硬脂酸钙后的混制时间为30s ; 为获得较好的常温抗拉强度, 能够选用砂温
180℃, 加树脂后的混砂时间为80s , 加固化剂后的混制时间为30s , 加硬脂酸钙后的混制时间为20s 。
关键词: 覆膜砂, 工艺参数, 实验研究
中图分类号: TG221+. 2-文献标识码: A; 文章编号: 1006- 9658 ( ) 06- 4
Abs tract: By analyzing and optimizing the proces s of shell molding,the main factors affecting the
properties of res in coated sand have been obtained,such as the heating temperature of original sands ,
the mixing time after adding res in and the mixing time after adding solidified agent, etc.In order to achieve
better proces s ing parameters ,orthogonal experiments have been carried out.The results showed that,
when the temperature of sands was 180℃, the mixing time was 100s , the mixing time after adding solidified
agent was 40s and the mixing time after adding calcium s tearate was 30s ,higher tens ile s trength in
hot condition could be got.At the same time,to obtain higher tens ile s trength in normal temperature,the
temperature of sands was 180℃ ,the mixing time was 80s ,the mixing time after adding solidified agent
was 30s and the mixing time after adding calcium s tearate was 20s .
Keywords : Res in coated sand , Technological parameter, Experimental research
收稿日期: - 06- 12
文章编号: - 092
作者简介: 梁春永( 1976- ) , 男, 河北唐山人, 讲师, 在读博士。主要从
事造型材料、 生物医学材料、 材料检测等方面的研究工作
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CFMT 中国铸造装备与技术6 /
应用于复杂铸件的生产, 如汽车、 拖拉机的发动机缸
体、 缸盖、 进气管及排气管等[1]。在中国, 随着铸造技
术的发展, 对铸件质量的要求也越来越高, 为此覆膜
砂的用量将会越来越多。酚醛树脂壳法工艺之因此
倍受广大铸造工作者的青睐, 主要原因是该法工艺
稳定, 技术成熟, 生产成本不高, 操作简便, 型( 芯) 致
密紧实, 砂型( 芯) 及型( 芯) 砂的存放性好, 易于大批
量生产, 可生产表面光洁、 尺寸精度较高的近无余量
的中小钢、 铁及铝合金铸件[2]。因此长期以来, 该工艺
一直是大批量铸造生产过程中的必要的组成部分。
可是国产覆膜砂在总体性能上与国际水平相差较
大。混砂过程和覆膜条件是影响覆膜砂质量的关键
因素, 为了提高覆膜砂的质量, 本文从覆膜砂生产工
艺入手, 对影响覆膜砂性能的几个重要因素进行了
分析, 以期得到更佳性能的覆膜砂的生产工艺。
1 实验方法
1.1 实验用材料
原砂: 内蒙古大林普通原砂, 粒度为70～140 目;
树脂: 酚醛树脂( 国内某厂生产的商品树脂) ; 其它材
料: 乌洛托品的加入量为14%( 占树脂量) 和硬脂酸
钙。
1.2 实验仪器与设备
SIQ 型混砂机、 SWY 型液压强度试验机、 101-
1A 型数字显示电热鼓风干燥箱。
1.3 试样的制备
拉伸试样为厚12.5mm 的”8”字型标准试样( 见
ZBG39005- 89) [3]。制备方法为: 先将试样模具及制样
装置的上下加热板加热至232±5℃, 然后移开上加热
板, 迅速将覆膜砂由砂斗倒入型腔中, 刮板刀垂直于
模具( 与模具长度平行) , 从试样中间分两次向两侧
刮去多于的砂子, 再压上加热板。放入220～240℃的
烘箱中保温固化60s 后, 从模具中取出样品冷却后
待用。热态抗拉强度的测定方法同常温抗拉强度的
试样制备相同, 试样从热态模具中取出后迅速在
SWY 型液压强度试验机上拉断, 要求取出试样到测
定完成时间不超过15s。
2 实验方案及结果
为了找出适合本实验室条件下最佳的覆膜工艺
参数, 对影响覆膜性能的各工艺参数进行了正交实
验设计, 并按所设计的方案进行实验。考察的因子有
四个, 具体的因子和水平如下:
A———砂温(℃) A1: 200 A2: 180 A3: 160
B———加树脂后的混制时间( s)
B1: 60 B2: 80 B3: 100
C———加固化剂后混制时间( s)
C1: 30 C2: 40 C3: 50
D———最后的混制时间( s)
D1: 20 D2: 30 D3: 40
正交实验方案及所得的结果如表1 所示。
从图1 各因素对覆膜砂常温抗拉强度的影响中
能够看出, C 因素的变化幅度最大, 因此对于常温抗
拉强度来说, C 因素影响最为显著, 然后为A 因素,
其次是B 因素, 最后为D 因素, 即各因素对覆膜砂常
温抗拉强度的影响C>A>B>D。因此为了得到较高的
抗拉强度能够选择C1、 A2、 B2、 D1, 也就是说能够选
用砂温为180℃, 加树脂后的混砂时间为80s, 加固化
剂后混制30s, 加硬脂酸钙后混制20s 的工艺。
各因素对热态抗拉强度的影响如图2 所示。分
析上述试验结果, 可知对于热态抗拉强度来说, A 因
素的影响最为显著, 然后是B 因素, 其次是C 因素,
最后是D 因素, 即各元素对覆膜砂热态抗拉强度的
影响趋势为A>B>C>D。因此为了得到较高的热态抗
拉强度, 能够A2、 B3、 C2、 D2 工艺即选择砂温180℃,
加树脂后混制100s, 加固化剂后混制40s, 加硬脂酸
钙后混制30s 的混制工艺。
2.1 试验结果分析
各因素对常温抗拉强度的影响如图1 所示。
覆膜砂热态抗拉强度的影响趋势为A>B>C>D,
因此为了得到较高的热态抗拉强度, 能够A2、 B3、
C2、 D2 工艺, 即选择砂温180℃, 加树脂后混制100s,
加固化剂后混制40s, 加硬脂酸钙后混制30s 的混制
工艺。
试验
编号
1(A) /℃ 2(B) /s 3(C) /s 4(D) /s
常温抗拉
强度/MPa
热态抗拉
强度/MPa
10 180 80 30 20 1.35 0.58
11 180 100 40 30 1.10 0.72
表1 不同工艺参数对覆膜砂性能的影响
试验
编号
1(A) /℃ 2(B) /s 3(C) /s 4(D) /s
常温抗拉
强度/MPa
热态抗拉
强度/MPa
1 1( 200) 1( 60) 1( 30) 1( 20) 1.12 0.06
2 1( 200) 2( 80) 2( 40) 2( 30) 1.00 0.36
3 1( 200) 3( 100) 3( 50) 3( 40) 0.66 0.20
4 2( 180) 2( 80) 2( 40) 3( 40) 0.81 0.41
5 2( 180) 3( 100) 3( 50) 1( 20) 0.89 0.22
6 2( 180) 1( 60) 1( 30) 2( 30) 1.20 0.60
7 3( 160) 1( 60) 3( 50) 2( 30) 0.20 0.07
8 3( 160) 2( 80) 2( 40) 1( 20) 0.89 0.33
9 3( 160) 3( 100) 1( 30) 3( 40) 0.90 0.28
材料工艺MATERIAL& TECHNOLOGY
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表2 不同工艺参数对覆膜砂性能的影响
CFMT 中国铸造装备与技术6 /
2.2 对正交试验结果进行验证
将上述得到的两种工艺进行试验, 测得的实验
结果如表2 所示。
将表2 中的覆膜砂的力学性能与表1 中的覆膜
砂力学性能相比较, 能够看出采用C1、 A2、 B2、 D1 的
工艺得到的覆膜砂试样的常温抗拉强度均高于其它
各组, 其常温抗拉强度达到了
1.35MPa, 热态抗拉强度为
0.58MPa。对于采用A2、 B3、 C2、
D2 工艺得到的覆膜砂试样的热
态抗拉强度最高, 其热态抗拉强
度达到了0.72MPa, 常温抗拉强
度也较好, 达到了1.10MPa。
根据胶合理论可知, 覆膜砂
要获得高强度的前提是: 既要有
树脂粘结剂内部的高内聚力, 又
要有树脂- 砂粒间的高附着力。已
硬化的砂芯在外力作用下, 可分
为极端的情况: 一种是内聚断裂,
即断裂发生在树脂粘结剂联结桥
的内部; 另一种是附着断裂, 即断
裂发生在树脂粘结剂和砂粒的结
合面。因此覆膜砂壳型( 芯) 的强
度取决于固化后树脂层的内聚强
度及树脂与砂粒间的粘附强度。
为了考察不同工艺对覆膜砂断口
树脂缩颈破断情况的影响, 采用
SEM 对试样断口进行形貌的分
析, 各组所测得的照片如图3 所
示。
由图3( c) 和图3( g) 能够看
出, 3# 和7# 试样的断口形貌为
附着断裂, 说明粘结剂的效果未
明显发挥, 表1 中的力学性能也
较低。从图3 ( f) 、 ( a) 、 ( b) 、 ( i) 、
( h) 、 ( e) 、 ( d) 中能够看出, 其断口
形貌均为附着断裂和内聚断裂相
结合的方式, 其力学性能也较3#
和7# 有所提高。图( j) 、 ( k) 分别
为1# 和10# 的断口形貌图, 从图
中能够看出, 树脂颈均变厚且有
大面积撕裂的痕迹, 说明树脂与
砂粒表面之间的附着情况有所改
善, 断裂形式由附着断裂转变为
内聚断裂, 因此能够提高覆膜砂
的强度。
3 结论
( 1) 在现有实验室条件下, 为获得较高的热态抗
拉强度, 能够选用砂温180℃, 加树脂后的混砂时间
为100s, 加固化剂后的混制时间为40s, 加硬脂酸钙
图1 各因素对常温抗拉强度得影响
( a)A 因素对常温抗拉强度的影响
A1 A2 A3
试验编号
常温抗拉强度/MPa
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
A 因素
( b)B 因素对常温抗拉强度的影响
B1 B2 B3
试验编号
常温抗拉强度/MPa
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 B 因素
( c)C 因素对常温抗拉强度的影响
C1 C2 C3
试验编号
常温抗拉强度/MPa
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 C 因素
( d)D 因素对常温抗拉强度的影响
D1 D2 D3
试验编号
常温抗拉强度/MPa
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
D 因素
图2 各因素对覆膜砂热态抗拉强度的影响
B1 B2 B3
试验编号
B 因素
( b)B 因素对热态抗拉强度的影响
热态抗拉强度/MPa
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
A1 A2 A3
试验编号
A 因素
( a)A 因素对热态抗拉强度的影响
热态抗拉强度/MPa
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
C1 C2 C3
试验编号
C 因素
( c)C 因素对热态抗拉强度的影响
热态抗拉强度/MPa
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
D1 D2 D3
试验编号
D 因素
( d)D 因素对热态抗拉强度的影响
热态抗拉强度/MPa
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
材料工艺MATERIAL& TECHNOLOGY
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CFMT 中国铸造装备与技术6 /
后的混制时间为30s。其常温抗拉强度达到了
1.35MPa,热态抗拉强度为0.58MPa。
( 2) 为获得较好的常温抗拉强度, 能够选用砂温
180℃, 加树脂后的混砂时间为80s, 加固化剂后的混
制时间为30s, 加硬脂酸钙后的混制时间为20s。其热
态抗拉强度达到了0.72MPa, 常温抗拉强度达到了
1.10MPa。
参考文献
1 康明, 陈勉己, 等.壳法用热塑性酚醛树脂的进展.中国铸造装备
与技术, 1998( 1) : 3- 6.
2 李荣启, 李远才, 等.壳法用热塑性酚醛树脂的不同合成工艺对聚
合速度和软化点的影响.热加工工艺, , ( 5) : 8- 12.
3 吕德志, 刘伟华, 等.铸造用覆膜砂的性能测定方法.中国铸造装备
与技术, 1997( 6) : 22- 24.
( a) ( b) ( c)
( d) ( e) ( f)
( g) ( h) ( i)
( j) ( k)
图3 各组试样的断口形貌
( a) 1# 试样的断口形貌( b) 2# 试样的断口形貌( c) 3# 试样的断口形貌( d) 4# 试样的断口形貌
( e) 5# 试样的断口形貌( f) 6# 试样的断口形貌( g) 7# 试样的断口形貌( h) 8# 试样的断口形貌
( i) 9# 试样的断口形貌( j) 10# 试样的断口形貌( k) 11# 试样的断口形貌
材料工艺MATERIAL& TECHNOLOGY
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