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呋喃树脂砂的应用
武汉重型机床集团铸锻公司

有机自硬性铸型的开发是非量产铸造生产方式的一大改革，其生产效率和尺寸精度大大高于原有各种造型工艺水平。目前树脂自硬砂工艺的优越性已被国内许多厂家的生产实践所肯定，其工艺已用于浇注所有种类的金属铸件。
1 呋喃树脂砂的特性
呋喃树脂砂具有如下特性：1）毒性小、气味低、粘度低，型、芯强度高。2）砂子流动性好，性能稳定，储存期长。3）可使用时间和脱模时间可以控制。4）浇注后包覆在砂粒表面的树脂膜易除去，旧砂易回收利用。5）可浇注所有类型的金属铸件。6）对原砂的酸碱性要求严格。7）硬化过程受周围环境的温度、湿度影响大。
呋喃树脂的原材料和它的组成如下表：
品名
糠醇含量（FA）
含氮量
变性内容
游离甲醛
ppm
树脂粘度
ρ/30℃
用途
最高级呋喃
100~95%
0~1%
呋喃
0
0.5~2.0
大型铸钢件
高级呋喃
95~85%
1~8%
呋喃 尿素
0~0.2%
0.5~2.0
铸 钢
高级呋喃
85~75%
3~5%
呋喃 尿素
0~0.2%
3~10
铸 钢
中级呋喃
75~65%
5~10%
呋喃 尿素
0.2~0.5%
0.5~2.0
铸铁及其它
普通呋喃
50~40%
10~15%
呋喃 尿素
0.5~2%
0.2~1.0
铸锭模
速硬普通呋喃
50~40
10~15%
呋喃 尿素
1~2.5%
0.5~2.0
铸锭模
呋喃苯酚
60~40%
0
呋喃 苯酚
0.2~1%
0.5~2.0
中等铸钢铸铁件
可塑性呋喃苯酚
60~40%
0
呋喃 苯酚
0.2~1%
0.5~2.0
大型钢铁件
自硬性苯酚
0
0
苯酚 甲苯

1.0~3.0
钢件

1．1 硬化特性
一般情况下，铸造用树脂是有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形链状结构的初聚物分子。而在铸造生产使用时，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溶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。也就是树脂产生固化反应而硬化了。
1． 2 可使用时间与可脱模时间
1） 可使用时间：指混好的树脂砂可以用来造型制芯的时间。树脂砂混好后不立即使用，而是停留一段时间后再制型或制芯，则硬化强度随砂的停留时间延长而降低。树脂和催化剂混合物聚合反应速度越快，其可用时间越短。测试树脂砂可使用时间方法通常有三种：1）测型砂的初抗压强度值。2）测型砂的终抗压强度值。3）经验判断法。
2） 可脱模时间：指型、芯达到起模不致损坏的强度所需的硬化时间。型、芯在起模前处在封闭硬化状态，水分不易蒸发，硬化较慢，起模后，水分易蒸发，硬化较快。如环境的相对湿度低，硬化反应进行的较完全，硬化强度亦高；环境的相对湿度较高，则硬化强度低。故型、芯达到起模强度后应立即起模，否则在封闭硬化条件下不仅硬化慢而且强度亦低。
3） 可使用时间和可脱模时间的比值。此比值可以衡量自硬砂的性能，比值越大，性能越好。呋喃树脂砂的比值约为0.5。影响可使用时间和起模时间的因素主要有：树脂种类、固化剂种类和加入量、温度、湿度等。
2 呋喃树脂在造型、制芯时对原砂的要求
1） 原砂要有良好的高温稳定性，不纯物要少，二氧化硅含量要≥90％。
2） 原砂的含泥量要在0.5％以下。一般的原砂经过擦洗，含泥量少，才能减少树脂加入量、提高经济效益。原砂的含泥量对硬化速度有影响，原砂中泥份太多了，使树脂和固化剂不易混均匀，因此影响了树脂的强度和固透性。
3） 原砂中水份的含量越少越好，因为原砂中水份的增加对树脂自硬砂是十分有害的，它使树脂自硬砂的固化速度慢和固透性差。原砂含水量对树脂自硬砂强度的影响，水份的增加，会使树脂自硬砂的强度降低，导致铸件产生气孔和夹砂等缺陷。当原砂的水份增加，树脂和固化剂的加入量也随着增加，不经济。一般国内要求原砂水份小于0.1％。
4） 原砂的粒形，对原砂的粒形，要求尽量是圆形或近似圆形，表面平整光滑，没有空洞和裂纹，这样的砂子表面积小，要在砂粒表面上均匀地复一层树脂膜所需的树脂小。砂粒的形状好，不但可以减少树脂的加入量，降低成本，而且圆形的砂粒流动性好，便于紧实，提高了树脂自硬砂的强度。
5） 原砂的粒度，根据铸件材质、重量、壁厚、尤其是表面质量的要求选择原砂的粒度，中小件原砂为55/100，大件、厚壁采用45/75的硅砂。
6） 原砂的灼减。原砂的灼减是指原砂中结晶水及混入或粘附着的有机物质，它们不仅产生气体而增加铸件的气孔等缺陷，而且影响型砂的强度和耐火度。一般灼减量尽量应少控制在0.5％以下。
7） 原砂的PH值和耗酸值。原砂的PH值是指碱度，酸耗值影响固化剂的加入量，原砂的PH值在7以下，耗酸值控制在2以下。
3 呋喃树脂砂的循环使用
呋喃树脂砂的特点之一是旧砂再生率高，可达90％以上，旧砂经再生后可以重复使用。自硬砂中的树脂和固化剂，在浇注后只有一部分被烧损，如旧砂未经再生处理而重复使用，将使自硬砂的灼减量和含氮量增加。灼减量和含氮量超出一定限度，铸件易发生气孔、针孔、增碳等缺陷。自硬砂的再生，目的是除掉砂粒表面已固化的树脂膜。使用再生砂来配制树脂砂，可大大减少树脂、固化剂的加入量。下表显示在树脂砂的配比中新旧砂所占比例：
序
号
类
别

配比 ％

硅烷
（占树脂重％）
24小时后的抗拉强度（MPa）
原砂用量
树脂用量
固化剂（占树脂重％）
（对甲苯磺酸）用量
1
面砂
新砂5—10
再生砂95-90
1.0—1.2
冬0.5—0.6
夏03—0.5
0.2
0.5以上
2
背砂
100再生砂
0.8—1
冬0.4—0.5
夏0.3—0.4
0.2
大件0.4以上
中小件0.3以上

4 呋喃树脂砂造型涂料的选用
型、芯表面刷涂料是防止粘砂、夹砂、砂眼等铸造缺陷，提高表面质量，减少落砂和清理劳动量，改善劳动环境的有效措施之一。优质的铸造涂料应该抗粘砂能力强、涂层不剥落、能获得光洁的铸件表面。涂刷在型、芯上的涂料要能形成一层具有一定物理强度的硬壳，能独立地承受高温铁水的冲击，有隔离和阻挡的作用。
针对呋喃树脂砂造型的特点，在铸件的薄壁部位应用水基石墨涂料，在铸件的厚大部位、导轨部位应用醇基锆英粉涂料。
5 呋喃树脂砂造型浇注系统耐火砖的应用
树脂砂造型有其优越性，但也有其弱点，即热稳定性差、高温强度较低、抗高温铁水冲刷时间短，特别是浇注系统部位，长时间被高温铁水冲刷容易脱落，造成铸件砂眼和粘砂等缺陷。
采用耐高温材料S.X作为基本材料，配上几种耐火度较高的粉料（石英粉、锆英粉、高铝钒土粉等）作为骨料，L.X作粘结剂，利用化学反应进行自硬，形成所需的形状和尺寸、具有足够强度和刚度的浇注系统。
此浇注系统耐高温，能承受高温铁水的冲刷，工作温度达1400℃以上，特别利于重大件树脂砂浇注系统使用；具有足够的强度和刚度，在造型制芯过程中不会改变形状尺寸，在操作中不易损坏，不需插钉子、刷涂料，操作简单；简化浇注系统工艺设计，无需浇口芯，可节省外模芯头及芯盒；易于控制其内部尺寸，内表面平整光滑，不阻碍铁水快速流动；浇注后不留残留物，便于旧砂再生处理。
6 在生产实际中的应用
呋喃树脂砂造型生产的铸件形状从简单的发兰到复杂的缸体，铸件从几公斤到80多吨的机床工作台、130多吨的钢锭模，造型方法有实样模造型、也有组芯造型。采用呋喃树脂砂造型生产出来的铸件尺寸精度高，外观轮廓清晰，内在质量达到设计要求。
7 结论
由于全世界范围内出现的环保危机、能源危机以及日益激烈的市场竞争，迫使铸造行业不断寻求环保节能、高效的绿色铸造方式。自硬呋喃树脂砂的性能使其应用越来越广泛，已被世界范围内大多数铸造企业所接受。