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自硬樹脂砂在球墨鑄鐵生產中的控製
發布時間:2017-01-6

【摘要】  冷自硬樹脂砂型除受樹脂本身的性能影響外,還受氣溫、砂溫、原砂的特性、固化劑的種類、酸度值、固化劑的加入量以及混砂方式,混砂時間長短等等方麵的影響,在用於生產球墨鑄鐵件時,鑄型表麵的塗料特性以及球鐵本身的固有特性等都將對球鐵鑄件產生影響。本文針對以上方麵,並結合生產實際就冷自硬樹脂砂用於球鐵生產的過程控製及問題進行一些探討,求教於廣大鑄造同仁,以期對冷自硬樹脂砂用於球鐵生產有所幫助。

【關鍵詞】  冷自硬樹脂砂  固化劑  塗料  球墨鑄鐵

 

隨著鑄件采購商對毛坯外觀和鑄件尺寸精度要求的提高,潮模砂生產鑄件的方式顯得越來越落伍了,特別是在較大型的機床、閥門類鑄件的生產方麵,無論是鑄件的外觀還是尺寸精度,尤其是鑄件的內在質量甚至生產周期,樹脂砂生產的優勢變得越來越明顯,並逐漸被廣大鑄造工作者和鑄件采購商所認同。雖然呋喃樹脂並不是新東西,文獻表明早在1873年就有了起源於玉米製品的呋喃乙醇樹脂記載,但國內用呋喃樹脂作為粘結劑用於鑄造生產卻隻有二十多年的曆史,並已有最新成果“堿性酚醛自硬樹脂”等。樹脂砂在國內發展的這二十多年來,隨著國內對樹脂、固化劑等研究的深入和成熟,生產中的應用也越來越廣泛,並且無論是造型還是製芯,無論是加熱固化還是催化固化——即所謂自硬都被大量應用,本文僅對加酸硬化的冷自硬樹脂砂在球墨鑄鐵生產中的運用過程及產生的一些影響產品質量的問題進行分析探討並提出結合自己生產實際的解決辦法,以求得到方家的指正。

一、樹脂質量對球鐵質量的影響及控製方法

所謂冷自硬樹脂砂就是用樹脂作粘結劑用酸作催化劑,不用加熱,常溫下即能使砂型(芯)達到所要求的硬度的一種型(芯)砂。

要得到表麵光潔、幾何尺寸精確(相對而言)、內在質量高的鑄件,鑄型(芯)的表麵必須光潔,鑄型的幾何尺寸必須符合金屬液的凝固、收縮特點而精確;要得到內在質量高的鑄件,在鑄型(芯)上要做的文章更多,而樹脂的質量則對鑄型(芯)的質量起著決定性的作用,樹脂就是通過影響鑄型(芯)的質量從而影響到鑄件的質量的。

1、樹脂含氮量對球鐵件皮下氣孔的影響及控製方法

現在,我們通常使用的樹脂全稱:糠醇脲醛改性呋喃樹脂,是由主要原料:糠醇(C5H4O2)、尿素((COCNH22)、甲醛(HCHO)等組成的高分子聚合物,球鐵鐵水溫度一般在1350℃以上,在球化過程中已產生了大量鎂蒸氣;作為鑄型粘結劑的樹脂在高溫鐵水的作用下發生裂解,產生H2N2CO2H2O等氣體;且樹脂用量越大發氣量越大,特別是樹脂中尿素含量高時即含氮量高發氣量更高,這些氣體有一部分透過鑄型排放到空氣中,一部分則溶解到高溫鐵水中,待鐵水溫度下降,這些氣體在鐵水中的溶解度降低而逸出時,鑄件形成後則分布在鑄件的表麵上形成鑄造缺陷——皮下氣孔,特別是當鑄型透氣性差的時候,鑄件的下型下表麵更為嚴重。

而研究表明,適當增加樹脂中尿素的含量會提高樹脂的粘結強度,這就出現了一對矛盾,即若要提高樹脂的粘接強度就要增加樹脂原料中含氮較高的尿素的比例,而尿素增加,含氮量增加,球鐵件的皮下氣孔缺陷也要增加。

生產中還要考慮到成本因素的影響,尿素比例高的樹脂價格相對便宜,凡此種種,所以生產選用樹脂時要遵循這樣的原則:大型鑄件加工餘量大可選含氮相對較高的樹脂,小型鑄件加工餘量小要選含氮量相對較低的樹脂,並不是生產球鐵也跟生產鑄鋼一樣選用樹脂含氮越低越好,鑄件產生了皮下氣孔,隻要能加工去除也是沒有關係的。當然,隻要確保了鑄型的剛度和強度,盡量降低樹脂的用量和降低樹脂的含氮量是有利於消除球鐵件的皮下氣孔缺陷的。

2、樹脂粘度對鑄型強度的影響及其控製方法

如果樹脂粘度大,在配砂時,特別是用間歇式混砂機混砂時,集中加入進混砂機的樹脂容易結團,不易對砂粒完全浸潤而均勻包覆在砂粒表麵,同樣也不易與固化劑均勻接觸而發生固化反應,生產中表現為型砂局部樹脂含量高,不易固化,局部樹脂含量低固化後強度又不高。所以,選用樹脂的粘度時既要考慮其粘接強度又要考慮其對型砂的浸潤性。

樹脂砂的終強度要在24小時後才達到,其終強度並不一定是它的最高強度。有些工廠受生產班次的影響,鑄型固化後往往不到24小時就要澆注,這樣會損失樹脂砂的部分強度,或者需要增加樹脂加入量以保證提前澆注時樹脂砂的使用強度。

3、樹脂砂型剛度對球鐵補縮性能的影響及其控製方法

球鐵的最大特點就是在球鐵水冷卻過程中有一個石墨化過程,鐵水中的石墨碳在球化劑中的球化元素的作用下形成球狀石墨,並且在這一個過程中球鐵會發生體積膨脹——所謂石墨化膨脹,這一過程大概發生在鐵水澆注入型腔後的五分鍾左右時間內,如果鑄型剛度不夠,那麽就會使鑄型開裂,有時在砂型強度低時還會發生穿箱事故,這種現象在采用無箱造型時更為普遍;若有砂箱時還可能使上箱的型砂成整塊的上抬、冒出砂箱,使型腔變大,發生這種情況後鑄件若得不到很好的補縮就會形成縮鬆、縮孔等缺陷而致廢。

因為樹脂是有機高分子的聚合物,分子鏈長短受聚合過程的溫度和時間的影響較大,僅從生產實踐方麵來看,在有效期內(指樹脂不發生老化、水解、分解等),存放時間長的樹脂比新鮮樹脂好,表現在:鑄型剛度好,即既具有一定的砂型表麵硬度和粘接度,又具有一定的韌性。樹脂存放一定的時間,比如三個月左右,其配製的型砂固化後硬度均勻,強度均勻,性能穩定。

此外,向樹脂中滴加矽烷也能很好地改善樹脂的使用性能。矽烷是一係列含四價鍵矽的高分子聚合物,有長效、速效之分。樹脂中加入矽烷後,砂型脆斷和開裂的情況會大大改善,這樣,在球鐵凝固並發生石墨化膨脹階段,鑄型保持原有的尺寸,隻要澆冒係統和鐵水成份合宜就不會發生縮孔、縮鬆等缺陷,並且還可有效地利用鑄型剛度進行球鐵的“自補縮”,減小甚至取消球鐵的冒口並實現“均衡凝固”以提高鑄件的工藝出品率。

二、固化劑對球鐵質量的影響及控製方法

沒有催化劑或不進行加熱,樹脂砂是不會很快硬化成形的,樹脂與酸發生放熱的化學反應來使樹脂固化,並使型砂硬化,酸在樹脂的固化過程中是起催化作用的,所以也把這種催化劑叫固化劑,鑄型硬化後,鐵水在澆注入鑄型時,鑄型還未受熱的影響,在樹脂沒有分解之前,金屬液填充鑄型成形並冷卻,鑄件成形後樹脂才開始分解並引起鑄型潰散。

作固化劑的酸都是中強酸,早期用磷酸,但磷酸在氣溫低時會變稠,很難使其均勻分布在砂粒表麵,型砂的性能即使在夏天也不穩定,用量稍微偏少時鑄型長時間不固化,稍微偏多時又很快固化了,使型砂的可使用時間變短,生產上很難掌握。冷自硬樹脂砂的固化劑目前使用得最普遍的是苯磺酸、對甲苯磺酸或二甲苯磺酸。

固化劑的酸度值對砂型強度影響較大。相同溫度下,酸值低的固化劑,使砂型硬化的時間長,可使用時間長,酸值高的固化劑,使砂型硬化時間短,可使用時間短。

相同酸度的固化劑在氣溫或砂溫高(例如旋即處理的舊砂)時,使砂型硬化時間短,可使用時間短,氣溫低或砂溫低時(有時是新砂),使砂型硬化慢,可使用時間長。生產中應根據實際靈活掌握。

一般情況下,硬化快的砂型終強度低,硬化慢的砂型終強度高。

磺酸類固化劑對球墨鑄鐵有很大的影響:會在鑄件的表麵“增硫”並會發生局部的球化衰退、甚至球化不良,在鑄件加工後的表麵上出現“花斑”,使鑄件表麵局部出現灰鐵組織,硬度下降、強度下降,性能惡化。生產上一旦遇到此種情況,就應該采取多重措施:

1、使用磷酸或含遊離磺酸低的固化劑。磺酸類固化劑中大都含遊離硫酸,硫酸與球化元素鎂起化學反應,削弱鎂的球化作用,因此要降低固化劑中遊離硫酸的含量。

2、適當增加鑄件的加工餘量。經過解剖“局部花斑”發現,一般情況下,局部增硫隻發生在鑄件的表麵5mm左右範圍以內,確保鑄件加工部位有5mm的餘量是必要的。

3、適當提高球化劑的用量進行過量球化。如球化劑加入量1.3%就能球化的若提高球化劑量到1.4%甚至1.5%就能收到很好的效果。在加工餘量隻有3mm,表麵全部加工的飛輪鑄件上用此方法,筆者已收到滿意的效果。

4、用新砂作“麵砂”。再生砂的表麵已存在一定的硫酸,若重複使用時,砂中的硫含量肯定增高,鑄件發生局部球化衰退或球化不良的可能性肯定增加,而使用全新的砂則可避免此種情況發生。

5、把鑄型表麵的塗料層加厚,能消除或減輕固化劑因含硫而引起的鑄件表麵增硫現象。

三、塗料對球鐵質量的影響及控製方法

冷自硬樹脂砂中,樹脂、固化劑都是以液態形式浸潤在型砂的表麵上的,砂粒與砂粒之間是薄薄的一層樹脂膜,因此即使和潮模砂相比,若不刷塗料,鑄件表麵將相當粗糙,而且若不用塗料,在鐵水衝刷鑄型時,樹脂會很快燃燒而分解從而引起衝砂或鑄型潰散。

在冷自硬樹脂砂生產中,醇基石墨塗料使用最為普遍,石墨既耐火又具有潤滑作用,能使鑄件表麵光潔。球墨鑄鐵的澆注溫度一般較高,為了使鑄件表麵不粘砂,選用石墨作塗料是最好的。

醇基石墨塗料用酒精稀釋後向鑄型表麵噴、塗、刷均可,噴的優點是快且較均勻,缺點是點火幹燥後鬆軟地附著在鑄型表麵,不能有效地附著,防鑄件粘砂的效果不理想,對小件可以,而對大件來說最好還是塗刷,而塗刷過程中需特別注意的是:稀釋塗料的酒精對樹脂也有稀釋作用,反複塗刷有時反而把鑄型表麵“刷毛”。

因為硫對球鐵的有害影響,所以用於球鐵生產的石墨塗料中的石墨的含硫量也是要控製的,要選用雜質含量特別是硫含量較低的石墨粉,這一點特別要引起塗料的生產廠家的注意。

四、用樹脂砂生產球鐵的其他注意事項

1、上封箱膠

和普通潮模砂相比,樹脂砂型不具備退讓性,合箱時在鑄型的分型麵上0.4mm左右的砂粒間隙很難清除,即使將砂箱卡死或在上型加很多壓鐵也是如此,有時候過度卡緊砂箱還可能導致上型砂型從砂箱中掙脫上升,隻卡了砂箱而鬆動了砂型,過多的壓鐵有時也壓垮砂型,使上箱型腔壓變形,凡此種種都不利於球鐵的生產。這時,在鑄型的分型麵,遠離型腔的地方敷擠上封箱膠是必要的,並且要求封箱膠既不能幹——幹的封箱膠會使鑄型在垂直於分型麵的方向尺寸變大;也不能稀——稀的封箱膠會流入型腔而在鑄件表麵形成溝槽、氣孔等缺陷。好的封箱膠膠合24小時後,膠合麵強度大於鑄型的強度。

2、紮好排氣孔,並在澆注時點火引氣

樹脂砂型在澆注過程中因樹脂的燃燒分解會產生大量的氣體,此種氣體在型腔內若不能排出,會產生壓力從而使鑄件受氣阻而產生澆不足或形成氣孔等缺陷。因此,用樹脂砂生產球鐵件時,要紮好出氣孔,特別是在坭芯芯頭的地方最好開設排氣槽,並在澆注過程中點火使氣體在型腔外燃燒,在鑄型外產生局部負壓而利於型腔內氣體排出。

3、利用砂塊或再生砂

樹脂砂型在鑄件澆注後,與鑄件直接接觸的型腔表麵的砂會燒損潰散,而遠離鑄件的地方鑄型還比較堅硬,可以破碎成砂塊後重複利用,這種砂塊可以在造型時在避免直接接觸模樣表麵的前提下直接填入鑄型中,與剛配製的樹脂砂能很好的粘合,一方麵減少新配砂的用量,節約成本,另一方麵也會降低鑄型的發氣量,增加鑄型的透氣性和潰散性。

樹脂砂生產時可以100%利用再生砂,砂型達到相同的強度所需要的樹脂量要少,可節約成本,前已述及,球鐵生產時麵砂最好用新砂,製芯也要用新砂。

再生砂的溫度在樹脂砂的造型生產中也相當重要,一般情況下,砂溫高樹脂固化快,可使用時間短,強度低,甚至不能使用,這是有再生砂係統的生產者特別要注意的。

另外,對批量生產的鑄件一定要用砂箱,生產球鐵時若不用砂箱的話,砂鐵比要達到41,而用砂箱的話則可達到11,並且操作更方便,經濟效益十分明顯。

4、樹脂砂的混製

因為樹脂粘度大,固化劑粘度小,所以混製樹脂砂時,要先加固化劑,讓固化劑均勻浸潤在型砂粒的表麵,然後加入樹脂,樹脂遇到砂粒後與固化劑反應生成均勻的樹脂膜包覆在砂粒表麵,這種順序如果顛倒過來,一方麵樹脂不可能先均勻浸潤砂粒,它會結團,另一方麵固化劑遇到樹脂後就發生了化學反應,也不能均勻浸潤砂粒而形成樹脂膜,其結果:型砂的強度不均勻,性能不穩定。對連續式混砂機而言,注入固化劑與注入樹脂的孔間距或螺旋給料器的旋轉速度一定要控製在使固化劑與砂粒均勻浸潤後才有樹脂進入,對間歇式混砂機而言,一定要讓全部砂粒被固化劑浸潤後才能放樹脂,就是說一個要控製距離空間,一個要控製時間。

5、勞動保護

樹脂砂生產中因樹脂固化劑的燃燒分解會產生一定的有害氣體,如甲醛等,生產中一定要搞好勞動保護。

總而言之,隨著冷自硬樹脂砂的大量使用,各種問題都會在生產中出現,有些問題通過實踐摸索解決,有些問題會帶來全新的觀點和視角,如球鐵的少、無冒口鑄造,局部球化衰退和不良產生“花斑”的問題、型砂的反複使用及環保問題等等。本文在此拋磚引玉,希望對全麵提升我們的整體鑄造水平有所裨益,同時歡迎廣大同仁不吝賜教。

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