液态金属铸造成形（第3章）第9讲 树脂砂铸造

1、材料科学与工程学院华中科技大学HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY1授课教师：董选普教授 吕书林博士第3章 砂型铸造3.1 3.1 砂型（芯）制造方法砂型（芯）制造方法3.2 3.2 粘土湿型粘土湿型3.3 砂型性能控制砂型性能控制3.4 3.4 水玻璃砂型（芯）3.5 3.5 树脂砂型（芯）树脂砂型（芯）3.6 3.6 砂型烘干、合箱、浇注清理砂型烘干、合箱、浇注清理 以树脂作为粘结剂与相应的固化剂和原砂混合而成的铸造用型砂。 3.5、树脂砂型（芯） 树脂砂的概念树脂砂的概念树脂的概念 树脂是一种高分子物质，分子量很大，主要是C、H、

2、O和N等元素构成。是塑料的主要组元。按其分子结构可分为线型树脂和体型树脂。 树脂砂粘结剂中的树脂必须是在造型时为线型树脂，在造型后型砂固化过程中，树脂为体型树脂。 3.5、树脂砂型（芯）-树脂砂是铸造中常用的造型、制芯方法之一，适用于多品种、小批量铸件的生产，具有流动性好，浇出的铸件尺寸精度高、表面光洁度好，浇注后的型（芯）砂溃散性好，容易再生等特点。在机床、水利机械、工程机械、矿山机械等领域普遍使用。- 常用的树脂砂造型法有 呋喃自硬树脂砂法 酚脲烷（PEPSET）自硬树脂砂法 碱酚醛（-Set）法等。- 常用的树脂砂制芯法 呋喃热芯盒法 壳芯 三乙胺冷芯盒法等。树脂砂在铸造生产中的地位树脂

3、砂在铸造生产中的地位G 2020世纪世纪8080年代以来，树脂砂工艺在欧美、日本等发达国家发展很快，它年代以来，树脂砂工艺在欧美、日本等发达国家发展很快，它已广泛应用于这些国家的机床、重型与矿山机械、造船及通用机械行业的已广泛应用于这些国家的机床、重型与矿山机械、造船及通用机械行业的大、中型铸件生产中大、中型铸件生产中 。G 据不完全统计，据不完全统计，英国英国70%70%以上的铸铁件以上的铸铁件均采用呋喃树均采用呋喃树脂砂工艺生产，最大件重达脂砂工艺生产，最大件重达100100吨。在吨。在，化学粘结砂占全部型砂的，化学粘结砂占全部型砂的20%20%以上，其中，以上，其中，为树脂砂（不包括壳型

4、壳芯、热芯盒、冷芯盒）；为树脂砂（不包括壳型壳芯、热芯盒、冷芯盒）；在在大型铸件生产中，大型铸件生产中，是采用树脂砂，树脂工艺已占其铸造生是采用树脂砂，树脂工艺已占其铸造生产的第二位，仅次于湿型砂工艺。产的第二位，仅次于湿型砂工艺。 3.5、树脂砂型（芯）国内制芯概况 其他3%水玻璃4%覆膜砂甲酸甲酯9%Cold-Box 56%热芯盒法16%碱酚醛/CO224%2%SO2-法6%9% 的覆膜砂相当于120万吨覆膜砂 3.5、树脂砂型（芯）树脂砂的典型应用发动机缸体芯发动机缸体芯热芯盒热芯盒或或冷芯盒冷芯盒Cylinder head汽缸盖汽缸盖冷芯盒冷芯盒Cylinder head汽缸盖 冷芯盒

5、冷芯盒 3.5、树脂砂型（芯） 3.5.1 热硬树脂砂覆膜砂壳芯(型)1）壳芯(型)的制造l壳芯(型)- 直接承受液体金属作用的表面一层厚度仅数毫米的砂壳；l“ C”法或“壳法”(shell process)，或叫壳型造型(shell molding)，1940年，Johannes Croning发明该法用酚醛树脂作粘结剂，配制的型(芯)砂叫覆膜砂(Resin coated sand)，像干砂一样松散。其制壳的方法有两种。 1）壳芯(型)的制造翻斗法(dumping) 制造壳型制造壳芯 3.5.1 热硬树脂砂覆膜砂壳芯(型)2）覆膜砂及其生产 3.5.1 热硬树脂砂覆膜砂壳芯(型) 3） 覆膜

6、砂的硬化。当覆膜砂受模温作用时，树脂膜引起3个阶段的的化学反应和物理转移。l阶段1：热塑性树脂开始熔融，树脂膜的粘度下降，混在凝胶化的树脂中的乌洛托品开始分解出甲醛。l阶段2：在热塑性的B阶段的树脂，放出少量的副产物水，此时，由乌洛托品放出的甲醛与酚醛反应缩合，向热固性的C阶段进行。粘结剂流过砂粒间，使砂粒间形成架桥。l阶段3：随着酚醛消耗掉由乌洛托品放出的甲醛的过程中，酚醛树脂逐步完全硬化，由可熔可溶的热塑性树脂向热固性的树脂转换，就在此时刻完成。 3.5.1 热硬树脂砂覆膜砂壳芯(型) 4) 采用覆膜砂造型、芯的特点l覆膜砂可以长期贮存(6个月以上)；l流动性好,无需捣砂，能获得尺寸精确的

7、型、芯；型、芯强度易搬运；l 透气性好，可用细的原砂得到光洁的铸件表面；无需砂箱；l覆膜砂使用量小；l型、芯可以长期贮放;l要求铸件表面光洁和尺寸精度甚高的行业应用广泛:液压件、凸轮轴、曲轴以及耐蚀泵件、履带板等钢铁铸件；汽车、拖拉机、液压阀体等铸件。 3.5.1 热硬树脂砂覆膜砂壳芯(型) 3.5. 2 气硬冷芯盒法-酚醛-脲烷/胺法lThe Phenol Urethane Amine Cold Box Process，简称PUCB法。l由 Janis Robins发明，并于1968年在克里夫兰举行的AFS Cast Expo. 公布于众。最先采用PUCB工艺的是德国的奔驰公司，1967年就

8、投入生产应用；在欧洲得到推广。l1970年，加拿大Holmes铸造厂首先采用该工艺生产汽车零件。l美国直到70年代中期受“能源危机”影响，才开始采用PUCB工艺。1）冷芯盒工艺冷芯盒工艺是使砂芯直接在芯盒内硬化通过这种方式,可以不需外部加热而直接获得高强度砂芯。完全气化的催化剂使树脂（黏结剂）和砂子的混合物在短时间内硬化 3.5. 2 气硬冷芯盒法-酚醛-脲烷/胺法2）冷芯盒工艺所使用的原材料原砂矿物学特性:石英砂 99.7%黏土 0.2%（最大含量）碳酸钙 0.07%(最大含量）树脂催化剂组份1-约30%液体酚醛树脂组份2-约30%液体聚异氰酸酯胺(二甲基丙胺-二甲基乙胺、三乙胺)粒度测定:

9、平均细度:40-60AFS平均颗粒尺寸取平均值粉尘含量:最大值 0.02% 3.5. 2 气硬冷芯盒法-酚醛-脲烷/胺法 3）三乙胺法制芯工艺流程混砂射砂后硬化取芯洗涤吹气 3.5. 2 气硬冷芯盒法-酚醛-脲烷/胺法 4） 冷芯盒工艺具有以下优点：l 无须加热/ 瞬时固化，生产率高/l 工装容易维修，工装使用成本低且寿命长/l 适应性广/芯砂流动性好，砂芯表面质量好/尺寸精确/l 5min后砂芯可浇注/砂芯溃散性好/l 大大改善作业环境并消除工人热疲劳/ 3.5. 2 气硬冷芯盒法-酚醛-脲烷/胺法3.5.3 自硬冷芯盒法制芯（型）1）概述 将原砂、液态树脂及液态催（固）化剂混合均匀后，填充

10、到芯盒(或砂箱)中，稍紧实即于室温下在芯盒(或砂箱)内硬化成形，叫自硬冷芯盒法造芯，简称自硬法造芯(型)。 基本配方（ ，质量分数）如下： 原砂(再生砂）：100 树脂粘结剂：0.82.5 催（固）化剂：占树脂的质量分数10 60 附加物：少量或微量3.5.3 自硬冷芯盒法制芯（型）1 1）概述）概述l呋喃树脂是以糠醇为主，配以甲醛、苯酚、丙酮或尿素等合成的，它是以用酸催化的粘结剂。l其结构以呋喃环为主，在结构链中有相当高浓度羟甲基团（CH2OH）存在，并有次甲基桥（CH2）作为链节间的主要化学键。它是低聚合度的缩聚树脂。 2 2）呋喃树脂砂）呋喃树脂砂3.5.3 自硬冷芯盒法制芯（型）呋喃环

11、呋喃环次甲基桥次甲基桥脲醛呋喃树脂具有强度高、韧性好、毒性小、价格便宜、应用范围广等特点,是应用量最大的一类树脂。呋喃树脂硬化反应的机理l主要链节组分为： l在酸作用下，主要发生两种类型的反应：羟基与羟基或活性氢原子之间的失水缩聚，以及呋喃环破裂然后进一步加成聚合的反应。3.5.3 自硬冷芯盒法制芯（型）2 2）呋喃树脂砂）呋喃树脂砂3.5.3 自硬冷芯盒法制芯（型）StrippingPouring possible afterthis timeThis slopevaries withcatalyststrengthVibrating after filling T/10 T 3T to 5T minimum Time硬化曲线硬化曲线可浇注阶段脱模时间操作时间斜率随催化剂不同而不同2 2）呋喃树脂砂）呋喃树脂