铸造工艺学第3章课件

1、第3章 有机化学粘结剂砂 油类粘结剂包括植物油和矿物油两大类，以此为粘结剂的芯砂称为油砂，曾经用于生产形状复杂、断面细薄、要求强度高和溃散性好的砂芯。1.植物油砂（1）植物油类的组成 植物油是脂肪酸甘油酯，由三个脂肪酸（R-COOH）分子和一个甘油C3H5(OH)3分子构成，其中三个脂肪酸成分可以不同，它们决定着各种植物油的特性。铸造生产中使用的植物油主要是由几种不饱和脂肪酸构成的混合甘油酯，如桐油、亚麻油等，分子结构式如下：第一节 油砂（2）植物油类粘结剂的硬化机理 油类粘结剂硬化过程是通过氧化聚合反应使油类分子从低分子转变为高分子的过程，大致经历以下三个阶段：1）预热阶段2）氧化阶段3）聚

2、合阶段 植物油硬化反应需具备以下几个条件：合适温度，温度过高，植物油将燃烧和分解；充足氧气，供氧越充分，硬化反应的速度越大，硬化后强度也越高；植物油分子中必须含有双键，且双键越多，氧化反应越迅速、完全。（3）影响植物油砂性能的主要因素1）加入量及粘度2）原砂 3）添加物 4）配制与烘干工艺2.合脂砂（1）合脂粘结剂组成 合脂的组成很复杂，主要含有不溶物（羟基酸及分子量较大的缩聚物）、脂肪酸混合物（高碳脂肪酸及某些脂）、不皂化物（中性氧化物和少量的未氧化石蜡）。（2）粘结剂的硬化机理 合脂加热硬化反应是由低分子化合物转变成高分子化合物的过程。 硬化过程中除少量的不饱和脂肪酸在烘干过程中发生氧化聚

3、合外，起主要作用的是羟基酸之间的羟基团和羧基团进行的缩聚反应。（3）合脂砂的性能及影响因素 合脂砂的湿强度比植物油砂还要低，一般只有2.54 KPa，存在湿强度低、砂芯蠕变、粘模及流动性差等缺点。可以通过加入膨润土、糊精等添加剂改善湿强度；使用糊精等添加物、芯骨及成型托板等工艺可减少砂芯的蠕变现象；加入稀释剂及少量的植物油可提高合脂砂的流动性；利用脱模剂来克服粘模的现象。 合脂砂的烘干温度范围比桐油砂稍宽，最佳烘干温度范围也在200220之间。砂芯烘干后，随着芯子冷却，干拉强度逐渐升高，故合脂砂在冷却前不应搬动。 合脂砂的发气量和烘干温度有关，烘干温度低发气量大，烘干温度高发气量小。当烘干温度

4、超过200，合脂砂的发气量甚至比桐油砂还低，合脂粘结剂与油类粘结剂一样，高温下会发生分解和燃烧而很快失去强度。因此，合脂砂的退让性和出砂性均十分良好，大体与桐油砂类似。 自硬树脂砂可以分为酸硬化树脂自硬砂、脲烷系树脂自硬砂和酚醛酯自硬化砂三种。其特点是：（1）提高了铸件精度和表面质量，减轻造型、制芯、清理环节劳动强度；（2）型（芯）硬化无需烘干，节省能源；（3）树脂加入量少，原材料综合成本低；（4）生产效率低，工艺过程受环境的温度、湿度影响大。 采用自硬砂生产的典型铸件如图3-1和图3-2所示。第二节 树脂自硬砂1.酸硬化树脂自硬砂 酸硬化树脂自硬砂的配比由原砂、粘结剂、硬化剂及添加剂等组成。

5、 常用粘结剂有呋喃树脂系或热固性酚醛树脂系。呋喃树脂是糠醇与脲醛、酚醛、甲醛共聚（缩聚）而成的树脂。 酚醛树脂系的优点是：无氮（或少氮），成本低，高温强度好，原材料来源广。缺点是：树脂保存期短，对温度敏感，混砂和制芯工艺性能不如呋喃树脂，需用磺酸类硬化剂。 添加剂是为了改善树脂自硬砂的某些性能而加入的，常见的添加剂及作用见表3-1所列。2.脲烷树脂自硬砂 脲烷树脂自硬砂有酚醛脲烷树脂砂、多元醇脲烷树脂砂、醇酸油脲烷树脂砂等多个类型。（1）酚醛脲烷树脂砂 该方法采用三组分的粘结剂，即组分为苯基醚酚醛树脂（PEP），组分为聚异氰酸酯，组分为叔胺催化剂。三种成分均为液体。（2）醇酸油脲烷树脂砂 此工

6、艺中采用的粘结剂也由三部分组成，即组分为油改性醇酸树脂；组分为液态胺/金属催干剂，如环烷酸钴和环烷酸铅液；组分为聚MDI型异氰酸酯。（3）多元醇脲烷树脂砂 其粘结剂也是多组分体系，组分是一种具有良好热溃散性的多元醇，组分是MDI型异氰酸酯，组分是胺催化剂。3 .酯固化碱性酚醛树脂砂 酯固化碱性酚醛树脂是以苯酚和甲醛为主要原料，在碱性条件下缩聚而成的甲阶水溶性酚醛树脂。 这种树脂自硬砂除具有一般树脂自硬砂具有的溃散性好、硬化速度快、易于调整可使时间等特点外，还具有高温性能好、适应性强、使用时无刺激性气体等优点，特别适合铸钢件的铸造生产中，降低铸件皱纹缺陷。但是比强度偏低，加入量较大，因而成本比呋

7、喃树脂砂高。1.壳型（芯）砂及制芯过程 壳型（芯）砂也称覆膜砂，是在造型、制芯前砂粒表面上已覆盖有一层固态树脂膜的砂。与其它树脂砂相比，它具有以下主要特点：1）流动性优良，成型性好、轮廓清晰，能够制造最复杂的砂芯，如缸盖水套芯；2）砂芯表面质量好，致密无疏松，铸件尺寸精度可达CT7CT8级，Ra可达6.312.5；3）砂芯不易吸潮，有利于储存、运输及使用；4）可浇注较薄的铸件，铸件废品率低；5）成本相对较高，价格较贵，难于制造大件，工作环境较差。第三节 壳型（芯）砂 壳型（芯）的制造方法通常有两种，翻斗法和吹砂法。制造壳型一般采用翻斗法，砂粒借重力落到已预热的模板上；制造壳芯则较多地采用吹射方

8、式将砂料送入芯盒，它分为顶吹和底吹两种方法，如图3-3所示。 壳芯法可制造空心砂芯或实体砂芯，如图3-4所示。2.壳型（芯）树脂砂的组成 壳型（芯）法树脂砂由原砂、酚醛树脂粘结剂、固化剂和附加物等组成。（1）原砂 一般采用石英砂，对于表面要求很高的铸件，特别是壁很厚实、易产生粘砂的铸钢件，也常使用锆砂或铬铁矿砂。（2）壳型（芯）砂用粘结剂 壳型（芯）法粘结剂国内外普遍采用线型热塑性酚醛树脂（简写为PF），是由酚类和醛类缩合而成。其中性能最好、应用较广的是甲醛和苯酚缩合而成的高聚物（3）固化剂 当前普遍使用的固化剂是六亚甲基四胺(即乌洛托品)，分子式为(CH2)6N4，加热时分解为氨气和亚甲基(

9、CH2)，使缩聚反应继续进行，直至完全交联。（4）附加物 为了改变壳型（芯）砂的性能，有时加入某些附加物。3.壳型（芯）树脂砂的制备 壳型（芯）树脂砂的混制方法有粉状砂和覆膜砂两种。在壳型（芯）树脂砂刚开始应用阶段，大多采用粉状砂，现在一般都采用覆膜砂。 热法混制覆膜砂时是先将原砂加热到140160，加入树脂与热砂混匀，树脂熔化并包覆在砂粒表面，当砂温降到105110时，加入乌洛托品水溶液(乌洛托品与水的重量比为1：1)，吹风冷却，再加入硬脂酸钙混匀，冷却到30以下，破碎、筛分装袋备用。这种方法生产率高，质量好，由于不消耗溶剂，树脂加入量较少，所以成本较低，适合大规模生产。热覆膜砂的成分配比见

10、表3-2。1.热芯盒树脂砂及特点 热芯盒树脂砂是用液态热固性树脂和固化剂配成的芯砂，填入到具有一定温度（180260）的金属芯盒内，芯砂受热后，砂粒表面粘结剂在很短时间发生缩聚反应而硬化。 图3-5是采用热芯盒法制造的汽车发动机铸件用砂芯。第四节 热芯盒树脂砂2.热芯盒用树脂粘结剂 热芯盒用树脂粘结剂有呋喃树脂和酚醛树脂，近些年国外较多使用酚醛树脂，国内主要用呋喃树脂。（1）脲呋喃(UFFA)树脂 脲呋喃树脂也称为糠醇改性的尿醛树脂，即通常所说的呋喃树脂，为淡黄色到深褐色的粘稠液体，它一般由糠醇、甲醛和尿素在乌洛托品的催化作用下缩合而成。（2）酚呋喃(PFFA)树脂 酚呋喃树脂（PFFA)是用

11、糠醇改性的液态酚醛树脂，即通常所说的呋喃型树脂，由苯酚、甲醛、糠醇三种单体缩合而成，其反应相当复杂。（3）脲酚呋喃共聚物(UFPFFA) 由糠醇、苯酚、尿素和甲醛缩聚而成。3.热芯盒固化剂 热芯盒法使用的固化剂在室温下处于潜伏状态，有利于混合好的树脂砂有较长的可使用时间，一般采用在室温下呈中性或弱酸性的盐，而在加热时激活成强酸，促使树脂迅速硬化。生产中常用的为氯化铵、硝酸铵、磷酸铵水溶液，也有采用对甲苯磺酸铜盐，甚至对甲苯磺酸铵盐。4.热芯盒法存在的主要问题及解决途径 粘结剂中游离甲醛含量高，使用过程中有刺激性气味，加入尿素虽有改善，但仍很严重。解决此问题的关键是开发低游离甲醛含量的树脂，目前

12、已有此类树脂供应。 与热芯盒相比，其优点是：大大减少了甲醛等有害气体的析出，改善工作环境；由于树脂粘度低、使用量少，改善了型砂的流动性；改善砂芯的硬透性，提高砂芯精度，降低能耗等。1.呋喃树脂温芯盒法 实现温芯盒工艺除增加树脂反应活性外，更主要的是采用在较低温度下产生高活性强酸的潜伏性固化剂，如磺酸铜、氯化铜、硫酸基铜盐水溶液或醇溶液，此类催化剂常温下很稳定，80120开始分解，150时达到最佳效能。2.特殊的温芯盒工艺1）真空温芯盒法2）CO2热硬化温芯盒法3）温芯盒壳型法第五节 温芯盒砂 气硬冷芯盒法是指将树脂砂填充于芯盒，在室温下吹入气体硬化而制成砂芯的方法，制芯工艺流程如图3-6，三乙

13、胺法制造的水套砂芯如图3-7所示。第六节 气硬冷芯盒法树脂砂1.三乙胺法 粘结剂：由组分I和组分组成。组分I是特制酚醛树脂，其结构不同于自硬法用热固性酚醛树脂，要求为苯醚型，分子链单体结构如下： 组分为聚异氰酸酯，主要有4，4二苯基甲烷二乙氰酸脂(MDl)，多次甲基多苯基多异氰酸酯(PAPI)两类，我国主要用PAPI。2.SO2硬化法（1）呋喃树脂/ SO2法 该法是基于酸催化呋喃树脂硬化的原理。原砂与偶联剂、树脂粘结剂和过氧化物混合，然后把混好的砂填入芯盒，紧实后，再往芯盒中吹SO2气体，用氮气或干燥压缩空气作载体，压力0.20.3MPa，时间24秒。（2）环氧树脂SO2法 环氧树脂粘结剂由两种组分组成。组分A是改性环氧树脂和有机过氧化物(通常是过氧化氢异丙苯)的混合物。组分B是加有一些丙烯酸改性剂的环氧树脂，用来提高反应性和硬化速度。3.酯硬化酚醛树脂 所用粘结剂由水溶性碱性甲阶酚醛树脂和易挥发成气雾的有机酯组成。酚醛树脂与原砂混合后即可造型，然后将已汽化的有机酯以气体形