樹脂砂

樹脂砂是指以人工合成樹脂作為砂粒的粘結劑的型砂或芯砂。用樹脂砂製成鑄型或型芯後，通過固(硬)化劑的作用，樹脂發生不可逆的交聯反應而固化，從而給予鑄型或型芯以必要的強度。

基本介紹

• 中文名：樹脂砂
• 外文名：resin sand
• 功能：提高鑄件質量等
• 缺點：黏結劑價格昂貴等
• 套用：汽車工業等
• 學科：機械術語

簡介

各種人工合成的樹脂，其物理性能和化學性能與天然樹脂相似。樹脂由兩種或多種較為簡單的化合物縮聚而成，通常要脫除水分，以形成單一的分子。典型的反應是苯酚或尿素與甲醛的縮合反應，分別製得酚醛樹脂或脲醛樹脂。

現代鑄造生產中廣泛使用樹脂砂作型(芯)砂。以樹脂為黏結劑的型(芯)砂主要有熱法覆膜樹脂砂、熱芯盒樹脂砂、冷芯盒樹脂砂、呋喃樹脂砂、I呋喃樹脂自硬砂等。樹脂砂硬化後強度高，特別適合於機器造型，能制出複雜、薄壁鑄件。

樹脂砂的缺點是黏結劑價格昂貴，對空氣有污染。為節約樹脂用量，一般採用經水洗或擦洗處理過的純淨圓形砂粒的原砂。樹脂砂常選用粒度組別為15、21的原砂。

固化工藝

樹脂砂的固化方式要符合樹脂的特點及具體的鑄造工藝的要求。固化方式是可以選擇的，也可以根據具體情況加以發展，但一般為以下三種方式。

(1)自硬

樹脂和固(硬)化劑均在混砂時加入。造型或制芯後，樹脂在固(硬)化劑的作用下逐漸反應而自行固化，鑄型或型芯也就逐步獲得所需的強度。固化的速度可由固(硬)化劑的種類及其加入量來控制。

由於混好的砂要立即用掉，這種方式較適用於製造鑄型和較大的型芯，而且多用於小批量生產。

樹脂自硬砂製成的鑄型和型芯，一般要經過數分鐘或數十分鐘後起模，起模以後仍有一繼續固化的過程。

(2)加熱固化

混砂時加入樹脂和常溫下不起作用或作用微弱的潛伏固化劑。用此種樹脂砂製造鑄型或型芯後，一經加熱，潛伏固化劑就起作用，從而使樹脂固化。

(3)吹氣(霧)固化

固化劑不在混砂時加入。造型或制芯後，吹入氣態固化劑或霧化於氣體介質中的液態固化劑，使其彌散於鑄型或型芯中，從而使樹脂發生交聯反應。採用此種方式時，不吹氣霧，樹脂砂是不會固化的，混成砂可存放較長的時間。吹氣霧時，固化極快，一般只需吹幾秒鐘。採用這種方式生產時，生產率極高，因其較適用於製造批量較大的型芯，故一般通稱之為“冷芯盒”法以區別於上述的“熱芯盒”法。

效益

樹脂黏結劑之所以能很快在世界範圍內迅速發展，是由於其能給鑄造行業帶來顯著的效益，既可以提高鑄件質量，又可以降低生產成本。

1．提高鑄件質量。與一般的砂型鑄造相比，用樹脂砂生產的鑄件，鑄件質量會有當大有改善，這往往是鑄造廠採用樹脂砂的主要著眼點。鑄件質量的提高主要在於：

(1)尺寸精度提高、輪廓清晰。採用樹脂砂，無論是造型還是制芯，都在硬化到一定程度後才脫模。雖然脫模後還有一繼續硬化的過程，但脫模時鑄型或砂芯的強度比黏土砂型或油砂芯高得多，在脫模過程及此後的搬運、烘乾、合型過程中均不致變形。因而，鑄型和砂芯都能較準確地再現模樣的尺寸和表面特徵。

另外，樹脂砂鑄型的剛度高，而且，澆注金屬液後無水分遷移現象。故在澆注及金屬凝固的整個成形過程中，基本上不致有型壁運動，鑄件尺寸的波動較小。

鑄件的尺寸精度。按我國現行鑄件尺寸公差標準或ISO相應的標準，一般都比用黏土砂型和油砂芯製得者高1～2個等級。再加以制芯中心等高精度裝備的套用，才使汽車用鑄件的輕量化、薄壁化成為可能。

(2)鑄件的表面質量提高。樹脂在高溫下發生熱解，從而在砂粒表面形成光亮碳，並在鑄型一金屬界面上造成還原性氣氛，這對減輕鑄件表面的氧化，細化鑄件表面粗糙度大有裨益。在原砂粒度及粒度分布相同的條件下，用樹脂作黏結劑的鑄型，製得的鑄件表面粗糙度較細。

鑄件表面質量提高，還可使清理工時縮短，這對降低成本和改善勞動條件都有重要的作用。

(3)生產鑄鐵件時鑄件的緻密度改善。用黏土濕砂型製造鑄鐵件時，由於鑄鐵的收縮前膨脹。使鑄型產生型壁運動，此後凝固過程中的體積收縮得不到補充，因而鑄件將有枝晶疏鬆。甚至會產生縮孔。

用樹脂砂造型，鑄型的剛度高，鑄鐵發生收縮前膨脹時，難以使鑄型擴大，結果，迫使仍為液態的金屬填充枝晶間的空隙，枝晶問疏大為減輕，也不傾向於產生集中縮孔。因此，鑄件的緻密度較用黏土砂濕型製造者高。

與此有關的是，用樹脂砂時，小型鑄鐵件一般可不必設定補縮冒口，鑄件的工藝出品率可提高5%～15%。

2．縮減基本建設投資、降低生產成本 由於樹脂的價格幾十倍於黏土，如果只計算型砂的成本，而不及其餘，當然會認為採用樹脂砂會導致生產成本增加。但是，如果我們用價值工程的觀點來分析，不斤斤計較於某一具體環節，而著眼於整個生產體系的總效益，則上述結論是否能成立就值得研究了。

(1)基建投資較少。樹脂砂的流動性好，一般只需簡單的振擊台，就能滿足緊實鑄型的要求、與龐大、複雜、高功率的黏土砂造型機相比，設備輕便得多，能耗也少得多。

大量生產芯子所用的自動化的制芯設備，是相當複雜的，和油砂制芯設備相比，投資的差別不啻天上地下，但其生產效率和芯子的尺寸精度都大幅度提高，總體仍然是有效益的。

用樹脂砂造型，砂一鐵比一般都比較低，砂型可以輕量化，而且需要運輸並處理的造型材料的品種減少，因此型砂及鑄型的運輸系統可大為簡化。

由於清理工作量減少，清理鑄件所需的設備減少。

此外，因生產設備簡單、輕便以及勞動生產率的提高，廠房的面積可以大幅度的縮減。

(2)生產費用也不高。雖然採用樹脂自硬砂工藝時基建投資較少，但樹脂價格昂貴，一般都擔心其生產費用將會很高。對這種擔心，不能簡單地視為無益的謹慎，而要根據具體情況，多作具體分析。在進行核算時，要充分考慮與採用樹脂砂有關的降低生產成本的因素。主要有勞動生產率提高，每噸鑄件的能耗降低，舊砂再生後可回收85%～95%，鑄件的工藝出品率提高、金屬損失減少等。這還未包括提高鑄件質量所帶來的經濟效益。

發展

第二次世界大戰期間，德國的J.Croning發明了用酚醛樹脂作為粘結劑的殼型鑄造工藝。戰後此項專利公開，立即受到了普遍的重視。到了20世紀50年代，各工業國幾乎都開始採用此工藝。

20世紀50年代後期，歐洲開始採用由酸性液體催化劑固化的呋喃和酚醛自硬樹脂砂，美國大約在1958年前後也正式在生產中使用。

20世紀60年代前後，為適應汽車工業的大發展，出現了呋喃樹脂熱芯盒法，其生產周期由油砂型芯的幾個小時縮短到幾分鐘。而且，因為是在芯盒內固化後再起模，型芯的尺寸精度大為提高。雖然其工藝的耗能較多，且工作場地的氣味較大，但這一工藝很快就在世界各國的汽車工業中廣泛使用。

1965年，酚脲烷自硬樹脂砂用於工業生產。

20世紀60年代中期，歐洲及美國開始研製用於自硬工藝的甲階酚醛樹脂，以期部分代替價格較高的呋喃樹脂，至20世紀70年代後期，這種樹脂粘結劑有了較大的發展。

為克服熱芯盒法的缺點，鑄造行業即著手研究冷芯盒法。1968年酚脲烷樹脂冷芯盒法問世。採用此種工藝時，芯盒不必加熱，只需幾秒鐘就可使型芯固化。

1970年，出現了第二代的酚脲烷樹脂，這就是三種組分的自硬酚脲烷樹脂系統(PEP SET)。

1975年，法國開發了吹二氧化硫氣體固化的呋喃樹脂冷芯盒法，這是套用呋喃樹脂的一大進步。從此，呋喃樹脂不僅可用於小批量生產的自硬工藝，也可用於大量生產的吹氣固化工藝，固化時間也只要幾秒鐘。20世紀80年代以來，此工藝在歐洲及美洲都有一定的發展。

1976—1978年，因天然氣短缺，熱芯盒法受到能源的限制，又加之熱芯盒法的一些其他缺點(如氣味大)日益難以為人們所接受，因而出現了溫芯盒法。

在室溫下固化的自硬樹脂砂工藝和冷芯盒工藝是造型、制芯工藝在20世紀的一項重大技術突破，在短短的30年中，尤其是在20世紀70年代，世界先進工業國家的一些傳統生產工藝和工藝裝備迅速被樹脂砂技術取代，勞動生產率、鑄件精度和質量都有了明顯地提高。

但是上述樹脂砂在混砂、制芯、造型、澆注時產生有害氣體和難聞的氣味以及某些工藝和合金方面的缺點，促使鑄造界一直在尋求低毒或無毒樹脂砂技術。隨著世界各國勞動衛生和環境保護法規的日趨嚴格，上述問題就越加嚴重。

1982年美國Ashland公司推出了自由基固化法，在採用不飽和聚酯樹脂的基礎上，可使吹氣固化的時間縮短到零點幾秒鐘，而且所用的固化氣體是氮和二氧化硫的混合氣體，二氧化硫的濃度只有5%左右。

1982年，在英國鑄鋼研究與貿易協會(SCRATA)年會上，波頓(Borden)公司首次發表了已獲專利的酯固化鹼性酚醛自硬樹脂砂技術，為解決勞動衛生和環境污染問題推出了一種低毒樹脂砂技術。

1983年環氧樹脂S02吹氣固化法問世。

1984年，在英國鑄造學會(IBF)第81屆年會上，波頓公司又發表了酯固化鹼性酚醛樹脂冷芯盒工藝技術。

波頓公司的低毒樹脂砂技術一問世立即受到鑄造界的廣泛重視，經過三年工業套用，d-set法和B-set法在勞動衛生和環境保護上的明顯優勢和優良的工藝性能受到了歐美鑄造界的廣泛承認和接受。

與樹脂發展的同時，相應地發展了有關的工藝設備。完全按樹脂砂特點設計的各種新型混砂機，砂溫控制裝置，舊砂再生裝置，造型及制芯設備等相繼問世，並不斷有所改進。

由於樹脂砂的套用，很大程度上改變了鑄造生產(特別是單件小批量生產)車間和制芯車間的面貌，它已被各國公認為未來發展的方向。美國、日本和瑞士等國已經採用樹脂自硬砂鑄造出單件達幾十噸或上百噸的鑄件。世界各國汽車鑄造廠都已採用樹脂砂制芯，型芯最薄處達2mm，鑄件最薄壁厚可達3.5mm。

我國20世紀50年代中期研究過覆膜砂，20世紀60年代開始套用熱芯盒，20世紀70年代末、80年代初研究開發呋喃樹脂自硬砂的成套工藝技術，但廣泛採用樹脂砂還是改革開放以來隨著鑄件出口的增加和確定機械、汽車作為支柱產業的近20年間。