简述制芯工艺.docx
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简述制芯工艺
简述制芯工艺
一、概述
砂芯主要用来形成铸件的内腔、孔洞和凹坑等部分,在浇注时,它的大部分或部分表面被液态金属包围,经受铁液的热作用、机械作用都较强烈,排气条件也差,出砂、清理困难,因此对芯砂的性能要求一般比型砂高。
二、植物油砂
采用干性油和靠近干性油的半干性油作油砂粘结剂。
干性油含不饱和脂肪酸,其加热硬化机理一般认为是氧化聚合的结果。
常用的植物油有,桐油、亚麻油等。
烘干温度一般以200~220℃为宜。
如需缩短烘干时间,可将温度提高到250℃,但不能超过300℃,否则粘结性能将被破坏。
三、合脂粘结剂及合脂砂
(一)合脂粘结剂
合脂是合成脂肪酸蒸馏残渣的简称,是从炼油厂原料脱蜡过程中得到的石蜡,制皂工业再将石蜡制取合成脂肪酸时所得的副产品。
合脂砂的烘干湿度范围比油砂宽些,但是最适宜范围仍是200~220℃之间。
合脂粘结剂的加入量一般为砂质量的2.5~4.5%,过多,强度增加不显著,而发气量明显增大,粘膜加重,蠕变加大,出砂性变差。
存在的问题:
1.湿强度低
合脂砂的湿压强度只有2.0~2.5kPa。
比植物油砂还要低。
加入膨润土或者含泥量高的天然粘土砂可以提高湿强度。
2.砂芯蠕变
合脂砂湿强度低,合脂本身在常温下粘度大,芯砂流动性差,造芯时不易紧实;因此合脂砂芯在湿态和烘干过程中易发生蠕变,即逐渐往下沉。
在冬天,合脂变得更加粘稠,蠕变现象就更为严重。
可采用加入膨润土和高温入炉烘干硬化的方法来减少蠕变的缺陷。
四、壳芯(型)
(一)壳芯(型)的制造
1940年,Johannes Croning发明用热法制造壳型,称为“C”法或“壳法”,此法不仅可用于造型,更主要的是用于制造壳芯。
该法用酚醛树脂作粘结剂,配制的型(芯)砂叫做覆膜砂像干砂一样松散。
其制壳的方法有两种:
翻斗法和吹砂法。
壳法造型、造芯的优点是混制好的覆膜砂可以较长期贮存(三个月以上);无需捣砂,能获得尺寸精确的型、芯;型、芯强度高,质量轻,易搬运;透气性好,可用细的原砂得到光洁的铸件表面;无需砂箱;覆膜砂消耗量小;型、芯可以长期贮放。
尽管酚醛树脂覆膜砂价格较贵,造型、造芯耗能较高,但在要求铸件表面光洁和尺寸精度甚高的行业仍得到一定应用。
通常壳型多用于生产液压件、凸轮轴、曲轴以及耐蚀泵件、履带板等钢铁铸件上:
充芯多用于汽车、拖拉机、液压阀体等部分铸件上。
(二)壳型砂用原材料及混制工艺
(1)酚醛树脂
壳法采用热线塑性酚醛树脂。
它是在苯酚过量(通常苯酚与甲醛的物质的量之比为1:
0.75~0.85)及温度在105℃以下缩合制成的。
常用的硬化剂为乌洛托品,学名六亚甲基四胺,即(CH2)6N4,其加入量一般占树脂质量的10~15%。
(2)原砂
壳法一般采用硅砂,对于表面质量要求很高的铸件,特别是壁很厚实、易产生粘砂的铸钢件,也常使用鋯砂、铬铁矿砂。
(3)附加物
为了改善覆膜砂的性能,有时在覆膜过程中加入某些附加物。
例如加人硬脂酸钙(为砂量的0.25~0.35%),可防止覆膜砂存放期间结块;增加覆膜妙的流动性,制壳时易于顶出等。
加入石英粉(加入量为砂质量的2%左右),可提高覆膜砂的高温强度。
(4)覆膜砂混制工艺
酚醛树脂覆膜砂一般以原砂为 100(质量比),酚醛树脂加入量为:
对于壳型是3.5~6.0,壳芯是1.5~4.0,另加入乌洛托品和硬酯酸钙。
覆膜砂的混制工艺可分为冷法、温法和热法三种。
其中热法是一种适于大量制备覆膜砂的方法,需要专门设备。
混制时一般为先将加热到130~160℃的砂加到间歇式混砂机中,再加树脂混匀,熔化的树脂包在砂粒表面,当砂温降到105~110℃时,加入乌洛托品水溶液,吹风冷却,再加入硬脂酸钙混匀,经过破碎、筛分备用。
五、热芯盒法制芯
热芯盒法制芯,是用液态热固性树脂粘结剂和催化剂配制成的芯砂,填入加热到一定温度的芯盒内,贴近芯盒表面的砂芯受热,其粘结剂在很短时间即可缩聚而硬化。
而且只要砂芯的表层有数毫米结成硬壳即可自芯盒内取出,中心部分的砂芯利用余热和硬化反应放出的热量可自行硬化。
它为快速生产尺寸精度高的中小砂芯(砂芯最大壁厚一般为50~75mm。
)提供了一种非常有效的方法,特别适用于汽车、拖拉机或类似行业的铸件生产。
(1) 热盒法用粘结剂
热芯盒用的树脂有呋喃树脂和酚醛树脂,大多数是以尿醛、酚醛和糠醇改性为础的一些化合物,根据所使用的铸造合金及砂芯的不同以及市场供应情况,进行树脂的选择。
常用的呋喃树脂有:
1)脲呋喃(UF/FA)树脂;
2)酚呋喃(PF/ FA),树脂此类树脂不含氮,或含极少量的氮,主要用于制造铸钢和球墨铸铁件,硬透性较尿呋喃树脂稍差。
我国的呋喃一2型热芯盒树脂属于这类树脂中的一个品种;
3)脲-酚呋喃共聚物(UF/ PF/FA),含氮高的这类树脂主要用于铸铁件.也可用于有色合金铸件。
(2) 热芯盒法硬化用催化剂
国内对呋喃-1型树脂砂最常用的催化剂是氯化铵和尿素的水溶液,其配比(质量比)为氯化铵:
尿素:
水=l:
3:
3。
(3)热芯盒法砂的工艺性能及树脂砂的配制
热芯盒法可以使用任何干净、干燥的原砂。
要求砂芯有较好的透气性时,可选用稍粗的原砂;对铸件内表面要求很光洁的,可选用较细的原砂。
热芯盒砂可用一般碾轮式混砂机混碾,混制工艺如下:
干砂十附加物—→加催化剂—→加树脂粘结剂—→出砂
热芯盒制芯工艺通常采用射芯机射芯,呋喃Ⅰ型树脂砂的固化温度在140~250oC之间,芯盒温度保持在200~250OC较适宜。
一般几十秒即可从芯盒中取出砂芯。
六、气硬冷芯盒法制芯
气硬冷芯盒法制芯是将树脂砂填入芯盒,而后吹气硬化制成砂芯。
根据使用的粘结剂和所吹气体及其作用的不同,而有三乙胺法、SO2法、酯硬化法、低毒和无毒气体促硬造芯法等方法。
(一)三乙胺法
此法为美国Ashland油脂化学公司研制成功,1968年开始向铸造厂推广并取得应用,国外常称1socure法,或称酚醛一尿烷冷芯盒法,我国叫三乙胺法。
粘结剂由两部分液体组成:
组分Ⅰ是酚醛树脂,组分Ⅱ为聚异氰酸酯。
催化剂为液态叔胺,可用三乙胺[(C2H5)3N](TEA)、二甲基乙胺(DMEA)、异丙基乙胶和三甲胺[(CH3)N3](TMA),造芯时,其工艺过程如图2所示。
填砂后向树脂砂中吹入催化剂气雾(压力0.14~0 2MPa)便能在数秒至数十秒内硬化,达到满足脱模搬运的强度。
采用三乙胺法造芯时,原砂采用干净的AFS细度50~60的硅砂,也可使用锆砂、铬铁矿砂。
原砂必须干燥,水分超过0.l%(质量分数),就会减少芯砂的可使用时间,降低砂芯抗拉强度。
典型的芯砂配方是树脂粘结剂占砂质量的1.5%,由等质量的组分Ⅰ和组分Ⅱ构成。
(二)SO2法
SO2法是继三乙胺法之后开发的一种新型吹气冷芯盒制芯和造型方法,用于铸造生产始1978年,近些年来又开发了一些新型SO2法。
1、呋喃树脂/SO2法
此法在 1971年由法国 SaPic公司取得专利权,称Sapici法,直到1978年才用于生产,欧洲大陆称Hardox法,英国称SO2-Fast法,美国叫Insta-Darw法。
其造芯工艺过程类似三乙胺法。
SO2许多优点胜过其他方法,因此从钢铁到有色合金均有应用。
其主要优点如下;①热力度高,使铸件的尺寸精度和表面质量高(高于三乙胶法):
②出砂性优良,对给镁合金也极易出砂;③树脂砂有效期特别长,混好的砂不接触SO2气体,决不会硬化;④发气量是有机粘结剂中最低的;⑤强度发展快。
SO2的缺点也很明显,例如:
①树脂中游离糠醇汽化易使芯表面结垢;②低碳钢芯盒用于砂芯大量生产时,锈蚀是一个严重问题;③SO2泄漏,将引起严重环境问题;④过氧化物为强氧化剂,易燃烧,要妥善保管。
2、环氧树脂SO2法
环氧树脂SO2法于19 8 3年用于生产。
此法与呋喃-SO2法比,芯砂的可使用时间更长(可达5天),而且基本解决了芯盒结垢和粘模问题,很适合大量生产。
环氧树脂SO2法有效地克服了呋喃一SO2法的大部分缺点,但是用于钢铁铸件时,由于易产生冲砂和夹砂,因此需涂敷耐火涂料;浇注系统应有助于平稳层流。
当使用水基涂料时,建议在低于81oC温度下烘干。
3、自由基硬化法
自由基硬化法用于铸造生产始于1982年。
此法采用三种组分组成的液态粘结剂,包括:
①丙烯基聚氨酯树脂;②少量有机氢过氧化物引发剂(用来激发自由基聚合)③用来提高抗拉强度、延长砂芯保存期的乙烯基硅烷增强剂。
此法用氮稀释的SO2气体促进硬化。
粘结剂的加入量通常为0.9~1.8%。
所用树脂混合物的典型组成是95%的粘结剂、3%的增强剂和2%的过氧化物引发剂。
催化剂气体由1~10%(典型的为2%)的 SO2和情性气体载体(氮)所组成。
每吨芯砂约需 SO2 0.45kg。
用干燥空气或氮清洗是为了充分分散S02气体催化剂,并使SO2随后从硬化好的砂芯或砂型中排出。
(三)乙缩醛硬化法(红硬法)
乙缩醛硬化法又称红硬(red-set)法,这是因为该法用树脂砂硬化后变成粉红色而得名。
此法是由原联邦德国开发的,粘结剂是三级分体系。
组分1是树脂,是一种具有高反应的甲阶酚醛树脂水溶液,不合游离酚,含游离甲醛少于0.l%:
组分2是活化剂,是不同类型的磷酸在无机酸中的浓缩水溶液;组分3是硬化剂,常用乙缩醛。
此法所配树脂砂在二周内使用仍有好的强度。
硬化时需要的乙醛量理论上占组分40%,实际为60~100%。
所制出的砂芯(型)有好的抗吸湿性,砂芯有强的抗毛刺能力。
但这一方法不宜采用橄榄石砂,高耗酸值砂也减慢硬化过程。
此法的工艺较复杂,对工艺参数要求严格,成本较高,价格为三乙胺法的2~3倍。
树脂自硬砂
将砂子、液态树脂及液态催化剂混合均匀后,填充到芯盒(或砂箱)中,稍加紧实、即于室温下在芯盒(或砂箱)内硬化成型,叫自硬冷芯盒法造芯,简称自硬法造芯(型)。
自硬法可大致分为酸催化树脂砂自硬法、尿烷系树脂砂自硬法和酚醛一脂自硬法。
树脂自硬砂不仅用于造芯,亦用于造型,特别适用于单件和小批量生产,可生产铸铁、铸钢及有色合金铸件。
其主要优点是;①提高了铸件的尺寸精度,改善了表面粗糙度;②节约能源,节约车间面积;③砂中的树脂的质量分数,由早期的3~4%降到了0.8~1.2%,这是通过对原砂的处理及对树脂、催化剂、混砂设备、工艺等方面进行改进得到的,从而降低了成本;④大大减轻了造芯、造型、落砂、清理工人的劳动强度,便于实现机械化;⑤旧砂可再生,有利于防止二次公害。
(一)酸催化树脂自硬砂
(1)酸催化树脂自硬砂用的树脂
常用粘结剂为呋喃树脂和热固性酚醛树脂。
也有采用酮醛树脂与糠醇的混合物(AR/FA)、糠醇—甲醛聚合体(FA/F)、糠醇与其他活性化合物的混和物(FA/C)。
糠醇含量越高,氮和水的含量会愈低,粘结剂的质量也愈好,但价格也高。
(2)酸催化树脂自硬砂用的催化剂
通常自硬法用催化剂应符合以下要求:
①保证改工艺过程带所规才的硬化速度和强度;②具有低的粘度的液体,不产生沉淀;长期贮存时,性能不变;③如冬季运输引起冷凝,随后加热熔化,性能可回复;④价格合理,经济。
(3)可使用时间和脱模时间
可使用时间是指自硬树脂砂混砂后能够制出合格砂芯的那一段时间。
脱模时间是指从混砂结束开始,在芯盒内制的砂芯(或未脱模的砂型)硬化到能满意地将砂芯从芯盒中取出(或脱模),而不致发生砂芯(或砂型)变形所需的时间间隔。
影响可使用时间、脱模时间的因素很多。
实验表明,所采用的原砂、树脂、催化剂的类型、质量和加入量、混砂工艺、环境温度和湿度,均对可使用时间和脱模时间有明显的影响,影响最大的为环境温度和催化剂加入量。
当催化剂量相同,室温不同时,温度低时可使用时间长;温度高时可使用时间短。
其趋势是温度每增加10oC,可使用时间缩短1/2-1/3。
室温相同时,催化剂入量减少,可使用时间明显增长;催化剂增多,可使用时间缩短,但是催化剂加入量超过一定范围后,可使用时间变化不大,但对脱模时间影响显著,温度变化也明显影响脱模时间,其趋势是每增加5 oC,脱模时间缩短1/2-1/3。
(4)混砂工艺
合理地选用混砂机,采用正确的加料顺序和恰当的混砂时间有助于得到高质量的树脂砂。
混砂工艺如下:
混砂 混砂
砂十催化剂——→树脂——→出砂
砂和催化剂的混合时间的确定,应以催化剂能均匀地覆盖住砂粒表面所需的时间为准。
太短了混合不匀,树脂强度低,个别地方树脂砂型硬化不良或根本不硬化;太长了,影响生产率和使砂温上升。
树脂加入后的混拌时间也不能过短(混拌不均)和过长(砂温升高,可使时间变短),混拌时间一般通过实验确定。
(二)自硬尿烷树脂砂
自硬尿烷树脂砂有不同的品种。
(1) 醇酸油尿烷树脂砂(Linocure法)
这种方法是1965年左右由美国Ashland化学公司开发的,称为Linocure法。
这种工艺采用的粘结剂由三部分组成,即组分I—油改性醇酸树脂;组分II—液态胺/金属催干剂,常用的催干剂为有机酸的金属皂类催干剂;组分III——聚MDI型异氰酸酯。
三种成分均为液体,其中I和II是主要成分。
组分I的加入量占砂质量的l~2%;组分III加入量为组分I的18~20%;组分II为用来达到预定的可使时间和脱模时间,加入量为组分I的2~10%,可单独加入,也可预先接入组分I内。
(2) 多元醇尿烷树脂砂
它是在70年代末期开发的,特别适用于铝、镁和其他轻合金铸造厂。
组分1是一种具有良好热溃散性的多元醇,组分II是MDI型异氨酸酯,组分正是胺催化剂。
当组分1和组分II的质量比为50:
50时可得到最好结果。
组分III一般不用,脱模时间从8min到超过1h,但也可用组分见来控制脱模时间,有时可快达3min。
粘结剂加入量对于轻合金来说为砂质量的0.7~1.5%。
(3) 酚醛尿烷树脂砂(Pep-set法)
这种工艺于1970年开始用于铸造,国外称Pep-set法,采用的粘结剂由三部分组成,即苯基醚酚醛树脂—组分I,聚异氰酸酯—组分II,胺催化剂—组分III。
三种成分均为液体。
组分I和组分II之比常采用50:
50,或为了减少含氮量而采用6O:
4O。
这两种成分的总加入量为砂质量的1.4~1.6%。
催化剂用于调整树脂砂的硬化速度,其加入量为组分I质量的l~5%。
混制方法如下:
先把酚醛树脂与催化剂混合,使催化剂均匀地分散在树脂中。
混砂时再把含有催化剂的酚醛树脂和聚异氰酸酯依次加到砂中。
最好使用高效混砂机。
(三)酚醛-酯自硬砂
酚醛-酯自硬砂低氮或无氮,在混砂、浇注时气味和烟雾少,自1981年开始推广以来,已逐步获得较多的应用。
(1)树脂的性能
酚醛一酯自硬法用树脂的粘度与酸催化酚醒自硬树脂相似。
在室温下的保存(储存)期约为4~6个月。
(2)酯催化剂
用于这种粘结剂的催化剂为一系列的液态酯,它不能取代通常的自硬法用酸催化剂,也不能同它们混合在一起。
尽管这种酯催化剂具有弱酸性,但它们不能同呋喃和酚醛用酸催化自硬的磺酸相容。
脱模时间取决于所用酯催化剂的类型,催化剂加入量和砂子的温度。
(3)混砂
当采用间歇式或连续式混砂机混砂时,象酸催化法一样,首先加入酯催化剂组分,直到完全包覆砂子后再加入树脂组分。
(4)使用情况
原砂中的粘结剂的典型质量分数为1.5~2%,催化剂占树脂质量的20~25%。
这一方法采用各种各样的石英砂、铬砂、锆砂都合适,特别是橄榄石砂。
树脂和催化剂都是水溶性的,一些地方即使粘附了未受催化剂作用的树脂砂,也易清洗掉。
在树脂加入量差不多的条件下,酯硬化砂的实际强度没有酸催化的树脂砂和尿烷自硬的高。
不过当采用通常的1.5~2%(质量分数)的加入量时,一般已足够适合生产优质低碳钢、不锈钢、球铁、灰铁、青铜和铝铸件。
由于此法不含硫,它能很好地用于那些因吸收硫会出现问题的钢种的生产。
酯硬化酚醛自硬法的一个特殊优点是降低脉纹缺陷。
其他自硬酚醛铸型,在浇铸过程中,在铸型——金属界面会出现裂纹,而此法在浇注过程中,表层出现可避免开裂的短暂的热塑性阶段,然后再变成刚性并清散,因而可得到无脉纹缺陷的光洁铸件。
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