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摘要:论述了目前使用较广泛的冷芯盒工艺的一些关键工序 ,参考德国铸造现状 ,着重从冷芯盒的树脂、原砂、混砂工艺、芯盒设计等方面进行了分析。对一些常见的铸造缺陷(例如脉纹) ,以及混制后砂型输送、射芯机制芯个数、型砂存放时间控制等。 近年来 ,冷芯盒工艺在中国铸造工业得以蓬勃发展 ,很多铸造厂已经使用此项技术。现对冷芯盒工艺的一些关键因素进行以下论述。 1冷芯盒树脂和活化剂的化学特征 传统的酚尿烷基冷芯盒法 ,粘结剂由两部分组成 ,为含有机溶剂的聚醚酚醛和聚异氢酸酯溶液。 酚醛树脂和聚异氢酸酯通常用有机溶剂稀释。然而聚异氢酸酯和酚醛树脂的极性不同 ,与这两组分匹配的有机溶剂的最佳加入量也不同。其最佳加入量是既不能使反应进行彻底 ,也不能使粘结剂自行固化。比如适用于酚醛树脂的溶剂不一定适用于聚异氢酸酯 ,这种情况确实如此 ,采用非极性溶剂结果恰恰相反。非极性溶剂为高沸点的芳烃碳氢化合物(通常为 其混合物) ,在常压下其沸点高于 150 ℃,高沸点酯也可作为极性溶剂。尽管聚异氢酸酯对铸造工业有许多优点 ,但与其配用的高沸点极性溶剂在制芯和造型过程中会产生很多挥发物 ,尤其在浇注以后 ,由此带来很多缺点。在高温浇注情况下 ,由于粘结剂热分解产生新的、稳定的新组分。由于芳烃碳氢化合物的存在 ,浇注过程中通常会产生苯、甲苯和二甲苯 ,这些化合物在高温下具有很高的热稳定性。HA 研制的新型冷芯盒树脂的组成却与上述完全不同 ,在树脂和活化剂中 ,采用植物基的菜油甲酯代替高沸点的芳烃溶剂。该溶剂具有沸点高、粘高低、环保、气味小、无污染等优点可以完全满足树脂的各种性能要求 ,特别是其为非易燃品 ,运输和贮存十分方便 ,大大降低了铸造车间的安全隐患 ! 所需的硬化气体为 胺类,按其闪点可分为:DMEA 的闪点 36～38 ℃;DMIA 的闪点 65～68 ℃; TEA 的闪点 87～89 ℃。 2、制芯材料 冷芯盒法多采用石英砂。高质量的石英砂一般含有极少的矿物 ,该类矿物常为:长石 ,云母 ,高岭石 ,碱性金属氧化物和碳水化合物。这些矿物在一定程度上或多或少会影响石英砂的烧结。在冷芯盒法工艺中 ,碱性氧化物和碳化物的存在会严重影响砂的可使用性 ,并且激增催化剂的使用量。高质量的铸造用砂必须具备如下条件:干净、含泥量低、分级和干燥。此外 ,砂子的形状和表面特征对石英砂的质量也是至关重要的。与所有的造型和制芯方法相同 ,砂子的颗粒尺寸对冷芯盒树脂砂的抗弯强度和抗拉强度有较大的影响 ,并且决定粘结剂的加入量。 1、铬铁矿砂 铬铁矿砂的选用条件与石英砂相同。当铸件出现废品 ,如灰铁件产生脉纹等情况下有必要采用铬铁矿砂。脉纹是膨胀缺陷的一种 ,通常由于石英砂的热膨胀过大所至。 2、锆英砂 锆英砂大多来自于澳洲 ,铬铁矿砂和锆英砂通常是用来解决铸造缺陷 ,如脉纹等。当铬铁矿砂和锆英砂应用于冷芯盒工艺时 ,下列条件必须考虑: ①这些砂子会降低芯砂的流动性; ②由于降低了芯砂的流动性 ,所以必须增加射压来达到同样的砂芯紧实度; ③由此降低芯盒的可使用寿命;④降低芯砂的可使用时间; ⑤如果采用铬铁矿砂和石英砂的混合物 ,芯砂的流动性也降低 ,在某些情况下将延长射砂时间(同样适用于锆砂和石英砂的混合物) 。 3、混砂 冷芯盒工艺不仅需要如上所述的树脂、活化剂、催化剂和耐火材料 ,还需要混砂机、射芯机、芯盒、气体发生器以及其他设备 ,以下描述德国铸造企业所普遍采用的混砂原理。混砂的目的是使原砂覆上供硬化的树脂和活化剂。H32 ,AFS46的石英砂的理论表面积为 77 cm2/ g。这意味着 50 kg 这样的石英砂具有的理论表面积为3 850 m2。对应的面积相当于边长为 62. 0 m ×62. 0 m的正方体的面积。简而言之 ,该 3 850 m2的面积必须用 360 mL 的树脂和 360 mL 的活化剂来进行覆膜。 4、转子式混砂机的工作原理 转子或叶片由电机带动 ,由于转子的运动使混合物朝混砂机壁外向运动。该连续运动使砂层朝着混砂机壁运动直至芯砂落入大量砂的中心。混砂效率决定如下因素: ①转子的旋转速度( rpm) ; ②转子顶部的运动速率; ③混砂机叶片的直径与高度的比; ④混砂设备的设计; ⑤混砂设备衬套的状态。 5、运输 在目前的情况下 ,运输仅指将混好的型砂从混砂机运到射芯机。在连续式生产的铸造厂如汽车制造厂 ,运输指自动的地面输送器。然而 ,即便在德国大多数铸造厂也用人工输送 ,输送时间尽可能短 ,既便是射芯机砂斗中的砂也会有可使用时间的问题。 6、混砂机 ,汽化设备 从粘结剂制造商的观点来看 ,射芯机的制芯个数十分重要。应尽可能避免用 25 L 的射芯机来射 1 kg的芯子。否则 ,200 kg 的型砂将要耗用该射芯机大约3 h 的工作时间。在室外温度超过 30 ℃以上时 ,型砂存放 3 h 后 ,将会给砂芯装配带来问题。事实上 ,温度每升高10 ℃,反应速度将加快1 倍。在安装射芯机和汽化设备时常见的一点是安装一只干燥器。众所周知 ,冷芯盒中的活化剂会与空气中的水分发生反应 ,形成聚尿素和 CO2 ,它们产生使砂粒间不能建立稳定的粘结剂链结 ,即砂芯不能达到足够的强度。而且 ,聚尿素的热稳定性很差 ,在浇注时由于热的作用分解出氮 ,影响铸件的质量。 7、冷芯盒的模具材料 模具材料可为木料 ,木料/塑料 ,铝/塑料 ,灰铁 ,铸钢。模具材料的选择取决于芯盒的制芯个数。采用木料和塑料 ,或者最理想的是铝和塑料制作模具 ,可生产批量为 20～1 000 只芯子。在制造模具时选用塑料 ,必须注意所选塑料不能与冷芯盒中的材料起反应。当所生产的芯子数量大于 1 000 只时 ,建议分析制造模具的材料成本。 8、简单的芯盒 根据需要该射嘴可能很大也可能很小。射嘴尽可能大 ,以便在最小的射压下也能将足够多的芯砂射入芯盒 ,大射嘴的其他优点如下: ①延长芯盒的使用寿命(低磨损) ; ②减少芯盒的清理费用; ③减少射嘴下端粘结剂的堆积; ④改善、加快催化剂的渗透(面积大) ; ⑤减少催化剂的用量。 9、展望 冷芯盒工艺在中国铸造工业正得以蓬勃发展 ,目前已有较多铸造企业应用此项技术 ,并且无论在规模还是技术上都非常具有影响。本文着重对冷芯盒工艺的一些关键工序 ,参考德国目前铸造的现状 ,进行一些简单介绍。相信 ,中国的铸造企业将会在铸造的环保、新技术、新工艺等方面作出卓越成就。 |
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