树脂 砂铸造车 问的工艺设计 (2)
叁重垦(机械部设计研究院 北京；1。。 4。 T臼王
从表 8看 ，以 50／70目砂为基础 ，砂粒细 1
级 和 2级 ，比 表 面 积 分 剐 增 加 41．5 和
100．1 ，颗粒数则成倍地增长。砂粒粗 1级和
2级，比表面积分别减少 29．1 和 49．9 ，颗
粒数则分别减少 64．3 和 87．5 。因此在保证
铸件表面粗糙度的条 件下，应尽量增大砂子的
粒度，尽量减少微粒的含量。据 OMCO高桥介
绍，100目以下的含量应控制在 2 ～3 ，150
目以下的要<O．3 。
从图 5所示的曲线看 ，呋喃树脂、硬化剂的
加入量相符 ，气温及砂子级配的比例相同，只有
粒度粗细不一样 ，其中以粒度较粗的 1号 曲线
形成的起模强度的时间短，终强度高，因此在满
足铸件粗糙度及其它工艺要求的条件下，应尽
量采用粒度较粗的级配比例 ，否则要增加树脂
加入量。
基于以上关于砂子表面积的几个主要因素
的分析，抗破碎性能差的原砂 ，不论原砂的粒形
如何好，粒度及级配如何好 ，都不应采用。
b．表面性状影响 影响表面性状 的主要
因素有 砂粒 表 面 的含泥 量、含 水量 、酸 耗值
(pH)值 ，以及与之有关的 SiO 含量。
在呋喃树脂和硬化剂加入量都相等的情况
下，含泥越多，消耗的粘结剂越多 ，强度越差 ，当
含泥在 0．4 以上时，如不增加树脂加入量 ，其
强度不能满足生产工艺要求。一般认为含泥量
控制在 0．2 及以下是比较经济合理的。
在树脂和硬化剂加入量都相等的条件下，
砂子含有一定水分时 ，水分富集在砂粒表面，一
方面影响树脂膜与砂粒表面的粘结效果，另一
方面要消耗部分树脂 交联时所释放的热量 ，使
树脂交联本身析 出水 的气化及逸出受到抑制 ，
强化随含水增加迅速恶化 。酚基尿烷树脂硬化
时，虽然没有水析出，亦不希望砂中含水过多，
影响粘结效果及消耗硬化反应的生成热，一般
认为水分控制在 0．2 及以下较经济合理 。
— — ’4 一
在树脂和硬化剂加入量相 同的条件下 ，砂
子的 pH值为 8．3时，砂子呈强碱性 ，需耗一部
分硬化剂 ，使硬化剂的量相对减少 ，致使交联反
应速度进行缓慢而且不充分。另外交联反应析
出的水使硬化剂受到稀释，因而加剧了硬化的
恶化。当砂子的 pH值为 5．9时，砂子呈酸性 ，
相应增加了硬化剂的浓度 ，使交联反应速度进
行得太快 ，交联结构不完整，粘结膜和粘结桥变
脆 ，同样使硬化恶化。
当砂子 pH值为 7时 ，砂子呈中性 ，按工艺
需要加入的硬化剂 ，使交联反应有条不紊地进
行 ，使硬化合理。一般认为砂子的 pH值在 6．8
～ 7比较合理 。
基于以上关于砂子表面性状几个主要因素
的分析 ，树船 砂一定要选 用表 面洁净、siO。含
量高的原砂 我国天然石英砂一般杂质含量都
较高，且多为呈碱性的长石 。长石具有易破碎特
点，经过强力擦洗及筛分后可以去除一部分 。对
要求不高的铸件一般采用擦洗砂就可以了 ，但
是对要求高的铸件最好是用浮选砂 ，使长石降
低到最低程度 ，以保证 pH值达到或接近于 7。
3．3．2 树脂的影响
树脂作为一种粘结剂用于铸造生产，当然
其质量的好坏 品种的选择 、加入量的多少和成
本的高低 ，对确保 良好的铸造工艺性能是很重
要的。
在所用的呋喃、酚醛、尿烷三类树脂 中，由
于呋喃树脂 综合性能好 ，得到了世界各国的广
泛采用 ，在此以呋喃树脂为代表进行分析。
a．附着状态的影响 影响树脂膜附着状态
的主要因素包括树脂对石英砂表面的浸润性、
树脂膜交联强度及附着力。
树脂的浸润性 与树脂 的粘度息息相关 ，粘
度高 ，表面张力大，对砂子表面的浸润性差。在
砂子比表面积相同时 ，为了达到同样的砂型强
度 ，粘度大的树脂加入量要 多，否则不能完全、
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均匀地包覆在所有的砂粒表面上 因此降低树
脂粘度 ，有助于减少树脂的加入量。据介绍呋喃
树脂的粘度一般为 0．01～O．1Pa·s，在气温比
较低特别是冬季 ，为了降低树脂的粘度 ，采取加
热措旌是必要的。
树脂膜的交联强度与树脂的活度即羟甲基
(--CH。OH)和羟基 (一OH)的多少密切相关
当树脂中这类活性基团越多时 ，在酸的催化下 ，
(一H)+(一OH)一H O十的反应进行得越充
分 ，即树脂的交联越完全彻底 ，强度也就越高
因此增加树脂的活度亦有助于减少树脂的加入
量。呋喃树脂中的糠醇含有--CH。OH基团和呋
喃环 ，因此增加糠醇 的含量有助于提高树脂的
强度 。同样，酚醛树脂中的苯酚含有一cH。OH
基团，因此增加苯酚的含量亦有助于提高酚醛
树脂的强度 ，这也许是酚醛覆膜树脂壳芯工艺
自二次大战以来 ，至今不衰的原因 但是活性基
团过多 ，树脂交联反应能 自动进行 ，严重影响树
脂的储存期 ，特别 甲醛过剩 的酚醛树脂储存期
就更短
附着力包括粘结力和键交联力两个方面 。
树脂膜作为一种有机物 ，它与无机的 SiO 砂粒
表面仅存在着粘结力 ，而无健交联力。通过电子
扫描显微镜观察发现，树脂膜的粘结破坏多于
树脂膜的交联破坏 ，因此设法增加树脂膜 石
英砂的键交联有助于减少树脂的加入量的 这
可通过在树脂中增加偶联剂来达到。偶联剂一
般为有机硅化合物即硅烷 ，其一部分分子能与
树脂交联 ，另一部分分子可与 SiOz交联。当树
脂中加入一定量的硅烷后 ，树脂膜与砂粒表面
的附着力 自然得以加强。一般含氮呋喃树脂选
用氨基硅烷 NH2(CH ) ·Si(OCzHs)s，不舍氮
呋晡树脂和酚醛树脂选 用苯氧基硅烷 CsHsO
(CH2){·Si(OC2H5)3。
b．组分含量的影响 呋喃树脂砂 主要 由
糠醇、脲醛 、酚醛三部分 有机化合物所 组成 ，通
过改变这三个组分的含量，可以得到不同铸造
工艺性能的呋喃树脂 。可根据不同铸件的工艺
要求选择不同成分含量的树脂 (参见表 1)，当
可取得最佳的技术经济效果
3．3．3 硬化剂的影响
硬化剂是树脂砂工艺不可缺少的一种添加
剂，不论采用哪一种硬化方式 ，都需要加入一定
量的硬化剂。硬化剂按功能分为两类 ，一类参与
化学反应，一类不参与反应 不参与反应的硬化
剂亦可称 为催化剂 ，在以酸作 为硬化剂的树脂
自硬砂中，其不参与反应，只起催化的作用
适用于树脂自硬的硬化剂，按酸性强弱排
列 有硫酸、硫酸 乙酯、磷酸 (不能 用于酚醛树
脂)、苯磺酸即BSA、对 甲苯磺酸即 PTSA、二甲
苯磺酸即 XSA。前两种因酸性过强 ，硬化反应
强烈，难于控制 ，现已步用。磷酸价格便宜 ，硬化
强度也高 ，但残留的磷酸盐较多 ，再生砂强度下
降，现已被有机磺酸所代替。在后三种有机磺酸
中，对 甲苯磺酸容易制取 ，而且对温度的敏感性
相应要小些 ，应用较广。根据生产要求和气温的
不同，通过对硬化剂加入量或酸性强弱品种的
调节来控制型砂 的可使用时问和脱膜 时间，以
确保一定的生产效率。在气温较低，特别是冬季
为了降低硬化剂 的粘度，采取适当的加热措旅
是必要的。呋喃树脂 自硬砂对硬化剂的加入量
具有敏感性强而且存在最佳加入量两个特点 ，
把握住这两个特点是大有裨益的。
据 Et本 OMCO的试验，呋喃树脂 自硬砂对
硬化剂的加入 量反应敏感 ．图 6示出了不同硬
化剂加入量的呋哺树脂 自硬砂 的硬化曲线。
：
室
2
l
O
o
硬【匕时间 h
图 6 不同硬化剂量的呋哺树脂 自硬砂硬化曲线
一 1 5 —
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从 这 个图 可以看 出 当硬化剂 加入 量 为
0．24 时，由于砂中的酸度值过低 ，硬化过程进
行极为缓慢 -严重影响砂型脱模强度的形成 ，终
强度也较低 }当硬化剂加入 量为 0．72 时，酸
性过强 ，硬化反应速度过快 ，树脂交联结构不完
整 ，树脂膜和粘结桥变脆 ，终强度大幅度降低 }
当硬化剂加A量为 0．48 时，酸性比较适中，
硬化反应按客观存在的规律进行，在不增加树
脂量的条件下 ，得到了较理想的硬化效果 。
根据我国北方车辆制造厂工艺研究所铸造
实验室研究结果；不同呋喃树脂加入量的白硬
砂型强度峰值和型砂的可使用时间．出现在同
一 硬化剂加入量范围 内f在这个硬化剂加入范
围内，砂型强度峰值l睫树脂加入量增加而提高 ，
而型砂可使甩对间则与树脂的加入量无关。图
7和图8分别示出了三种不同呋哺树脂加入量
白硬砂型抗拉与抗弯强度峰值随硬化剂加入量
变化的峰值 曲线，图 9示出了这三种不同树船
加入量 白硬砂可使用时间随硬化剂加入量变化
的曲线。
l
善
番
轼
0
硬化剂用量
图 7 不同呋晡树脂硬化荆加入量
自硬砂抗拉强度峰值 曲线
从图 7和 8看出，当呋喃树脂加入量分别
为 2．O 、2．5 、3．5 时，不论抗拉强度还是
抗弯强度，最高强度峰值均 出现在硬 化剂加入
量为 0．35 ～0．4 的范围 内，也就是说，欲提
高砂型的强度，只增加树脂的加入量，硬化剂加
一 16 一
入量不需相应增加。这说明呋哺树脂 自硬砂存
在一个 与树脂 加入量无关 的最佳硬化剂加入
量。过去一般都把硬化剂的加入量按树脂加入
量的 4O ～6O 来计量，未能很好反应这一客
观规律，缺少科学性 ，不宜继续使用．以改为占
砂子重量的百分比计量为好 。
硬 荆用量，6
图 8 不同呋哺树脂硬化剂加入 量
自硬砂抗弯强度峰值 曲线
硬化剂 用■
图 9 不 同呋晡树脂硬化荆 加入量 ，
自硬砂 可使用时间曲线
从 图 9可 看 出，呋 哺 树 脂 加 入 量 仍 为
2．O 、2．5 、3．5 ，得到了同一条可使用时间
曲线 ，最佳可使用时伺也出现在硬化剂加入量
为 0．35 ～0．4 的范围之 内 也就是当工作
环境气温和湿度不变的条件下 ，型砂可使用时
【】苫； 静 。
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问不因树脂加入量的变化而变化 。
3．4 主要工艺参数的影响
3．4．1 新砂补充量的影响
在正常生产状态下 ，混砂时加入一定量 的
新砂 ，应主要用于补充型砂在生产操作过程及
旧砂再生过程中的损失量。当然加大新砂加入
比例，可相应减少旧砂灼减量高、发气量大的影
响 ，但这样做很不经济。 ’
呋喃树脂旧砂中残留有甲醛、苯酚、磺酸及
其它有机化合物 ，如把大量旧砂作为废砂排放 ，
不利于环保。发达国家如 日本一般不准排放 ，否
则要受到重罚 ，因此在 日本出现了无废砂排放
的封闭循环的树脂砂工艺铸造车间。
． 在采用抗破碎性能好的原砂，严格其 它工
。 艺参数 的条件下，发 达国家新砂补充量一般为
： 5 左右，铸铁件新砂补充量尤低 。我国可考虑
适当放宽 ，以 5 ～10 为宜 ，争取把每吨铸件
新砂消耗量由粘土砂烘干型的 l～2t降至 1 50
~300kg左右。
， 3．4．2 树脂和硬化剂加入量的影响
二 树脂和硬化剂的加入量，主要在于获得生
产操作所需要的型砂的可使用 时间(wT)、砂
型的可脱膜时 间(sT)和产 品所需要的砂型强
。 度。wT 一 般 指 型 砂 的 抗 压 强 度 达 到
0．007MPa所经历的时间。ST一般指树脂砂型
的强度达到 0．14MPa所经历的时间 砂型强度
一 般指硬化 24h时的强度，亦称“终强度”。wT
和 ST主要取决于硬化剂的加入量，砂型强度
主要取决于树脂的加入量。
在满足以上三个条件特别是砂型强度的基
础上，树脂的最低加入量 以保证能覆盖所有砂
粒的表面为宜 ，树脂量不宜过多，否则树脂膜太
厚，多余的树脂将沉积于砂粒 的间隙 ，使透气性
’ 降低 ，发气增大 ．旧砂再生困难。根据 日本的经
验，在大量采用灼减量合乎工艺要求的再生砂
情况下，呋喃树脂的加入量 占砂子重量的比倒
是 ：面砂 0．8 ～1．0％，背砂 0．6 ～0．8 ．总
平均 0．7"5％左右。我国工艺参数的控制、操作 、
管理水平 比日本要低，因此加入量可考虑适当
提高 ，面砂和背砂总平均量 ，铸铁按 0．825 ，
铸 钢按 0．85 ，即 分 别 比 日本 提 高 10 和
13．3 。这个指标比目前国内实际水平要先进 ，
通过努力是可以达到的。
呋哺树脂在 自然条 件下也可 自行硬化，但
速度缓慢，所以一般要加入一定量的硬化剂，加
快硬化反应速 度，以获取生 产所需的 wT 和
ST。实际生产 中，在保证 wT的条件 ，希望
ST尽可能缩短 ，以提高生产率。wT—ST一般
按 0．3～0．5考虑 。根据前面分析 ，硬化剂加入
量综合考虑定为 0．35 ～0．45 。
3．4．3 灼减量的影响
树脂砂灼减量是一项衡量经过再生之后的
旧砂表面残留粘结膜(一般称树脂膜)含量的指
标 。用于确定新砂补充量，控制树脂砂型在浇注
时的发气量 ，以免生成铸件气孔等缺陷和对浇
注工人造成的伤害。
树脂砂型的发气量很大 ，如图 10所示 ，
；
口
越
时 同
图 10 自硬砂发气试验曲线
当树脂含量为 1 时 ，发气量约为 6~8ml／g，随
着树脂含量的增加，发气量将大幅度地增加 。树
脂分解发生早，速度快，具有突然爆发性 ，且充
满整个浇注过程 ，造成危害的倾向大 。树脂砂车
间的旧砂应总是在不断地循环使用之中，每次
混砂还必须加入足够的树脂和硬 化剂，因此在
不多增加新砂加入量时，发气量只能是通过减
少旧砂灼 减量来进行控制。
旧砂灼减量主要取决于工艺所采用的砂铁
比和再生机的去膜能力。灼减量的控制 ，不同厂
家有不同的指标，日本 OMCO控制较严，铸钢
一 1 7 —
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<1．5 ，铸铁<2．5 ，实际控制还远低于这个
水平。为 了确保铸件质量和操作工人的人身安
全 ，我国应努力向 OMCO看齐。根据我国的情
况可考虑适 当提高，分别按<1．65 、<2．75
计 ，即比OMCO提高 1O％。
3．4．4 砂铁比的影响 ’
砂铁 比(S／M)即镣型中树脂砂重量与铸件
重量之比，比较贴切的叫法应是砂件比，德国就
是 用(S／C)表示 的，我国 已习惯称 s／M s／M
是衡量树脂 膜在浇注过程中受热分 解的比例
(R )(一般简称树脂膜烧失率 )的一项指标 ，是
确保再生砂残 留树脂 比例 (风)即灼 减量最根
本的保证。在树脂砂工艺参数中，s／M 是最重
要的 ，它是树脂砂工艺水平与经济性的象征，世
界各国树脂砂工作者无一不给予高度重视。
单位铸件金属液在浇注时所含的热量是一
定的，只能使有限的树脂砂的膜得以分解 ，一般
为 6oo～650kg／t，因此 R 随 s／M 的增大而迅
速降低 ，表 9列出了不同 s／M 时的 R 值。
表 9 不同砂铁比的树脂砂树脂膜烧失率
砂 铁 比 S／M 1．0 1．5 0 2．5 3-0 3·5 4·0 4·5
靛件(浇注 =1280℃) 32 27 23 】9 l7 】4 12 l0
铜件(浇注 1420Z3) 38 34 28 25 21 1 7 15 13
呋哺树脂砂具有隔热性好和高温热传递速
度缓慢的特点，图 l1示出了呋喃树脂砂型浇注
后不 同砂一件介面距 离形成相应的最高温度的
时间曲线 从这条 曲线上看 出 ，形 成最高温度
lJ
硝
俺
出
砂、件界面眶离 nlnl
图 u 呋哺树脂砂型浇注后砂一件介面
距离、温度与时间的关系曲线
一 18 一
的 时间为：当砂一件介面距离为 25mm，要 1h，
50ram要 2h，100mm要 14h。呋哺树脂砂这个
特点 为减少 吃砂量和降低 s／M 创造 了有利条
件 ，因此 S／M 尽量降低不仅必要而且可行。为
了获得经济合理的 R ，世界各厂家在满足铸件
生产的条件 下，千方 百计降低 s／M，如采用 s／
M 小的工装 ，在背砂中填八各种形式的块状替
代物等，使之保持在3以下。在S／M 上，我国应
从严掌握 ，不能过多地强调客观而随意加大 ，否
则后患无穷 ，一般以按<3考虑 为宜 。
3．4．5 砂再生的影响
旧砂再 生是控制 旧砂灼减量即降低残留树
脂膜率的又一重要手段 。经过再生处理的旧砂
具有 比新砂还好的铸造工艺性能，因此再生是
树脂砂工艺生产过程中一道举足轻重的工序。
砂再生工艺包括砂块破碎和砂再生两大主要部
分 ，从叙述需要出发 ，将经过砂块破碎机和砂再
生机出来的旧砂分别称做 回收砂和再生砂。
a．再生砂对铸造工艺的影响 回收砂虽然
经过具有～定搓磨能力的砂块破碎机的处理，
但去除的树脂膜主要是 已被分解的那一部分即
R ，因此灼减量还很高 ；同样解体不完全 ，一般
还含有直径<3mm 的小砂团 ，因此还不完全符
合 回用的条件。回收砂经过再生机进一步的搓
磨后 ，其状态发生了根本的变化，表面还残存允
许范 围 内的树脂膜 ，使粒度略趋增大 ，残存的
树脂膜多集中在原砂的坑凹处，使砂粒比表面
积趋于减少。因此大量采用再生砂 ，首先可相应
减少树脂的加入量，一般认为 比新砂要少 2o
左右。其次改善铸造工艺性能，如砂型强度、表
面安定性等均优于新砂和回收砂。再生砂经反
复高温浇注，因而热膨胀性小 ，有利于进一步提
高铸件的尺寸精度 。总之，再生砂的铸造工艺性
能全面优于新砂 ，因此应尽量加以回收利用。
b．砂再生对灼 减量 的影响 砂再生能有
效地去除一部分树脂膜 ，使再 生的旧砂的灼减
量达到或接近工艺所控制的水平。图 12示出了
锌铁旧砂再生次数与灼减量变化的试验 曲线。
从这个图可以看 出原始灼减量不高 ，约为
1．5 6 。第1～2次再生 ，由于树脂膜相对较多，
÷
C
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因而去膜率较高即灼减量下降显著 ，但再增加
再 生次 数，拔
图 12 铸铁树脂砂再 生灼减量变化试验 曲线
再生次数灼减量下降缓慢，最后趋于零。这就说
明，再生去膜减少灼减量有一定的限度 ，要求原
始灼减量不能太高 ，否则再多增加再生次数也
难于达到预期的效果，即使达到了也是很不经
济的。控制灼减量最根本 的出路在 于控制 s／
M。沈阳水泵厂铸件小 ，壁薄重量轻，S／M 高达
6，经过多次循 环后 ，灼 减量迅速增 高，严重 超
标 ，最后只好采取全部更换新砂的办法来控制
灼 减量 ，仅 1990年一年更换多达 5次，其后 果
之严重不堪设想。
3．4．6 主要工艺参数的综合影响一
以上分别重点地 阐述了新砂 、树脂和硬化
剂、灼减量、砂铁 比和再生砂等单项因素对树脂
砂工艺的影响 。彼此间的联系略有涉及 ，但不能
深入。本节专门讨论它们对树脂砂工艺的综合
影响。其综合影响可用以下 5个公式来表达 ，其
中(1)式是主要的 ，(3)、(4)式是根据(1)式推导
出的，是 (1)式的不同表现形式 ，(2)、(5)式是简
化 (1)式以及(3)、(4)式而特设的。
只 = l+ (B√L)一 (1／Rb) (1)
B 一 B + B。 (2)
r
B ·Rb B ·R ⋯
=_ =丽 ‘3J
S 一 (1／R )一 (B ／L) (4)
Rb= (1一 R。)(1一 R ) (5)
式 中 S 为新砂 补 充量 ，以百 分率计 ，如
5 计为 0．05(以下计法相 同者略)。生产中希
孥 S 越小越好 ，欲减小之 ，主要在 于降低 风 ，
当然降低 B 或提高 L也是有效的，但工艺允
许的程度很有限。
B 为新 的粘结剂加入量 ，以占砂重的百分
数分子数字计 ，如 1 计 为 1(以下计法相同者
略)。在保证工艺要求条件下尽可能降低，欲降
低之 ，主要在于降低 B 当然降低 或提 高 S
亦有一定的效益。
B 为树脂加入量 ，以占砂重百分数分子数
计 ，铸铁为 0．825，铸钢为 0．85。
B 为硬化剂加入量，以占砂重的百分数分
子 数字计 ，B 只与 AH、AT、wT、ST有关 ，而
且这几个因素在某一段 时间和某种产品生产
中，可视为不变 ，B 可相应看作一个常数，其数
值约为 0．35～0．45．平均约为 0．4。
L为再生砂灼减量 ，以占再生砂中的百分
数分子数字计。据对灼减量影响的分析，铸铁和
铸钢 的 S／M 分别平均按< 2．75和<1．65计
取 。欲达此，主要在于降低 Rb。
S 为再生砂 回用量 ，S 一1一 。
Rb为再生砂中残留粘结荆膜率 ，以再生砂
的百分率值计 。工艺要求 风 越小越好 ，欲达此
主要在于提高 R 和 R 。
R 为粘结剂膜浇注烧失率 ，以旧砂的百分
率值计。工艺希望 R 越大越好 ，欲达此 ，必须大
大降低 S／M。据前分析 ，S／M 应<3。不同 s／M
的 R 值可 由表 9查出，当 S／M=3时 ，铸铁和
铸钢的 R 分别为 0．17和 0．21。
R 为旧砂再 生去膜率 ，以回收的百分率值
计。工艺希望 R，尽可能地提高 ，在 S／M 一定的
条件下 ，其高低主要取决于再生机本身去膜能
力的强弱及通过再生机的次数或级数。以我国
$52系列再生机 为侧 ，铸铁一般通过一次 R，一
13 ，铸钢一般通过二次或二级 R 一25 。
按 以上计 算，按理 S 增加 ，B 应相应 增
加，R 应进行调整 。为了简化计算此=因素均
忽略不计 。但 是 s／M 不应大 于 3，L也要严加
控制。
(待续 )
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