碱性树脂甲酸甲酯硬化冷芯盒工艺在车钩上应用研究报告
碱性树脂甲酸甲酯硬化冷芯盒工艺在车钩上应用研究报告
一、 慨要
国内车钩芯子现采用较多的是CO2-水玻璃砂生产，存在的主要问题一是芯砂流动性差，芯子成形不良；二是芯砂残留强度大，清砂难；三是铸件表面粗糙度差，铸件精度低。另外国内车钩芯子生产也有少数厂家采用CO2-聚丙烯酸钠树脂工艺及三乙胺冷芯盒工艺，该工艺虽然解决了CO2-水玻璃砂的上述问题，但又存在粘结剂含N 、P 、S 有害元素、污染大、存放性差等问题。
为了解决上述工艺存在的问题，在中国南车集团的组织下，我厂与沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司一起于2006年8月到2007年10月对碱性树脂甲酸甲酯硬化冷芯盒工艺在车钩上的应用进行了研究并取得了一定的成果。
碱性树脂冷芯盒工艺与国内使用较多的CO2-水玻璃砂工艺和使用较少的CO2-聚丙烯酸钠树脂工艺、三乙胺冷芯盒工艺相比，综合性能好，主要特点如下：
1、 粘结剂不含N 、P 、S 有害元素，可消除相应铸造缺陷。 2、 树脂及固化剂低毒、低刺激，在造型制芯、浇注时污染少。 3、 型芯砂流动性好，成型性好。
4、 采用气体硬化剂，常温瞬间硬化，砂芯精度高，制芯效率高。 5、 型芯抗吸湿性好、存放性好。 二、主要研究内容
（一） 原材料及工艺性能 1、材料性能 1.1 粘结剂及固化剂
用于β-SET 冷芯盒的树脂为专用碱性酚醛树脂，固化剂为甲酸甲酯。理化指标如下：
表1：粘结剂
1.2原砂
原砂使用檫洗砂，主要技术指标为：粒度40-70目，集中度≥80%，含泥量≤0.5%，角形因数＜1.3。 2. 主要工艺性能及参数 2.1强度指标
2.1.1. 抗拉强度: 抗拉强度是考察一个粘接剂可使用性范围的最重要指标，直接反映出该工艺的适用范围。表3是树脂加入量和抗拉强度的关系, 表4是在不同吹气时间下的抗拉强度. 表5是吹气压力和抗拉强度的关系, 表6是甲酸甲酯加入量对试样抗拉强度的影响。 表3 ：树脂加入量和抗拉强度的关系 强度单位Mpa
注：吹气压力０. ０５ＭＰａ，吹气时间３０ｓ
表4：不同吹气时间下的抗拉强度 强度单位Mpa
表5:吹气压力和抗拉强度的关系。 强度单位Mpa
表6：甲酸甲酯加入量对试样抗拉强度的影响 强度单位Mpa 通过以上数据可以看出，当树脂加入量为２.0～2.5％时，强度已可
满足使用要求。在吹φ５０X ５０的砂样时，综合来看３０ｓ效果最好，６０ｓ以上的24h 强度降低。吹气压力以可吹透芯砂的最低压力为好。 如砂芯形状复杂，可用配套的中性脱模剂。 2.2. 砂芯的存放性和抗湿性:
2.2.1. 型砂的存放性:碱性树脂砂试样存放二个月，强度基本上不变化, 见表7。
表7 砂样的存放强度(脂加入量为2%)
把硬化24h 后的标准抗拉试样，放置于下面盛水的干燥器中，放置不同时间后抗拉强度，如表8所示。由表八可知该树脂砂具有较好的抗吸湿性能。
表8 在盛水干燥器中存放不同时间的抗拉强度
2.2.3. 碱性树脂砂的发气性
碱性树脂砂的发气性曲线（850℃）如表9树脂加入量为2%时型砂最高发气为12.6ml/g。
表9 碱性树脂砂的发气性
2.2.4. 型砂的残留强度
把碱性树脂砂硬化24h 后的标准试样，分别在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃下保温30分钟，冷却后测得的残留强度曲线如表10，在400℃的残留强度为0.23MPa ，而在500℃时残留强度几乎为零，因此，该树脂砂溃散性好。
表10 碱性树脂的残留强度 2.2.5. 型砂的高温强度
把碱性树脂硬化24h 后的φ50×50抗压试样分别在400℃保温10分钟；600保温5分钟；800℃、1000℃、1200℃、1400℃保温2分钟，测得的高温强度曲线如表11 。碱性树脂砂在1200℃保温2分钟的高温抗压强度为0.1MPa 。因此，说明该砂具有较好的高温强度。 表11 碱性树脂的高温
2.2.6. 型砂的热应力
表12是碱性树脂砂在850℃保温2分钟的热应力。可判断碱性树脂砂
的高温退让性较好。
表12 碱性树脂砂的热应力
3. 配套设施
主要包括射芯机、模具和气体发生器。射芯机和气体发生器国内有多家公司生产，质量均好，模具在设计和生产中对制芯效率、生产周期、制芯质量、制芯成本、劳动环境、制芯故障率等多方面也有较大影响，一般要求是硬化速度快，、固化剂耗量低、清理方便，设计时要注意射砂桶、芯盒、吹排气板、吹气管路等几个方面。 3.1芯盒结构要求
芯盒结构与普通芯盒基本一致，原CO2或三乙胺的吹气口可以作为甲酸甲酯气体的进气口，不同的是排气口面积要大于进气口。分盒面设臵密封圈。 3.2气体发生器
目前由汇亚通公司开发研制的甲酸甲酯FXS 气体发生器是把液态物质加热转变为气体物质，与一定量的空气吹入砂芯，使砂芯硬化。设备适用于β法工艺，三乙胺法工艺，SO 2法工艺及CO 2法工艺。
主要技术参数如下：
电源电压 220V 功率 3KW 控制电压 24V 压缩空气接口直径 G1〃 输入压缩空气最大压力 0.6MPa
三、生产验证
经过型砂实验室试验及有关准备工作后, 我们于今年6-10月进行了生产验证, 期主要完成了吹气量、吹气时间、吹排气面积的摸索及改进，后期主要进行铸件缺陷的解决。
1. 型砂主要参数：原砂100%+碱性树脂2%，型砂干拉强度MPa ，吹气时间15秒。
2. 芯子质量:初期制芯因吹排气面积、吹气管保温、吹气量等原因，远离吹气口处的型砂没有硬化，经过调整后硬化彻底。因碱性树脂砂流动性好，芯子成型较原水玻璃砂有很大的改观。 3. 铸件情况
初期试制的4件车钩铸造工艺按原工艺，清理时落砂容易，铸件表面光滑，但内腔拐角产生裂纹（见照片1），裂纹深2-12mm ，属于典型的热列。经分析，产生裂纹的原因一是碱性树脂砂的退让性较水玻璃砂差，二是裂纹处的热节大。通过采取在裂纹处加冷铁等工艺措施后浇注的 件车钩内腔拐角无裂纹（见照片2）。其它情况，铸件表面质量较水玻璃砂好，缩尺较水玻璃砂略小。
照片1：内腔拐角产生裂纹
照片2：内腔拐角无裂纹
四、经济效益及社会效益分析 1．型砂成本
碱性树脂砂的成本与其它类型的树脂砂的成本相当，较水玻璃砂的成本高160多元/吨型砂，折合为车钩铸件成本则较水玻璃砂高90多元/套车钩。但芯废率下降，清砂效率提高。 2．环境保护
碱性树脂砂与其它树脂砂相比，粘结剂不含P 、S 等有害元素，树脂及固化剂低毒、低刺激，在造型制芯、浇注时污染少。如果造型制芯时对未气再进行适当处理，则基本可以消除环境污染。 3. 铸件质量
碱性树脂砂与水玻璃砂相比，芯子成型好，高温稳定性好，不与钢水产生化学反应，因此铸件表面质量好，粘砂少，尺寸精度高。虽然裂纹倾向大，但通过工艺手段可以解决裂纹。
碱性树脂砂与其它树脂砂相比，粘结剂不含N 、P 、S 等有害元素，可减少甚至消除相应铸造缺陷。
4．资金投入
与碱性树脂甲酸甲酯硬化冷芯盒工艺相配套的增设工艺装备主要是甲酸甲酯气体发生器及尾气处理(抽吸) 设备，每套约55万元，其它射芯机等可以用原有的, 总之一次性资金投入不大。 五、结论
1. 通过小批量生产证明，碱性树脂甲酸甲酯硬化冷芯盒工艺生产的车钩芯子成型良好, 存放性好, 铸件内腔表面光滑, 尺寸稳定。 2. 环境污染小, 资金投入少。
3. 从质量、成本、环境污染等方面综合分析，碱性树脂甲酸甲酯硬化冷芯盒工艺优于其它树脂砂工艺: 碱性树脂甲酸甲酯硬化冷芯盒工艺除成本较水玻璃砂工艺高外, 其它方面优于水玻璃砂工艺。
中国南车集团眉山车辆厂 沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司 重庆汇亚通铸造材料有限公司 2007-12-20
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中国南车集团眉山车辆厂
沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司
重庆汇亚通铸造材料有限公司
2007-12-20