鑄造工藝學(xué)第3章課件

1、第3章 有機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑砂 油類粘結(jié)劑包括植物油和礦物油兩大類，以此為粘結(jié)劑的芯砂稱為油砂，曾經(jīng)用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、斷面細(xì)薄、要求強(qiáng)度高和潰散性好的砂芯。1.植物油砂（1）植物油類的組成 植物油是脂肪酸甘油酯，由三個(gè)脂肪酸（R-COOH）分子和一個(gè)甘油C3H5(OH)3分子構(gòu)成，其中三個(gè)脂肪酸成分可以不同，它們決定著各種植物油的特性。鑄造生產(chǎn)中使用的植物油主要是由幾種不飽和脂肪酸構(gòu)成的混合甘油酯，如桐油、亞麻油等，分子結(jié)構(gòu)式如下：第一節(jié) 油砂（2）植物油類粘結(jié)劑的硬化機(jī)理 油類粘結(jié)劑硬化過(guò)程是通過(guò)氧化聚合反應(yīng)使油類分子從低分子轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻肿拥倪^(guò)程，大致經(jīng)歷以下三個(gè)階段：1）預(yù)熱階段2）氧化階段3）聚

2、合階段 植物油硬化反應(yīng)需具備以下幾個(gè)條件：合適溫度，溫度過(guò)高，植物油將燃燒和分解；充足氧氣，供氧越充分，硬化反應(yīng)的速度越大，硬化后強(qiáng)度也越高；植物油分子中必須含有雙鍵，且雙鍵越多，氧化反應(yīng)越迅速、完全。（3）影響植物油砂性能的主要因素1）加入量及粘度2）原砂 3）添加物 4）配制與烘干工藝2.合脂砂（1）合脂粘結(jié)劑組成 合脂的組成很復(fù)雜，主要含有不溶物（羥基酸及分子量較大的縮聚物）、脂肪酸混合物（高碳脂肪酸及某些脂）、不皂化物（中性氧化物和少量的未氧化石蠟）。（2）粘結(jié)劑的硬化機(jī)理 合脂加熱硬化反應(yīng)是由低分子化合物轉(zhuǎn)變成高分子化合物的過(guò)程。 硬化過(guò)程中除少量的不飽和脂肪酸在烘干過(guò)程中發(fā)生氧化聚

3、合外，起主要作用的是羥基酸之間的羥基團(tuán)和羧基團(tuán)進(jìn)行的縮聚反應(yīng)。（3）合脂砂的性能及影響因素 合脂砂的濕強(qiáng)度比植物油砂還要低，一般只有2.54 KPa，存在濕強(qiáng)度低、砂芯蠕變、粘模及流動(dòng)性差等缺點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)加入膨潤(rùn)土、糊精等添加劑改善濕強(qiáng)度；使用糊精等添加物、芯骨及成型托板等工藝可減少砂芯的蠕變現(xiàn)象；加入稀釋劑及少量的植物油可提高合脂砂的流動(dòng)性；利用脫模劑來(lái)克服粘模的現(xiàn)象。 合脂砂的烘干溫度范圍比桐油砂稍寬，最佳烘干溫度范圍也在200220之間。砂芯烘干后，隨著芯子冷卻，干拉強(qiáng)度逐漸升高，故合脂砂在冷卻前不應(yīng)搬動(dòng)。 合脂砂的發(fā)氣量和烘干溫度有關(guān)，烘干溫度低發(fā)氣量大，烘干溫度高發(fā)氣量小。當(dāng)烘干溫度

4、超過(guò)200，合脂砂的發(fā)氣量甚至比桐油砂還低，合脂粘結(jié)劑與油類粘結(jié)劑一樣，高溫下會(huì)發(fā)生分解和燃燒而很快失去強(qiáng)度。因此，合脂砂的退讓性和出砂性均十分良好，大體與桐油砂類似。 自硬樹(shù)脂砂可以分為酸硬化樹(shù)脂自硬砂、脲烷系樹(shù)脂自硬砂和酚醛酯自硬化砂三種。其特點(diǎn)是：（1）提高了鑄件精度和表面質(zhì)量，減輕造型、制芯、清理環(huán)節(jié)勞動(dòng)強(qiáng)度；（2）型（芯）硬化無(wú)需烘干，節(jié)省能源；（3）樹(shù)脂加入量少，原材料綜合成本低；（4）生產(chǎn)效率低，工藝過(guò)程受環(huán)境的溫度、濕度影響大。 采用自硬砂生產(chǎn)的典型鑄件如圖3-1和圖3-2所示。第二節(jié) 樹(shù)脂自硬砂1.酸硬化樹(shù)脂自硬砂 酸硬化樹(shù)脂自硬砂的配比由原砂、粘結(jié)劑、硬化劑及添加劑等組成。

5、 常用粘結(jié)劑有呋喃樹(shù)脂系或熱固性酚醛樹(shù)脂系。呋喃樹(shù)脂是糠醇與脲醛、酚醛、甲醛共聚（縮聚）而成的樹(shù)脂。 酚醛樹(shù)脂系的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)氮（或少氮），成本低，高溫強(qiáng)度好，原材料來(lái)源廣。缺點(diǎn)是：樹(shù)脂保存期短，對(duì)溫度敏感，混砂和制芯工藝性能不如呋喃樹(shù)脂，需用磺酸類硬化劑。 添加劑是為了改善樹(shù)脂自硬砂的某些性能而加入的，常見(jiàn)的添加劑及作用見(jiàn)表3-1所列。2.脲烷樹(shù)脂自硬砂 脲烷樹(shù)脂自硬砂有酚醛脲烷樹(shù)脂砂、多元醇脲烷樹(shù)脂砂、醇酸油脲烷樹(shù)脂砂等多個(gè)類型。（1）酚醛脲烷樹(shù)脂砂 該方法采用三組分的粘結(jié)劑，即組分為苯基醚酚醛樹(shù)脂（PEP），組分為聚異氰酸酯，組分為叔胺催化劑。三種成分均為液體。（2）醇酸油脲烷樹(shù)脂砂 此工

6、藝中采用的粘結(jié)劑也由三部分組成，即組分為油改性醇酸樹(shù)脂；組分為液態(tài)胺/金屬催干劑，如環(huán)烷酸鈷和環(huán)烷酸鉛液；組分為聚MDI型異氰酸酯。（3）多元醇脲烷樹(shù)脂砂 其粘結(jié)劑也是多組分體系，組分是一種具有良好熱潰散性的多元醇，組分是MDI型異氰酸酯，組分是胺催化劑。3 .酯固化堿性酚醛樹(shù)脂砂 酯固化堿性酚醛樹(shù)脂是以苯酚和甲醛為主要原料，在堿性條件下縮聚而成的甲階水溶性酚醛樹(shù)脂。 這種樹(shù)脂自硬砂除具有一般樹(shù)脂自硬砂具有的潰散性好、硬化速度快、易于調(diào)整可使時(shí)間等特點(diǎn)外，還具有高溫性能好、適應(yīng)性強(qiáng)、使用時(shí)無(wú)刺激性氣體等優(yōu)點(diǎn)，特別適合鑄鋼件的鑄造生產(chǎn)中，降低鑄件皺紋缺陷。但是比強(qiáng)度偏低，加入量較大，因而成本比呋

7、喃樹(shù)脂砂高。1.殼型（芯）砂及制芯過(guò)程 殼型（芯）砂也稱覆膜砂，是在造型、制芯前砂粒表面上已覆蓋有一層固態(tài)樹(shù)脂膜的砂。與其它樹(shù)脂砂相比，它具有以下主要特點(diǎn)：1）流動(dòng)性優(yōu)良，成型性好、輪廓清晰，能夠制造最復(fù)雜的砂芯，如缸蓋水套芯；2）砂芯表面質(zhì)量好，致密無(wú)疏松，鑄件尺寸精度可達(dá)CT7CT8級(jí)，Ra可達(dá)6.312.5；3）砂芯不易吸潮，有利于儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用；4）可澆注較薄的鑄件，鑄件廢品率低；5）成本相對(duì)較高，價(jià)格較貴，難于制造大件，工作環(huán)境較差。第三節(jié) 殼型（芯）砂 殼型（芯）的制造方法通常有兩種，翻斗法和吹砂法。制造殼型一般采用翻斗法，砂粒借重力落到已預(yù)熱的模板上；制造殼芯則較多地采用吹射方

8、式將砂料送入芯盒，它分為頂吹和底吹兩種方法，如圖3-3所示。 殼芯法可制造空心砂芯或?qū)嶓w砂芯，如圖3-4所示。2.殼型（芯）樹(shù)脂砂的組成 殼型（芯）法樹(shù)脂砂由原砂、酚醛樹(shù)脂粘結(jié)劑、固化劑和附加物等組成。（1）原砂 一般采用石英砂，對(duì)于表面要求很高的鑄件，特別是壁很厚實(shí)、易產(chǎn)生粘砂的鑄鋼件，也常使用鋯砂或鉻鐵礦砂。（2）殼型（芯）砂用粘結(jié)劑 殼型（芯）法粘結(jié)劑國(guó)內(nèi)外普遍采用線型熱塑性酚醛樹(shù)脂（簡(jiǎn)寫(xiě)為PF），是由酚類和醛類縮合而成。其中性能最好、應(yīng)用較廣的是甲醛和苯酚縮合而成的高聚物（3）固化劑 當(dāng)前普遍使用的固化劑是六亞甲基四胺(即烏洛托品)，分子式為(CH2)6N4，加熱時(shí)分解為氨氣和亞甲基(

9、CH2)，使縮聚反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，直至完全交聯(lián)。（4）附加物 為了改變殼型（芯）砂的性能，有時(shí)加入某些附加物。3.殼型（芯）樹(shù)脂砂的制備 殼型（芯）樹(shù)脂砂的混制方法有粉狀砂和覆膜砂兩種。在殼型（芯）樹(shù)脂砂剛開(kāi)始應(yīng)用階段，大多采用粉狀砂，現(xiàn)在一般都采用覆膜砂。 熱法混制覆膜砂時(shí)是先將原砂加熱到140160，加入樹(shù)脂與熱砂混勻，樹(shù)脂熔化并包覆在砂粒表面，當(dāng)砂溫降到105110時(shí)，加入烏洛托品水溶液(烏洛托品與水的重量比為1：1)，吹風(fēng)冷卻，再加入硬脂酸鈣混勻，冷卻到30以下，破碎、篩分裝袋備用。這種方法生產(chǎn)率高，質(zhì)量好，由于不消耗溶劑，樹(shù)脂加入量較少，所以成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。熱覆膜砂的成分配比見(jiàn)

10、表3-2。1.熱芯盒樹(shù)脂砂及特點(diǎn) 熱芯盒樹(shù)脂砂是用液態(tài)熱固性樹(shù)脂和固化劑配成的芯砂，填入到具有一定溫度（180260）的金屬芯盒內(nèi)，芯砂受熱后，砂粒表面粘結(jié)劑在很短時(shí)間發(fā)生縮聚反應(yīng)而硬化。 圖3-5是采用熱芯盒法制造的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件用砂芯。第四節(jié) 熱芯盒樹(shù)脂砂2.熱芯盒用樹(shù)脂粘結(jié)劑 熱芯盒用樹(shù)脂粘結(jié)劑有呋喃樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂，近些年國(guó)外較多使用酚醛樹(shù)脂，國(guó)內(nèi)主要用呋喃樹(shù)脂。（1）脲呋喃(UFFA)樹(shù)脂 脲呋喃樹(shù)脂也稱為糠醇改性的尿醛樹(shù)脂，即通常所說(shuō)的呋喃樹(shù)脂，為淡黃色到深褐色的粘稠液體，它一般由糠醇、甲醛和尿素在烏洛托品的催化作用下縮合而成。（2）酚呋喃(PFFA)樹(shù)脂 酚呋喃樹(shù)脂（PFFA)是用

11、糠醇改性的液態(tài)酚醛樹(shù)脂，即通常所說(shuō)的呋喃型樹(shù)脂，由苯酚、甲醛、糠醇三種單體縮合而成，其反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜。（3）脲酚呋喃共聚物(UFPFFA) 由糠醇、苯酚、尿素和甲醛縮聚而成。3.熱芯盒固化劑 熱芯盒法使用的固化劑在室溫下處于潛伏狀態(tài)，有利于混合好的樹(shù)脂砂有較長(zhǎng)的可使用時(shí)間，一般采用在室溫下呈中性或弱酸性的鹽，而在加熱時(shí)激活成強(qiáng)酸，促使樹(shù)脂迅速硬化。生產(chǎn)中常用的為氯化銨、硝酸銨、磷酸銨水溶液，也有采用對(duì)甲苯磺酸銅鹽，甚至對(duì)甲苯磺酸銨鹽。4.熱芯盒法存在的主要問(wèn)題及解決途徑 粘結(jié)劑中游離甲醛含量高，使用過(guò)程中有刺激性氣味，加入尿素雖有改善，但仍很嚴(yán)重。解決此問(wèn)題的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)低游離甲醛含量的樹(shù)脂，目前

12、已有此類樹(shù)脂供應(yīng)。 與熱芯盒相比，其優(yōu)點(diǎn)是：大大減少了甲醛等有害氣體的析出，改善工作環(huán)境；由于樹(shù)脂粘度低、使用量少，改善了型砂的流動(dòng)性；改善砂芯的硬透性，提高砂芯精度，降低能耗等。1.呋喃樹(shù)脂溫芯盒法 實(shí)現(xiàn)溫芯盒工藝除增加樹(shù)脂反應(yīng)活性外，更主要的是采用在較低溫度下產(chǎn)生高活性強(qiáng)酸的潛伏性固化劑，如磺酸銅、氯化銅、硫酸基銅鹽水溶液或醇溶液，此類催化劑常溫下很穩(wěn)定，80120開(kāi)始分解，150時(shí)達(dá)到最佳效能。2.特殊的溫芯盒工藝1）真空溫芯盒法2）CO2熱硬化溫芯盒法3）溫芯盒殼型法第五節(jié) 溫芯盒砂 氣硬冷芯盒法是指將樹(shù)脂砂填充于芯盒，在室溫下吹入氣體硬化而制成砂芯的方法，制芯工藝流程如圖3-6，三乙

13、胺法制造的水套砂芯如圖3-7所示。第六節(jié) 氣硬冷芯盒法樹(shù)脂砂1.三乙胺法 粘結(jié)劑：由組分I和組分組成。組分I是特制酚醛樹(shù)脂，其結(jié)構(gòu)不同于自硬法用熱固性酚醛樹(shù)脂，要求為苯醚型，分子鏈單體結(jié)構(gòu)如下： 組分為聚異氰酸酯，主要有4，4二苯基甲烷二乙氰酸脂(MDl)，多次甲基多苯基多異氰酸酯(PAPI)兩類，我國(guó)主要用PAPI。2.SO2硬化法（1）呋喃樹(shù)脂/ SO2法 該法是基于酸催化呋喃樹(shù)脂硬化的原理。原砂與偶聯(lián)劑、樹(shù)脂粘結(jié)劑和過(guò)氧化物混合，然后把混好的砂填入芯盒，緊實(shí)后，再往芯盒中吹SO2氣體，用氮?dú)饣蚋稍飰嚎s空氣作載體，壓力0.20.3MPa，時(shí)間24秒。（2）環(huán)氧樹(shù)脂SO2法 環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑由兩種組分組成。組分A是改性環(huán)氧樹(shù)脂和有機(jī)過(guò)氧化物(通常是過(guò)氧化氫異丙苯)的混合物。組分B是加有一些丙烯酸改性劑的環(huán)氧樹(shù)脂，用來(lái)提高反應(yīng)性和硬化速度。3.酯硬化酚醛樹(shù)脂 所用粘結(jié)劑由水溶性堿性甲階酚醛樹(shù)脂和易揮發(fā)成氣霧的有機(jī)酯組成。酚醛樹(shù)脂與原砂混合后即可造型，然后將已汽化的有機(jī)酯以氣體形