铸造纵横
ＷＷＷ。ｆｏｕｎｄ￣．ｃｏｍ．ｃｎ
碱性酚醛树脂自硬砂的一些特性
中国铸造协会 李传械
英国Ｂｏｒｄｅｎ公司首先开发了有机酯硬化的
碱性酚醛树脂自硬砂工艺，并于１９８１年获得专 利，简称ａ－－Ｓｅｔ工艺。其主要特点是混砂、造 型、浇注时散发的烟气少，有利于改善环境。所 用的树脂是甲阶酚醛树脂的一种，但含有ＫＯＨ、 ＮａＯＨ等碱性材料，故通常称之为碱性酚醛树脂。 树脂中的游离的Ｋ 、Ｎａ。。离子，对于树脂与有机 酯发生作用、树脂的交联反应都至关重要。 多种低级酯都可作为硬化剂，应用较广的是 碳酸丙烯酯，这也是作用较强的硬化剂。还可用 几种有机酯混合配成作用强弱不同的牌号，以适 用于不同的生产条件。 树脂的硬化机制 在树脂的硬化反应中，首先是树脂中的碱与 酯反应，形成碱金属的碳酸盐，释放醇。树脂中 的碱形成碳酸盐后，即处于反应状态，可在常温 下发生交联反应，将砂粒粘结，使型砂具有必要 的强度。 由于作为硬化剂有机酯是参与树脂硬化反 应的组分，不同于硬化剂只起催化作用、不参与 反应的其他树脂自硬砂，不能通过改变硬化剂的 加入量来调整自硬砂的硬化速率和起模时间。有 机酯的加入量一般为树脂的２０￣２５ ，因树脂和 硬化剂的品种而略不同。树脂加入量不足，则铸 型难以硬化；树脂加入量太高，则会感到混成砂 和砂型腻滑，而且可能导致铸型一金属界面处发 生反应，影响铸件表面质量。自硬砂的硬化速率 和起模时间，应由改变硬化剂的牌号予以调整。 有机酯硬化的酚醛树脂砂，在有机酯的作用 下，树脂在常温下只发生部分交联反应，起模时 型砂仍然保持一定的塑性，浇注初期还有一短暂 的、因受热而再次发生交联反应的过程，也就是 通常所说的二次硬化。 二．碱性酚醛树脂自硬砂工艺的优点 碱性酚醛树脂自硬砂工艺主要有以下优点。 １．混砂、造型、浇注时散发的烟气少于以 酸为硬化剂的呋喃树脂砂、以酸为硬化剂的甲阶 酚醛树脂砂和以胺为硬化剂的尿烷树脂砂。 ２．由于起模时型砂仍然保持一定的塑性， 故起模性能好，型砂不易粘附在模具上，砂型表 面比较光洁，模样上的起模斜度也可较小。 ３．二次硬化后，砂型的热稳定性较好，厚 壁铸件表面上也很少出现脉状纹缺陷。 ４．浇注后，在高温的作用下，碱性酚醛树脂
自硬砂较易溃散，有利于防止形状复杂的铸钢件产
生裂纹，同时也可使浇注后铸型的落砂性能改善。
三．酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂的热分解
铸型浇注后，碱性酚醛树脂的热分解大致可
分为三个阶段。
１．３００￣Ｃ以下
在３００。Ｃ以下，树脂本身基本上不发生分解，
这一阶段产生的气体主要是水分，还有少量树脂
硬化时束缚于树脂中未能释放的甲醛。
２．３００￣６００℃之间
３００℃以上，砂粒表面的树脂膜开始热分解，
而且分解的速率很高，产生的气体有水蒸汽、Ｃ０、
ｃ０ 、甲烷、乙烷、苯酚、烷基酚、烷基苯等。
在３００￣６００￣Ｃ之间，树脂粘结桥仍然保持其
骨架，内部因热分解而呈多孔状，透气性好。
３．６００￣Ｃ以上
热分解产生的气体的成分与３００￣６００℃之
间大致相同，但在此阶段树脂粘结膜发生剧烈的
体积收缩，致密度提高，因而砂型的透气性人幅
度降低。这就导致酯硬化的碱性酚醛树脂砂在高
温下保温性能好，是铸件冷却速率减缓、热节处
易于产生收缩缺陷的主要原因。
四．酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂再生回用的
问题
碱性酚醛树脂自硬砂的再生性能不能令人
满意，是影响其推广应用的最大问题。
１．再生砂回用会导致白硬砂的强度降低
树脂交联反应的产物是碱金属碳酸盐。加热
到５１０￣Ｃ以上，碱金属盐转变为强碱性金属氧化
物，此种氧化物又可以与硅砂作用，在砂粒表面
上形成玻璃状碱金属复合硅酸盐薄膜。这种薄膜
是金属氧化物和砂粒作用形成的，对砂粒的附着
很牢固，旧砂进行再生处理时，很难将除去。
这种薄膜呈玻璃状，树脂不易将其润湿，再
生砂中加入树脂重新混砂时，树脂难以均匀地附
着于砂粒表面的薄膜上，因而再粘结性能不佳，
配制的自硬砂的强度明显下降。
目前，广泛用于树脂自硬砂的干态摩擦再生
方式，对于以呋哺树脂、甲阶酚醛树脂、尿烷树
脂等作为粘结剂的型砂、芯砂，都有很好的效果。
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旧砂再生处理的过程中，虽不能将砂粒表面的粘
结膜完全脱除，但是，再生后砂粒表面上残留少
量不连续的树脂膜，对再粘结的强度没有明显的
负面影响。再生砂中加入粘结剂后的粘结强度，
般可等同于完全用新砂时的强度，多数情况
下，用再生砂时强度还会略高一些。
对于碱性酚醛树脂自硬砂，砂粒表面上残留的 碱金属硅酸盐薄膜对再粘结的影响很大，采用干态 摩擦再生方式时，再生砂的粘结强度显著降低。目 前，世界各国再生砂的回用量一般都不超过８０ ， 有的铸造厂不得不全部用新砂配制面砂。 旧砂再生回用的次数越多，型砂的强度性能 越差。 ２．对热再生方法探讨 以前曾有人认为：“碱性酚醛树脂自硬砂采 用干态摩擦再生的效果不好，将旧砂加热后在热 态进行机械再生处理可能有助于脱除碱金属硅 酸盐薄膜”。但是，许多试验、研究的结果都未 能证实热再生方式的有效性。 旧砂进行热法再生时，如温度超过６５０℃， 玻璃状薄膜可使砂粒在焙烧炉中烧结，恶化砂粒 的流动性，从而影响再生处理的效果，而生产厂 所用的热再生设备中，多数都难以准确地控制温 度。这是热法再生的难点之一。 也有研究结果表明：在５５０℃左右进行热再生 时，旧砂多次循环使用也会导致再粘结性能恶化。 ３．在改进再生回用砂粘结性能方面的工作 碱性酚醛树脂自硬砂问世以来，砂再生就是 个问题，在这方面的试验、研究工作一直就没 有间断。目前，在生产上实际应用的主要有两种 方法。 （１）再生砂中加入水或其他润湿剂 由于水能润湿残留的树脂膜，而且酚醛树脂 也具有一定的亲水性，再生砂中加入少量的水 后，有利于树脂和硬化剂在砂粒表面多孔性的残 留膜上弥散，可使自硬砂的强度有所提高。 水的加入量一般为０．３％，且应使水在再生 砂中均匀分布。 澳大利亚的Ｖａｕｇｈａｎ铸钢厂多年采用这一工 艺，效果稳定。 （２）热再生时加入专用的处理剂 为改善碱性酚醛树脂自硬砂热再生的效果， 设在美国ＩｌｌｉｎｏｉＳ州的Ｂｏｒｄｅｎ公司与 Ｗｉｎｎｅｂａｇｏ铸造厂合作，开发了一种新的砂再生 工艺，其要点如下。 脱箱落砂后，将自硬砂的团块破碎，随即加 入专用的处理剂，使之与砂粒混合均匀。然后将 砂粒加热到６５０￣７００℃进行热再生。由于处理剂 铸造纵横 ｗｗｗ．ｆｏｕｎｄｒｙ．ｏｏｍ．ｏｎ 的作用，解决了砂粒烧结的问题，全部用再生砂 配制的树脂自硬砂，粘结强度与全部用新砂者相 同，甚至还略好一些。 专用的处理剂是一种矿物，与水配制成悬浮液 后应用。热再生处理前将其加入已破碎成粒状的旧 砂中。处理剂是为中和残留碱金属盐的有害作用而 选用的，可以防止砂粒在焙烧过程中烧结。
专用的处理剂可与碱金属盐（特别是自由碱离
子）形成复杂的化合物，然后又被吸附在矿物颗粒
上，再由除尘系统将矿物颗粒从再生砂中脱除。此
项工艺的要点是要加入足够量的处理剂，其中包括
与碱金属盐形成复杂的化合物所需的量，和吸附生
成的化合物所需的量。当然，由于各铸造厂的具体
条件不同，处理剂的加入量也不尽相同，取决于系
统砂中自由碱金属的实际含量。
干态摩擦再生方式时，采用这种处理剂也可
防止浇注时高温对砂粒的影响，但还是以与热法
再生配合使用时的效果为最好。
美国Ｗｉｎｎｅｂａｇｏ铸造厂早已在生产中采用这
工艺，处理剂的加入量为砂量的１ 。
在欧洲，也有一些铸造厂成功地采用了加处
理剂的热再生工艺。
五．碱·ｌ生酚醛树脂自硬砂工艺的其他问题
除了旧砂再生方面存在问题以外，碱性酚醛
树脂白硬砂工艺还有一些不足之处，采用此项工
艺时，应采取相应的措施，以获得较好的效果。
１．粘结强度略低
碱性酚醛树脂自硬砂，硬化后的强度略低于
呋喃树脂自硬砂，加入量应略多一些。实际加
入量因对铸型的要求不同而异，一般在１．３～
１．８％之问。加入量太低，铸型、芯子易于损坏，
从而影响铸件质量；加入量太高，则影响起模，
浇注后脱箱、落砂也比较困难。
２．残留的树脂膜具有一定的吸湿性
碱性酚醛树脂自硬砂经再生后，砂粒表面残
留的树脂膜有吸湿性，这一特性有两方面的作
用：好处是可以通过加入水或其他处理剂改善再
生砂的粘结性能；缺点是潮湿季节储存于砂斗中
的再生砂容易粘附在斗壁上。
３．应严格控制再生砂的碱度和其中的碱金
属盐的含量
再生砂的碱度和其中的碱金属盐的含量太
高，会影响型砂的耐火度，导致铸件表面产生粘
砂缺陷。
４．浇注后铸件在铸型中的冷却速率较低
铸件在铸型中的冷却速率较低的原因已见
述，因此，铸钢件的热节易于产生缩孔、缩松之
类的缺陷，在工艺方案设计时应予以考虑。
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