造型材料的重要性 造型材料的含义很广，凡是用来制造铸型（包括砂芯）的材料统称为造型材料。铸造生产中使用的铸型有砂型、金属型、陶瓷型、石墨型等等，其中最普遍和大量使用的是砂型，在我国或世界范围内，应用砂型生产的铸件占应用各种铸型生产铸件的80%以上。 造型材料在铸造生产中占有重要的地位，其质量好坏直接影响铸件质量、生产效率和成本。据统计，铸造生产中往往由于造型材料质量低劣或使用不当而造成铸件报废的约占总废品率的50%以上。造型、制芯费用占铸件生产总成本的1/2左右，金属熔炼占成本1/4，其余1/4的成本要花费在铸件清理及其后处理工序上，其中清理工序的70%与造型材料有着密切的关系。由此可见，铸件生产中的70%左右和一半以上的质量问题都与造型材料及其应用有关。 一些高效造型、制芯材料和工艺的出现，往往会给铸造车间面貌带来巨大的变化，譬如造船、机床厂采用树脂自硬砂代替原先的粘土干型砂，铸件尺寸精度可达CT9~CT10级，比粘土砂工艺高两级；铸件表面粗糙度可达Ra=12.5~50μm，比粘土砂高1~2级；铸件废品率稳定在3%以下；车间单位面积的铸件产量比粘土砂翻一番；铸件的清砂效率提高3倍。 显然，研究开发造型材料的新品种，生产供应符合造型生产需要的造型材料，以及合理选用各种造型材料，对于提高铸件质量、降低成本、提高劳动生产率和改变铸造生产面貌有着现实和深远的意义。毛坯精化及近无余量铸造，洁净以及高效生产一直是世界各国铸造工作者追求的共同目标。随着我国机械工业的发展以及越来越多的外国企业将原来在其他国家生产生产的铸件转移到中国来，使铸件的需求量不断增加，对铸件的质量（包括内在质量和表面质量）的要求也越来越高，这必将对造型材料提出更高的要求，并且将进一步显示出造型材料在铸造生产中的重要地位。 21世纪呼唤“绿色铸造”，保护环境，实现可持续发展是我们的基本国策，造型材料对铸造厂的清洁化生产起着决定性的作用。据统计，每吨铸件需消耗1t左右新砂（不锈钢铸件消耗1.5t新砂），全国每年消耗新砂千万吨以上。同时，将排出大量的旧砂，如不能对旧砂进行处理回用，必定给周围的环境带来严重污染。此外，砂处理工部产生的灰尘，造型、制芯、浇注过程中树脂等有机物的分解，溶剂的挥发放出的有毒废气，酸碱物质溶解在水中等都是污染的源头，因此，采用少污染和无污染的先进造型材料和工艺，达到国家工业卫生排放标准意义重大，有时甚至会成为铸造厂能否生存的关键。

1.1 自硬呋喃树脂砂的概念 自硬呋喃树脂啥命名来源于英语的Furan No-Bake process，呋喃树脂砂铸造是以呋喃树脂为黏结剂，并加入催化剂混制出型砂，不需要烘烤或通硬化气体，即可在常温下使砂型自行固化的造型方法，通常简称为树脂砂。 自硬呋喃树脂砂具有以下优点。 （1） 铸件表面光洁、棱角清晰、尺寸精度高 这是由于树脂砂造型可以排除许多使型芯变形的因素。如： 1) 型砂流动性好，不需捣固紧实，减少模样（芯盒）的损伤和变形； 2) 型砂（芯）固化后起模，减少了因起模前松动模样和起模时碰坏砂型（芯）引起的变形； 3) 无需修型，减少了修型时引起的变形； 4) 无需烘烤，减少了因烘烤造成的铸型（芯）变形； 5) 铸型强度高、表面稳定性好，故芯头间隙小、分型负数小，减少了下芯、配模过程中铸型的破损和变形，保证了配模精度； 6) 铸型（芯）硬度高，热稳定性好，可以有效地抵御浇注时的型壁退让、迁移现象，减少了铸型的热冲击变形（如胀砂等）； 7) 型砂的溃散性好，清理、打磨容易，从而减少了落砂清铲修整工序中对铸件形状精度的损害。 总之，由于在各个工序中都大限度的排除了影响铸型、铸件变形和损坏的因素，所以树脂砂铸件的铸件表面质量、铸件几何尺寸精度方面比黏土砂可以提高1~2级，达到CT7-9级精度和1~2mm/600mm的平直度，表面粗糙度大有改观。 （2） 造型效率高 提高了生产率和场地利用率，缩短了生产周期。 1) 型砂流动性好，不需捣固紧实，节省了大量的捣固工作量，使造型操作大为简化； 2) 铸型强度高，节约了起模后修型工作量； 3) 型（芯）上醇基涂料点干后可省去烘干工序，节约了工时和场地； 4) 旧砂回收后干法机械再生，使砂处理为封闭系统，便于机械化，可以节约大量旧砂处理，型砂混制、运输等辅助劳动； 5) 型砂的溃散性好，落砂容易，修整工作量少； 6) 节约了一些造型（芯）前的准备工作量，如插芯固等。 根据一般统计，用自硬呋喃树脂砂代替黏土砂后，生产效率可提高40%~100%，单位造型面积产量可提高20%~50%。 （3）减轻劳动强度 大大改善了劳动条件和工作环境，尤其是减轻了噪音、矽尘等，减少了环境污染。 （4）节约能源 这表现在取消了烘窖和水力清砂，提高了铁水的成品率，大大降低了压缩空气消耗，从而在节水、节电、节煤（焦）等方面效果显著。 （5）树脂砂型（芯）强度高（含高温强度高）、成型性好 发气量较其他有机铸型低、热稳定性好、透气性好，可以大大减少铸件的粘砂、夹砂、砂眼、气孔、缩孔、裂纹等铸件缺陷，从而降低废品率，可以制造出用黏土砂难以做出的复杂件、关键件。 （6）旧砂回收再生容易 可以达到90%~95%的再生回收率。在节约新砂、减少运输、防止废弃物公害等方面效果显著。 自硬呋喃树脂砂铸型也存在一些缺点。 1) 对原砂要求较高，如粒度、粒形、SiO2含量、微粉含量、碱金属盐及粘土含量等都有较严格要求； 2) 气温和湿度对硬化速度和固化后强度的影响较大； 3) 与无机类黏结剂的铸型相比，树脂砂发气量较高，如措施不当，易产生气孔类缺陷； 4) 由于硬化机理是脱水缩合型，故硬化反应需一定时间，模样的周转率较低，不易适应于大批量铸件的生产； 5) 与黏土砂相比，成本仍太高； 6) 对球铁件或低碳不锈钢等铸件，表面因渗硫或渗碳可能造成球化不良或增碳，薄壁复杂铸钢件上易产生裂纹等缺陷； 7) 浇注时有刺激性气味及一些有害气体发出，CO气发生较大，需有良好的通风条件。

1.2 自硬呋喃树脂砂的原辅材料 组成自硬呋喃树脂砂的主要原材料有作为型砂骨料的原砂，作为黏结剂用的呋喃树脂，作为催化剂用的酸类固化剂和作为添加剂的硅烷偶联剂等，树脂砂造型中必需的辅助材料有涂料、脱模剂、黏合剂、浇口陶管、分型剂等。原辅材料的好坏对树脂砂铸件质量的影响很大。 出砂加树脂

加砂和固化剂

充分混匀充分混匀

1.3 呋喃树脂砂的硬化特性 （1）呋喃树脂砂的强度与固化剂加入量的关系 低氮呋喃树脂用甲苯磺酸水溶液作硬化剂时，若硬化剂加入量不足，其所造成的环境不足以使树脂发生完全交联反应，而且树脂的交联反应要产生水，会使硬化剂稀释，从而限制反应的进行，故自硬砂的强度偏低。起初，自硬砂的强度随硬化剂量的增加而提高。在强度达到峰值以后，继续增加硬化剂量，则强度急剧下降，这是因为交联反应的速率太高，树脂硬化形成的结构不完整，导致粘结膜和粘结剂脆化。 （2）自硬砂的温度与固化剂加入量的关系 在现实生产中控制砂温非常重要，如将砂温控制在25~35℃，固化剂加入量比峰值强度对应的值多20%~30%，则自硬砂的强度是峰值强度的80%左右，建议造型时用树脂和固化剂进行系列试验，并作出曲线，供现场控制使用。 （3）固化剂加入量的计算 固化剂加入量的计算基础，糠醇的缩聚和呋喃树脂的合成，都是在酸性催化剂的作用下进行的，因此呋喃对酸是很敏感的，只要环境的酸浓度达到一定的值，交联反应就会发生。通常都用树脂量的百分数来计算固化剂，这种方式只能说明固化剂和树脂的关系，而不能直接反映自硬砂的环境酸浓度。对于呋喃自硬砂，以固化剂占自硬砂的百分数来计算，可能是比较合适的。在实际生产中，固化剂加入量占自硬砂的0.48%~0.52%为宜。在常用的树脂加入量范围内，自硬砂的可使用时间只决定于固化剂用量，与树脂加入量无关。 （4）可使用时间和脱模时间与硬化特性的关系 这是自硬树脂砂也是所有化学黏结剂砂的很重要的性能指标。可使用时间是指自硬树脂砂（其他化学黏结剂也相同）混砂后能够制出合格砂芯的那一段时间。脱模时间是指从混砂结束开始，在芯盒内制的砂芯（或未脱模的砂型）硬化到能满意地将砂芯从芯盒中取出（或脱模），而不致发生砂芯（或砂型）变形所需的时间间隔。 实际生产中，砂芯的脱模时间要根据砂芯的尺寸和复杂程度确定。只要脱模后，砂型和砂芯不会变形、塌箱，就应脱模，决不可随意延长。否则，会使脱模困难，甚至使模样、芯盒破坏，影响生产率。从有利于生产着眼，希望混好的砂可使用时间长，而脱模时间短，但生产中可使用时间与脱模时间与脱模时间之比最理想的还只能达到0.8，一般为0.35~0.6. 影响可使用时间、脱模时间因素很多。实验表明，所采用的原砂、树脂、催化剂的类型、质量和加入量、混砂工艺、环境温度和湿度，均对可使用时间和脱模时间有明显的影响，影响最大的为环境温度和催化剂加入量。当催化剂量相同，室温不同时，温度低则可使用时间长；温度高则可使用时间短。其趋势是温度每增加10℃可使用时间缩短1/3~1/2。室温相同时催化剂加入量减少，可使用时间明显增长；催化剂增多，可使用时间缩短。但是催化剂加入量超过一定范围内，可使用时间变化不大，但对脱模时间影响显著。温度变化也明显影响脱模时间，其趋势是每增加5℃，脱模时间约缩短1/3~1/2。 1.4 呋喃树脂砂制备工艺 1、 混制工艺 为了使树脂、固化剂、偶联剂能在最短的时间里均匀覆盖在砂粒表面，需利用混砂机混制。呋喃树脂砂不宜用碾轮式混砂机，大多用以搅拌为主的连续式混砂机或碗型混砂机。混制树脂砂两种方法如下： （1）

（2）

出砂（快速）

砂+树脂

砂+固化剂充分混匀

充分混匀

充分混匀