探析有机粘结剂砂的性能和应用

由于砂芯在浇注之后大部分被金属液包围，与砂型相比，受到的热冲击力、浮力和压力作用更大，工作条件更恶劣。因此对砂芯材料（原砂及粘结剂）提出了更高要求。传统的粘土型砂和水玻璃砂无法满足要求，促使机粘结剂砂在生产中得到广泛应用。

1.有机粘结剂的种类、特性及使用要求

（1）有机粘结剂的种类 有机粘结剂按照其原材料来源，可以分为三类，如表2-2所示。

表2-2 有机粘结剂的分类

（2）有机粘结剂的特性

1）硬化特性。铸造有机粘结剂由于其组成复杂，硬化过程可能同时发生几种变化，但根据其主要变化可分为以下三种类型：

第一种：硬化过程主要是粘结剂的物理状态发生变化，而原来的结构并不改变，可以称为物理硬化。这种过程是可逆的。

第二种：硬化过程是低分子转变成高分子化合物，由链状线形结构转变成网状体型结构。这种硬化过程可称为化学硬化，其过程是不可逆的。

第三种：介于第一、第二两种之间，硬化过程同时发生物理状态和化学结构的变化，其过程部分是可逆的，部分是不可逆的。

2）强度特性。一般来说通过物理硬化的强度较低，而通过化学硬化获得的强度较高。铸造有机粘结剂的强度用比强度来表示。比强度是指每1%粘结剂可获得的芯砂干拉强度。

3）亲水特性。铸造有机粘结剂可分为亲水和憎水两种。亲水粘结剂可用水来调整粘度，但也易吸潮使芯砂强度降低。憎水粘结剂需要稀释时，则必须采用有机溶剂或用乳化剂制成乳液。

4）其他特性。由于有机粘结剂都是碳氢类化合物，一般加热到300℃以上就会分解和燃烧。所以有机粘结剂芯砂的退让性和出砂性比较好。但高温燃烧会产生大量的挥发性气体，因此有机粘结剂芯砂发气量大。

2.植物油砂

以桐油、亚麻油、豆油、米糠油等为粘结剂配成的芯砂叫植物油砂。

植物油粘结剂可以不经任何处理直接使用，加入量少（质量分数为1%～3%），芯砂具有干强度高、流动性好、不易粘芯盒、便于制芯操作等优点。同时，植物油在高温金属液的作用下会燃烧分解，生成碳，放出CO、H₂等还原性气体，降低铸件内腔表面粗糙度。油砂芯具有良好退让性和溃散性，烘干后不易返潮，可以保存较长时间。植物油砂的缺点是湿强度低，烘干前和烘干中砂芯易变形。

（1）植物油砂的性能及影响因素

1）干强度。油砂的干强度随油的加入量的增加而提高，但比强度在油的加入量超出一定的范围后即逐渐降低。油的加入量太低，油膜太薄，干燥中有可能缩裂，连续性被破坏，使砂芯强度降低；加入量过多，油膜太厚，在即定烘干温度下，得不到充分硬化，也使砂芯干强度降低。在满足强度要求前提下，植物油加入量以3%为宜。

原砂通常采用中等粒度（55/100目）或稍细的粒度（75/150目）的圆形砂。砂的粒度太细时，表面积增大，在油量不变情况下，油膜厚度减薄，干强度则低。圆形砂不仅流动性好，且比多角形砂表面积小，油膜稍厚，干强度较高。

2）湿强度。油砂湿强度低，一般为0.003MPa，制芯操作不方便，烘干前易变形，影响铸件尺寸精度。为克服这一缺点，可在油砂中加入适量的水、粘土、糊精等附加物。在有水的油膜中，砂粒首先被水润湿，油在水的表面形成油膜，可改善油的分布状态。但烘干时水分蒸发，可能破坏油膜连续性，使干强度降低。故水的加入量应控制在3%以下。油砂中加入粘土，同时加入少量的水能显著提高油砂的湿强度，因为粘土的细小颗粒加入油砂中，使型砂颗粒之间的接触面积增大，增加了颗粒之间的附着力。糊精是良好的水溶性有机粘结剂，油砂中加入少量的糊精不仅能提高油砂的湿强度，而且还可以提高干强度，改善芯砂的容让性和出砂性。

（2）植物油砂的混制工艺 原砂加粘土（混碾2～3min）—加水、加其他液态粘结剂（混碾2～3min）—加水（混碾5min）—出碾。

植物油砂的烘干温度太低，氧化聚合反应太慢，则烘干时间长，且油膜达不到最大强度；烘干温度太高，砂芯发酥，强度也降低；烘干速度太快，砂芯易裂。实际生产中，采用的烘干温度为200～250℃，烘干时间与砂芯大小厚薄有关，一般为1～2h。

植物油砂长期以来在汽车、拖拉机、柴油机等制造部门用来制作复杂砂芯，但经济上不够合理。寻求其他材料代替植物油作粘结剂，具有实际意义。合脂便是一种较好的植油替代品。

3.合脂砂

合脂是合成脂肪酸蒸馏残渣的简称，是制皂工业的副产品。它由复杂的有机化合物组成，各组成物的含量与所用原材料（石蜡）有很大关系。铸造用的合脂应选用低熔点石蜡的合脂，此种合脂含羟基酸多，配制的砂芯具有较高的干强度。

合脂在常温下是膏状物，呈黑褐色，温度低时会结成固体。常用熔剂稀释的方法降低合脂粘度，以便于配砂。稀释溶剂一般都是用煤油，因其成本低，且对人体皮肤无刺激。

合脂的硬化作用主要依靠羟基酸，羟基酸含量越多，由低分子转换成高分子的过程越快。目前尚无测定羟基酸的简便方法，常用酸值间接地表示，酸值表示合脂中脂肪酸的含量。芯砂用的合脂，酸值不宜过高，否则合脂中脂肪酸含量多，相对的羟基酸含量就少。

合脂粘度大小对合脂砂性能影响很大，当粘度超过规定时，可用煤油稀释。

（1）合脂砂的工艺性能 合脂砂的工艺性能与植物油砂相近。(www.xing528.com)

1）湿强度。合脂砂的湿强度一般较低，约为2.5～4kPa，而且合脂加入量越多，湿强度越低。提高合脂砂的粘度时芯砂的湿强度略有提高。为提高合脂砂的湿强度，需要加入糊精、纸浆废液、粘土和水等附加物。

2）干强度。合脂砂的干强度较高，在合适烘干温度下（200～220℃），其干强度与桐油砂接近。为提高湿强度而加入的各种附加物都使合脂砂的干强度降低。

3）吸湿性。合脂是憎水材料，合脂砂吸湿性很小，但当加入糊精、纸浆等水溶性材料后，吸湿性将显著增加。

4）发气性。合脂砂发气量与烘干温度有关。烘干温度低，发气量则大。当烘干温度超过200℃时，在强度接近的情况下，合脂砂发气量比桐油砂还低。

5）退让性和出砂性。合脂粘结剂在300℃以上分解，500℃开始燃烧，600℃开始丧失强度，退让性、出砂性良好。

合脂砂与油砂相比，流动性较差，形状复杂的砂芯不易紧实，容易粘芯盒，湿强度较低，砂芯易变形，有时甚至倒塌。

（2）合脂砂的配制与应用 合脂砂在国内工厂已普遍应用。在制作Ⅰ级砂芯时，可加入0.3%～0.5%（质量分数，下同）的植物油，以提高合脂的流动性、干强度，降低粘模性，合脂的加入量一般为2%～3%或更低些。制作Ⅱ、Ⅲ级砂芯时一般均加入几种附加物，如纸浆残液或糊精，并同时加入粘土或膨润土，合脂加入量控制在3%～4.5%。

合脂砂的混制工艺是：首先加入原砂、粘土、糊精等粉状物，干混2～3min，最后加合脂，混合10min左右。

合脂砂适宜的烘干温度为200～240℃，以210℃烘干效果最佳。温度太低，烘干时间要延长，烘干时间控制在2～3h；温度太高，易过烧，强度降低，表面粉化。

4.树脂砂

铸造上所用的植物油、合脂等粘结剂虽然具有较好的性能，但却由于硬化速度慢、需进窑烘干等缺点，故生产周期长，生产效率低，不易实现机械化、自动化的要求。合成树脂粘结剂的出现弥补了以上粘结剂存在的不足。以合成树脂为粘结剂的树脂砂，可在芯盒中直接硬化（加热或不加热），无需进窑烘干，硬化反应只要几分钟或几十秒即可完成，大大提高了劳动生产率，且砂芯变形小，尺寸精度高，可减小加工余量，并使工艺流程简化，易于实现机械化和自动化。

国内应用的合成树脂粘结剂，主要有酚醛树脂、脲醛树脂和糠醇树脂三种。这三种树脂的性能均有一定局限性，可将它们按需要组合（化学合成或机械混合），制成各种改性树脂，以适应需要，扩大应用范围。

合成树脂分为热塑性和热固性两种。

凡是受热后软化、熔化（树脂无固定熔点），冷却后凝固硬化，此过程可重复多次的树脂，称为热塑性树脂。

凡是在常温或受热后起化学反应固化成形，再加热时不可逆的树脂叫热固性树脂。

热塑性树脂在加热及固化剂的作用下，其链状结构即可转变为体型结构，使树脂变为坚硬的固体；热固性树脂在受热后或长时间保存过程中，就能转变为体型结构。

（1）热芯盒树脂砂 热芯盒制芯是用射芯机以0.5～0.7MPa的压缩空气，将散状树脂砂射入加热到一定温度（180～260℃）的芯盒内，经过几十秒或几分钟便可从热芯盒中取出表面光滑、尺寸精确并具有足够强度的砂芯。

这种制芯方法的优点是，工艺过程简单，硬化周期短，砂芯从芯盒中取出后利用自身余热能继续硬化，生产效率较高。

热芯盒树脂砂具有低的湿强度，高的干强度，混制工艺简单，硬化迅速，流动性、透气性、退让性、溃散性较好，发气量低等优点。

（2）冷芯盒树脂砂 冷芯盒制芯是将树脂砂射入冷芯盒，再通入气体催化剂，使砂芯在室温下硬化，无需加热。改善了劳动条件，缩短了生产周期，生产效率大大提高。特别适合于中小批量、多品种的生产条件。

冷芯盒制芯目前有扩散气体冷盒法和自硬冷盒法两种。

1）扩散气体冷盒法是以雾化的三乙胺（C₂H₅）₃N为催化剂，使液态酚醛树脂的羟基（—OH）与液态聚异氰酸脂中的异氰酸根（—NCO）结合成相对分子质量巨大的聚氨脂树脂。这种树脂砂出砂性好，存放性也好，存放长达6个月性能也不起变化。可用于浇注铸钢、铸铁、铸铜件。

2）自硬冷盒法是利用液态树脂（7501型树脂）和液态催化剂分别与砂子混合，然后两种砂在吹砂筒中混合并吹入芯盒达到室温瞬时硬化。所用催化剂有硫酸乙脂、磷酸、甲苯磺酸等，变更催化剂的种类、浓度和加入量，可调整自硬砂的固化速度。

（3）壳芯树指砂 壳芯法制芯是将含有酚醛树脂的芯砂吹入已加热到260～300℃的金属芯盒中，保持一定时间（15～50s），接近盒壁的一层树脂由于受热熔化将砂粒粘结成壳，然后倒出松散的砂子，并使形成的空壳继续受热硬化，取出砂芯，即可得到5～12mm厚的薄壳砂芯，叫壳芯。

壳芯法可以制造形状复杂、尺寸精确、表面光洁的优质砂芯，生产效率高，树脂消耗量少，广泛用来生产铸铁、铸钢和有色合金铸件。

制备壳芯树脂砂时，一般选用颗粒较细、表面光洁的圆形砂。为了改善树脂砂的性能有时也加入一些附加物，如加入石英粉可提高壳芯的高温强度，加入润滑剂硬脂酸钙可增加壳芯砂的流动性，使壳芯表面致密。

壳芯树脂砂，其中酚醛树脂加入量为3%～6%（质量分数，下同），采用乌洛托品作固化剂，固化剂为树脂量的10%～15%。