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水玻璃砂落砂新方法
王秀萍 肖 波 向紅亮 徐正達(dá) 高 峰
摘要 研究一種水玻璃砂鑄件落砂方法。采用樹脂砂作鑄型的面砂，水玻璃砂作背砂,，填砂后一起緊實(shí),，一起吹CO2硬化。由于CO2硬化樹脂砂潰散性好,，澆注鑄鋼件不粘砂,，澆注后的鑄件就像穿了一層松散的外衣，很容易落砂,，而且這種復(fù)合砂鑄型容讓性特別好,，鑄件不易產(chǎn)生熱裂。
關(guān)鍵詞 水玻璃 樹脂 復(fù)合砂 CO2硬化 落砂
中國(guó)圖書資料分類法分類號(hào) TG242
1 實(shí)驗(yàn)材料及方法
原砂為湖南砂（40/70目）,，水玻璃模數(shù)為2.42,。 固體含量為42%。CO2硬化樹脂砂采用華中理工大學(xué)生產(chǎn)的BN—21型樹脂粘結(jié)劑和YC—1型硬化劑,，工業(yè)純CO2氣體,。
1.1 工藝試驗(yàn)
在華中理工大學(xué)化學(xué)粘結(jié)劑砂實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。強(qiáng)度試樣為“8”字標(biāo)準(zhǔn)試樣,，芯盒材料為環(huán)氧樹脂電木板，每次制作兩個(gè)“8”字試樣,。CO2氣體吹氣流量為3 m3/h, CO2吹氣時(shí)間為10 s, 試樣初強(qiáng)度在吹CO2氣體后1 min內(nèi)測(cè)試,，試樣終強(qiáng)度在試樣放置24 h后測(cè)試。復(fù)合砂層間強(qiáng)度的測(cè)定是先把水玻璃砂混合料與CO2硬化樹脂砂用顏色區(qū)別開,，即在混制水玻璃時(shí)加入0.2%（占砂的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的氧化鐵粉,，混勻后得到淺紅色的水玻璃砂混合料。制備試樣時(shí)分2種情況：
(1)垂直層間強(qiáng)度試樣 將“8”字試樣芯盒的一端化成開口（20 mm×20 mm）, 從此開口向芯盒先填入紅色的水玻璃砂混合料,，使砂層適當(dāng)超過(guò)“8”字試樣腰部,，填入的這部分砂不緊實(shí)，讓其松散,。接著填入預(yù)先混制好的CO2樹脂砂,，并緊實(shí)至芯盒開口，最后一起吹CO2氣體硬化,。這樣,，通過(guò)2種顏色砂可以看見(jiàn)分界線正好在“8”字試樣的腰部。
(2)平行層間強(qiáng)度試樣 將“8”字試樣芯盒臥置,，先將紅色水玻璃砂混合料填入芯盒,，使砂面基本水平并適當(dāng)超過(guò)“8”字試樣厚度的一半，不緊實(shí),，緊接著填入預(yù)先混制好的CO2硬化樹脂砂,，再用直徑為15 mm的平頭圓木棒緊實(shí)試樣，并使砂面與試樣芯盒上平面平齊，最后吹CO2氣體一起硬化,。這樣得到的試樣,，其層間分界線正好在“8”字試樣中層部位。
1.2 生產(chǎn)性試驗(yàn)
在江岸車輛廠鑄鋼分廠進(jìn)行,。原砂為湖南砂（40/70目）,，SiO2含量為96%，水玻璃樹脂材料和CO2氣體同上,。
水玻璃砂采用0.4 m3碾輪式混砂機(jī)混砂,，每次混制400 kg，水玻璃加入量為8%,。CO2硬化樹脂砂采用10 kg碾輪式混砂機(jī)混砂,，每次混制10 kg，BN—21型樹脂加入量為3.5%,，YC—1硬化劑加入量為1%,，造型時(shí)，先用樹脂砂混合料把模型蓋住,，砂子不緊實(shí),，讓其松散，厚度面砂層為15 mm～20 mm厚,，接著填入水玻璃砂,，填至適當(dāng)厚度后，開始緊實(shí),。待水玻璃砂填完后,，一起吹CO2氣體硬化，吹氣時(shí)間3 min,。同原來(lái)單獨(dú)用CO2水玻璃砂造型一樣,，CO2氣體吹完后立即脫模。砂型不需要涂涂料,，并可立即合箱,。澆注的鑄鋼件名稱為“氣室”，其直徑為680 mm,，高為130 mm ,，用在混凝土攪拌車上，材質(zhì)為ZG230—450,，質(zhì)量為56 kg, 澆注溫度為1550 ℃,。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
華中理工大學(xué)研究成功的CO2硬化樹脂砂技術(shù)，其粘結(jié)劑材料為BN系列樹脂和與之配套使用的YC—1型硬化劑,，文獻(xiàn)［1～3］已有報(bào)道,。圖1是BN—21型樹脂加入量與砂型初終強(qiáng)度的關(guān)系,。樹脂加入量與硬化劑之比為3.5∶1(質(zhì)量比)，CO2氣體吹氣流量為3 m3/h, CO2吹氣時(shí)間為10 s,。開始時(shí),，隨著樹脂加入量的增加，CO2硬化樹脂砂的初終強(qiáng)度都升高,。但當(dāng)樹脂加入量超過(guò)3.5%以后,，初強(qiáng)度不再上升。這是因?yàn)锽N型樹脂粘結(jié)劑含水量較高, 砂型中的水分在初始硬化的短時(shí)間內(nèi)難以排除,，使得強(qiáng)度上不去,。砂型的終強(qiáng)度在樹脂加入量超過(guò)3.5%以后，上升緩慢,。樹脂加入量為3.5%時(shí)的初強(qiáng)度和終強(qiáng)度分別為0.041 MPa和0.41 MPa,能滿足砂型強(qiáng)度的要求,，高的樹脂加入量會(huì)導(dǎo)致砂型成本過(guò)高，因此,，在配制CO2樹脂砂面砂時(shí)樹脂加入量確定為3.5%,，硬化劑為1%。
用CO2樹脂砂作面砂,，CO2水玻璃砂作背砂造型時(shí),，應(yīng)同時(shí)吹CO2氣體硬化。為了使面砂和背砂在吹CO2氣體時(shí)的硬化強(qiáng)度合理發(fā)揮,，必須確定兼顧2種砂的吹氣時(shí)間,。從圖2可以看出，CO2水玻璃砂的初強(qiáng)度高于CO2樹脂砂,，吹氣時(shí)間對(duì)CO2水玻璃砂的初強(qiáng)度影響不很大。當(dāng)吹氣時(shí)間為2 s時(shí),，CO2樹脂砂很低僅為0.027 MPa,，隨著吹氣時(shí)間的延長(zhǎng)，CO2樹脂砂的初強(qiáng)度升高,，10 s以后上升緩慢,。
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圖1 樹脂加入量與初終強(qiáng)度的關(guān)系
圖2 CO2吹氣時(shí)間對(duì)樹脂砂、水玻璃砂初強(qiáng)度的影響
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隨著吹氣時(shí)間的延長(zhǎng),，CO2樹脂砂和CO2水玻璃砂的終強(qiáng)度都下降,，吹氣時(shí)間在6 s～ 18 s之間,CO2樹脂砂的終強(qiáng)度在0.40 MPa～0.55 MPa, CO2水玻璃砂的終強(qiáng)度在0.2 MPa～ 0.25 MPa,砂、水玻璃砂終強(qiáng)度的影響兩者的終強(qiáng)度都比較平穩(wěn),，即2種砂的強(qiáng)度容易同步,，在相當(dāng)寬的吹氣時(shí)間范圍內(nèi)，兩者的硬化能夠同步,，見(jiàn)圖3,。
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圖3 CO2吹氣時(shí)間對(duì)樹脂砂,、水玻璃砂終強(qiáng)度的影響
| 水玻璃砂的殘留強(qiáng)度是雙峰曲線，隨著加熱溫度的升高,，CO2樹脂砂的殘留強(qiáng)度逐漸下降,， CO2樹脂砂如此低的殘留強(qiáng)度，為復(fù)合砂鑄型鑄件的落砂創(chuàng)造了極好的條件(見(jiàn)圖4),。 |
圖4 CO2樹脂砂和CO2水玻璃砂殘留強(qiáng)度
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復(fù)合砂砂型的層間強(qiáng)度見(jiàn)表1,，復(fù)合砂垂直層間初強(qiáng)度，即垂直于2種砂接合面方向的初始抗拉強(qiáng)度為0.046 MPa,與CO2樹脂砂初強(qiáng)度相當(dāng),?？估嚇拥臄嗫谠跇渲安课? 說(shuō)明初始硬化時(shí)，復(fù)合砂砂型的層間強(qiáng)度大于CO2樹脂砂的強(qiáng)度,。這樣,，砂型在脫模時(shí)復(fù)合砂之間不會(huì)分層?！〈怪睂娱g終強(qiáng)度為0.1 MPa, 低于2種砂各自的強(qiáng)度 ,。 平行層間初強(qiáng)度，即平行于2種砂接合面方向的初始抗拉強(qiáng)度為0.064 MPa,平行層間終強(qiáng)度為0.3 MPa,都在2種砂強(qiáng)度之間,，其試樣測(cè)試強(qiáng)度后的斷口見(jiàn)圖5),。
表1 復(fù)合砂層間強(qiáng)度 單位：MPa
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| 試樣類型 |
初強(qiáng)度 |
終強(qiáng)度 |
| 垂直層間試樣 |
0.048 |
0.1 |
| 平行層間試樣 |
0.064 |
0.3 |
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(a)垂直層間試樣初強(qiáng)度斷口
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(b)平行層間試樣初強(qiáng)度斷口
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(c)垂直層間試樣終強(qiáng)度斷口
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(d)平行層間試樣終強(qiáng)度斷口
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| CO2水玻璃砂鑄型用CO2樹脂砂作面砂的澆注結(jié)果，表明了極好的鑄件的落砂性能,。圖6是江岸車輛廠CO2水玻璃砂型采用CO2樹脂砂作面砂生產(chǎn)氣室鑄件的落砂情況,。鑄型開箱時(shí),天車吊起上箱，鑄件很輕松地脫離砂箱,，并由于澆注系統(tǒng)的牽掛作用和上箱一起被吊起,。 |
圖6 CO2水玻璃-樹脂復(fù)合砂落砂后的鑄鋼件
| 武漢機(jī)車車輛配件廠采用這種造型工藝，生產(chǎn)出口鑄鐵件,，該鑄件質(zhì)量205 kg,，壁厚100 mm，牌號(hào)為HT200, 澆注溫度1350 ℃,，澆注的鑄件尺寸精度高,，輪廓清晰，表面光潔（見(jiàn)圖7）,。采用這種新工藝生產(chǎn)出來(lái)的鑄鐵件與粘土濕型砂相比不僅質(zhì)量大為提高,，而且鑄件成品率也得到了提高（95% 以上），混砂設(shè)備和造型設(shè)備也簡(jiǎn)單,，用砂量大為減少（減少3/4）,，降低了成本。 |
圖7 CO2水玻璃—樹脂復(fù)合砂鑄型澆注的鑄鐵件
| 湖北省大悟汽車底盤廠用這種復(fù)合砂工藝作砂芯,，解決水玻璃砂的潰散問(wèn)題,。用該工藝制造的195柴油機(jī)缸體砂芯,，砂芯質(zhì)量30 kg，分兩半做,，CO2吹氣時(shí)間20 s,，1/3為CO2樹脂砂（面砂），2/3為CO2水玻璃砂（背砂）,，砂芯噴涂料（華中理工大學(xué)研制生產(chǎn)的XZD型水基自硬涂料）,，鑄件落砂時(shí)靠近鑄件內(nèi)腔表面的樹脂砂馬上潰散成一粒粒的砂子，流出缸體鑄件,，砂芯中心部位的水玻璃砂由于被加熱溫度未達(dá)到800℃,，殘留強(qiáng)度也不高，很容易從鑄件中潰散出來(lái),。用該工藝生產(chǎn)砂芯,，成本低，砂芯容易潰散,，勞動(dòng)條件好,，污染少，圖8是用該工藝生產(chǎn)的195柴油機(jī)缸體鑄件,，鑄件內(nèi)表面光潔,，尺寸精度高，無(wú)氣孔,。 |
圖8 CO2水玻璃—樹脂復(fù)合砂砂芯澆注的195柴油機(jī)缸體
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作者簡(jiǎn)介：王秀萍 女,，1963年生。華中理工大學(xué)(武漢市 430074)環(huán)境科學(xué)與工程系工程師,。研究方向?yàn)榛瘜W(xué)粘結(jié)劑砂,。已發(fā)表論文3篇。
肖 波 向紅亮 徐正達(dá) 高峰 武漢市 430074 華中理工大學(xué)
作者單位：王秀萍 華中理工大學(xué)(武漢市 430074)
肖 波 向紅亮 徐正達(dá) 高峰 武漢市 430074 華中理工大學(xué)
參考文獻(xiàn)
1 肖波,，王文清,，戴緒琦等.汽車工藝及材料，1992（8）：4～8
2 徐正達(dá),肖波,，李曉為等.鑄造，1993（11）：35～40
3 王秀萍,，肖波,，徐正達(dá)等.熱加工工藝，1997（5）：54
(編輯 王漢熙)
收稿日期：1998—09—03 修回日期：1999—03—31
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