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| 覆膜砂鑄造材料及工藝知識(shí)大全 |
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覆膜砂設(shè)備
覆膜砂生產(chǎn)線
覆膜砂再生設(shè)備
覆膜砂再生
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我國(guó)于20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究應(yīng)用覆膜砂及殼（芯）工藝，直至80年代中期以前只有少數(shù)幾家工廠采用自制的覆膜砂用于殼芯生產(chǎn)。自此以后，覆膜砂開(kāi)始作為商品推向市場(chǎng)。隨著原材料、制造設(shè)備和制造工藝的不斷改進(jìn)，覆膜砂品質(zhì)不斷得到提高，生產(chǎn)成本下降，90年代以來(lái)，覆膜砂的應(yīng)用得到了更迅速的發(fā)展，產(chǎn)品種類(lèi)不斷增多，并已形成系列化。目前，我國(guó)鑄造用覆膜砂年產(chǎn)量已達(dá)50萬(wàn)噸以上，共有專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家近百家。隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展和機(jī)械產(chǎn)品外貿(mào)出口需要，以及鑄件國(guó)際市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，對(duì)鑄件品質(zhì)的要求越來(lái)越高，覆膜砂的應(yīng)用將會(huì)在短期內(nèi)得到迅速增長(zhǎng)。
一、覆膜砂原材料的選用
覆膜砂一般由骨料、粘結(jié)劑、固化劑、潤(rùn)滑劑和特殊添加劑組成。
1.骨料
骨料是構(gòu)成覆膜砂的主體。對(duì)骨料的要求是：耐火度高、揮發(fā)物少、顆粒較圓整并自身強(qiáng)度高等。一般選用天然擦洗硅砂，這主要是由于其儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，能滿(mǎn)足鑄造要求。只有特殊要求的鑄鋼件或鑄鐵件才采用鋯砂或鉻鐵礦砂。對(duì)硅砂的一般要求是：
（1） SO2含量高。鑄鐵及有色鑄造用砂要求SO2>90%，鑄鋼件要求>97%；
（2） 含泥量≤0.2%；
（3） 粒度分布宜采用3～5篩分散度；
（4） AFS細(xì)度：應(yīng)根據(jù)鑄件表面粗糙度要求來(lái)選定不同的細(xì)度，一般為AFS50～65；
（5） 粒形：盡可能選用圓整性好的硅砂，角形因素應(yīng)<1.3；
（6） pH值<7;
（7） 硅砂需用水擦洗過(guò)，如有特殊要求，可將硅砂酸洗或進(jìn)行高溫活性處理（900℃焙燒）
2. 粘結(jié)劑
目前普遍采用酚醛類(lèi)樹(shù)脂作為粘結(jié)劑。酚醛類(lèi)樹(shù)脂有固體和液體、熱固性和熱塑性之分。目前制作覆膜砂通常采用熱塑性固態(tài)酚醛樹(shù)脂。對(duì)其性能要求是：
（1） 聚合速度（熱板法）：25～27s ；
（2） 軟化點(diǎn)（環(huán)球法）：90～105℃；
（3） 流動(dòng)性（斜板法）：60～110mm ；
（4） 游離酚含量（溴化法）：≤4%。
粘結(jié)劑的性能對(duì)覆膜砂的品質(zhì)有很大的影響，人們一直在致力于研究如何提高酚醛樹(shù)脂的性能，以及尋找酚醛樹(shù)脂的替代品。國(guó)外已開(kāi)發(fā)出不同性能的專(zhuān)用樹(shù)脂，如高強(qiáng)度低發(fā)氣樹(shù)脂、易潰散樹(shù)脂，也有采用改性聚酯樹(shù)脂的報(bào)道，但未得到全面推廣，至今普遍采用的仍是改性酚醛樹(shù)脂。國(guó)內(nèi)近年來(lái)在覆膜砂專(zhuān)用酚醛樹(shù)脂的研究開(kāi)發(fā)方面發(fā)展較快，已開(kāi)發(fā)出不同的改性酚醛樹(shù)脂供生產(chǎn)使用。
3. 固化劑、潤(rùn)滑劑、添加劑
固化劑通常采用烏洛托品即六亞甲基四胺，分子式為（CH2） 6N4，要求為工業(yè)一級(jí)品。潤(rùn)滑劑一般采用硬脂酸鈣。其作用是防止覆膜砂結(jié)塊，增加流動(dòng)性，使型、芯表面致密及改善砂型（芯）的脫模性。添加劑的主要作用是改善覆膜砂的性能。目前采用的添加劑主要有：耐高溫添加劑（如含碳材料或其他惰性材料）、易貴散添加劑（如二氧化錳、重鉻酸鉀、高錳酸鉀、已內(nèi)酰胺等）、增強(qiáng)增韌添加劑（如超短玻璃纖維材料、有機(jī)硅烷KH-550等）以及防粘砂添加劑和抗老化添加劑等等。
二、覆膜砂的分類(lèi)
隨著覆膜砂應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，不同鑄造工藝、不同材質(zhì)要求以及不同結(jié)構(gòu)的鑄件對(duì)覆膜砂提出了不同的性能要求。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了不同性能的覆膜砂，按其性能特點(diǎn)來(lái)劃分，可將國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的覆膜砂分為干態(tài)和濕態(tài)兩大類(lèi)。其中干態(tài)類(lèi)包括：普通類(lèi)、耐高溫類(lèi)、高強(qiáng)度低發(fā)氣類(lèi)、易潰散類(lèi)、離心鑄造類(lèi)等。濕態(tài)覆膜砂包括機(jī)械類(lèi)和手工類(lèi)兩種。各類(lèi)覆膜砂的主要成分、特點(diǎn)及適用范圍如下：
1. 普通覆膜砂
其組成通常由石英砂熱塑性酚醛樹(shù)脂、烏洛托品和硬脂酸鈣構(gòu)成，不加有關(guān)添加劑。其樹(shù)脂加入量通常在一定強(qiáng)度要求下相對(duì)較高，不具備耐高溫、低膨脹、低發(fā)氣等特性，適用于一些要求不高、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的鑄鐵件生產(chǎn)。
2. 高強(qiáng)度低發(fā)氣覆膜砂
是在普通覆膜砂的基礎(chǔ)上，通過(guò)加入有關(guān)特性的“添加劑”和采用新的配制工藝，使樹(shù)脂用量大幅下降，發(fā)氣量顯著降低，并能延緩發(fā)氣速度。該覆膜砂具有高強(qiáng)度、低膨脹、低發(fā)氣、慢發(fā)氣等特點(diǎn)，特別適用于鑄鐵件、中小鑄鋼件中要求發(fā)氣量低的砂芯，如閥體砂芯等。
3. 耐高溫覆膜砂
該砂一般是指覆膜砂的熱強(qiáng)度大、耐熱時(shí)間長(zhǎng)、高溫變形小，而不是指其耐火度很高。它是通過(guò)特殊的工藝配方技術(shù)（一般都是在硅砂覆膜時(shí)加入一定量的惰性材料如銑砂、高鉻礦砂、含碳材料或其他惰性材料等），生產(chǎn)出具有優(yōu)異高溫性能和綜合鑄造性能的新型覆膜砂。具有耐高溫、高強(qiáng)度、低膨脹、低發(fā)氣、慢發(fā)氣等特點(diǎn)。特別適用于復(fù)雜薄壁精密的鑄鐵件（如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等）以及高要求的鑄鋼件（如集裝箱角和火車(chē)剎車(chē)緩沖器殼體等）的生產(chǎn)，可有效消除粘砂、變形、熱裂和氣孔等鑄造缺陷。
4. 易潰散覆膜砂
它是針對(duì)有色金屬（特別是鋁合金）鑄件不易清砂而研制的一種覆膜砂。該砂在具有較好的強(qiáng)度的同時(shí)具有優(yōu)異的低溫潰散性。用它生產(chǎn)有色金屬（鋁合金、銅合金等）鑄件，不需要將鑄件重新加熱來(lái)清砂，只需將澆注后的鑄件冷卻24小時(shí)后，即可振動(dòng)落砂。
5. 離心鑄造覆膜砂
該覆膜砂適用于離心鑄造工藝，可用它替代涂料生產(chǎn)離心鑄管等。根據(jù)鑄管材質(zhì)與直徑大小及技術(shù)要求不同，可加工成不同性能的離心鑄造覆膜砂。與其他各類(lèi)覆膜砂的不同之處，是該覆膜砂的密度較大一些，發(fā)氣量較低且發(fā)氣速度慢。
6. 濕態(tài)機(jī)械類(lèi)覆膜砂
它是一種在室溫下呈濕態(tài)的覆膜砂。在室溫下長(zhǎng)期存放不會(huì)自然固化（可存放1年以上），根據(jù)不同鑄件的技術(shù)要求可使用濕態(tài)高強(qiáng)度低發(fā)氣等各種不同特性的覆膜砂，該覆膜砂可完全替代熱芯盒砂（射芯機(jī)射頭不用改裝來(lái)生產(chǎn)各種材質(zhì)和各種類(lèi)型的鑄件）。
7. 濕態(tài)手工類(lèi)覆膜砂
該覆膜砂濕壓強(qiáng)度可在0.1～0.3MPa內(nèi)任意調(diào)整。存放期超過(guò)3 個(gè)月，適用于手工造型或制芯（類(lèi)似于桐油砂和合脂砂），在室溫下脫模后，將型（芯）放入烘箱或烘爐內(nèi)加熱，加熱溫度250～350℃，加熱時(shí)間3～10min，固化后的型（芯）具有強(qiáng)度高、發(fā)氣量低、蠕變形量小、不吸潮等特點(diǎn)。該覆膜砂適于單件、小批量及精度要求較高鑄件的生產(chǎn)，特別適于鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)采用。值得注意的是，在型（芯）加熱固化時(shí)，必須等待爐溫達(dá)到所需的溫度時(shí)才能放入加熱，切忌隨爐升溫加熱。
三、覆膜砂制芯（型）工藝
近年來(lái)，覆膜砂的應(yīng)用越來(lái)越廣，幾乎用于所有的鑄造方法中，其工藝方法不盡相同，但無(wú)論是制芯還是造型，其基本工藝要求是（濕態(tài)手工類(lèi)除外）：加熱溫度200～300℃；固化時(shí)間30～150s；射砂壓力0.15～0.6MPa。具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)設(shè)備型號(hào)、型、芯質(zhì)量及復(fù)雜程度、覆膜砂的種類(lèi)等進(jìn)行調(diào)整，原則是：形狀簡(jiǎn)單的砂芯、流動(dòng)性好（或粒度較粗）的覆膜砂可選擇較低的射砂壓力，細(xì)薄砂芯選擇較低的加熱溫度，加熱溫度低時(shí)可適當(dāng)延長(zhǎng)固化時(shí)間等；反之亦然。以下分述幾種不同的應(yīng)用實(shí)例。
1. 制作實(shí)體芯
從理論上講，覆膜砂幾乎可以生產(chǎn)所有類(lèi)型，尤其是高精度鑄件的實(shí)體芯。采用濕態(tài)覆膜砂時(shí)，可直接利用熱芯盒設(shè)備和工裝制芯，而無(wú)需對(duì)原有設(shè)備和工裝做任何改變。采用干態(tài)覆膜砂時(shí)，由于其流動(dòng)性好，需對(duì)芯盒的排氣方式、射嘴及芯盒密封進(jìn)行特殊處理。可利用安息角原理（覆膜砂的安息角約30o ） ，解決射砂后排氣時(shí)覆膜砂進(jìn)入射腔和不射砂時(shí)覆膜砂自動(dòng)下落等問(wèn)題。目前，采用干態(tài)覆膜砂熱芯盒制芯工藝的廠家較多。
2. 制作殼型
用覆膜砂制作殼型，常見(jiàn)于澆注凸輪軸等軸類(lèi)零件或剎車(chē)片等盤(pán)類(lèi)零件及一些表面要求高的閥類(lèi)零件等。其相關(guān)參數(shù)如下：砂鐵比1：（1.5）～4；拔模斜度0.5°～1°等，殼型壁厚8～12mm。
均勻的殼型壁厚可以減少覆膜砂用量，獲得均勻的鑄件組織。用覆膜砂制作殼型，可采用固定式射芯機(jī)或翻轉(zhuǎn)式射芯機(jī)，前者可用干態(tài)覆膜砂或濕態(tài)覆膜砂，后者只能選用干態(tài)覆膜砂。
3. 制作殼芯
用覆膜砂制作殼芯通常采用搖擺式殼芯機(jī)（如K85、K87、K89等），通過(guò)射砂、結(jié)殼、提出余砂、固化、脫膜等環(huán)節(jié)完成制芯過(guò)程。
為了確保殼芯的品質(zhì)，除了要保證覆膜砂的品質(zhì)之外，還必須根據(jù)每個(gè)砂芯的具體情況來(lái)選擇合理的制芯工藝。
（1）芯盒溫度 芯盒溫度是影響殼層厚度的主要因素之一，一般控制在230-300℃，并根據(jù)下列原則選定：①保證覆膜砂上的樹(shù)脂軟化及固化所需的足夠熱量；②保證形成需要的殼厚且殼芯表面不焦化；③盡量縮短結(jié)殼及硬化時(shí)間，以提高生產(chǎn)率。
（2）射砂壓力及時(shí)間 射砂壓力應(yīng)根據(jù)砂芯的形狀及復(fù)雜程度而定，以能使芯砂緊密地 充填芯盒為宜。壓力過(guò)高時(shí)，易使砂芯出現(xiàn)縮頸和跑砂現(xiàn)象；壓力過(guò)低時(shí)，砂芯易出現(xiàn)疏松現(xiàn)象。射砂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易使已結(jié)殼的型殼滑移，造成結(jié)殼很薄；時(shí)間過(guò)短則砂芯不能成型。射砂壓力一般為0.15～0.4MPa，射砂時(shí)間一般控制在3～10s。
（3）結(jié)殼時(shí)間 結(jié)殼時(shí)間的長(zhǎng)短取決于砂芯殼厚，殼厚由砂芯在運(yùn)輸、組芯及澆注時(shí)的強(qiáng)度要求而定。在覆膜砂品質(zhì)一定的前提下，殼層越厚強(qiáng)度越高。殼厚6～8mm時(shí)，結(jié)殼時(shí)間10～30s，殼厚10mm時(shí)，結(jié)殼時(shí)間20～65s。
（4）搖擺倒砂時(shí)間 殼芯機(jī)在結(jié)殼階段結(jié)束后，將芯盒射砂口朝下，以45o 角的幅度左 右搖擺，倒掉未結(jié)殼的余砂。該段時(shí)間可根據(jù)砂芯外形復(fù)雜程度及射砂口的布置情況來(lái)確定，以倒凈為宜，一般為5-10s。
（5）硬化時(shí)間 為了使砂殼充分硬化，砂芯應(yīng)持續(xù)在加熱的芯盒中硬化，硬化時(shí)間可根據(jù)殼厚及芯盒溫度而定。時(shí)間過(guò)短，殼層未完全固化則強(qiáng)度低些；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，砂芯表層易燒焦。一般控制在20-100s。 4. 熱法離心鑄造
該工藝是在粗成形的金屬型（鐵型）內(nèi)傳統(tǒng)的離心鑄造工藝，主要用于生產(chǎn)管類(lèi)回轉(zhuǎn)體鑄件，先在鐵模內(nèi)腔表面涂掛一層涂料以利于取模。近年來(lái)，已開(kāi)發(fā)出適于離心鑄造用覆膜砂替代涂料生產(chǎn)。由于其排氣效果較差，故要求壁薄（約3mm），且通常采用雙層砂，與鑄件接觸表面采用細(xì)砂（70/140目），外層采用粗砂（50/100目）。
5. 鐵型覆膜砂工藝
該工藝是在粗成形 的金屬型（鐵型）內(nèi)腔覆一薄層覆膜砂（3-8mm）而形成鑄型，見(jiàn)圖1。它通過(guò)各種手段，如工藝試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬、經(jīng)驗(yàn)圖表等，合理地設(shè)定鐵型壁厚和覆膜砂厚度、澆注系統(tǒng)及覆膜砂層材料，以達(dá)到使鑄鐵在一個(gè)比較有利的條件下完成充型凝固冷卻，提高其內(nèi)在品質(zhì)和表面品質(zhì)的目的。
我國(guó)鐵型覆砂技術(shù)首先是在中小鑄造企業(yè)中發(fā)展起來(lái)并成功應(yīng)用的。20世紀(jì)70年代末，我國(guó)建成了第一條鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線。80年代以后，我國(guó)鐵型覆砂鑄造工藝的基本研究隊(duì)伍和應(yīng)用企業(yè)已形成，并得到較快地發(fā)展。目前，我國(guó)已有近百家企業(yè)將鐵型覆砂鑄造應(yīng)用于生產(chǎn)，年產(chǎn)鐵型覆砂鑄件10萬(wàn)噸左右（主要是曲軸、凸輪軸、齒輪及出口鑄件等），年耗覆膜砂約2萬(wàn)噸。
我國(guó)許多中小鑄造企業(yè)不同程度存在鑄件品質(zhì)差、經(jīng)濟(jì)效益低和鑄造生產(chǎn)條件惡劣的情況，又很少有財(cái)力進(jìn)行根本性的技術(shù)改造，因此有些中小鑄造企業(yè)就考慮采用投資少、見(jiàn)效快的鐵型覆砂鑄造技術(shù)來(lái)提高自身的競(jìng)爭(zhēng)能力。因?yàn)殍F型覆砂鑄造生產(chǎn)的鑄件平均精度為CT7級(jí)左右，表面粗糙度為12.5um，投資幾十萬(wàn)元就能基本形成生產(chǎn)能力。如果大企業(yè)采用此工藝則可有效地降低生產(chǎn)成本。
鐵型覆砂鑄造的主要工藝參數(shù)：鐵型壁厚25mm，覆砂層厚5-8mm（適用于小缸徑球鐵曲軸）；鐵型質(zhì)量一般是型鑄件質(zhì)量的5倍左右；鐵砂比（鑄件質(zhì)量與所耗覆膜砂量之比）為6-7。鐵型覆砂造型方法（即覆砂層的獲得）有射砂成型和壓模成型兩種，前者目前用得較多，覆砂層為普通覆膜砂，特別適于大批量生產(chǎn)；后者適用于單件質(zhì)量較大（鐵型尺寸達(dá)數(shù)米長(zhǎng)）的曲軸等，覆砂層為各種流態(tài)自硬砂。前者射砂壓力的選擇與覆膜砂厚度有關(guān)，當(dāng)射砂壓力為0.2-0.6MPa，覆膜砂厚度為4-5mm時(shí)，其密度最大 。
由于鐵型覆砂的鑄型剛度較好，可提高鑄件的致密性，密度平均提高0.86%。許多企業(yè)實(shí)現(xiàn)了四缸及以下球鐵曲軸的鑄態(tài)生產(chǎn)。鑄態(tài)性能達(dá)QT800-2以上，鑄造廢品率為3%～5%。
四、 覆膜砂的再生與品質(zhì)控制
隨著人類(lèi)對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，覆膜砂的回收與再生顯得越來(lái)越重要和迫切。目前常用的再生方法為機(jī)械再生與熱法再生。
機(jī)械再生的基本原理是利用高速回轉(zhuǎn)輪的砂輪（約3500r/min）和慢速轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)框之間的間隙（5～10mm）對(duì)舊砂進(jìn)行磨擦，以達(dá)到去除舊砂表面的樹(shù)脂和對(duì)舊砂進(jìn)行整形的目的，所產(chǎn)生的粉塵則通過(guò)通風(fēng)除塵進(jìn)行處理。 熱法再生的基本原理是利用舊砂預(yù)處理和沸騰式熱法再生爐設(shè)備，首先對(duì)舊砂進(jìn)行振動(dòng)破碎和磁分離，然后在沸騰式再生爐中焙燒，出砂后再經(jīng)保溫、冷卻、篩分即可回用。經(jīng)熱法再生后的回用砂性能可達(dá)：灼燒減量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）<0.3%；粒度集中率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）80%～90%；發(fā)氣量<3mL/g。
為了保證覆膜砂芯的品質(zhì)，首先要確保覆膜砂的品質(zhì)，覆膜砂的各種性能指標(biāo)必須滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，其檢驗(yàn)方法可參閱機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T8583.1997鑄造用覆膜砂）。
覆膜砂芯的品質(zhì)除了砂芯的幾何形狀、尺寸精度、表面品質(zhì)與殼層厚度之外，還要通過(guò)觀察砂芯顏色來(lái)檢驗(yàn)芯砂的固化情況。正常的情況是，砂芯外表應(yīng)為均勻的黃褐色，中心為淡黃色，過(guò)燒時(shí)外表呈現(xiàn)褐色乃至黑色，硬化不足時(shí)外表呈黃色，中心為白色。
五、展望
21世紀(jì)的造型、制芯技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵問(wèn)題，應(yīng)是開(kāi)發(fā)無(wú)污染、少污染、生產(chǎn)成本低、節(jié)能節(jié)材和勞動(dòng)條件好的造型、制芯工藝。因此，覆膜砂技術(shù)今后的發(fā)展方向應(yīng)該是：
（1） 減少覆膜砂的環(huán)境污染，開(kāi)發(fā)低游離酚、低發(fā)氣、少污染的酚醛樹(shù)脂，保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境。
（2） 酚醛樹(shù)脂代用品的研究。因酚醛樹(shù)脂價(jià)格昂貴，研制一種價(jià)廉物美的新型粘結(jié)劑是當(dāng)務(wù)之急。
（3） 進(jìn)一步研究與改進(jìn)酚醛樹(shù)脂的流變性，不斷提高樹(shù)脂的反應(yīng)、覆膜及固化特性。
（4） 研究樹(shù)脂合成過(guò)程中的性能控制，對(duì)樹(shù)脂中大分子及小分子的合適級(jí)配也需進(jìn)一步研究，以提高樹(shù)脂的強(qiáng)韌性和抗脫殼性。
（5） 進(jìn)一步研究舊砂的回用。隨著我國(guó)覆膜砂用量的不斷增大，許多廠家用量已達(dá)到數(shù)千噸以上，研究覆膜砂舊砂的再生回用已具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，這不僅能夠提高覆膜砂的性能，而且還能節(jié)約成本，降低廢舊物對(duì)環(huán)境的污染。
（6） 進(jìn)一步降低覆膜砂的固化溫度、減少固化時(shí)間，這樣既能降低能耗、提高工效，又能降低模具變形量，提高型、芯尺寸精度。 筆者深信，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的日益發(fā)展，在我國(guó)鑄造行業(yè)中覆膜砂技術(shù)將會(huì)越來(lái)越先進(jìn)，其應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。
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