胺法冷芯盒制芯工艺研究

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1、胺法冷芯盒制芯工艺研究三乙胺冷芯盒工艺自1968年在美国铸造学会举办的展览会上展出以来，因其很高的生产率颇具竞争性和实用性，而且在此基础上出现了制芯中心，型芯的尺寸精度进一步提高，受到了铸造业内人士的普遍关注，尤其是在汽车、拖拉机、内燃机等大批大量生产行业得到了极其广泛的发展和应用。据报道，美国铸造行业所用的各类铸造粘结剂中，冷芯盒树脂的年用量最大，约占粘结剂总量的44%。我国七十年代初，一拖工艺材料研究所和安阳塑料厂率先开始了胺法冷芯盒制芯树脂及工艺的研究，但当时国内无专用设备及配套材料供应，使该工艺无法推广。1985年，常州有机化工厂从

2、美国Ashland公司引进了胺法冷芯树脂生产技术，一汽铸造一厂从美国B﹠P公司引进了全套冷芯盒制芯设备，接着一拖、上柴又分别从德国、美国引进了两套冷芯盒制芯专用装备，使胺法冷芯技术在国内获得生产性应用。到目前为止，国内已形成了冷芯盒全套设备、工艺装备、树脂及配套辅料等近百家设计、制造单位的年产值数十亿元的产业链。1.冷芯盒树脂砂的工作原理和化学特性1.1冷芯盒树脂砂工作原理冷芯盒树脂有二个组份，即：Ⅰ组份是宽分布线性酚醛树脂。它是用苯酚、甲醛经过化学反应获得的含有羟甲基（-CH2OH）与醚键（R-O-R）的线性聚合体。适量的羟甲基数,可保证

3、型芯获得必要的初强度，适当的醚键可保证充分的终强度。Ⅱ组份是用高沸点的相溶性优良的溶剂而改性的含有适量（—N=C=O）基团的聚异氰酸酯。冷芯盒工艺的固化原理是酚醛树脂中的羟甲基（-CH2OH）和聚异氰酸酯中的（—N=C=O）基团在三乙胺的催化作用下，数秒内反应生成固态的尿烷树脂。实际使用时，需要混砂和制芯两个过程：首先是树脂的两种组分通过混砂过程均匀地包覆在砂粒表面；然后将混好的混合料射入芯盒，再吹入三乙胺气体，使均匀包覆在砂粒表面的树脂膜从液态变成固态，在砂粒与砂粒之间建立粘结桥，形成强度。1.2冷芯盒树脂砂的化学特性1.2.1Ⅱ组份聚异

4、氰酸酯中—N=C=O基团在碱性或微碱性环境中容易水解，放出CO2生成胺化合物，其反应活性受浓度、温度、催化剂的影响。水份浓度和反应温度增加可使水解反应速率增大。三乙胺在催化羟甲基与—N=C=O基团反应的同时，也使—N=C=O基团的水解反应加速，在无三乙胺的条件下水解相对速率为1.1，在吹三乙胺以后，水解相对速率则提高到47。因此，整个工艺过程中对水份须进行严格控制。1.2.2Ⅰ组份和Ⅱ组份树脂一旦混合后，即会发生缓慢的聚合化学反应。但在胺、铁、钙、镁等碱性化合物的催化作用下，反应速率极快。催化效果取决于催化剂的种类、浓度、温度、压力、时间等

5、参数。1.2.3Ⅰ组份和Ⅱ组份树脂的聚合反应过程存在前、后两期固化，在催化剂作用下快速固化形成的初强度仅占整个终强度的50～75%，还有25～50%的强度需在后期形成，为保证已成型型芯不被破坏和终强度顺利形成，须对上涂料的时间、烘干温度、仓储时间、温度、湿度进行控制。1.2.4冷芯盒树脂砂的室温、高温强度随树脂加入量增加而增加，但并非始终是呈线性增加，一般树脂加入量都<2％。1.2.5冷芯盒树脂组份Ⅰ增加，初强度上升，韧性下降。组份Ⅱ增加，终强度上升，发气量增加。组份Ⅰ∶组份Ⅱ在（60～40）％∶（40～60）％之间变动。2.冷芯盒树脂砂工

6、艺控制冷芯盒工艺过程控制的总体要求是：以控制水份危害为主线；选择符合冷芯要求的工艺设备、原材料；正确把握温度、压力、时间主参数；注意工装的气路和配合尺寸。“水份”主要是指硅砂、压缩空气、三乙胺、涂料、大气及型砂中的水份。“温度”主要是指硅砂、树脂、压缩空气（射砂和吹胺）、三乙胺、涂料烘干时的温度。“压力”主要是指射砂、吹胺、清洗时的压力。“时间”主要是指树脂仓储、混砂、可使用、射砂、吹胺、清洗、上涂料、烘干、型芯仓储及型芯落入铸型后所经历的时间。2.1水份控制：由于Ⅱ组份聚异氰酸酯中—N=C=O基团在碱性或微碱性环境中容易水解，如果在制芯过

7、程中，某一工序受到水的浸害都将导致某种缺陷，有时，这种缺陷将会非常严重。这是因为水份将消耗大量的Ⅱ组分聚异氰酸酯中—N=C=O基团，从理论上计算，1摩耳的水将消耗2摩尔的—N=C=O基团。而Ⅱ组分聚异氰酸酯中含有—N=C=O基团一般在20%左右，也就是说，每克水与—N=C=O基团完全反应将消耗10克左右的聚异氰酸酯，这不仅严重削弱了型芯强度，其反应生成的胺化合物降低了型芯的高温塑性和发气量，而且使生产成本大幅度提高。因此，冷芯盒工艺的优化控制应以控制水份的破坏作用为主线，从原辅材料（硅砂、树脂、三乙胺）的准备、混合料的配制、制芯、加工涂料、

8、仓储、下芯、浇注等整个工艺过程都须对水份进行监控。2.1.1硅砂水份控制    硅砂水份对冷芯盒型芯的强度有着重要影响。如果水份高，不仅降低芯砂强度和缩短芯砂可使用时间，降低型芯