酯固化碱性酚醛树脂砂的工艺参数

酯固化碱性酚醛树脂砂固化性能的影响因素有：原砂质量（种类、砂温、水含量），碱性树脂和固化剂的种类及加入量，环境条件（温度、湿度）。其中，固化终强度主要影响因素有：原砂状态、砂温、树脂加入量和固化剂的种类及加入量；型砂的固化速度主要影响因素：砂温、水含量、固化剂的种类、环境温度（湿度）。

1.原砂的影响

碱性酚醛树脂砂和其他自硬树脂砂一样，对原砂的粒形、粒度分布、表面状况、粉尘含量等有较高的要求。使用不同的原砂，在其他条件相同的情况下，自硬砂的常温抗拉强度有较大的差别，见表3-25和图3-33。从表和图中可以看出，碱性酚醛树脂砂对原砂的适用性好。因此对开发使用碱性原砂（镁橄榄石砂）、铬铁矿砂有重要意义。不同的原砂，其树脂加入量要求有较大的差别，一般硅砂∶树脂加入量为1.5%～3.5%；铬铁矿砂：树脂加入量为1.0%～1.5%。

表3-25 不同原砂碱性酚醛树脂砂抗拉强度

注：1.树脂2%（占原砂质量分数），WJ—2酯30%（占树脂质量分数）。

2.环境温度21℃，相对湿度73%。

3.树脂中加入1.0%硅烷（占树脂质量分数）。

图3-33 不同原砂对树脂砂固化性能的影响

1—南非铬铁矿砂 2—大林标准砂 3—辽宁海城砂

表3-26和表3-27是国内有关厂家在使用不同原砂时的树脂砂配方及其强度性能。

表3-26 不同原砂的树脂砂配方

注：原砂以100计。

表3-27 不同原砂的碱性酚醛树脂砂抗拉强度

注：1.温度25℃，相对湿度75%。

2.树脂2%（占原砂质量分数），固化剂30%（占树脂质量分数）。

表3-28列出了在使用强度相当的情况下，各种原砂（50/100筛号）的树脂加入量。

表3-28 不同原砂的树脂加入量

2.树脂加入量的影响

酯固化酚醛树脂系高碱性，对原砂的适应性好，它不仅适用于普通硅砂，耗酸值低的硅砂、锆砂，同时也适用于耗酸值高的海砂、铬铁矿砂和镁橄榄石砂等。但与其他自硬树脂砂一样，对原砂的粒形、粒度分布、表面状况、粉尘含量等也有较高的要求，不同的原砂其树脂加入量有较大的差别。

在原砂一定的条件下树脂加入量与强度的关系见表3-29和图3-34。从表3-29和图3-34可看出，树脂的用量增加，强度呈上升趋势，但到一定加入量后，其强度增加缓慢。树脂用量增加，不仅会增加生产成本，而且会使树脂砂中的残留碱量及砂粒表面炭质涂覆层增加，影响回用砂的质量与强度，影响旧砂再生率。为了降低生产成本，提高再生砂的质量，强度在满足生产需要的情况下，树脂用量应尽量减少。另外，因该树脂砂具有高温二次固化特性，有足够的高温强度，生产应用时不必要强调过高的使用强度。所以，对钢铁铸件，树脂用量控制在1.8%～2.5%，非铁铸件1.0%～1.5%为宜。

表3-29 树脂加入量与强度的关系

注：1.温度25～30℃，相对湿度70%。

2.大林水洗砂50/100筛号；固化剂20%（占树脂质量分数）。

图3-34 树脂加入量与抗拉强度关系曲线图

3.固化剂种类及加入量的影响

碱性酚醛树脂砂的固化反应是树脂中的酚氧负离子与酯类固化剂发生的双分子亲核取代反应，在反应过程中，酯类固化剂作为交联桥使树脂交联固化。

在室温条件下（25℃）将1，42-丁内酯、ε-2己内酯、甘油三乙酸酯、甘油二乙酸酯、甘油单乙酸酯按比例分别加入到强碱性甲阶酚醛树脂溶液中，它们的加入量对甲阶酚醛树脂凝胶时间的影响如图3-35所示。从图3-35可以看出，对于同一种有机酯来说，随着加入量的增多，体系的凝胶时间逐渐缩短，加入量达到一定值后，凝胶时间不再变化。

图3-35 不同的有机酯及其加入量对碱性甲阶酚醛树脂凝胶时间的影响

a—1，42-丁内酯 b—ε-2己内酯 c—甘油三乙酸酯 d—甘油二乙酸酯e—甘油单乙酸酯

型砂的固化速度受环境温度、湿度和固化剂种类的影响较大。固化剂种类的影响如图3-36所示。采用不同的固化剂时，自硬砂使用时间可以在较大范围内调整，确保满足生产的不同要求。温度变化时，自硬砂的固化特性也相应发生变化。以WJ—2酯作固化剂，自硬砂固化特性随温度变化曲线，如图3-37所示。从图3-37看出，温度低，自硬砂的固化速度慢，初始强度低，自硬砂的可使用时间、起模时间长；温度升高，固化速度加快，初始强度高，自硬砂的可使用时间和起模时间短。

图3-36 WJ系列固化剂的碱性酚醛树脂砂固化曲线

注：1.标准砂，树脂加入量2.0%（占原砂质量分数），固化剂30%（占树脂质量分数）

2.温度21℃，相对湿度73%。

图3-37 自硬砂固化特性随温度变化曲线

注：标准砂，树脂加入量2.0%（占原砂质量分数），固化剂30%（占树脂质量分数）。(www.xing528.com)

图3-38所示为三种自硬砂的抗吸湿性，从图中可看出其抗吸湿性低于呋喃树脂砂，但好于酯固化的水玻璃砂。

图3-38 三种自硬砂的抗吸湿性的对比

实验中测定了碱性酚醛树脂砂试样强度随存放时间的变化，见表3-30。在实验条件（温度12～17℃，相对湿度51%～73%）下，试样存放15d后，仍具有较高的强度。

把固化24h后的抗拉试样，放置于下部盛水的干燥器中，放置不同时间后测其抗拉强度，以此来衡量碱性酚醛树脂砂的吸湿性，结果见表3-31。由表中数据可见，碱性酚醛树脂砂的抗吸湿性较好。

表3-30 碱性酚醛树脂砂存放天数与强度的关系

表3-31 在高湿环境下碱性酚醛树脂砂的吸湿性

型砂可使用时间用“24h强度比较法”，而起模时间，则以树脂砂试样抗拉强度达0.14MPa的时间为准。测定结果如图3-39所示。从图3-39可找出快、慢固化剂在不同配比情况下的可使用时间及起模时间。图3-39表明，该树脂砂的固化速度受季节变化（环境温度变化）的影响较小。

不同种类的固化剂与强度的关系见表3-32。由表3-32可知，Rc有机酯固化速度较快，可用于环境温度较低的冬季；Rb固化速度适中，适合于春、秋季节；Ra固化速度较慢，适合于环境温度较高的夏季。也可将快、慢两种酯混合使用，以满足造型、制芯的要求。

图3-39 可使用时间与快、慢固化剂配比的关系

注：永顺砂，AFS细度41.98，树脂加入量2.0%（占原砂质量分数），固化剂30%（占树脂质量分数）。

表3-32 不同种类的固化剂与强度的关系

注：1.温度25～30℃，相对湿度70%。

2.大林水洗砂50/100筛号；树脂2.5%（占原砂质量分数），固化剂20%（占树脂质量分数）。

固化剂加入量有一定的范围，过低，树脂砂不能完全固化；过高，造成浪费，且终强度降低。固化剂加入量与强度的关系分别见表3-33和图3-40。可以看出，固化剂加入量在20%～30%范围内，既有一定的初强度，终强度也较高。

表3-33 固化剂加入量与树脂砂强度的关系

注：1.温度25～30℃，相对湿度70%。

2.大林水洗砂50/100号筛；树脂2.5%（占原砂质量分数）。

4.偶联剂的影响

实验了在树脂中加入KH—550硅烷，碱性酚醛树脂砂固化24h的试样抗拉强度和表面稳定性均明显提高，如图3-41所示。从图3-41看出，硅烷的合适加入量为树脂量的1.0%左右，同时注意硅烷应在混砂之前先与树脂混合均匀，且最好是现混现用。

图3-40 固化剂加入量与强度的关系

注：永顺砂AFS细度141.98，树脂加入2.0%（占原砂质量分数）。

图3-41 硅烷加入量对碱性酚醛树脂砂抗拉强度及表面稳定性的影响

注：1.标准砂，树脂加入量2.0%（占原砂质量分数），固化剂30%（占树脂质量分数）。

2.温度21℃，相对湿度73%。

经过对上述工艺参数的分析，提出酯固化碱性酚醛树脂砂固化性能调整控制原则如下：

1）根据现场原砂的种类、状态，型（芯）砂的生产工艺要求，外界环境条件（温度、湿度），选择相应的粘结剂和固化剂的种类及加入量来调整型砂的固化工艺性能，以满足各种铸件生产的现场要求。

2）型砂工艺强度的调整，主要是调整碱性酚醛树脂及固化剂的加入量。

3）型砂固化速度的调整，主要是调整固化剂的种类和砂温等。

5.型砂的存放性及吸湿性

碱性酚醛树脂自硬砂试样强度随存放时间的变化的测定结果见表3-34。在试验条件（温度12～17℃，相对湿度51%～73%）下，试样存放15d后，仍具有较高的强度。

把固化24h后的抗拉试样，放置于下部盛水的干燥器中，放置不同时间后测定其抗拉强度，以此来衡量碱性酚醛树脂砂的吸湿性，结果见表3-35。由表3-35可知，碱性酚醛树脂砂的抗吸湿性较好。

表3-34 碱性酚醛树脂自硬砂的存放性

表3-35 碱性酚醛树脂自硬砂的吸湿性