[科普中国]-树脂砂

树脂砂是指以人工合成树脂作为砂粒的粘结剂的型砂或芯砂。用树脂砂制成铸型或型芯后，通过固(硬)化剂的作用，树脂发生不可逆的交联反应而固化，从而给予铸型或型芯以必要的强度。1

简介各种人工合成的树脂，其物理性能和化学性能与天然树脂相似。树脂由两种或多种较为简单的化合物缩聚而成，通常要脱除水分，以形成单一的分子。典型的反应是苯酚或尿素与甲醛的缩合反应，分别制得酚醛树脂或脲醛树脂。

现代铸造生产中广泛使用树脂砂作型(芯)砂。以树脂为黏结剂的型(芯)砂主要有热法覆膜树脂砂、热芯盒树脂砂、冷芯盒树脂砂、呋喃树脂砂、I呋喃树脂自硬砂等。树脂砂硬化后强度高，特别适合于机器造型，能制出复杂、薄壁铸件。

树脂砂的缺点是黏结剂价格昂贵，对空气有污染。为节约树脂用量，一般采用经水洗或擦洗处理过的纯净圆形砂粒的原砂。树脂砂常选用粒度组别为15、21的原砂。

固化工艺树脂砂的固化方式要符合树脂的特点及具体的铸造工艺的要求。固化方式是可以选择的，也可以根据具体情况加以发展，但一般为以下三种方式。

(1)自硬

树脂和固(硬)化剂均在混砂时加入。造型或制芯后，树脂在固(硬)化剂的作用下逐渐反应而自行固化，铸型或型芯也就逐步获得所需的强度。固化的速度可由固(硬)化剂的种类及其加入量来控制。

由于混好的砂要立即用掉，这种方式较适用于制造铸型和较大的型芯，而且多用于小批量生产。

树脂自硬砂制成的铸型和型芯，一般要经过数分钟或数十分钟后起模，起模以后仍有一继续固化的过程。

(2)加热固化

混砂时加入树脂和常温下不起作用或作用微弱的潜伏固化剂。用此种树脂砂制造铸型或型芯后，一经加热，潜伏固化剂就起作用，从而使树脂固化。

(3)吹气(雾)固化

固化剂不在混砂时加入。造型或制芯后，吹入气态固化剂或雾化于气体介质中的液态固化剂，使其弥散于铸型或型芯中，从而使树脂发生交联反应。采用此种方式时，不吹气雾，树脂砂是不会固化的，混成砂可存放较长的时间。吹气雾时，固化极快，一般只需吹几秒钟。采用这种方式生产时，生产率极高，因其较适用于制造批量较大的型芯，故一般通称之为“冷芯盒”法以区别于上述的“热芯盒”法。1

效益树脂黏结剂之所以能很快在世界范围内迅速发展，是由于其能给铸造行业带来显著的效益，既可以提高铸件质量，又可以降低生产成本。

1．提高铸件质量。与一般的砂型铸造相比，用树脂砂生产的铸件，铸件质量会有当大有改善，这往往是铸造厂采用树脂砂的主要着眼点。铸件质量的提高主要在于：

(1)尺寸精度提高、轮廓清晰。采用树脂砂，无论是造型还是制芯，都在硬化到一定程度后才脱模。虽然脱模后还有一继续硬化的过程，但脱模时铸型或砂芯的强度比黏土砂型或油砂芯高得多，在脱模过程及此后的搬运、烘干、合型过程中均不致变形。因而，铸型和砂芯都能较准确地再现模样的尺寸和表面特征。

另外，树脂砂铸型的刚度高，而且，浇注金属液后无水分迁移现象。故在浇注及金属凝固的整个成形过程中，基本上不致有型壁运动，铸件尺寸的波动较小。

铸件的尺寸精度。按我国现行铸件尺寸公差标准或ISO相应的标准，一般都比用黏土砂型和油砂芯制得者高1～2个等级。再加以制芯中心等高精度装备的应用，才使汽车用铸件的轻量化、薄壁化成为可能。

(2)铸件的表面质量提高。树脂在高温下发生热解，从而在砂粒表面形成光亮碳，并在铸型一金属界面上造成还原性气氛，这对减轻铸件表面的氧化，细化铸件表面粗糙度大有裨益。在原砂粒度及粒度分布相同的条件下，用树脂作黏结剂的铸型，制得的铸件表面粗糙度较细。

铸件表面质量提高，还可使清理工时缩短，这对降低成本和改善劳动条件都有重要的作用。

(3)生产铸铁件时铸件的致密度改善。用黏土湿砂型制造铸铁件时，由于铸铁的收缩前膨胀。使铸型产生型壁运动，此后凝固过程中的体积收缩得不到补充，因而铸件将有枝晶疏松。甚至会产生缩孔。

用树脂砂造型，铸型的刚度高，铸铁发生收缩前膨胀时，难以使铸型扩大，结果，迫使仍为液态的金属填充枝晶间的空隙，枝晶问疏大为减轻，也不倾向于产生集中缩孔。因此，铸件的致密度较用黏土砂湿型制造者高。

与此有关的是，用树脂砂时，小型铸铁件一般可不必设置补缩冒口，铸件的工艺出品率可提高5%～15%。

2．缩减基本建设投资、降低生产成本 由于树脂的价格几十倍于黏土，如果只计算型砂的成本，而不及其余，当然会认为采用树脂砂会导致生产成本增加。但是，如果我们用价值工程的观点来分析，不斤斤计较于某一具体环节，而着眼于整个生产体系的总效益，则上述结论是否能成立就值得研究了。

(1)基建投资较少。树脂砂的流动性好，一般只需简单的振击台，就能满足紧实铸型的要求、与庞大、复杂、高功率的黏土砂造型机相比，设备轻便得多，能耗也少得多。

大量生产芯子所用的自动化的制芯设备，是相当复杂的，和油砂制芯设备相比，投资的差别不啻天上地下，但其生产效率和芯子的尺寸精度都大幅度提高，总体仍然是有效益的。

用树脂砂造型，砂一铁比一般都比较低，砂型可以轻量化，而且需要运输并处理的造型材料的品种减少，因此型砂及铸型的运输系统可大为简化。

由于清理工作量减少，清理铸件所需的设备减少。

此外，因生产设备简单、轻便以及劳动生产率的提高，厂房的面积可以大幅度的缩减。

(2)生产费用也不高。虽然采用树脂自硬砂工艺时基建投资较少，但树脂价格昂贵，一般都担心其生产费用将会很高。对这种担心，不能简单地视为无益的谨慎，而要根据具体情况，多作具体分析。在进行核算时，要充分考虑与采用树脂砂有关的降低生产成本的因素。主要有劳动生产率提高，每吨铸件的能耗降低，旧砂再生后可回收85%～95%，铸件的工艺出品率提高、金属损失减少等。这还未包括提高铸件质量所带来的经济效益。2

发展第二次世界大战期间，德国的J.Croning发明了用酚醛树脂作为粘结剂的壳型铸造工艺。战后此项专利公开，立即受到了普遍的重视。到了20世纪50年代，各工业国几乎都开始采用此工艺。

20世纪50年代后期，欧洲开始采用由酸性液体催化剂固化的呋喃和酚醛自硬树脂砂，美国大约在1958年前后也正式在生产中使用。

20世纪60年代前后，为适应汽车工业的大发展，出现了呋喃树脂热芯盒法，其生产周期由油砂型芯的几个小时缩短到几分钟。而且，因为是在芯盒内固化后再起模，型芯的尺寸精度大为提高。虽然其工艺的耗能较多，且工作场地的气味较大，但这一工艺很快就在世界各国的汽车工业中广泛使用。

1965年，酚脲烷自硬树脂砂用于工业生产。

20世纪60年代中期，欧洲及美国开始研制用于自硬工艺的甲阶酚醛树脂，以期部分代替价格较高的呋喃树脂，至20世纪70年代后期，这种树脂粘结剂有了较大的发展。

为克服热芯盒法的缺点，铸造行业即着手研究冷芯盒法。1968年酚脲烷树脂冷芯盒法问世。采用此种工艺时，芯盒不必加热，只需几秒钟就可使型芯固化。

1970年，出现了第二代的酚脲烷树脂，这就是三种组分的自硬酚脲烷树脂系统(PEP SET)。

1975年，法国开发了吹二氧化硫气体固化的呋喃树脂冷芯盒法，这是应用呋喃树脂的一大进步。从此，呋喃树脂不仅可用于小批量生产的自硬工艺，也可用于大量生产的吹气固化工艺，固化时间也只要几秒钟。20世纪80年代以来，此工艺在欧洲及美洲都有一定的发展。

1976—1978年，因天然气短缺，热芯盒法受到能源的限制，又加之热芯盒法的一些其他缺点(如气味大)日益难以为人们所接受，因而出现了温芯盒法。

在室温下固化的自硬树脂砂工艺和冷芯盒工艺是造型、制芯工艺在20世纪的一项重大技术突破，在短短的30年中，尤其是在20世纪70年代，世界先进工业国家的一些传统生产工艺和工艺装备迅速被树脂砂技术取代，劳动生产率、铸件精度和质量都有了明显地提高。

但是上述树脂砂在混砂、制芯、造型、浇注时产生有害气体和难闻的气味以及某些工艺和合金方面的缺点，促使铸造界一直在寻求低毒或无毒树脂砂技术。随着世界各国劳动卫生和环境保护法规的日趋严格，上述问题就越加严重。

1982年美国Ashland公司推出了自由基固化法，在采用不饱和聚酯树脂的基础上，可使吹气固化的时间缩短到零点几秒钟，而且所用的固化气体是氮和二氧化硫的混合气体，二氧化硫的浓度只有5%左右。

1982年，在英国铸钢研究与贸易协会(SCRATA)年会上，波顿(Borden)公司首次发表了已获专利的酯固化碱性酚醛自硬树脂砂技术，为解决劳动卫生和环境污染问题推出了一种低毒树脂砂技术。

1983年环氧树脂S02吹气固化法问世。

1984年，在英国铸造学会(IBF)第81届年会上，波顿公司又发表了酯固化碱性酚醛树脂冷芯盒工艺技术。

波顿公司的低毒树脂砂技术一问世立即受到铸造界的广泛重视，经过三年工业应用，d-set法和B-set法在劳动卫生和环境保护上的明显优势和优良的工艺性能受到了欧美铸造界的广泛承认和接受。

与树脂发展的同时，相应地发展了有关的工艺设备。完全按树脂砂特点设计的各种新型混砂机，砂温控制装置，旧砂再生装置，造型及制芯设备等相继问世，并不断有所改进。

由于树脂砂的应用，很大程度上改变了铸造生产(特别是单件小批量生产)车间和制芯车间的面貌，它已被各国公认为未来发展的方向。美国、日本和瑞士等国已经采用树脂自硬砂铸造出单件达几十吨或上百吨的铸件。世界各国汽车铸造厂都已采用树脂砂制芯，型芯最薄处达2mm，铸件最薄壁厚可达3.5mm。

我国20世纪50年代中期研究过覆膜砂，20世纪60年代开始应用热芯盒，20世纪70年代末、80年代初研究开发呋喃树脂自硬砂的成套工艺技术，但广泛采用树脂砂还是改革开放以来随着铸件出口的增加和确定机械、汽车作为支柱产业的近20年间。1

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学