The context of precoated sand casting

我國于20世紀(jì)50年代開始研究應(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，覆膜砂開始作為商品推向市場。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，覆膜砂的應(yīng)用得到了更迅速的發(fā)展，產(chǎn)品種類不斷增多，并已形成系列化。目前，我國鑄造用覆膜砂年產(chǎn)量已達(dá)50萬噸以上，共有專業(yè)生產(chǎn)廠家近百家。隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和機(jī)械產(chǎn)品外貿(mào)出口需要，以及鑄件國際市場的開發(fā)，對鑄件品質(zhì)的要求越來越高，覆膜砂的應(yīng)用將會在短期內(nèi)得到迅速增長。

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，這主要是由于其儲量豐富，價格便宜，能滿足鑄造要求。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，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樹脂作為粘結(jié)劑。酚醛類樹脂有固體和液體、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)酚醛樹脂。對其性能要求是：
（1） 聚合速度（熱板法）：25～27s ；
（2） 軟化點（環(huán)球法）：90～105℃；
（3） 流動性（斜板法）：60～110mm ；
（4） 游離酚含量（溴化法）：≤4%。
粘結(jié)劑的性能對覆膜砂的品質(zhì)有很大的影響，人們一直在致力于研究如何提高酚醛樹脂的性能，以及尋找酚醛樹脂的替代品。國外已開發(fā)出不同性能的專用樹脂，如高強(qiáng)度低發(fā)氣樹脂、易潰散樹脂，也有采用改性聚酯樹脂的報道，但未得到全面推廣，至今普遍采用的仍是改性酚醛樹脂。國內(nèi)近年來在覆膜砂專用酚醛樹脂的研究開發(fā)方面發(fā)展較快，已開發(fā)出不同的改性酚醛樹脂供生產(chǎn)使用。

3. 固化劑、潤滑劑、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)一級品。潤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

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)的鑄件對覆膜砂提出了不同的性能要求。自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)開發(fā)了不同性能的覆膜砂，按其性能特點來劃分，可將國內(nèi)市場上的覆膜砂分為干態(tài)和濕態(tài)兩大類。其中干態(tài)類包括：普通類、耐高溫類、高強(qiáng)度低發(fā)氣類、易潰散類、離心鑄造類等。濕態(tài)覆膜砂包括機(jī)械類和手工類兩種。各類覆膜砂的主要成分、特點及適用范圍如下：

1. 普通覆膜砂

其組成通常由石英砂熱塑性酚醛樹脂、烏洛托品和硬脂酸鈣構(gòu)成，不加有關(guān)添加劑。其樹脂加入量通常在一定強(qiáng)度要求下相對較高，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，通過加入有關(guān)特性的“添加劑”和采用新的配制工藝，使樹脂用量大幅下降，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，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、耐熱時間長、高溫變形小，而不是指其耐火度很高。它是通過特殊的工藝配方技術(shù)（一般都是在硅砂覆膜時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。特別適用于復(fù)雜薄壁精密的鑄鐵件（如汽車發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋等）以及高要求的鑄鋼件（如集裝箱角和火車剎車緩沖器殼體等）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清砂，只需將澆注后的鑄件冷卻24小時后，即可振動落砂。

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)械類覆膜砂

它是一種在室溫下呈濕態(tài)的覆膜砂。在室溫下長期存放不會自然固化（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)射頭不用改裝來生產(chǎn)各種材質(zhì)和各種類型的鑄件）。

7. 濕態(tài)手工類覆膜砂

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3 個月，適用于手工造型或制芯（類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。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，必須等待爐溫達(dá)到所需的溫度時才能放入加熱，切忌隨爐升溫加熱。

三、覆膜砂制芯（型）工藝

近年來，覆膜砂的應(yīng)用越來越廣，幾乎用于所有的鑄造方法中，其工藝方法不盡相同，但無論是制芯還是造型，其基本工藝要求是（濕態(tài)手工類除外）：加熱溫度200～300℃；固化時間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、型、芯質(zhì)量及復(fù)雜程度、覆膜砂的種類等進(jìn)行調(diào)整，原則是：形狀簡單的砂芯、流動性好（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，加熱溫度低時可適當(dāng)延長固化時間等；反之亦然。以下分述幾種不同的應(yīng)用實例。

1. 制作實體芯

從理論上講，覆膜砂幾乎可以生產(chǎn)所有類型，尤其是高精度鑄件的實體芯。采用濕態(tài)覆膜砂時，可直接利用熱芯盒設(shè)備和工裝制芯，而無需對原有設(shè)備和工裝做任何改變。采用干態(tài)覆膜砂時，由于其流動性好，需對芯盒的排氣方式、射嘴及芯盒密封進(jìn)行特殊處理?？衫冒蚕⒔窃恚ǜ材ど暗陌蚕⒔羌s30o ） ，解決射砂后排氣時覆膜砂進(jìn)入射腔和不射砂時覆膜砂自動下落等問題。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，常見于澆注凸輪軸等軸類零件或剎車片等盤類零件及一些表面要求高的閥類零件等。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），通過射砂、結(jié)殼、提出余砂、固化、脫膜等環(huán)節(jié)完成制芯過程。
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)每個砂芯的具體情況來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)殼及硬化時間，以提高生產(chǎn)率。
（2）射砂壓力及時間 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。壓力過高時，易使砂芯出現(xiàn)縮頸和跑砂現(xiàn)象；壓力過低時，砂芯易出現(xiàn)疏松現(xiàn)象。射砂時間過長，易使已結(jié)殼的型殼滑移，造成結(jié)殼很??；時間過短則砂芯不能成型。射砂壓力一般為0.15～0.4MPa，射砂時間一般控制在3～10s。
（3）結(jié)殼時間 結(jié)殼時間的長短取決于砂芯殼厚，殼厚由砂芯在運輸、組芯及澆注時的強(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，結(jié)殼時間10～30s，殼厚10mm時，結(jié)殼時間20～65s。
（4）搖擺倒砂時間 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。該段時間可根據(jù)砂芯外形復(fù)雜程度及射砂口的布置情況來確定，以倒凈為宜，一般為5-10s。
（5）硬化時間 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，硬化時間可根據(jù)殼厚及芯盒溫度而定。時間過短，殼層未完全固化則強(qiáng)度低些；時間過長，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，已開發(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?。s3mm），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，見圖1。它通過各種手段，如工藝試驗、計算機(jī)模擬、經(jīng)驗圖表等，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。
我國鐵型覆砂技術(shù)首先是在中小鑄造企業(yè)中發(fā)展起來并成功應(yīng)用的。20世紀(jì)70年代末，我國建成了第一條鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線。80年代以后，我國鐵型覆砂鑄造工藝的基本研究隊伍和應(yīng)用企業(yè)已形成，并得到較快地發(fā)展。目前，我國已有近百家企業(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2萬噸。
我國許多中小鑄造企業(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、見效快的鐵型覆砂鑄造技術(shù)來提高自身的競爭能力。因為鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)的鑄件平均精度為CT7級左右，表面粗糙度為12.5um，投資幾十萬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）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，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

隨著人類對環(huán)保要求的不斷提高，覆膜砂的回收與再生顯得越來越重要和迫切。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)動的回轉(zhuǎn)框之間的間隙（5～10mm）對舊砂進(jìn)行磨擦，以達(dá)到去除舊砂表面的樹脂和對舊砂進(jìn)行整形的目的，所產(chǎn)生的粉塵則通過通風(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，首先對舊砂進(jìn)行振動破碎和磁分離，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)必須滿足生產(chǎn)要求，其檢驗方法可參閱機(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，還要通過觀察砂芯顏色來檢驗芯砂的固化情況。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，過燒時外表呈現(xiàn)褐色乃至黑色，硬化不足時外表呈黃色，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)鍵問題，應(yīng)是開發(fā)無污染、少污染、生產(chǎn)成本低、節(jié)能節(jié)材和勞動條件好的造型、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，開發(fā)低游離酚、低發(fā)氣、少污染的酚醛樹脂，保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境。
（2） 酚醛樹脂代用品的研究。因酚醛樹脂價格昂貴，研制一種價廉物美的新型粘結(jié)劑是當(dāng)務(wù)之急。
（3） 進(jìn)一步研究與改進(jìn)酚醛樹脂的流變性，不斷提高樹脂的反應(yīng)、覆膜及固化特性。
（4） 研究樹脂合成過程中的性能控制，對樹脂中大分子及小分子的合適級配也需進(jìn)一步研究，以提高樹脂的強(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，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的日益發(fā)展，在我國鑄造行業(yè)中覆膜砂技術(shù)將會越來越先進(jìn)，其應(yīng)用將會越來越廣泛。
來源：鑄造材料

附件：高速自動化鐵型覆砂生產(chǎn)線實拍圖片