碱酚醛树脂自硬砂

碱性酚醛树脂自硬砂的一些特性英国Borden公司首先开发了有机酯硬化的碱性酚醛树脂自硬砂工艺，并于1981年获得专利，简称a--Set工艺。

其主要特点是混砂、造型、浇注时散发的烟气少，有利于改善环境。

所用的树脂是甲阶酚醛树脂的一种，但含有KOH、NaOH等碱性材料，故通常称之为碱性酚醛树脂。

树脂中的游离的K 、Na。

离子，对于树脂与有机酯发生作用、树脂的交联反应都至关重要。

多种低级酯都可作为硬化剂，应用较广的是碳酸丙烯酯，这也是作用较强的硬化剂。

还可用几种有机酯混合配成作用强弱不同的牌号，以适用于不同的生产条件。

一．树脂的硬化机制
在树脂的硬化反应中，首先是树脂中的碱与酯反应，形成碱金属的碳酸盐，释放醇。

树脂中的碱形成碳酸盐后，即处于反应状态，可在常温下发生交联反应，将砂粒粘结，使型砂具有必要的强度。

由于作为硬化剂有机酯是参与树脂硬化反应的组分，不同于硬化剂只起催化作用、不参与反应的其他树脂自硬砂，不能通过改变硬化剂的加入量来调整自硬砂的硬化速率和起模时间。

有机酯的加入量一般为树脂的20~25 ，因树脂和硬化剂的品种而略不同。

树脂加入量不足，则铸型难以硬化；树脂加入量太高，则会感到混成砂和砂型腻滑，而且可能导致铸型一金属界面处发生反应，影响铸件表面质量。

自硬砂的硬化速率和起模时间，应由改变硬化剂的牌号予以调整。

有机酯硬化的酚醛树脂砂，在有机酯的作用下，树脂在常温下只发生部分交联反应，起模时型砂仍然保持一定的塑性，浇注初期还有一短暂的、因受热而再次发生交联反应的过程，也就是通常所说的二次硬化。

二．碱性酚醛树脂自硬砂工艺的优点碱性酚醛树脂自硬砂工艺主要有以下优点。

1．混砂、造型、浇注时散发的烟气少于以酸为硬化剂的呋喃树脂砂、以酸为硬化剂的甲阶酚醛树脂砂和以胺为硬化剂的尿烷树脂砂。

2．由于起模时型砂仍然保持一定的塑性，故起模性能好，型砂不易粘附在模具上，砂型表面比较光洁，模样上的起模斜度也可较小。

3．二次硬化后，砂型的热稳定性较好，厚壁铸件表面上也很少出现脉状纹缺陷。

4．浇注后，在高温的作用下，碱性酚醛树脂自硬砂较易溃散，有利于防止形状复杂的铸钢件产生裂纹，同时也可使浇注后铸型的落砂性能改善。

三．酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂的热分解铸型浇注后，碱性酚醛树脂的热分解大致可分为三个阶段。

1．300~C以下
在300。

C以下，树脂本身基本上不发生分解，这一阶段产生的气体主要是水分，还有少量树脂硬化时束缚于树脂中未能释放的甲醛。

2．300~600℃之间
300℃以上，砂粒表面的树脂膜开始热分解，而且分解的速率很高，产生的气体有水蒸汽、C0、c0 、甲烷、乙烷、苯酚、烷基酚、烷基苯等。

在300~600~C之间，树脂粘结桥仍然保持其骨架，内部因热分解而呈多孔状，透气性好。

3．600~C以上
热分解产生的气体的成分与300~600℃之间大致相同，但在此阶段树脂粘结膜发生剧烈的体积收缩，致密度提高，因而砂型的透气性人幅度降低。

这就导致酯硬化的碱性酚醛树脂砂在高温下保温性能好，是铸件冷却速率减缓、热节处易于产生收缩缺陷的主要原因。

四．酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂再生回用的问题
碱性酚醛树脂自硬砂的再生性能不能令人满意，是影响其推广应用的最大问题。

1．再生砂回用会导致白硬砂的强度降低树脂交联反应的产物是碱金属碳酸盐。

加热到510~C以上，碱金属盐转变为强碱性金属氧化物，此种氧化物又可以与硅砂作用，在砂粒表面上形成玻璃状碱金属复合硅酸盐薄膜。

这种薄膜是金属氧化物和砂粒作用形成的，对砂粒的附着很牢固，旧砂进行再生处理时，很难将除去。

这种薄膜呈玻璃状，树脂不易将其润湿，再生砂中加入树脂重新混砂时，树脂难以均匀地附着于砂粒表面的薄膜上，因而再粘结性能不佳，配制的自硬砂的强度明显下降。

目前，广泛用于树脂自硬砂的干态摩擦再生方式，对于以呋哺树脂、甲阶酚醛树脂、尿烷树脂等作为粘结剂的型砂、芯砂，都有很好的效果。

旧砂再生处理的过程中，虽不能将砂粒表面的粘结膜完全脱除，但是，再生后砂粒表面上残留少量不连续的树脂膜，对再粘结的强度没有明显的负面影响。

再生砂中加入粘结剂后的粘结强度，般可等同于完全用新砂时的强度，多数情况下，用再生砂时强度还会略高一些。

对于碱性酚醛树脂自硬砂，砂粒表面上残留的碱金属硅酸盐薄膜对再粘结的影响很大，采用干态摩擦再生方式时，再生砂的粘结强度显著降低。

目前，世界各国再生砂的回用量一般都不超过80% ，有的铸造厂不得不全部用新砂配制面砂。

旧砂再生回用的次数越多，型砂的强度性能越差。

2．对热再生方法探讨
以前曾有人认为：“碱性酚醛树脂自硬砂采用干态摩擦再生的效果不好，将旧砂加热后在热态进行机械再生处理可能有助于脱除碱金属硅酸盐薄膜”。

但是，许多试验、研究的结果都未能证实热再生方式的有效性。

旧砂进行热法再生时，如温度超过650℃，玻璃状薄膜可使砂粒在焙烧炉中烧结，恶
化砂粒的流动性，从而影响再生处理的效果，而生产厂所用的热再生设备中，多数都难以准确地控制温度。

这是热法再生的难点之一。

也有研究结果表明：在550℃左右进行热再生时，旧砂多次循环使用也会导致再粘结性能恶化。

3．在改进再生回用砂粘结性能方面的工作
碱性酚醛树脂自硬砂问世以来，砂再生就是个问题，在这方面的试验、研究工作一直就没有间断。

目前，在生产上实际应用的主要有两种方法。

(1)再生砂中加入水或其他润湿剂
由于水能润湿残留的树脂膜，而且酚醛树脂也具有一定的亲水性，再生砂中加入少量的水后，有利于树脂和硬化剂在砂粒表面多孔性的残留膜上弥散，可使自硬砂的强度有所提高。

水的加入量一般为0．3％，且应使水在再生砂中均匀分布。

澳大利亚的Vaughan铸钢厂多年采用这一工艺，效果稳定。

(2)热再生时加入专用的处理剂
为改善碱性酚醛树脂自硬砂热再生的效果设在美国IllinoiS 州的Borden 公司与Winnebago铸造厂合作，开发了一种新的砂再生工艺，其要点如下。

脱箱落砂后，将自硬砂的团块破碎，随即加入专用的处理剂，使之与砂粒混合均匀。

然后将砂粒加热到650~700℃进行热再生。

由于处理剂的作用，解决了砂粒烧结的问题，全部用再生砂配制的树脂自硬砂，粘结强度与全部用新砂者相同，甚至还略好一些。

专用的处理剂是一种矿物，与水配制成悬浮液后应用。

热再生处理前将其加入已破碎成粒状的旧砂中。

处理剂是为中和残留碱金属盐的有害作用而选用的，可以防止砂粒在焙烧过程中烧结。

专用的处理剂可与碱金属盐(特别是自由碱离子)形成复杂的化合物，然后又被吸附在矿物颗粒上，再由除尘系统将矿物颗粒从再生砂中脱除。

此项工艺的要点是要加入足够量的处理剂，其中包括与碱金属盐形成复杂的化合物所需的量，和吸附生成的化合物所需的量。

当然，由于各铸造厂的具体条件不同，处理剂的加入量也不尽相同，取决于系统砂中自由碱金属的实际含量。

干态摩擦再生方式时，采用这种处理剂也可防止浇注时高温对砂粒的影响，但还是以与热法再生配合使用时的效果为最好。

美国Winnebago铸造厂早已在生产中采用这一工艺，处理剂的加入量为砂量的1 % 。

在欧洲，也有一些铸造厂成功地采用了加处理剂的热再生工艺。

五．碱·l生酚醛树脂自硬砂工艺的其他问题
除了旧砂再生方面存在问题以外，碱性酚醛树脂白硬砂工艺还有一些不足之处，采用此项工艺时，应采取相应的措施，以获得较好的效果。

1．粘结强度略低
碱性酚醛树脂自硬砂，硬化后的强度略低于呋喃树脂自硬砂，加入量应略多一些。

实际加入量因对铸型的要求不同而异，一般在1．3～1．8％之问。

加入量太低，铸型、芯子易于损坏，从而影响铸件质量；加入量太高，则影响起模，浇注后脱箱、落砂也比较困难。

2．残留的树脂膜具有一定的吸湿性
碱性酚醛树脂自硬砂经再生后，砂粒表面残留的树脂膜有吸湿性，这一特性有两方面的作用：好处是可以通过加入水或其他处理剂改善再生砂的粘结性能；缺点是潮湿季节储存于砂斗中的再生砂容易粘附在斗壁上。

3．应严格控制再生砂的碱度和其中的碱金属盐的含量
再生砂的碱度和其中的碱金属盐的含量太高，会影响型砂的耐火度，导致铸件表面产生粘砂缺陷。

4．浇注后铸件在铸型中的冷却速率较低
铸件在铸型中的冷却速率较低的原因已见述，因此，铸钢件的热节易于产生缩孔、缩松之类的缺陷，在工艺方案设计时应予以考虑。