聚丙烯酸钠粘结剂在铝合金薄壁铸件上的应用

2020-10-01薛永军高永军

中国铸造装备与技术 2020年5期

薛永军，高永军

（山西汾西重工有限责任公司，山西太原 030027）

1 背景

近年来，随着国家对铸造行业环保要求的不断提高，一些对环境有污染，不能满足环保要求的铸造材料、铸造工艺已经不能适应行业发展的需求。

铝合金薄壁铸件壁厚薄，但在薄壁部位存在一些大型的厚大的凸台、孔座等结构，使铸件凝固过程中各个部位的凝固时间、收缩阻力等有所不同，所以铸件在凝固过程中收缩阻力要小，避免由于收缩阻力造成铸件在凝固过程中产生较大的内应力甚至裂纹缺陷，这就要求芯砂有良好的退让性。浇注完成后，为防止铸件变形，在清理过程中要避免铸件受力，这就要求芯砂有良好的溃散性。

对于上述芯砂的性能要求，前期使用的酚脲烷自硬树脂砂能够很好的满足铝合金薄壁铸件的生产要求，而且砂芯的紧实度均匀，其缺点是制芯过程中会挥发出一定量的有刺鼻性气味的气体，在铸件浇注完成后，树脂受热分解会产生大量有刺鼻性气味的气体，严重影响环境，而且对操作人员的健康不利。因此，需要寻找一种既能满足环保要求，又能满足铝合金薄壁壳体铸件生产要求的粘结剂来取代以前的酚尿烷树脂粘结剂。

2 聚丙烯酸钠树脂的特点

聚丙烯酸钠树脂是一种无酚无醛的无毒液体，可以用作水处理剂和食品添加剂，具有气硬冷芯盒的优点，使用此粘结剂制芯效率高、节约能源、工人劳动条件好，芯盒使用寿命长。聚丙烯酸钠树脂砂无毒无味，不污染环境，溃散性好，发气量小，热膨胀系数小。另外，聚丙烯酸钠树脂砂具有良好的退让性和热塑性，可以防止铸造裂纹类缺陷的产生，提高铸件质量。

3 聚丙烯酸钠树脂的硬化机理

聚丙烯酸钠树脂在使用过程中，要采用氢氧化钙为固化剂，通过吹入CO2气体进行固化。这种树脂砂的固化分为两个阶段。

第一阶段为聚丙烯酸钠中的钠离子Na+与CO2反应，生成碳酸钠，氢氧化钙与聚丙烯酸钠中的羧酸根反应，生成的钙盐将高分子链铰链在一起，使树脂产生起模强度。

第二阶段以物理脱水为主，砂芯脱模后，树脂中的水分通过物理蒸发自然排除，使砂芯的强度继续升高，达到最终强度。

4 聚丙烯酸钠树脂砂的混制

聚丙烯酸钠树脂砂混制用原砂为烘干的大林砂，粒度50/100 目，角形系数≤1.3，含泥量≤0.3。采用碗式混砂机进行混砂，每次混砂量50～100kg。硅砂、聚丙烯酸钠树脂、固化剂的比例见表1。

表1 芯砂配比 ωB/%

4.1 混制过程

首先将称量好的砂子倒入混砂机，然后启动混砂机，加入称量好的固化剂，混制30～40s 后，加入称量好的聚丙烯酸钠树脂，再混制30～40s 后出砂。

4.2 砂子可使用时间

混制好的芯砂要进行覆盖，与空气隔绝，避免与空气中的CO2气体发生反应而失效。保存好的芯砂的可使用时间可以达到24h 以上，大大高于酚脲烷树脂砂的可使用时间。

4.3 砂芯的硬化

制好的砂芯需要吹CO2气体进行硬化，吹气孔的多少及吹气时间依据芯子的高低和大小有所不同，就圆柱体砂芯而言，以罐装CO2气体为例，根据经验总结，芯子大小与吹气孔数量及吹气时间的关系见表2。

表2 芯子大小与吹气孔数量及吹气时间的关系

一般情况下，直径大、高度低的砂芯，吹气孔数量取上限，吹气时间取下限；而直径小、高度高的砂芯，吹气孔数量取下限，吹气时间取上限。

4.4 铸件尺寸及性能

聚丙烯酸钠树脂砂生产的薄壁铝合金铸件，铸件尺寸稳定，开箱清理过程能够顺利取件，不会对铸件尺寸产生影响，经过一段时间的应用，铸件没有出现由于树脂砂退让性等原因导致的裂纹、尺寸不稳定等问题。

5 聚丙烯酸钠树脂砂与酚脲烷树脂砂的对比

聚丙烯酸钠树脂砂流动性较差，主要是由于加入了氢氧化钙粉状固化剂导致的；而酚脲烷树脂砂为两种液体与硅砂混合而成，没有粉状物的存在，芯砂的流动性与硅砂相似，流动性能良好。聚丙烯酸钠树脂砂的硬化依靠与CO2的化学反应来完成，因此，硬化过程可控，可使用时间长；而酚脲烷树脂砂的硬化靠自身的化学反应完成，可使用时间只能靠树脂中固化剂的加入比例微调，可使用时间短。聚丙烯酸钠树脂砂中不含酚类、醛类，无毒，无味，是一种环境友好型的粘结剂；而酚脲烷树脂砂含有酚类、烷类等物质，特别是高温后会产生大量的有毒有害气体，不能满足环保需求。现将两种粘结剂的主要指标对比，如表3 所示。