李小龍,寧顯潤,夏奇兵
(1.宜賓普什聯(lián)動科技有限公司,四川宜賓 644007;2.四川省動力零部件制造工程技術(shù)研究中心,四川宜賓 644007)
鑄件的質(zhì)量很大程度上依賴于其半成品砂芯和砂型的質(zhì)量,砂型砂芯質(zhì)量參數(shù)主要包括砂芯砂型的強度、透氣性、水分以及發(fā)氣量等指標,而這些重要參數(shù)指標,除與型砂自身粒度分布、水分、灼減量相關(guān)外,更重要的是造型制芯中型砂的樹脂和固化劑的加入量控制。
要想得到優(yōu)質(zhì)鑄件,樹脂和固化劑的加入量控制極為關(guān)鍵。樹脂加入比例過高不僅造成生產(chǎn)成本增加,而且引起型砂灼減量上升及型砂發(fā)氣量增加,造成鑄件氣孔缺陷;樹脂加入比例過低,型砂強度差,鑄件夾砂缺陷嚴重;固化劑加入比例過高,型砂固化速率太快,造成型砂脆性增加,砂芯開裂造成鑄件夾砂缺陷;固化劑加入比例過低,產(chǎn)生型砂固化速率慢或出現(xiàn)型砂固化不完全現(xiàn)象,不僅影響生產(chǎn)效率,而且砂型強度差造成鑄件夾砂問題。因此,優(yōu)化樹脂和固化劑加入量配比變得非常重要,通過優(yōu)化樹脂和固化劑加入量能很大程度上降低鑄件夾砂、氣孔問題。
機械再生砂的選用規(guī)格為ZGS90-50/30(340)[1],其主要參數(shù)包含灼減量2.5%~3%,微分含量0.1%~0.3%,砂粒集中度30~50 目≥80%,含水量0.1%~0.3%;原砂的選用規(guī)格為ZGS90-30/50(31)[1],SiO2含量≥90%,含泥量≤0.3%,微分含量0.1%~0.3%,砂粒集中度30~50 目≥90%,含水量0.1%~0.3%。采用機械再生砂:原砂=5:1 的比例混砂。
在室內(nèi)溫度22~26℃條件下,采用40%比例的05B 類型固化劑,按呋喃樹脂含量為0.9%、1%和1.1%加入比例進行各30 組試驗,研究保證型砂強度的最經(jīng)濟樹脂比例。然后采用該樹脂比例,分別在試驗室內(nèi)溫度<10℃、[10~14)℃、[14~18)℃、[18~22)℃、[22~26)℃、≥26℃共6 種環(huán)境條件下,研究能40min 完全固化起模的最合適的固化劑類型配比。
為保證數(shù)據(jù)的一致性和準確性,試驗必須在相同的條件下進行。本試驗嚴格按照機械再生砂:原砂=5:1 比例混砂并由專人制做8 字試驗樣,取混砂樣時必須去掉頭尾砂,在取樣后立即安排專人制8 字試樣,整個制樣時間嚴格控制在5min內(nèi);制樣完成40min 后將固化的試樣取出并放在車間現(xiàn)場(模擬現(xiàn)場環(huán)境)等待1h 后送檢試驗室待檢。
為規(guī)范試驗,采用同一規(guī)格的呋喃樹脂,呋喃樹脂牌號為ZF-1.5%N-2-4[2],其氮含量為1.5%,抗拉強度1.1MPa,游離甲醛0.3%。為了確保固化劑混砂均勻性,需要確保添加量不宜過低,實際生產(chǎn)中固化劑比例一般按35%~50%控制,本試樣統(tǒng)一采用40%固化劑比例進行試驗。試驗前用溫度計測量車間室內(nèi)環(huán)境溫度為22~26℃,該溫度范圍采用05B 類型固化劑剛好滿足40min 完全固化起模要求。
在確定樹脂和固化類型和用量后,試驗前必須對混砂機進行流量校核,檢測混砂機15s 的型砂-呋喃樹脂-固化劑流量,檢測值如表1。
表1 混砂機流量核定
混砂機流量校核作為本次試驗的最重要的一個環(huán)節(jié),其目的是為了得到相應(yīng)樹脂和固化劑控制頻率參數(shù),在后面的試驗中通過混砂機控制面板調(diào)整樹脂和固化劑頻率來滿足相應(yīng)的試驗條件進行重復(fù)試驗。通過檢測各種樹脂比例的2h 和24h 強度,形成如圖1 所示的強度曲線。需要注意的是,為確保數(shù)據(jù)具有代表性,本次試驗中只保留有效強度(每組3 個試樣中,任何一個數(shù)值與平均值相差不超出10%[3)]檢測值,然后每組3 個試樣強度取均值作為最終試驗強度數(shù)據(jù)。
圖1 各種比例樹脂的2h 強度(MPa)
從強度曲線分析可知,同一樹脂比例下試樣強度具有0.3MPa 左右的波動性,但整體來說樹脂比例越高,8 字試樣的平均強度越高,為了進一步研究樹脂比例增加與強度增加的關(guān)系,將6 組強度曲線分別再次取均值,以研究平均強度增幅與樹脂增幅的關(guān)系,統(tǒng)計形成如表2 所示。通過分析可知:當樹脂比例<1%(0.9%~1%)時,利用提高樹脂增加2h 強度作用較弱(提高11.1%樹脂,2h強度僅增加7.7%),不利于保證2h 強度;當樹脂比例>1%(1%~1.1%),利用提高樹脂增加24h強度作用較弱(提高10%樹脂,24h 強度僅增加3.4%),造成成本浪費,因此樹脂比例1%是保證樹脂強度最經(jīng)濟的樹脂比例。
表2 平均強度增幅與樹脂增幅之間關(guān)系
圖2 各種比例樹脂的24h 強度(MPa)
由于樹脂砂硬化過程是放熱反應(yīng),周圍的環(huán)境溫度可直接影響到硬化反應(yīng)速度[4]。通過長時間車間室內(nèi)溫度的測定,發(fā)現(xiàn)室內(nèi)氣溫每天的波動范圍在5℃內(nèi),根據(jù)這一特點,試驗室內(nèi)溫度<10℃、[10~14)℃、[14~18)℃、[18~22)℃、[22~26)℃、≥26℃共6 種環(huán)境條件下,研究能40min完全固化起模的最合適的固化劑類型配比。該試驗中采用磺酸固化劑CH03B、CH05B、CH08B 共3 種固化劑類型,其固化反應(yīng)速度由慢變快。為了確保試驗一致性和減少環(huán)境變量影響,每組試驗都是在1%樹脂比例和40%固化劑比例的條件下進行。通過試驗發(fā)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境溫度≤10℃必須100%加入CH08B 固化劑,否則固化時間過長,造成生產(chǎn)效率低,型砂2h 砂強度差;室內(nèi)環(huán)境溫度≥26℃以下必須100%加入CH03B 固化劑,否則固化反應(yīng)過快,型砂變脆。
試驗中在控制固化劑加工量的前提下不斷調(diào)整固化劑的類型進行試驗,分別測量出6 種溫度區(qū)間下,40min 完全固化起模的最合適的固化劑類型配比,如表3。
表3 各種溫度下混砂機固化劑配比
(1)樹脂比例在1%是保證樹脂強度最經(jīng)濟的樹脂比例。
(2)同一樹脂比例下試樣強度具有0.3MPa 左右的波動性,但整體來說樹脂比例越高,8 字試樣的平均強度越高。
(3)室內(nèi)環(huán)境溫度≤10℃必須100%加入CH08B 固化劑,否則固化時間過長,造成生產(chǎn)效率低,型砂2h 砂強度差。
(4)室內(nèi)環(huán)境溫度≥26℃時必須100%加入CH03B 固化劑,否則固化反應(yīng)過快,型砂變脆。