新一代CO2固化法碱性酚醛树脂

  多年来造型制芯工艺不断发展,从热固化到气体固化工艺虽然被普遍采用但也并非完美。很多铸造厂开始采用冷芯盒工艺,抛弃传统的水玻璃工艺而转向甲基酚醛树脂-CO2这一更为先进的造型制芯工艺。

 

Carbophen的工艺构成

  下面的两个组分是必须的:

甲基酚醛树脂:碱性条件下缩合而成的酚醛树脂,理化指标为:

-粘度: 300~700 mPa•s-pH : 14

-保质期 (15-20℃): 9个月

-游离组分

 苯酚: < 1 %

 甲醛: < 0,1 %

二氧化碳:大气浓度0.03%

  此工艺中,气态二氧化碳是作为Carbohen的芯砂固化剂。

化学原理

  Carbophen是在碱性条件下缩合而成的可溶性酚醛树脂,图1是其反应原理:

  这一粘结剂与原砂混合后,吹入芯盒中,然后向芯盒中通入CO2使之发生反应使芯砂固化成型。需要特别指出的是,与其它工艺不同,CO2在此真正参与了反应。如果没有CO2的存在,以上的反应可能要持续数小时才能完成。对于铸造人员而言,这种树脂不含氮、硫、磷等元素是非常重要的。

  由于Carbophen粘结剂的pH为14,要求芯砂混制系统配有专门的储罐和加入系统。与其它工艺相同,这一系统所用材料可参见下表:

适用材料不锈钢钢聚丙烯高密度聚乙烯玻璃纤维增强塑料(FRP)
不适用材料铝锌(包括镀锌)

 

原砂

  通常的铸造用砂,如硅砂、锆砂、铬矿砂等均适用于甲基酚醛树脂-CO2工艺。在使用前,原砂必须经过水洗,干燥,筛分等工序,砂内所含水分必须低于0.1%。

  如果所用砂经过改性处理或者混入再生砂,建议在生产使用前先进行必要的试验。

  在一些特例中,根据砂芯的几何形状,可以适当加入再生砂,但是往往会降低砂芯强度。因此,当铸造用砂发生变化时,以下原则需要注意,

-原砂粒度越小,树脂加入越多

-原砂颗粒棱角越多,树脂添加越多

-原砂颗粒越圆,树脂添加越少

-原砂pH越高,CO2消耗越多

-原砂pH越低,芯砂可用时间越短

 

混砂

  目前铸造厂常用的混砂机均可用来进行甲阶酚醛树脂-CO2工艺的型芯砂混制。混砂时,合适的混制时间将芯砂混合均匀是非常重要的,若时间过长,芯砂会吸收空气中的CO2,导致混好的芯砂可使用时间缩短,同时砂温也会相应升高。需要指出的是,Carbophen工艺混砂时只需要一个计量泵。

 

射芯机以及自动送气系统

  所有目前使用的制芯机和送气系统均适用于甲基酚醛树脂-CO2工艺。

  在送气系统中,为加快反应速度,CO2需要被加热到45℃。

 

芯砂储存

  多数铸造厂将混好的芯砂存放在位于射芯机上方的敞口砂斗内。这种状态下,经过一段时间,芯砂的表层会形成一层硬壳,其厚度的大小与环境温度以及周围空气中CO2浓度密切相关。空气中CO2含量大约为350ppm左右,在造型车间内,这一浓度可以达到2500~5000ppm。一般来说,Carbophen粘结剂的反应活性越高,混好的芯砂表面结壳的速度越快。

  良好的反应活性对于提高砂芯的即时抗弯强度是必要的,但是同时也会加快芯砂表面的结壳速度。后者的反应还会影响射芯机射砂桶内部芯砂的反应速度,其原因在于每次射芯时会有空气被注入到射砂桶内部。如此,每班射芯完毕,需要对射头部分进行清理。

  图2和图3显示了在射芯完毕后,从射头内清出的芯砂所发生的变化。图2中芯砂采用一种老型号的Carbophen粘结剂,图3中型砂采用一种新型Carbophen粘结剂。

 

芯砂性能与应用

  图4表明了采用不同Carbophen粘结剂的砂芯的抗弯强度。测试条件如下,

   100 % H33 硅砂 (MK 0.27;ASF 52)

   3.0 %CarbophenCO2

   吹气时间:15秒

   芯盒温度:20℃

   环境温度:20℃

   相对湿度:48%

  图4清晰地展示了砂芯强度随存放时间的变化,可以从图中看出,新的Carbonphen粘结剂可以将砂芯的存放时间延长至20天。

  采用新一代Carbophen粘结剂获得的砂芯初强度为上一代的两倍,除此之外,其流动性也有所提高。这意味采用此工艺混制的型砂在流动性上已经可以和冷芯盒工艺相媲美了。

  因为砂芯初强度的提高,使得以前不能采用此工艺制芯的复杂砂芯现在成为可能,同时,流动性的提高也使得砂芯的生产在紧实度上有了保障。

  图5中展示了两个砂芯,标有“R”标记的砂芯明显存在紧实问题,与之相对,左边的砂芯由于采用了新一代的Carbophen粘结剂,这个问题得到解决。

  图6展示了一个砂芯过去存在严重紧实问题的部分,目前,同样由于采用了新一代的Carbophen粘结剂这些问题已被消除,同时提高了生产效率,降低了芯废的比率。

 

芯盒

  实际上所有类型的芯盒都可以应用于甲基酚醛树脂-CO2制芯工艺。必须指出的是,由于CO2是作为反应物参与了固化反应,因此需要在芯盒内存留一定时间。这意味着如果原本用于冷芯盒工艺的芯盒若想改用甲基酚醛树脂-CO2工艺,必须要对排气系统进行部分改动以获得最佳的交联固化条件。

 

制芯废气排放

  在制芯工序中只有CO2被排放出来。因此,不必对相关的工作场所进行特殊设计以满足人身和环境保护的需要。 耐火涂料耐火涂料会对粘结剂造成破坏,无论这种涂料是水基涂料还是醇基涂料。实际上,由于体系的高碱性,水基涂料对粘结剂造成的破坏以及抗弯强度的降低会更明显一些。当然,到目前为止已有新型的适用于这一工艺的耐火涂料被开发出来,其对Carbophen粘结剂的破坏已被大大降低甚至完全消除。

 

浇铸废气排放

  和前面制芯生产所描述的一样,浇铸时废气排放也是比较少的。与其它有机粘结剂体系相同,有微量的苯和CO被释放。

 

铸件缺陷

  对此工艺而言,诸如飞边、氮气孔 和硫造成的石墨退化等铸造缺陷并未出现。然而,与其它碱性条件下缩合而成的甲阶酚醛树脂体系相同,Carbophen粘结剂同样无法消除砂芯靠近热源处的变形。

 

综述

  纵观Carbophen十年的发展历史,甲基酚醛树脂-CO2制芯工艺在以下方面具有较大的优势,

★ 只需对一个组分进行计量

★ 不需要洗涤器

★ 树脂不含氮、硫、磷

★ 无光亮碳缺陷生成

★ 无飞刺现象

★ 低BTX排放

★ 低刺激性气味排放入铸造厂周围

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