砂芯主要用來形成鑄件的內(nèi)腔、孔洞和凹坑等部分，在澆注時，它的大部分或部分表面被液態(tài)金屬包圍，經(jīng)受鐵液的熱作用、機(jī)械作用都較強(qiáng)烈，排氣條件也差，出砂、清理困難，因此對芯砂的性能要求一般比型砂高。

　　一、植物油砂

　　采用干性油和靠近干性油的半干性油作油砂粘結(jié)劑。干性油含不飽和脂肪酸，其加熱硬化機(jī)理一般認(rèn)為是氧化聚合的結(jié)果。常用的植物油有，桐油、亞麻油等。

　　烘干溫度一般以200～220℃為宜。如需縮短烘干時間，可將溫度提高到250℃，但不能超過300℃，否則粘結(jié)性能將被破壞。

　　二、合脂粘結(jié)劑及合脂砂

　　(一)合脂粘結(jié)劑

　　合脂是合成脂肪酸蒸餾殘渣的簡稱，是從煉油廠原料脫蠟過程中得到的石蠟，制皂工業(yè)再將石蠟制取合成脂肪酸時所得的副產(chǎn)品。

　　合脂砂的烘干濕度范圍比油砂寬些，但是最適宜范圍仍是200～220℃之間。合脂粘結(jié)劑的加入量一般為砂質(zhì)量的2.5～4.5%，過多，強(qiáng)度增加不顯著，而發(fā)氣量明顯增大，粘膜加重，蠕變加大，出砂性變差。

　　存在的問題：

　　1.濕強(qiáng)度低

　　合脂砂的濕壓強(qiáng)度只有2.0～2.5kPa。比植物油砂還要低。加入膨潤土或者含泥量高的天然粘土砂可以提高濕強(qiáng)度。

　　2.砂芯蠕變

　　合脂砂濕強(qiáng)度低，合脂本身在常溫下粘度大，芯砂流動性差，造芯時不易緊實;因此合脂砂芯在濕態(tài)和烘干過程中易發(fā)生蠕變，即逐漸往下沉。在冬天，合脂變得更加粘稠，蠕變現(xiàn)象就更為嚴(yán)重?？刹捎眉尤肱驖櫷梁透邷厝霠t烘干硬化的方法來減少蠕變的缺陷。

　　三、殼芯(型)

　　(一)殼芯(型)的制造

　　1940年，Johannes Croning發(fā)明用熱法制造殼型，稱為“C”法或“殼法”，此法不僅可用于造型，更主要的是用于制造殼芯。該法用酚醛樹脂作粘結(jié)劑，配制的型(芯)砂叫做覆膜砂像干砂一樣松散。其制殼的方法有兩種：翻斗法和吹砂法。

　　　殼法造型、造芯的優(yōu)點是混制好的覆膜砂可以較長期貯存(三個月以上);無需搗砂，能獲得尺寸精確的型、芯;型、芯強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，易搬運(yùn);透氣性好，可用細(xì)的原砂得到光潔的鑄件表面;無需砂箱;覆膜砂消耗量小;型、芯可以長期貯放。盡管酚醛樹脂覆膜砂價格較貴，造型、造芯耗能較高，但在要求鑄件表面光潔和尺寸精度甚高的行業(yè)仍得到一定應(yīng)用。通常殼型多用于生產(chǎn)液壓件、凸輪軸、曲軸以及耐蝕泵件、履帶板等鋼鐵鑄件上：充芯多用于汽車、拖拉機(jī)、液壓閥體等部分鑄件上。

　　(二)殼型砂用原材料及混制工藝

　　(1)酚醛樹脂

　　殼法采用熱線塑性酚醛樹脂。它是在苯酚過量(通常苯酚與甲醛的物質(zhì)的量之比為1：0.75～0.85)及溫度在105℃以下縮合制成的。常用的硬化劑為烏洛托品，學(xué)名六亞甲基四胺，即(CH2)6N4，其加入量一般占樹脂質(zhì)量的10～15%。

　　(2)原砂

　　殼法一般采用硅砂，對于表面質(zhì)量要求很高的鑄件，特別是壁很厚實、易產(chǎn)生粘砂的鑄鋼件，也常使用鋯砂、鉻鐵礦砂。

　　(3)附加物

　　為了改善覆膜砂的性能，有時在覆膜過程中加入某些附加物。例如加人硬脂酸鈣(為砂量的0.25～0.35%)，可防止覆膜砂存放期間結(jié)塊;增加覆膜妙的流動性，制殼時易于頂出等。加入石英粉(加入量為砂質(zhì)量的2%左右)，可提高覆膜砂的高溫強(qiáng)度。

　　(4)覆膜砂混制工藝

　　酚醛樹脂覆膜砂一般以原砂為 100(質(zhì)量比)，酚醛樹脂加入量為：對于殼型是3.5～6.0，殼芯是1.5～4.0，另加入烏洛托品和硬酯酸鈣。覆膜砂的混制工藝可分為冷法、溫法和熱法三種。

　　其中熱法是一種適于大量制備覆膜砂的方法，需要專門設(shè)備?；熘茣r一般為先將加熱到130~160℃的砂加到間歇式混砂機(jī)中，再加樹脂混勻，熔化的樹脂包在砂粒表面，當(dāng)砂溫降到105～110℃時，加入烏洛托品水溶液，吹風(fēng)冷卻，再加入硬脂酸鈣混勻，經(jīng)過破碎、篩分備用。

　　四、熱芯盒法制芯

　　熱芯盒法制芯，是用液態(tài)熱固性樹脂粘結(jié)劑和催化劑配制成的芯砂，填入加熱到一定溫度的芯盒內(nèi)，貼近芯盒表面的砂芯受熱，其粘結(jié)劑在很短時間即可縮聚而硬化。而且只要砂芯的表層有數(shù)毫米結(jié)成硬殼即可自芯盒內(nèi)取出，中心部分的砂芯利用余熱和硬化反應(yīng)放出的熱量可自行硬化。它為快速生產(chǎn)尺寸精度高的中小砂芯(砂芯最大壁厚一般為50～75mm。)提供了一種非常有效的方法，特別適用于汽車、拖拉機(jī)或類似行業(yè)的鑄件生產(chǎn)。

　　(1) 熱盒法用粘結(jié)劑

　　熱芯盒用的樹脂有呋喃樹脂和酚醛樹脂，大多數(shù)是以尿醛、酚醛和糠醇改性為礎(chǔ)的一些化合物，根據(jù)所使用的鑄造合金及砂芯的不同以及市場供應(yīng)情況，進(jìn)行樹脂的選擇。

　　常用的呋喃樹脂有：

　　1)脲呋喃(UF/FA)樹脂;

　　2)酚呋喃(PF/ FA)，樹脂此類樹脂不含氮，或含極少量的氮，主要用于制造鑄鋼和球墨鑄鐵件，硬透性較尿呋喃樹脂稍差。我國的呋喃一2型熱芯盒樹脂屬于這類樹脂中的一個品種;

　　3)脲-酚呋喃共聚物(UF/ PF/FA)，含氮高的這類樹脂主要用于鑄鐵件.也可用于有色合金鑄件。

　　(2) 熱芯盒法硬化用催化劑

　　國內(nèi)對呋喃-1型樹脂砂最常用的催化劑是氯化銨和尿素的水溶液，其配比(質(zhì)量比)為氯化銨：尿素：水=l：3：3。

　　(3)熱芯盒法砂的工藝性能及樹脂砂的配制

　　熱芯盒法可以使用任何干凈、干燥的原砂。要求砂芯有較好的透氣性時，可選用稍粗的原砂;對鑄件內(nèi)表面要求很光潔的，可選用較細(xì)的原砂。熱芯盒砂可用一般碾輪式混砂機(jī)混碾，混制工藝如下：干砂十附加物—→加催化劑—→加樹脂粘結(jié)劑—→出砂

　　熱芯盒制芯工藝通常采用射芯機(jī)射芯，呋喃Ⅰ型樹脂砂的固化溫度在140～250oC之間，芯盒溫度保持在200～250OC較適宜。一般幾十秒即可從芯盒中取出砂芯。

　　五、氣硬冷芯盒法制芯

　　氣硬冷芯盒法制芯是將樹脂砂填入芯盒，而后吹氣硬化制成砂芯。根據(jù)使用的粘結(jié)劑和所吹氣體及其作用的不同，而有三乙胺法、SO2法、酯硬化法、低毒和無毒氣體促硬造芯法等方法。

　　(一)三乙胺法

　　此法為美國Ashland油脂化學(xué)公司研制成功，1968年開始向鑄造廠推廣并取得應(yīng)用，國外常稱1socure法，或稱酚醛一尿烷冷芯盒法，我國叫三乙胺法。粘結(jié)劑由兩部分液體組成：組分Ⅰ是酚醛樹脂，組分Ⅱ為聚異氰酸酯。催化劑為液態(tài)叔胺，可用三乙胺[(C2H5)3N](TEA)、二甲基乙胺(DMEA)、異丙基乙膠和三甲胺[(CH3)N3](TMA),造芯時。填砂后向樹脂砂中吹入催化劑氣霧(壓力0.14～0 2MPa)便能在數(shù)秒至數(shù)十秒內(nèi)硬化，達(dá)到滿足脫模搬運(yùn)的強(qiáng)度。

　　采用三乙胺法造芯時，原砂采用干凈的AFS細(xì)度50～60的硅砂，也可使用鋯砂、鉻鐵礦砂。原砂必須干燥，水分超過0.l%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，就會減少芯砂的可使用時間，降低砂芯抗拉強(qiáng)度。典型的芯砂配方是樹脂粘結(jié)劑占砂質(zhì)量的1.5%，由等質(zhì)量的組分Ⅰ和組分Ⅱ構(gòu)成。

　　(二)SO2法

　　SO2法是繼三乙胺法之后開發(fā)的一種新型吹氣冷芯盒制芯和造型方法，用于鑄造生產(chǎn)始1978年，近些年來又開發(fā)了一些新型SO2法。

　　1、呋喃樹脂/SO2法

　　此法在 1971年由法國 SaPic公司取得專利權(quán)，稱Sapici法，直到1978年才用于生產(chǎn)，歐洲大陸稱Hardox法，英國稱SO2-Fast法，美國叫Insta-Darw法。其造芯工藝過程類似三乙胺法。

　　SO2許多優(yōu)點勝過其他方法，因此從鋼鐵到有色合金均有應(yīng)用。其主要優(yōu)點如下;①熱力度高，使鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量高(高于三乙膠法)：②出砂性優(yōu)良，對給鎂合金也極易出砂;③樹脂砂有效期特別長，混好的砂不接觸SO2氣體，決不會硬化;④發(fā)氣量是有機(jī)粘結(jié)劑中最低的;⑤強(qiáng)度發(fā)展快。

　　SO2的缺點也很明顯，例如：①樹脂中游離糠醇汽化易使芯表面結(jié)垢;②低碳鋼芯盒用于砂芯大量生產(chǎn)時，銹蝕是一個嚴(yán)重問題;③SO2泄漏，將引起嚴(yán)重環(huán)境問題;④過氧化物為強(qiáng)氧化劑，易燃燒，要妥善保管。

　　2、環(huán)氧樹脂SO2法

　　環(huán)氧樹脂SO2法于19 8 3年用于生產(chǎn)。此法與呋喃-SO2法比，芯砂的可使用時間更長(可達(dá)5天)，而且基本解決了芯盒結(jié)垢和粘模問題，很適合大量生產(chǎn)。

　　環(huán)氧樹脂SO2法有效地克服了呋喃一SO2法的大部分缺點，但是用于鋼鐵鑄件時，由于易產(chǎn)生沖砂和夾砂，因此需涂敷耐火涂料;澆注系統(tǒng)應(yīng)有助于平穩(wěn)層流。當(dāng)使用水基涂料時，建議在低于81oC溫度下烘干。

　　3、自由基硬化法

　　自由基硬化法用于鑄造生產(chǎn)始于1982年。此法采用三種組分組成的液態(tài)粘結(jié)劑，包括：①丙烯基聚氨酯樹脂;②少量有機(jī)氫過氧化物引發(fā)劑(用來激發(fā)自由基聚合)③用來提高抗拉強(qiáng)度、延長砂芯保存期的乙烯基硅烷增強(qiáng)劑。此法用氮稀釋的SO2氣體促進(jìn)硬化。

　　粘結(jié)劑的加入量通常為0.9～1.8%。所用樹脂混合物的典型組成是95%的粘結(jié)劑、3%的增強(qiáng)劑和2%的過氧化物引發(fā)劑。催化劑氣體由1～10%(典型的為2%)的 SO2和情性氣體載體(氮)所組成。每噸芯砂約需 SO2 0.45kg。用干燥空氣或氮清洗是為了充分分散S02氣體催化劑，并使SO2隨后從硬化好的砂芯或砂型中排出。

　　(三)乙縮醛硬化法(紅硬法)

　　乙縮醛硬化法又稱紅硬(red-set)法，這是因為該法用樹脂砂硬化后變成粉紅色而得名。此法是由原聯(lián)邦德國開發(fā)的，粘結(jié)劑是三級分體系。組分1是樹脂，是一種具有高反應(yīng)的甲階酚醛樹脂水溶液，不合游離酚，含游離甲醛少于0.l%：組分2是活化劑，是不同類型的磷酸在無機(jī)酸中的濃縮水溶液;組分3是硬化劑，常用乙縮醛。

　　此法所配樹脂砂在二周內(nèi)使用仍有好的強(qiáng)度。硬化時需要的乙醛量理論上占組分40%，實際為60～100%。所制出的砂芯(型)有好的抗吸濕性，砂芯有強(qiáng)的抗毛刺能力。但這一方法不宜采用橄欖石砂，高耗酸值砂也減慢硬化過程。此法的工藝較復(fù)雜，對工藝參數(shù)要求嚴(yán)格，成本較高，價格為三乙胺法的2～3倍。

　　樹脂自硬砂

　　將砂子、液態(tài)樹脂及液態(tài)催化劑混合均勻后，填充到芯盒(或砂箱)中，稍加緊實、即于室溫下在芯盒(或砂箱)內(nèi)硬化成型，叫自硬冷芯盒法造芯，簡稱自硬法造芯(型)。自硬法可大致分為酸催化樹脂砂自硬法、尿烷系樹脂砂自硬法和酚醛一脂自硬法。

　　樹脂自硬砂不僅用于造芯，亦用于造型，特別適用于單件和小批量生產(chǎn)，可生產(chǎn)鑄鐵、鑄鋼及有色合金鑄件。其主要優(yōu)點是;①提高了鑄件的尺寸精度，改善了表面粗糙度;②節(jié)約能源，節(jié)約車間面積;③砂中的樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由早期的3～4%降到了0.8～1.2%，這是通過對原砂的處理及對樹脂、催化劑、混砂設(shè)備、工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)得到的，從而降低了成本;④大大減輕了造芯、造型、落砂、清理工人的勞動強(qiáng)度，便于實現(xiàn)機(jī)械化;⑤舊砂可再生，有利于防止二次公害。

　　(一)酸催化樹脂自硬砂

　　(1)酸催化樹脂自硬砂用的樹脂

　　常用粘結(jié)劑為呋喃樹脂和熱固性酚醛樹脂。也有采用酮醛樹脂與糠醇的混合物(AR/FA)、糠醇—甲醛聚合體(FA/F)、糠醇與其他活性化合物的混和物(FA/C)?？反己吭礁?，氮和水的含量會愈低，粘結(jié)劑的質(zhì)量也愈好，但價格也高。

　　(2)酸催化樹脂自硬砂用的催化劑

　　通常自硬法用催化劑應(yīng)符合以下要求：①保證改工藝過程帶所規(guī)才的硬化速度和強(qiáng)度;②具有低的粘度的液體，不產(chǎn)生沉淀;長期貯存時，性能不變;③如冬季運(yùn)輸引起冷凝，隨后加熱熔化，性能可回復(fù);④價格合理，經(jīng)濟(jì)。

　　(3)可使用時間和脫模時間

　　可使用時間是指自硬樹脂砂混砂后能夠制出合格砂芯的那一段時間。脫模時間是指從混砂結(jié)束開始，在芯盒內(nèi)制的砂芯(或未脫模的砂型)硬化到能滿意地將砂芯從芯盒中取出(或脫模)，而不致發(fā)生砂芯(或砂型)變形所需的時間間隔。

　　影響可使用時間、脫模時間的因素很多。實驗表明，所采用的原砂、樹脂、催化劑的類型、質(zhì)量和加入量、混砂工藝、環(huán)境溫度和濕度，均對可使用時間和脫模時間有明顯的影響，影響最大的為環(huán)境溫度和催化劑加入量。當(dāng)催化劑量相同，室溫不同時，溫度低時可使用時間長;溫度高時可使用時間短。其趨勢是溫度每增加10oC,可使用時間縮短1/2-1/3。室溫相同時，催化劑入量減少，可使用時間明顯增長;催化劑增多，可使用時間縮短，但是催化劑加入量超過一定范圍后，可使用時間變化不大，但對脫模時間影響顯著，溫度變化也明顯影響脫模時間，其趨勢是每增加5 oC，脫模時間縮短1/2-1/3。

　　(4)混砂工藝

　　合理地選用混砂機(jī)，采用正確的加料順序和恰當(dāng)?shù)幕焐皶r間有助于得到高質(zhì)量的樹脂砂。

　　混砂工藝如下：

　　混砂 混砂

　　砂十催化劑——→樹脂——→出砂

　　砂和催化劑的混合時間的確定，應(yīng)以催化劑能均勻地覆蓋住砂粒表面所需的時間為準(zhǔn)。太短了混合不勻，樹脂強(qiáng)度低，個別地方樹脂砂型硬化不良或根本不硬化;太長了，影響生產(chǎn)率和使砂溫上升。樹脂加入后的混拌時間也不能過短(混拌不均)和過長(砂溫升高，可使時間變短)，混拌時間一般通過實驗確定。

　　(二)自硬尿烷樹脂砂

　　自硬尿烷樹脂砂有不同的品種。

　　(1) 醇酸油尿烷樹脂砂(Linocure法)

　　這種方法是1965年左右由美國Ashland化學(xué)公司開發(fā)的，稱為Linocure法。這種工藝采用的粘結(jié)劑由三部分組成，即組分I—油改性醇酸樹脂;組分II—液態(tài)胺/金屬催干劑，常用的催干劑為有機(jī)酸的金屬皂類催干劑;組分III——聚MDI型異氰酸酯。三種成分均為液體，其中I和II是主要成分。組分I的加入量占砂質(zhì)量的l～2%;組分III加入量為組分I的18～20%;組分II為用來達(dá)到預(yù)定的可使時間和脫模時間，加入量為組分I的2～10%，可單獨(dú)加入，也可預(yù)先接入組分I內(nèi)。

　　(2) 多元醇尿烷樹脂砂

　　它是在70年代末期開發(fā)的，特別適用于鋁、鎂和其他輕合金鑄造廠。組分1是一種具有良好熱潰散性的多元醇，組分II是MDI型異氨酸酯，組分正是胺催化劑。當(dāng)組分1和組分II的質(zhì)量比為50：50時可得到最好結(jié)果。

　　組分III一般不用，脫模時間從8min到超過1h，但也可用組分見來控制脫模時間，有時可快達(dá)3min。粘結(jié)劑加入量對于輕合金來說為砂質(zhì)量的0.7~1.5%。

　　(3) 酚醛尿烷樹脂砂(Pep-set法)

　　這種工藝于1970年開始用于鑄造，國外稱Pep-set法，采用的粘結(jié)劑由三部分組成，即苯基醚酚醛樹脂—組分I，聚異氰酸酯—組分II，胺催化劑—組分III。三種成分均為液體。組分I和組分II之比常采用50:50，或為了減少含氮量而采用6O：4O。這兩種成分的總加入量為砂質(zhì)量的1.4～1.6%。催化劑用于調(diào)整樹脂砂的硬化速度，其加入量為組分I質(zhì)量的l～5%。

　　混制方法如下：先把酚醛樹脂與催化劑混合，使催化劑均勻地分散在樹脂中?；焐皶r再把含有催化劑的酚醛樹脂和聚異氰酸酯依次加到砂中。最好使用高效混砂機(jī)。

　　(三)酚醛-酯自硬砂

　　酚醛-酯自硬砂低氮或無氮，在混砂、澆注時氣味和煙霧少，自1981年開始推廣以來，已逐步獲得較多的應(yīng)用。

　　(1)樹脂的性能

　　酚醛一酯自硬法用樹脂的粘度與酸催化酚醒自硬樹脂相似。在室溫下的保存(儲存)期約為4～6個月。

　　(2)酯催化劑

　　用于這種粘結(jié)劑的催化劑為一系列的液態(tài)酯，它不能取代通常的自硬法用酸催化劑，也不能同它們混合在一起。盡管這種酯催化劑具有弱酸性，但它們不能同呋喃和酚醛用酸催化自硬的磺酸相容。脫模時間取決于所用酯催化劑的類型，催化劑加入量和砂子的溫度。

　　(3)混砂

　　當(dāng)采用間歇式或連續(xù)式混砂機(jī)混砂時，象酸催化法一樣，首先加入酯催化劑組分，直到完全包覆砂子后再加入樹脂組分。

　　(4)使用情況

　　原砂中的粘結(jié)劑的典型質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5～2%，催化劑占樹脂質(zhì)量的20～25%。這一方法采用各種各樣的石英砂、鉻砂、鋯砂都合適，特別是橄欖石砂。

　　樹脂和催化劑都是水溶性的，一些地方即使粘附了未受催化劑作用的樹脂砂，也易清洗掉。

　　在樹脂加入量差不多的條件下，酯硬化砂的實際強(qiáng)度沒有酸催化的樹脂砂和尿烷自硬的高。不過當(dāng)采用通常的1.5～2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的加入量時，一般已足夠適合生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低碳鋼、不銹鋼、球鐵、灰鐵、青銅和鋁鑄件。由于此法不含硫，它能很好地用于那些因吸收硫會出現(xiàn)問題的鋼種的生產(chǎn)。

　　酯硬化酚醛自硬法的一個特殊優(yōu)點是降低脈紋缺陷。其他自硬酚醛鑄型，在澆鑄過程中，在鑄型——金屬界面會出現(xiàn)裂紋，而此法在澆注過程中，表層出現(xiàn)可避免開裂的短暫的熱塑性階段，然后再變成剛性并清散，因而可得到無脈紋缺陷的光潔鑄件。