呋喃樹脂砂是近年來發(fā)展較快的主流鑄造造型材料，采用呋喃樹脂砂生產的鑄件尺寸精確、表面光 潔、棱角分明、廢品率低，并可節(jié)約造型工時、改善作 業(yè)環(huán)境。南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 （以下簡稱戚所公司）于1990年建成了一條現(xiàn)代化 的樹脂砂生產線，先后批量生產機車用制動盤、 HXD。型機車齒輪箱、自主國產城際動車組CRH6鋁合金齒輪箱等鑄件，在過程質量控制方面積累了 寶貴的經驗。2011年開始生產城軌用牽引電機鑄 鐵件，該類產品全部為低溫薄壁球墨鑄鐵（以下簡稱球鐵）件，既要保證充型完整，無鑄造缺陷，又要 求具有較高的低溫沖擊韌性及適當?shù)膹姸纫詽M足使 用要求，因此對鑄造工藝及過程質量控制要求較高。

1 鑄造工藝分析

1.1 呋喃樹脂砂及薄壁球鐵特性

呋喃樹脂砂型的工藝特性為潰散性好、發(fā)氣量 大，但導熱性差，高溫下因呋喃樹脂易燒損導致表面 強度下降。薄壁球鐵件主要特點是壁薄，熱容量小， 凝固時間短。因此，用呋喃樹脂砂生產薄壁球鐵件 時，常出現(xiàn)如下缺陷：①氣孔。樹脂砂發(fā)氣量及發(fā)氣 速度較大是鑄件產生氣孔的主要原因，在高溫狀態(tài) 下，呋喃樹脂砂發(fā)氣量比普通粘土砂大1倍多；②粘 砂。呋喃樹脂砂經高溫鐵液焙燒后，樹脂快速分解， 造成鑄墅表面強度下降，若鐵液此時尚未凝固，很易鉆入砂?？p隙或侵蝕砂粒，形成粘砂缺陷；③冷隔。 薄壁球鐵件充型困難，澆注速度較慢或溫度較低易 發(fā)生冷隔缺陷；④白口。球鐵件壁厚減薄，冷卻速度 增大，凝固過程會沿著介穩(wěn)定系轉變，容易出現(xiàn)白口組織，韌性嚴重降低。

1.2鑄造工藝設計

在設計薄壁球鐵件的呋喃樹脂砂澆注系統(tǒng)時， 應堅持大流量、快流速、平穩(wěn)、分散的澆注原則，以保 證鐵液快速充型，使鐵液迅速建立一定的壓頭以抑 制部分呋喃樹脂砂氣體析出和侵入鐵液。

薄壁球鐵多采用半封閉式澆注系統(tǒng)，∑A_內：∑ A_橫: ∑A_直=0.8: (1.2 -1.5)：1或3:8:4，澆注時間按公式(1)進行估算：

t= 1/2S√G_L            (1)

(1) 式中：t為澆注時間(S)；G_L   為型內金屬質量 (kg)；．s為與鑄件壁厚有關的系數(shù)。

此外，在設計鑄造工藝時，應采用凝固模擬先進技術，借助相關模擬軟件計算充型和凝固過程，判斷鑄造缺陷類型和位置等相關信息，縮短產品開發(fā)周 期，并從工藝上保證產品的內在質量。

以某低溫薄壁球鐵城軌電機鑄件為例，圖1(a) 所示為該鑄件的鑄造工藝三維示意圖，該鑄件形狀復雜，壁厚不均，較薄處僅7 - 10mm。采用半封閉澆注系統(tǒng)，底注進鐵，保證充型過程平穩(wěn)。在壁厚處放置發(fā)熱冒口加強補縮，在中心洼蘭處和大法蘭處放置出氣片增強排氣，在鑄件底部厚大部位放置冷 鐵消除熱結，保證鑄件順序凝固。澆注系統(tǒng)方面，設 置過濾網(wǎng)以保證鐵水純凈度，無側冒口進鐵以保證 工藝出品率。圖1(b)所示為應用MACMA鑄造模擬軟件計算的溫度場分布。

 

模具質量控制

模具有金屬模和木模2類：金屬模具有耐腐蝕、 易起模、難變形的特點，多用于大批量生產；木模因 受到樹脂、固化劑等腐蝕，使用時間過長會發(fā)生變 形，因此多用于生產小批量產品。制作模具型板時， 應保證各支撐板高度一致；木模宜用多層板制作面 板，以保證底板平整，對于大型鑄件，要用金屬結構件加固，以免底板變形；為保證模具的制作精度，所 有樣板在使用前必須經檢查員檢查確認后使用；為 提高模具定位精度，在型板上用劃線法確定定位中 心線和定位銷座的位置；模具銘牌應標識準確以方 便操作人員辨認；模具堆放時應避免模樣與模樣直 接接觸；模具如長時間不使用應清理干凈上面的舊 砂和浮灰以防止發(fā)生破損和變形。

型砂質量控制

3.1原材料的使用

樹脂砂造型對原砂要求較高，原砂的粒度應根據(jù)主要產品的壁厚確定，對于鋁合金齒輪箱、球鐵電機類鑄件等產品，因壁厚較小，因此選用粒度為40 - 70目的原砂，其技術指標如表1所示。

 

樹脂分為含氮樹脂和無氮樹脂2種，生產鋁合金鑄件時一般選用較低廉的含氮樹脂，生產鑄鐵件時如經濟條件允許可用無氮樹脂，也可選用含氮樹 脂，但要加強鑄型排氣。樹脂加入量一般控制在原砂質量的0. 8% -1.2%。戚所公司使用的中氮呋喃樹脂技術指標如表2所示。固化劑的選擇根據(jù)氣 溫和季節(jié)的變化而改變，采用磺酸固化劑的加入量 一般為樹脂加入量的40% - 60% 。

 

3.2 型砂工藝參數(shù)控制

(1)可使用時間。通常把型砂24 h抗拉強度只 剩80%的試樣制作時間作為型砂的可使用時間。 一般情況下，型砂的可使用時間應控制在6 - 10 min，對于薄壁鑄件，應適度放寬可使用時間使其緩 慢硬化，通過調整固化劑的加入量來控制型砂的可使用時間。

(2)型砂強度。型砂的初強度（即型砂在1h的抗拉強度）應控制在0.1 MPa -0.4 MPa。型砂的終強度（即型砂在24 h的抗拉強度）應控制在0.6 MPa -0.9 MPa，不能因追求強度而過度地加入樹脂，既增加成本又增加了氣孔缺陷傾向，同時不利于 舊砂回收。

(3)起模時間。起模時間與型砂強度、型砂溫度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、砂箱溫度、模具溫度、鑄型形狀等諸多因素有關。在生產過程中，往往以與砂 箱接觸的型砂強度作為判斷依據(jù)，如果用通氣針沿箱壁往下扎，扎入深度平均小于20mm時即可起 模。起模時間根據(jù)季節(jié)和氣溫變化而改變，一般控 制在15 - 60min。

(4)灼減量（LOI值）。灼減量是衡量再生砂脫 模率的重要指標，也是與型砂發(fā)氣量及鑄件氣孔缺 陷密切相關的指標，一般將再生砂的灼減量控制在 3%以下。降低灼減量的方法有補加新砂、填充廢砂 塊、降低砂鐵比等。一殷情況下，再生砂的灼減量應 每周檢查1次。

(5)微粉含量。微粉含量是指再生砂中140目 以下物質的含量。微粉含量應控制在0. 8%以內， 含量越高，型砂的透氣性越差，強度越低。每周定期 清理3 -4次除塵器布袋上的灰塵是較有效的解決 方法。

(6)砂溫。較適宜的造型砂溫應控制在15— 30℃，砂溫很過35℃時型砂迅速硬化，強度達不到 使用要求，影響造型操作。夏天車間環(huán)境溫度往往 達到40℃，控制砂溫成為造型控制要點，此時水冷 系統(tǒng)必須啟用以降低一些溫度。如溫度仍降不下 來，可將舊砂在前一天放入砂斗經過一夜自然冷卻 降溫，或添加適量新砂調節(jié)砂溫。

造型質量控制

4.1 混砂

呋喃樹脂砂混制的工藝流程為：在石英砂中加 入固化劑，攪30s后加入呋喃樹脂，再攪拌30 s出 砂。采用連續(xù)式混砂機，氣動送砂，螺旋攪拌給料， 先加入固化劑，后加入呋喃樹脂，連續(xù)出砂。31。

混砂機能否正常運行，將直接影響混砂質量。 開機前應檢測壓縮空氣壓力、樹脂、固化劑泵是否異 常，液料是否充足，并按規(guī)范對設備進行檢查、潤滑 和冶煉回流。一般情況下，由于環(huán)境溫度的變化會 造成液料粘度的變化，在相同電壓的情況下，液料的 加入量會產生波動，砂料閥門因反復開合而出現(xiàn)計 量不準的惰況。每日進行型砂配比檢測可確?；焐?配比嚴格符合薄壁球鐵件工藝要求。此外，每日下 班前應清理混砂槽，并在混砂槽內壁和刀桿、刀片上 刷脫模劑。

4.2冷鐵

薄壁球鐵件常放置冷鐵以滿足質量要求，但冷 鐵厚度不宜過大以免造成冷隔等缺陷。當冷鐵有銹 蝕時，在鑄件放置冷鐵的部位易產生蜂窩狀氣孑L。 因此鑄鐵冷鐵需進行拋丸處理或噴砂處理，并在使 用前進行烘干處理。所有使用冷鐵的鑄型，在點燃 涂料時應采用燃氣噴槍對冷鐵部位進行烘烤，質量 要求較高的鑄件可使用石墨冷鐵代替鑄鐵冷鐵。

4.3填砂

生銹起皮的砂箱應清理干凈。填砂時，靠近砂 型表冠應用手或木棒對型砂進行緊實，特別是凹部、 角部、活塊、凸臺下部以及澆注系統(tǒng)等部位必須舂 實，以免產生機械粘砂和沖砂缺陷。為降低生產成 本，在吃砂量較大的部位可填充舊砂塊，流到砂箱外 面的型砂應作為備砂及時使用。為提高鑄型（芯） 透氣性，應嚴格按工藝要求放置冒口和出氣片 （棒）．型砂填充完成后，應在鑄型表面扎通氣眼。 對于體積較大的坭芯，應預埋通氣繩或通氣管。盡 量采用整體制芯工藝，減小砂芯接頭處的臺階和披 縫，保證鑄件表面光滑、平順，減小裂紋傾向。

4.4涂料

由于樹脂砂高溫潰散性好，對涂料的刷涂質量 要求較高。澮料層應致密，尤其是澆注系統(tǒng)和鑄型 側面的涂刷質量要高，以保證無沖砂或粘砂等缺陷。 可采用醇基鋯英粉涂料和石墨涂料進行刷涂，醇基 涂料能提高耐火度，石墨涂料能提高表面光潔度。 非加工面的涂料層應打磨平整，不能有明顯刷痕，死 角處不能出現(xiàn)涂料堆積。薄壁球鐵件一般要求涂刷 上述2種涂料各1遍，每次涂刷后用火點燃烘烤。

為保證鑄型表面強度，對于“當天造型，當天合箱” 的產品，起模至少2h后方可刷涂料，其余產品應在 造型次日進行涂刷。

4.5合箱

對于質量較輕的薄壁鑄件（小于100kg），允許在造型后4h內合箱，如生產條件允許，較好在次日合箱以減少氣孔缺陷傾向。同時，為了避免返潮和吸氣，應盡可能縮短合箱到澆注的時間，如無法當日澆注，較好次日烘烤后再合箱。合箱前，應將直澆道和冒口根部的型砂清理干凈；針對不同產品選擇合適的澆口杯；合箱過程應使用定位銷以防止錯箱，定位銷應放于上箱以便合箱過程中的觀察和調整位置。為便于澆注，相同材質的鑄型應集中放置，砂箱 間距要適中以方便澆注。

熔煉澆注質量控制

薄壁球鐵件共晶凝固時冷卻速度快，易在共晶凝固組織中形成自由滲碳體，導致力學性能惡化，提 高石墨數(shù)量和球化等級是解決該問題的有效途徑。 對薄壁球鐵件，應用廢鋼增碳配合隨流孕育技術可大大降低成本，提高產品質量。廢鋼增碳過程添加 回爐料40%- 50%，廢鋼40% - 50%，增碳劑1.5% - 2%。增碳劑的加入，使鐵液中石墨晶核數(shù)量增 多，石墨數(shù)量、大小、形貌得到改善。隨流孕育過 程添加0. 1%左右的隨流孕育劑，同時降低總體孕育劑加入量（控制夜0. 6% -0. 8%），在鐵水澆入鑄 型過程中根據(jù)工藝要求倒入不同流量的隨流孕育 劑，可得到含量大于95%鐵索體，l～2級球化的組織，鑄造后不需熱處理或低溫回火熱處理便可滿足 強塑性和低溫韌性要求，同時避免薄壁件因高溫回 火熱處理變形造成的產品報廢。

因樹脂砂發(fā)氣量大，很易產生氣孔和夾渣缺陷， 薄壁鑄件澆注溫度過低會產生冷隔，故對熔煉過程應嚴格控制，應堅持“高溫熔煉，適溫澆注”的原則。應提高澆包修砌質量，打包時應將包壁上的粘附熔渣清理干凈，鐵液包在使用前應烘烤充分。應嚴格控制每包澆注數(shù)量，以保證澆注溫度符合工藝要求，澆注前要認真扒渣，澆注時應避免熔渣澆人鑄件，避免鐵液過多溢流。

結論

嚴格控制型砂質量是用呋喃樹脂砂生產薄壁球 鐵件工藝的關鍵，采用呋哺樹脂砂生產低溫薄壁球 鐵件時要遵循“大流量、快流速、平穩(wěn)、分散”的原則，合理擺放冷鐵、冒口、出氣片和設置型芯的排氣， 消除粘砂與氣孔等缺陷。鑄造工藝中各關鍵工序的 操作都會對產品質量產生影響，加強過程質量控制是保證產品實物質量的途徑。