采用自硬樹脂砂鑄型進(jìn)行整體鑄造，是國內(nèi)外鑄造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向．對于薄壁鋁合金澆注鑄件，要求樹脂砂具有良好的潰散性和退讓性，以減少鑄件產(chǎn)生熱裂缺陷傾向．目前國內(nèi)外生產(chǎn)中應(yīng)用較多的自硬砂是呋喃樹脂自硬砂，具有較高的高溫強(qiáng)度，可用于鑄鋼、鑄鐵及厚大有色合金鑄件的生產(chǎn)．但是呋喃樹脂砂的高溫殘留強(qiáng)度較高，潰散性差，不適合生產(chǎn)薄壁鋁合金鑄件，為此，一些學(xué)者在樹脂砂硬化機(jī)理、添加劑對樹脂砂潰散性能的影響、樹脂砂芯中空技術(shù)、聚氨酯樹脂砂改性工藝等方面進(jìn)行了大量研究，取得了許多有益的成果，

本文針對生產(chǎn)中應(yīng)用較多的呋喃樹脂，采用脲醛樹脂、聚氨酯及SiC等作為添加物對呋喃樹脂砂進(jìn)行改性，并研究了它的高溫殘留強(qiáng)度等的變化規(guī)律．

1實(shí)驗(yàn)的材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用原砂為大林標(biāo)準(zhǔn)砂，水洗后烘干，其粒度為55—100目(約315—125μm)，形狀為多角形．

實(shí)驗(yàn)用樹脂有三種：鋁合金用呋喃樹脂、鋁合金用聚氨酯和脲醛樹脂，聚氨酯樹脂分為兩組：CPI5140和CPⅡ5235，其中一組樹脂中含有固化劑，

呋喃樹旨及脲醛樹脂所用催化劑為磷酸與對甲苯磺酸的復(fù)合催化劑，磷酸與對甲苯磺酸的質(zhì)量比為4:1～5:1，復(fù)合催化劑的加入量為樹脂質(zhì)量的40%～50%．

1.2混砂工藝

1)脲醛樹脂改性呋喃樹脂砂將脲醛樹脂與呋喃樹脂按一定比例混合均勻，將磷酸和對甲苯磺酸按一定比例混合均勻，混砂時，首先將復(fù)合催化劑加入到原砂中，混制一定時間，然后加入混合樹脂，繼續(xù)混至一定時間，然后出砂．

2)聚氨酯改性呋喃樹脂砂首先分別混制呋喃樹脂砂和聚氨酯樹脂砂，然后將呋喃樹脂砂和聚氨酯樹脂砂按一定比例放入混砂機(jī)中，混制一定時間后出砂．

1.3標(biāo)準(zhǔn)試樣制備

標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸直徑30mm，長為30mm，采用模板法制備試樣，每次制備12個標(biāo)準(zhǔn)試樣．

1.4表面熱失率

本文提出試樣表層熱失率概念，用于反映試樣表層高溫強(qiáng)度變化，測量方法是：測量標(biāo)準(zhǔn)砂芯試樣質(zhì)量M，將試樣在高溫爐中加熱一定時間后取出立即放在滾動篩中滾動1min;測量殘留試樣質(zhì)量m，則熱失率按λ=(M-m)/M×100%計(jì)算。

2結(jié)果與討論

2.1脲醛樹脂對呋喃樹脂砂性能的影響

脲醛樹脂具有高溫強(qiáng)度低、潰散性及退讓性好的特點(diǎn)，可以與呋喃樹脂互溶，同時脲醛樹脂和呋喃樹脂可以采用相同的催化劑進(jìn)行固化．因此，將一定比例的脲醛樹脂加入到呋喃樹脂中，對呋喃樹脂進(jìn)行改性，可以改善其高溫殘留強(qiáng)度和潰散性，

圖1是脲醛樹脂加入量對呋喃樹脂砂高溫殘留強(qiáng)度影響．由于脲醛樹脂的熱分解速度比相同加熱條件下的呋喃樹脂分解快，因此隨著脲醛樹脂加入量增加，混合樹脂的分解速度增加，減少了砂粒樹脂膜的數(shù)量，導(dǎo)致樹脂砂的高溫殘留強(qiáng)度下降，

圖2是脲醛樹脂加入量對呋喃樹脂砂表面熱失率的影響．隨脲醛樹脂加入量增加，呋喃樹脂砂的熱失率明顯增加，表明樹脂砂試樣表層高溫強(qiáng)度降低，

圖3是脲醛樹脂加入量對改性呋喃樹脂砂常溫抗壓強(qiáng)度的影響．從圖3可以看到，脲醛樹脂加入量對呋喃樹脂砂常溫強(qiáng)度影響很大．呋喃樹脂是尿素、甲醛及糠醇按一定比例縮合而成．除含有-CH2OH，NH2一，NH-等活性基團(tuán)外，還含有單體糠醇α位置上的活潑氫與羥甲基脲、甲醛及另一糠醇上的羥基發(fā)生一系列縮合脫水形成的樹脂混合體，在脲醛樹脂中含有各種分子量不同的混合物，有未反應(yīng)的游離羥甲基-CH3OH，氨基NH2一及亞氨基NH-等活性基團(tuán)．經(jīng)過綜合分析，可以推測，混合樹脂的固化過程即有脲醛預(yù)聚物的進(jìn)一步縮聚，也有呋喃樹脂預(yù)聚物的縮聚。

縮聚反應(yīng)的順序?yàn)椋涸谒岽呋饔孟?，脲醛，樹脂預(yù)聚物首先發(fā)生縮水反應(yīng)，放出的熱量使系統(tǒng)溫度有所升高，促使雙鍵迅速打開并立即重新交聯(lián)而放出大量熱量，這樣又使環(huán)境溫度進(jìn)一步升高，促使糠醇的縮水反應(yīng)進(jìn)行，較終使線形樹脂分子交聯(lián)成體型分子即發(fā)生固化．脲醛樹脂加入到呋喃樹脂中以后，增加了縮聚反應(yīng)的程度，因而提高了樹脂的強(qiáng)度；但是隨著脲醛樹脂加入量增加，其提高混合樹脂縮聚反應(yīng)速度的影響作用很過了增加混合樹脂縮聚反應(yīng)程度的作用，導(dǎo)致混合樹脂砂的抗壓強(qiáng)度下降．

圖4是脲醛樹脂加入量對呋喃樹脂砂可使用的影響．隨著脲醛樹脂加入量的增加，改性呋喃樹脂砂可使用時間顯著縮短，不利于實(shí)際生產(chǎn)中的造型（芯）操作．

圖5是脲醛樹脂加入量對呋喃樹脂砂發(fā)氣性的影響，由于脲醛樹脂發(fā)氣量比呋喃樹脂發(fā)氣量大，且高溫分解速度比呋喃樹脂快，因此隨著脲醛樹脂加入量增加，改性呋喃樹脂砂的發(fā)氣量明顯增加，增大了金屬液充型阻力及產(chǎn)生氣孔缺陷的傾向，

根據(jù)上述研究結(jié)果，隨著脲醛樹脂加入量增加，改性呋喃樹脂砂的高溫殘留強(qiáng)度顯著下降，潰散性得到改善．但是，當(dāng)脲醛樹脂加入量很過一定量以后，改性樹脂砂的可使用時間顯著縮短，發(fā)氣性顯著增加，流動性下降，改性樹脂砂的綜合性能降低．因此，為保證改性樹脂砂具有較好的綜合性能，脲醛樹脂的加入量不宜太多，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)及綜合分析，確定脲醛樹脂的合適加入量為15%N25%．改性樹脂的加入質(zhì)量為砂的1%～1.5%，催化劑為磷酸與對甲苯磺酸混合酸，其中磷酸與對甲磺酸的質(zhì)量比為4:1～5:1，催化劑加入量為樹脂質(zhì)量的40%～50%．

2.2聚氨酯砂對呋喃樹脂砂改性

圖6是聚氨酯砂加入量對呋喃樹脂砂高溫殘留強(qiáng)度的影響．隨著聚氨酯砂加入量增加，整個樹脂砂試樣的高溫殘留強(qiáng)度基本呈線性下降．研究表明，呋喃樹脂分解速度明顯低于聚氨酯樹脂，如加熱到600℃時，呋喃樹脂分解殘留量為44%，而聚氨酯樹脂殘留量為零，因此呋喃樹脂砂中加入一定比例的聚氨酯砂以后，提高了樹脂分解速度，減少了砂粒間的樹脂膜連接橋數(shù)量，降低了樹脂砂的高溫殘留強(qiáng)度．

圖7是聚氨酯砂加入量對呋喃樹脂砂常溫強(qiáng)度的影響．隨著聚氨酯砂加入量增加，改性呋喃樹脂砂的常溫強(qiáng)度略有下降．這是由于呋喃樹脂和聚氨酯分別采用不同的固化劑（催化劑）硬化，兩種樹脂不能混合使用，只能分別與原砂相混，然后兩種樹脂砂再按一定比例混合在一起，因此降低了樹脂砂粒之間的結(jié)合強(qiáng)度．

向呋喃樹脂砂中加入一定量的聚氨酯砂以后，較顯著改善了呋喃樹脂砂的高溫殘留強(qiáng)度，可以滿足特殊鑄件對鑄型（芯）性能要求或?qū)﹁T型（芯）局部部位的特殊性能要求．但是混砂工藝比較復(fù)雜；另外，在室溫下，呋喃樹脂砂的可使用時間為25min，而聚氨酯砂的可使用時間只有4～6min，再加上混砂過程的影響，將聚氨酯砂加入到呋喃樹脂砂以后將顯著降低呋喃樹脂砂的可使用時間．

2.3SiC砂加入量對樹脂砂性能影響

由于SiC砂的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)高于普通的石英砂，因此樹脂砂中加入一定量的SiC砂后，有利于增加試樣內(nèi)部被加熱程度及樹脂膜分解程度，降低其高溫殘留強(qiáng)度，圖8是原砂中SiC砂的加入量對呋喃樹脂砂高溫殘留強(qiáng)度的影響，所用的SiC砂粒度為55—75目(約315～200μm).隨著SiC砂加入量增加，樹脂砂高溫殘留強(qiáng)度下降，尤其加熱時間較短時，樹脂砂的高溫殘留強(qiáng)度下降趨勢更加顯著，這一性能變化對于薄壁鋁合金件鑄造更加有意義．

圖9是SiC砂加入量對呋喃樹脂砂常溫強(qiáng)度的影響．由于SiC砂的形狀呈片狀，比表面積大，在相同粒度及樹脂加入量條件下，隨SiC砂含量增加，樹脂砂的常溫抗壓強(qiáng)度下降．因此，為了保證樹脂砂鑄型（芯）的強(qiáng)度，必須增加樹脂加入量，從而增加了樹脂砂的發(fā)氣量及鑄件產(chǎn)生氣孔的趨勢．

向石英樹脂砂中加入SiC砂，可降低樹脂砂的高溫殘留強(qiáng)度，改善其潰散性，但同時也降低了樹脂砂的常溫強(qiáng)度．另外，SiC砂的價格遠(yuǎn)高于普通的石英砂，加入SiC砂后將顯著提高鑄型制造成本．但是SiC砂的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)高于普通石英砂，因此加入一定量的SiC砂后可以提高鑄型（芯）的冷卻能力，有利于改善鑄件的晶粒組織，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，以采用石英砂與SiC砂混合樹脂砂制備特殊性能要求的鑄型（芯），或者制備鑄型（芯）中特殊性能要求的部位．

3結(jié)論

1)采用脲醛樹脂對呋喃樹脂砂進(jìn)行改性，系統(tǒng)研究了脲醛樹脂改性呋喃樹脂砂的高溫殘留強(qiáng)度、常溫強(qiáng)度、表面熱失率、可使用時間、發(fā)氣性等的變化規(guī)律，隨脲醛樹脂加入量增加，改性呋喃樹脂砂的高溫殘留強(qiáng)度顯著下降，改性呋喃樹脂總加入質(zhì)量為原砂質(zhì)量的1.0%N1.5%，其中脲醛樹脂較佳加入量為樹脂總量的15%N25%，該改性樹脂砂高溫殘留強(qiáng)度較低，具有良好的綜合性能．

2)分別向呋喃樹脂砂中加入一定數(shù)量的聚氨酯砂和SiC原砂對呋喃樹脂砂進(jìn)行改性處理，隨著聚氨酯砂或SiC原砂加入量增加，改性呋喃樹脂砂的高溫殘留強(qiáng)度下降，潰散性得到改善．在一定的聚氨酯砂或SiC原砂加入量范圍內(nèi)，改性呋喃樹脂砂具有較低的高溫殘留強(qiáng)度及較好的常溫強(qiáng)度，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)中一些特殊鑄件對鑄型（芯）整體或?qū)﹁T型（芯）局部部位的特殊性能要求．