一文读懂覆膜砂铸造材料及工艺知识

目前普遍采用酚醛类树脂作为粘结剂。酚醛类树脂有固体和液体、热固性和热塑性之分。目前制作覆膜砂通常采用热塑性固态酚醛树脂。对其性能要求是： 

粘结剂的性能对覆膜砂的品质有很大的影响，人们一直在致力于研究如何提高酚醛树脂的性能，以及寻找酚醛树脂的替代品。国外已开发出不同性能的专用树脂，如高强度低发气树脂、易溃散树脂，也有采用改性聚酯树脂的报道，但未得到全面推广，至今普遍采用的仍是改性酚醛树脂。国内近年来在覆膜砂专用酚醛树脂的研究开发方面发展较快，已开发出不同的改性酚醛树脂供生产使用。

其组成通常由石英砂热塑性酚醛树脂、乌洛托品和硬脂酸钙构成，不加有关添加剂。其树脂加入量通常在一定强度要求下相对较高，不具备耐高温、低膨胀、低发气等特性，适用于一些要求不高、结构较简单的铸铁件生产。

是在普通覆膜砂的基础上，通过加入有关特性的“添加剂”和采用新的配制工艺，使树脂用量大幅下降，发气量显著降低，并能延缓发气速度。该覆膜砂具有高强度、低膨胀、低发气、慢发气等特点，特别适用于铸铁件、中小铸钢件中要求发气量低的砂芯，如阀体砂芯等。

它是针对有色金属（特别是铝合金）铸件不易清砂而研制的一种覆膜砂。该砂在具有较好的强度的同时具有优异的低温溃散性。用它生产有色金属（铝合金、铜合金等）铸件，不需要将铸件重新加热来清砂，只需将浇注后的铸件冷却24小时后，即可振动落砂。

该覆膜砂适用于离心铸造工艺，可用它替代涂料生产离心铸管等。根据铸管材质与直径大小及技术要求不同，可加工成不同性能的离心铸造覆膜砂。与其他各类覆膜砂的不同之处，是该覆膜砂的密度较大一些，发气量较低且发气速度慢。

它是一种在室温下呈湿态的覆膜砂。在室温下长期存放不会自然固化（可存放1年以上），根据不同铸件的技术要求可使用湿态高强度低发气等各种不同特性的覆膜砂，该覆膜砂可完全替代热芯盒砂（射芯机射头不用改装来生产各种材质和各种类型的铸件）。

该覆膜砂湿压强度可在0.1～0.3MPa内任意调整。存放期超过3 个月，适用于手工造型或制芯（类似于桐油砂和合脂砂），在室温下脱模后，将型（芯）放入烘箱或烘炉内加热，加热温度250～350℃，加热时间3～10min，固化后的型（芯）具有强度高、发气量低、蠕变形量小、不吸潮等特点。该覆膜砂适于单件、小批量及精度要求较高铸件的生产，特别适于乡镇企业采用。值得注意的是，在型（芯）加热固化时，必须等待炉温达到所需的温度时才能放入加热，切忌随炉升温加热。

从理论上讲，覆膜砂几乎可以生产所有类型，尤其是高精度铸件的实体芯。采用湿态覆膜砂时，可直接利用热芯盒设备和工装制芯，而无需对原有设备和工装做任何改变。采用干态覆膜砂时，由于其流动性好，需对芯盒的排气方式、射嘴及芯盒密封进行特殊处理。可利用安息角原理（覆膜砂的安息角约30o ） ，解决射砂后排气时覆膜砂进入射腔和不射砂时覆膜砂自动下落等问题。目前，采用干态覆膜砂热芯盒制芯工艺的厂家较多。

用覆膜砂制作壳型，常见于浇注凸轮轴等轴类零件或刹车片等盘类零件及一些表面要求高的阀类零件等。其相关参数如下：砂铁比1：（1.5）～4；拔模斜度0.5°～1°等，壳型壁厚8～12mm。

均匀的壳型壁厚可以减少覆膜砂用量，获得均匀的铸件组织。用覆膜砂制作壳型，可采用固定式射芯机或翻转式射芯机，前者可用干态覆膜砂或湿态覆膜砂，后者只能选用干态覆膜砂。

用覆膜砂制作壳芯通常采用摇摆式壳芯机（如K85、K87、K89等），通过射砂、结壳、提出余砂、固化、脱膜等环节完成制芯过程。

为了确保壳芯的品质，除了要保证覆膜砂的品质之外，还必须根据每个砂芯的具体情况来选择合理的制芯工艺。

该工艺是在粗成形的金属型（铁型）内传统的离心铸造工艺，主要用于生产管类回转体铸件，先在铁模内腔表面涂挂一层涂料以利于取模。近年来，已开发出适于离心铸造用覆膜砂替代涂料生产。由于其排气效果较差，故要求壁薄（约3mm），且通常采用双层砂，与铸件接触表面采用细砂（70/140目），外层采用粗砂（50/100目）。

该工艺是在粗成形的金属型（铁型）内腔覆一薄层覆膜砂（3-8mm）而形成铸型。它通过各种手段，如工艺试验、计算机模拟、经验图表等，合理地设定铁型壁厚和覆膜砂厚度、浇注系统及覆膜砂层材料，以达到使铸铁在一个比较有利的条件下完成充型凝固冷却，提高其内在品质和表面品质的目的。

我国铁型覆砂技术首先是在中小铸造企业中发展起来并成功应用的。20世纪70年代末，我国建成了第一条铁型覆砂铸造生产线。80年代以后，我国铁型覆砂铸造工艺的基本研究队伍和应用企业已形成，并得到较快地发展。目前，我国已有近百家企业将铁型覆砂铸造应用于生产，年产铁型覆砂铸件10万吨左右（主要是曲轴、凸轮轴、齿轮及出口铸件等），年耗覆膜砂约2万吨。

我国许多中小铸造企业不同程度存在铸件品质差、经济效益低和铸造生产条件恶劣的情况，又很少有财力进行根本性的技术改造，因此有些中小铸造企业就考虑采用投资少、见效快的铁型覆砂铸造技术来提高自身的竞争能力。因为铁型覆砂铸造生产的铸件平均精度为CT7级左右，表面粗糙度为12.5um，投资几十万元就能基本形成生产能力。如果大企业采用此工艺则可有效地降低生产成本。

铁型覆砂铸造的主要工艺参数：铁型壁厚25mm，覆砂层厚5-8mm（适用于小缸径球铁曲轴）；铁型质量一般是型铸件质量的5倍左右；铁砂比（铸件质量与所耗覆膜砂量之比）为6-7。铁型覆砂造型方法（即覆砂层的获得）有射砂成型和压模成型两种，前者目前用得较多，覆砂层为普通覆膜砂，特别适于大批量生产；后者适用于单件质量较大（铁型尺寸达数米长）的曲轴等，覆砂层为各种流态自硬砂。前者射砂压力的选择与覆膜砂厚度有关，当射砂压力为0.2-0.6MPa，覆膜砂厚度为4-5mm时，其密度最大。

由于铁型覆砂的铸型刚度较好，可提高铸件的致密性，密度平均提高0.86%。许多企业实现了四缸及以下球铁曲轴的铸态生产。铸态性能达QT800-2以上，铸造废品率为3%～5%。

随着人类对环保要求的不断提高，覆膜砂的回收与再生显得越来越重要和迫切。目前常用的再生方法为机械再生与热法再生。

机械再生的基本原理是利用高速回转轮的砂轮（约3500r/min）和慢速转动的回转框之间的间隙（5～10mm）对旧砂进行磨擦，以达到去除旧砂表面的树脂和对旧砂进行整形的目的，所产生的粉尘则通过通风除尘进行处理。 热法再生的基本原理是利用旧砂预处理和沸腾式热法再生炉设备，首先对旧砂进行振动破碎和磁分离，然后在沸腾式再生炉中焙烧，出砂后再经保温、冷却、筛分即可回用。经热法再生后的回用砂性能可达：灼烧减量（质量分数）<0.3%；粒度集中率（质量分数）80%～90%；发气量<3mL/g。

为了保证覆膜砂芯的品质，首先要确保覆膜砂的品质，覆膜砂的各种性能指标必须满足生产要求，其检验方法可参阅机械行业标准（JB/T8583.1997铸造用覆膜砂）。

覆膜砂芯的品质除了砂芯的几何形状、尺寸精度、表面品质与壳层厚度之外，还要通过观察砂芯颜色来检验芯砂的固化情况。正常的情况是，砂芯外表应为均匀的黄褐色，中心为淡黄色，过烧时外表呈现褐色乃至黑色，硬化不足时外表呈黄色，中心为白色。

21世纪的造型、制芯技术进步的关键问题，应是开发无污染、少污染、生产成本低、节能节材和劳动条件好的造型、制芯工艺。因此，覆膜砂技术今后的发展方向应该是：