热塑性自硬呋喃树脂的研发与应用
朱文英 王进兴
苏州市兴业铸造材料有限公司 215151
用普通自硬呋喃树脂制作铸铁件砂型，虽然砂型的常温强度，尺寸精度有令人满意的表现。但是在生产铸钢件的时侯，比较容易产生热裂缺陷。针对这种情况，我们研发成功的热塑性自硬呋喃树脂，它具有高热塑性和易溃散的功能特色，尤其适用于薄壁、形状复杂和大型铸钢件的稳定生产。
1.铸件裂纹原因分析
铸造合金、铸造工艺、铸件结构和造型材料是铸件产生裂纹缺陷的4大基本因素。本文仅从从树脂方面分析，众所周知，普通呋喃树脂在合成阶段，糠醇、尿素、甲醛或苯酚等原材料在热和催化剂的作用下，初步聚合成具有两维空间的线形链状结构的初聚物分子。而在铸造实际生产使用时，由于第二种催化剂（固化剂）的加入，呋喃环中的共轭双键打开，交联聚合，形成大分子量的具有三维空间结构的不溶性的体形网状高分子聚合物，将砂粒彼此粘结起来，形成较高的常温强度。在浇注以后，深层树脂不能完全燃烧，而在铸型与金属界面相互作用下，砂型周围的气氛很快由氧化性转变为还原性，树脂的分解速度减慢，炭化结焦而形成坚硬的焦炭骨架，阻碍铸件的凝固收缩，诱导裂纹缺陷的出现［2］，如图1所示。而焦炭骨架的刚度取决于呋喃树脂中糠醇含量的高低，糠醇含量越高（氮含量越低），刚度越强，铸件的热裂倾向越大。
图1铸钢件裂纹缺陷
图2是普通自硬呋喃树脂砂与碱性酚醛树脂砂的热变形曲线测试结果：从图中我们可以看到普通呋喃树脂砂热膨胀大，铸件凝固收缩阻力大，几乎没有塑性区，在浇注以后结焦残碳层刚性很强。而碱性酚醛树脂砂则不然，它热膨胀小、有优良的高温塑性，是用来稳定生产铸钢和高端球铁件的另一种重要选择。［3］
图2 普通呋喃树脂砂和碱性酚醛树脂砂热变形曲线对比
2.热塑性呋喃树脂的研发
我们从提高自硬呋喃树脂高温韧性和热塑性的角度出发，在合成阶段引入柔性基团和自制高温增塑剂，来改变分子间的距离及分子的运动旋向和塑性，对树脂的活性官能团进行适当屏蔽，促进树脂分子在固化时的有序排列，有效地弥补了铸钢用的呋喃树脂由于糠醇含量高而导致的高温塑性差的缺陷，提高其韧性和流动性，保持其常温强度，提升其热表面稳定性。图3是在同等工艺条件下，普通呋喃树脂和热塑性呋喃树脂的热变形对比曲线。
图3 热塑性呋喃树脂砂与普通呋喃树脂砂热变形对比曲线
测试结果表明：普通自硬呋喃树脂热变形量为2.50mm，试样到达断裂的时间100秒，而热塑性呋喃树脂热变形量1.00mm，到达断裂的时间124秒，相比之下，热塑性呋喃树脂的热变形量比普通自硬呋喃树脂降低了60%，而高温塑性时间增加了24%。［3］
我们又从降低呋喃树脂高温强度和改善高温溃散性角度出发，对呋喃树脂砂在不同加热温度下的温度场、残留强度及热强度进行了系统的研究，独创了XY型呋喃树脂用高温溃散剂的配方及其合成工艺，可根据用户要求在满足其高温强度和热稳定时间的前提条件下，控制呋喃树脂砂的残留强度。与此同时甲醛气体的排放量下降90%。
3. 热塑性呋喃树脂的生产应用
3.1实物验证
为了验证热塑性呋喃树脂的抗热裂性能，制作具有明显结构差异的试样铸件，材质ZG340—640，如图4所示。验证时以普通呋喃树脂作为参照物，在同等工艺条件下相比较。样铸件经PT检查：普通自硬呋喃树脂砂试样在90°角有三处裂纹，裂纹深度2～3mm，其中一处裂穿，30°角有两处裂纹，裂纹深度2～3mm。热塑让性呋喃树脂砂试样仅在30°角处有一条细裂纹，深度2 mm。由此可见，用热塑让性呋喃树脂砂生产铸钢件裂纹缺陷大为减少，严重程度数也大为减轻。［3］
图4实物验证铸件试样
3.2生产应用
1）浙江某机械厂生产400Kg、500 Kg和650 Kg泥浆泵曲轴，材质ZG42CrMo，如图5所示。原采用CO2硬化水玻璃砂进行生产，因铸件裂纹多和废砂又难以处理，所以在2008年底改用普通呋喃树脂砂生产，三个曲拐根部都有裂纹，该厂工艺人员虽从浇注工艺、铸型制作工艺等多方面进行调控，但铸件裂纹缺陷还是时常出现。从2010年6月开始使用热塑让性呋喃树脂砂以后，基本上解决了裂纹缺陷。据统计，已累计生产曲轴铸件2000多件，仅有5件有一条细裂纹。［3］
图5铸件
2）某机械公司生产大型圆锥破碎机支承座铸件，材质ASTM—6N，铸件重量4,500kg，如图6所示。在用普通呋喃树脂砂生产时，铸件内腔和外部转角处裂纹严重，挖补缺陷工作量很大，该公司技术人员在对工艺进行多次改进无果后，改用热塑性呋喃树脂砂生产，解决了铸件内腔裂纹缺陷，外部转角处裂纹也大大减轻，多为1～2条微裂纹。［3］
图6铸件
3）江苏某铸造厂利用热塑性自硬呋喃树脂到目前为止，已累计生产各类铸钢件36件，铸件重量由400kg到12500kg，壁厚由60mm到500mm，最大单件浇注重量22000kg。铸件表面光洁，无裂纹、微裂纹、表面气孔和皮下针孔等铸造缺陷，如图7和图8所示，大大减轻了后道清理、修补工序的工作量，同时也提高了劳动生产率，降低了铸件生产的综合成本。铸件以100%的优良率赢得用户的一致好评。
图7铸件 图8铸件
4.热塑性自硬呋喃树脂的应用功能
用户生产实践证明，热塑性自硬呋喃树脂有下列应用功能：
1）热塑性呋喃树脂具有优异的高温塑性和退让性，能有效解决铸件，特别是薄壁、形状复杂和大型铸钢件的裂纹缺陷，实现稳定生产。
2）热塑性呋喃树脂具有优良的热表面稳定性，能有效预防砂眼、冲砂及机械粘砂等铸造缺陷。热塑性与普通呋喃树脂的热表面稳定性值如表1所示。
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10秒
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20秒
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30秒
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40秒
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50秒
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60秒
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70秒
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80秒
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1
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100
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100
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100
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98.5
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97.6
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95.5
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94.5
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92.2
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2
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100
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100
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100
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100
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98.6
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97.2
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96.4
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95.1
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注：1：普通呋喃树脂，2：热塑性呋喃树脂；加热温度1000℃
3）工艺调控简单：型砂可使用时间和硬化速度可控制范围相对较大，受温度、湿度等环境因素影响相对较小，流动性更好，造型紧实容易，常温强度适中，完全能满足中、大型铸件对铸型或砂芯的质量要求。
4）无刺激性气味，优化环境。行标JB/T 7526—2008《铸造用自硬呋喃树脂》中规定：一级呋喃树脂中游离甲醛含量须≤1%，而热塑性自硬呋喃树脂中游离甲醛仅为一级品的1/3，操作现场基本无刺激性气味，优化了生产环境。
5）降本增效成效显著：旧砂回用率≥95%，灼烧减量稳定可控，可减少新砂加入量3%～5%；铸件表面质量优良，铸件修补、清理、检验工作量减少将近1/2，劳动生产率大为提高，生产周期大为缩短，工人劳动强度大为减轻，产品质量稳定可控。
5. 小结
1）普通呋喃树脂砂热膨胀大，铸件凝固收缩阻力大，几乎没有塑性区，在浇注以后结焦残碳层刚性很强，是产生裂纹缺陷树脂因素的基本原因。
2）热塑性呋喃树脂的热变形量比普通呋喃树脂降低了60%，高温残留强度可按用户要求进行调整，高温塑性时间可增加20～30%，甲醛气体的排放量可下降85～90%。
3）热塑性呋喃树脂已在铸钢、球铁件生产中得到推广和应用。
4）用户实践用证明：热塑性呋喃树脂具有预防铸件裂纹、冲砂、砂眼和机械粘砂等缺陷，现场工艺调控简单，无刺激性气味，降低生产成本等应用功能。
参考文献
1.景丹等.呋喃树脂砂薄壁铸钢件热裂纹的防止对策[J].铸造,2000(6):359-361；
2.罗吉荣等.自硬呋喃树脂砂铸钢件热裂的研究[J].铸造,1999(3):11-15；
3.马晓峰. 高退让性呋喃树脂砂对铸钢件热裂纹的有效防止.铸造工程2010（4）：5-7
