The context of precoated sand casting

我國于20世紀50年代開始研究應用覆膜砂及殼（芯）工藝，直至80年代中期以前只有少數幾家工廠采用自制的覆膜砂用于殼芯生產。自此以后，覆膜砂開始作為商品推向市場。隨著原材料、制造設備和制造工藝的不斷改進，覆膜砂品質不斷得到提高，生產成本下降，90年代以來，覆膜砂的應用得到了更迅速的發展，產品種類不斷增多，并已形成系列化。目前，我國鑄造用覆膜砂年產量已達50萬噸以上，共有專業生產廠家近百家。隨著我國汽車工業的快速發展和機械產品外貿出口需要，以及鑄件國際市場的開發，對鑄件品質的要求越來越高，覆膜砂的應用將會在短期內得到迅速增長。

一、覆膜砂原材料的選用

覆膜砂一般由骨料、粘結劑、固化劑、潤滑劑和特殊添加劑組成。

1.骨料

骨料是構成覆膜砂的主體。對骨料的要求是：耐火度高、揮發物少、顆粒較圓整并自身強度高等。一般選用天然擦洗硅砂，這主要是由于其儲量豐富，價格便宜，能滿足鑄造要求。只有特殊要求的鑄鋼件或鑄鐵件才采用鋯砂或鉻鐵礦砂。對硅砂的一般要求是：
（1） SO2含量高。鑄鐵及有色鑄造用砂要求SO2>90%，鑄鋼件要求>97%；

（2） 含泥量≤0.2%；
（3） 粒度分布宜采用3～5篩分散度；
（4） AFS細度：應根據鑄件表面粗糙度要求來選定不同的細度，一般為AFS50～65；
（5） 粒形：盡可能選用圓整性好的硅砂，角形因素應<1.3；
（6） pH值<7;
（7） 硅砂需用水擦洗過，如有特殊要求，可將硅砂酸洗或進行高溫活性處理（900℃焙燒）

2. 粘結劑

目前普遍采用酚醛類樹脂作為粘結劑。酚醛類樹脂有固體和液體、熱固性和熱塑性之分。目前制作覆膜砂通常采用熱塑性固態酚醛樹脂。對其性能要求是：
（1） 聚合速度（熱板法）：25～27s ；
（2） 軟化點（環球法）：90～105℃；
（3） 流動性（斜板法）：60～110mm ；
（4） 游離酚含量（溴化法）：≤4%。
粘結劑的性能對覆膜砂的品質有很大的影響，人們一直在致力于研究如何提高酚醛樹脂的性能，以及尋找酚醛樹脂的替代品。國外已開發出不同性能的專用樹脂，如高強度低發氣樹脂、易潰散樹脂，也有采用改性聚酯樹脂的報道，但未得到全面推廣，至今普遍采用的仍是改性酚醛樹脂。國內近年來在覆膜砂專用酚醛樹脂的研究開發方面發展較快，已開發出不同的改性酚醛樹脂供生產使用。

3. 固化劑、潤滑劑、添加劑

固化劑通常采用烏洛托品即六亞甲基四胺，分子式為（CH2） 6N4，要求為工業一級品。潤滑劑一般采用硬脂酸鈣。其作用是防止覆膜砂結塊，增加流動性，使型、芯表面致密及改善砂型（芯）的脫模性。添加劑的主要作用是改善覆膜砂的性能。目前采用的添加劑主要有：耐高溫添加劑（如含碳材料或其他惰性材料）、易貴散添加劑（如二氧化錳、重鉻酸鉀、高錳酸鉀、已內酰胺等）、增強增韌添加劑（如超短玻璃纖維材料、有機硅烷KH-550等）以及防粘砂添加劑和抗老化添加劑等等。

二、覆膜砂的分類

隨著覆膜砂應用范圍的不斷擴展，不同鑄造工藝、不同材質要求以及不同結構的鑄件對覆膜砂提出了不同的性能要求。自20世紀90年代以來，國內開發了不同性能的覆膜砂，按其性能特點來劃分，可將國內市場上的覆膜砂分為干態和濕態兩大類。其中干態類包括：普通類、耐高溫類、高強度低發氣類、易潰散類、離心鑄造類等。濕態覆膜砂包括機械類和手工類兩種。各類覆膜砂的主要成分、特點及適用范圍如下：

1. 普通覆膜砂

其組成通常由石英砂熱塑性酚醛樹脂、烏洛托品和硬脂酸鈣構成，不加有關添加劑。其樹脂加入量通常在一定強度要求下相對較高，不具備耐高溫、低膨脹、低發氣等特性，適用于一些要求不高、結構較簡單的鑄鐵件生產。

2. 高強度低發氣覆膜砂

是在普通覆膜砂的基礎上，通過加入有關特性的“添加劑”和采用新的配制工藝，使樹脂用量大幅下降，發氣量顯著降低，并能延緩發氣速度。該覆膜砂具有高強度、低膨脹、低發氣、慢發氣等特點，特別適用于鑄鐵件、中小鑄鋼件中要求發氣量低的砂芯，如閥體砂芯等。

3. 耐高溫覆膜砂

該砂一般是指覆膜砂的熱強度大、耐熱時間長、高溫變形小，而不是指其耐火度很高。它是通過特殊的工藝配方技術（一般都是在硅砂覆膜時加入一定量的惰性材料如銑砂、高鉻礦砂、含碳材料或其他惰性材料等），生產出具有優異高溫性能和綜合鑄造性能的新型覆膜砂。具有耐高溫、高強度、低膨脹、低發氣、慢發氣等特點。特別適用于復雜薄壁精密的鑄鐵件（如汽車發動機缸體、缸蓋等）以及高要求的鑄鋼件（如集裝箱角和火車剎車緩沖器殼體等）的生產，可有效消除粘砂、變形、熱裂和氣孔等鑄造缺陷。

4. 易潰散覆膜砂

它是針對有色金屬（特別是鋁合金）鑄件不易清砂而研制的一種覆膜砂。該砂在具有較好的強度的同時具有優異的低溫潰散性。用它生產有色金屬（鋁合金、銅合金等）鑄件，不需要將鑄件重新加熱來清砂，只需將澆注后的鑄件冷卻24小時后，即可振動落砂。

5. 離心鑄造覆膜砂

該覆膜砂適用于離心鑄造工藝，可用它替代涂料生產離心鑄管等。根據鑄管材質與直徑大小及技術要求不同，可加工成不同性能的離心鑄造覆膜砂。與其他各類覆膜砂的不同之處，是該覆膜砂的密度較大一些，發氣量較低且發氣速度慢。

6. 濕態機械類覆膜砂

它是一種在室溫下呈濕態的覆膜砂。在室溫下長期存放不會自然固化（可存放1年以上），根據不同鑄件的技術要求可使用濕態高強度低發氣等各種不同特性的覆膜砂，該覆膜砂可完全替代熱芯盒砂（射芯機射頭不用改裝來生產各種材質和各種類型的鑄件）。

7. 濕態手工類覆膜砂

該覆膜砂濕壓強度可在0.1～0.3MPa內任意調整。存放期超過3 個月，適用于手工造型或制芯（類似于桐油砂和合脂砂），在室溫下脫模后，將型（芯）放入烘箱或烘爐內加熱，加熱溫度250～350℃，加熱時間3～10min，固化后的型（芯）具有強度高、發氣量低、蠕變形量小、不吸潮等特點。該覆膜砂適于單件、小批量及精度要求較高鑄件的生產，特別適于鄉鎮企業采用。值得注意的是，在型（芯）加熱固化時，必須等待爐溫達到所需的溫度時才能放入加熱，切忌隨爐升溫加熱。

三、覆膜砂制芯（型）工藝

近年來，覆膜砂的應用越來越廣，幾乎用于所有的鑄造方法中，其工藝方法不盡相同，但無論是制芯還是造型，其基本工藝要求是（濕態手工類除外）：加熱溫度200～300℃；固化時間30～150s；射砂壓力0.15～0.6MPa。具體參數應根據設備型號、型、芯質量及復雜程度、覆膜砂的種類等進行調整，原則是：形狀簡單的砂芯、流動性好（或粒度較粗）的覆膜砂可選擇較低的射砂壓力，細薄砂芯選擇較低的加熱溫度，加熱溫度低時可適當延長固化時間等；反之亦然。以下分述幾種不同的應用實例。

1. 制作實體芯

從理論上講，覆膜砂幾乎可以生產所有類型，尤其是高精度鑄件的實體芯。采用濕態覆膜砂時，可直接利用熱芯盒設備和工裝制芯，而無需對原有設備和工裝做任何改變。采用干態覆膜砂時，由于其流動性好，需對芯盒的排氣方式、射嘴及芯盒密封進行特殊處理。可利用安息角原理（覆膜砂的安息角約30o ） ，解決射砂后排氣時覆膜砂進入射腔和不射砂時覆膜砂自動下落等問題。目前，采用干態覆膜砂熱芯盒制芯工藝的廠家較多。

2. 制作殼型

用覆膜砂制作殼型，常見于澆注凸輪軸等軸類零件或剎車片等盤類零件及一些表面要求高的閥類零件等。其相關參數如下：砂鐵比1：（1.5）～4；拔模斜度0.5°～1°等，殼型壁厚8～12mm。
均勻的殼型壁厚可以減少覆膜砂用量，獲得均勻的鑄件組織。用覆膜砂制作殼型，可采用固定式射芯機或翻轉式射芯機，前者可用干態覆膜砂或濕態覆膜砂，后者只能選用干態覆膜砂。

3. 制作殼芯

用覆膜砂制作殼芯通常采用搖擺式殼芯機（如K85、K87、K89等），通過射砂、結殼、提出余砂、固化、脫膜等環節完成制芯過程。
為了確保殼芯的品質，除了要保證覆膜砂的品質之外，還必須根據每個砂芯的具體情況來選擇合理的制芯工藝。
（1）芯盒溫度 芯盒溫度是影響殼層厚度的主要因素之一，一般控制在230-300℃，并根據下列原則選定：①保證覆膜砂上的樹脂軟化及固化所需的足夠熱量；②保證形成需要的殼厚且殼芯表面不焦化；③盡量縮短結殼及硬化時間，以提高生產率。
（2）射砂壓力及時間 射砂壓力應根據砂芯的形狀及復雜程度而定，以能使芯砂緊密地 充填芯盒為宜。壓力過高時，易使砂芯出現縮頸和跑砂現象；壓力過低時，砂芯易出現疏松現象。射砂時間過長，易使已結殼的型殼滑移，造成結殼很薄；時間過短則砂芯不能成型。射砂壓力一般為0.15～0.4MPa，射砂時間一般控制在3～10s。
（3）結殼時間 結殼時間的長短取決于砂芯殼厚，殼厚由砂芯在運輸、組芯及澆注時的強度要求而定。在覆膜砂品質一定的前提下，殼層越厚強度越高。殼厚6～8mm時，結殼時間10～30s，殼厚10mm時，結殼時間20～65s。
（4）搖擺倒砂時間 殼芯機在結殼階段結束后，將芯盒射砂口朝下，以45o 角的幅度左 右搖擺，倒掉未結殼的余砂。該段時間可根據砂芯外形復雜程度及射砂口的布置情況來確定，以倒凈為宜，一般為5-10s。
（5）硬化時間 為了使砂殼充分硬化，砂芯應持續在加熱的芯盒中硬化，硬化時間可根據殼厚及芯盒溫度而定。時間過短，殼層未完全固化則強度低些；時間過長，砂芯表層易燒焦。一般控制在20-100s。

4. 熱法離心鑄造

該工藝是在粗成形的金屬型（鐵型）內傳統的離心鑄造工藝，主要用于生產管類回轉體鑄件，先在鐵模內腔表面涂掛一層涂料以利于取模。近年來，已開發出適于離心鑄造用覆膜砂替代涂料生產。由于其排氣效果較差，故要求壁薄（約3mm），且通常采用雙層砂，與鑄件接觸表面采用細砂（70/140目），外層采用粗砂（50/100目）。

5. 鐵型覆膜砂工藝

該工藝是在粗成形的金屬型（鐵型）內腔覆一薄層覆膜砂（3-8mm）而形成鑄型，見圖1。它通過各種手段，如工藝試驗、計算機模擬、經驗圖表等，合理地設定鐵型壁厚和覆膜砂厚度、澆注系統及覆膜砂層材料，以達到使鑄鐵在一個比較有利的條件下完成充型凝固冷卻，提高其內在品質和表面品質的目的。
我國鐵型覆砂技術首先是在中小鑄造企業中發展起來并成功應用的。20世紀70年代末，我國建成了第一條鐵型覆砂鑄造生產線。80年代以后，我國鐵型覆砂鑄造工藝的基本研究隊伍和應用企業已形成，并得到較快地發展。目前，我國已有近百家企業將鐵型覆砂鑄造應用于生產，年產鐵型覆砂鑄件10萬噸左右（主要是曲軸、凸輪軸、齒輪及出口鑄件等），年耗覆膜砂約2萬噸。
我國許多中小鑄造企業不同程度存在鑄件品質差、經濟效益低和鑄造生產條件惡劣的情況，又很少有財力進行根本性的技術改造，因此有些中小鑄造企業就考慮采用投資少、見效快的鐵型覆砂鑄造技術來提高自身的競爭能力。因為鐵型覆砂鑄造生產的鑄件平均精度為CT7級左右，表面粗糙度為12.5um，投資幾十萬元就能基本形成生產能力。如果大企業采用此工藝則可有效地降低生產成本。
鐵型覆砂鑄造的主要工藝參數：鐵型壁厚25mm，覆砂層厚5-8mm（適用于小缸徑球鐵曲軸）；鐵型質量一般是型鑄件質量的5倍左右；鐵砂比（鑄件質量與所耗覆膜砂量之比）為6-7。鐵型覆砂造型方法（即覆砂層的獲得）有射砂成型和壓模成型兩種，前者目前用得較多，覆砂層為普通覆膜砂，特別適于大批量生產；后者適用于單件質量較大（鐵型尺寸達數米長）的曲軸等，覆砂層為各種流態自硬砂。前者射砂壓力的選擇與覆膜砂厚度有關，當射砂壓力為0.2-0.6MPa，覆膜砂厚度為4-5mm時，其密度最大 。

由于鐵型覆砂的鑄型剛度較好，可提高鑄件的致密性，密度平均提高0.86%。許多企業實現了四缸及以下球鐵曲軸的鑄態生產。鑄態性能達QT800-2以上，鑄造廢品率為3%～5%。

四、覆膜砂的再生與品質控制

隨著人類對環保要求的不斷提高，覆膜砂的回收與再生顯得越來越重要和迫切。目前常用的再生方法為機械再生與熱法再生。
機械再生的基本原理是利用高速回轉輪的砂輪（約3500r/min）和慢速轉動的回轉框之間的間隙（5～10mm）對舊砂進行磨擦，以達到去除舊砂表面的樹脂和對舊砂進行整形的目的，所產生的粉塵則通過通風除塵進行處理。 熱法再生的基本原理是利用舊砂預處理和沸騰式熱法再生爐設備，首先對舊砂進行振動破碎和磁分離，然后在沸騰式再生爐中焙燒，出砂后再經保溫、冷卻、篩分即可回用。經熱法再生后的回用砂性能可達：灼燒減量（質量分數）<0.3%；粒度集中率（質量分數）80%～90%；發氣量<3mL/g。
為了保證覆膜砂芯的品質，首先要確保覆膜砂的品質，覆膜砂的各種性能指標必須滿足生產要求，其檢驗方法可參閱機械行業標準（JB/T8583.1997鑄造用覆膜砂）。
覆膜砂芯的品質除了砂芯的幾何形狀、尺寸精度、表面品質與殼層厚度之外，還要通過觀察砂芯顏色來檢驗芯砂的固化情況。正常的情況是，砂芯外表應為均勻的黃褐色，中心為淡黃色，過燒時外表呈現褐色乃至黑色，硬化不足時外表呈黃色，中心為白色。

五、展望

21世紀的造型、制芯技術進步的關鍵問題，應是開發無污染、少污染、生產成本低、節能節材和勞動條件好的造型、制芯工藝。因此，覆膜砂技術今后的發展方向應該是：
（1） 減少覆膜砂的環境污染，開發低游離酚、低發氣、少污染的酚醛樹脂，保護人類賴以生存的自然環境。
（2） 酚醛樹脂代用品的研究。因酚醛樹脂價格昂貴，研制一種價廉物美的新型粘結劑是當務之急。
（3） 進一步研究與改進酚醛樹脂的流變性，不斷提高樹脂的反應、覆膜及固化特性。
（4） 研究樹脂合成過程中的性能控制，對樹脂中大分子及小分子的合適級配也需進一步研究，以提高樹脂的強韌性和抗脫殼性。
（5） 進一步研究舊砂的回用。隨著我國覆膜砂用量的不斷增大，許多廠家用量已達到數千噸以上，研究覆膜砂舊砂的再生回用已具有重大的現實意義，這不僅能夠提高覆膜砂的性能，而且還能節約成本，降低廢舊物對環境的污染。
（6） 進一步降低覆膜砂的固化溫度、減少固化時間，這樣既能降低能耗、提高工效，又能降低模具變形量，提高型、芯尺寸精度。 筆者深信，隨著我國國民經濟建設的日益發展，在我國鑄造行業中覆膜砂技術將會越來越先進，其應用將會越來越廣泛。
來源：鑄造材料

附件：高速自動化鐵型覆砂生產線實拍圖片