胺法冷芯盒工艺100问（1）
吉祖明 王骏康 主编
编者按：苏州兴业材料科技股份有限公司从2010年年初，开展《苏州兴业服务万里行》活动，编辑出版服务万里行技术丛书，力图归纳总结多年来苏州兴业在技术服务中所沉淀的一些感悟、经验和案例，力求突出怎样做、为什么要这样做点到为止。《胺法冷芯盒树脂工艺100问》是服务万里行技术丛书的第二分册，由吉祖明、王骏康、马晓锋、朱文英等负责编写，现分期选登，敬请评说。
01、请简述下胺法冷芯盒工艺的发展历程？
答：胺法冷芯盒工艺自1968年在美国铸造学会举办的展览会上展出以来，因其很高的生产率颇具竞争性和实用性，而且在此基础上出现了制芯中心，砂芯的尺寸精度进一步提高，受到了铸造业内人士的普遍关注，尤其是在汽车、拖拉机、内燃机等大批大量生产行业得到了广泛的发展和应用。据报道，美国铸造行业所用的各类铸造粘结剂中，胺法冷芯盒树脂的用量最大，约占粘结剂总量的44%。
我国七十年代初，一拖集团工艺材料研究所和安阳塑料厂率先开始了胺法冷芯盒树脂及工艺的研究，但当时国内无专用设备及配套材料供应，使该工艺无法推广。1985年，五矿集团常州有机化工厂从美国Ashland公司引进了胺法冷芯树脂生产技术，一汽集团铸造一厂从美国B﹠P公司引进了全套冷芯盒制芯设备，接着一拖、上柴又分别从德国、美国引进了多套冷芯盒制芯专用装备，使胺法冷芯技术在国内获得生产性应用。到目前为止，国内已形成了冷芯盒全套设备、工艺装备、树脂及配套辅料等年产值数百亿元的产业链。
一拖率先研究胺法冷芯盒工艺 一汽率先引进胺法冷芯盒工艺及设
上柴率先将胺法冷芯盒工艺用于大批量生产
02、胺法冷芯盒工艺有哪些特点？
答：胺法冷芯盒工艺是指在室温条件下，吹入胺类催化剂在数秒或数十秒内就使混合料迅速固化成型的一种制芯、造型工艺。它的最大特点是：
1）砂芯尺寸精度高，变形小。使铸件尺寸精度和位置度得到大幅提升；
2）制芯效率高。制芯生产率约为热固型工艺的1.5～3倍，制芯效率大幅提升；
3）能耗低。约为壳芯的1/7，热芯的1/5，在节省能耗的同时，工人劳动条件大为改善；
4）砂芯溃散性好，铸件清理费用大大降低；
5）模具可以用木材、塑料和金属材料制作，使用寿命大为延长。
03、胺法冷芯盒工艺的工作原理是什么？
答：胺法冷芯盒树脂有二个组分，Ⅰ组分是特种酚醛树脂。它是用酚类化合物、醛类化合物经过化学反应获得含有酚羟基（-Ar-OH）的聚合物，Ⅱ组分是用高沸点的相溶性优良的溶剂而改性的含有适量（-N=C=O）基团的聚异氰酸酯。
胺法冷芯盒工艺的固化原理是酚醛树脂中的酚羟基（-Ar-OH）和聚异氰酸酯中的（-N=C=O）基团在叔胺类催化剂（通常用三乙胺）的催化作用下，数秒内反应生成固态的尿烷树脂。实际使用时，需要混砂和制芯两个过程：首先是树脂的两种组分通过混砂过程均匀地包覆在砂粒表面；然后将混好的混合料射入芯盒，再吹入三乙胺气雾，使均匀包覆在砂粒表面的树脂膜从液态变成固态，在砂粒与砂粒之间建立粘结桥，形成强度。
固化原理
酚醛树脂 聚异氰酸酯 尿烷树脂（聚氨酯树脂）
在无催化剂时，羟甲基活性比酚羟基大，在有催化剂存在时，酚羟基的活性要比羟甲基活性大得多。
04、胺法冷芯盒组分Ⅱ树脂有何特性？
答：Ⅱ组分聚异氰酸酯中-N=C=O基团在碱性或微碱性环境中容易水解，放出CO2生成胺化合物，其反应活性受浓度、温度、催化剂的影响。水分浓度和反应温度增加可使水解反应速率增大。三乙胺在催化酚羟基与-N=C=O基团反应的同时，也使-N=C=O基团的水解反应 水是胺法冷芯盒工艺的负能量加速，在无三乙胺的条件下水解相对速率为1.1，在吹三乙胺以后，水解相对速率则提高到47。因此，整个工艺过程中对水分须进行严格控制。
05、胺法冷芯盒树脂砂反应速率与哪些因素有关？
答：Ⅰ组分和Ⅱ组分树脂一旦混合后，即会发生缓慢的聚合化学反应。但在胺、铁、钙、镁等碱性化合物的催化作用下，反应速率加快，其大小主要取决于催化剂的种类、浓度、温度、压力、时间等参数。
值得注意的是，原砂未经擦洗、分级等处理，或被海水污染，或碱性化合物含量严重超标，原砂酸耗值大，都会使反应速率加快，缩短混合料可使用时间，影响充填性。
06、胺法冷芯盒树脂砂强度建立过程有何特点？
答：1）Ⅰ组分和Ⅱ组分树脂的聚合反应过程分为前、后两个阶段，在催化剂作用下快速固化形成的初强度仅占整个强度的50～75%，还有25～50%的强度需在后期形成（下表阐明了其强度形成的时间过程）；
强度建立过程表
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强度（MPa）
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初强度
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1h强度
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3h强度
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5h强度
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7h强度
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9h强度
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11h
强度
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24h
强度
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0.7
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0.88
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0.91
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0.96
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0.98
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0.99
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1.01
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1.13
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占24h终强度的百分比
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61.9%
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77.9%
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80.5%
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85%
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86.7%
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87.6%
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89.4%
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100%
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（海砂，树脂占砂重1.6%，组分I：组分II=55：45，温度10~12℃，相对湿度70~75%）
2）Ⅰ组分和Ⅱ组分树脂的聚合反应无水分生成，故硬透性极好。
为保证砂芯后期固化正常进行，保证前期强度不被破坏和终强度顺利形成，须对上涂料的时间、烘干温度、仓储时间、温度、湿度进行控制。
07、胺法冷芯盒树脂砂强度与树脂加入量呈线性关系吗？
答：胺法冷芯盒砂芯的室温、高温强度，在树脂加入总量＜2％的条件下，随树脂加入量增加而增加，一般呈线性关系。但在树脂加入量＞2％时，砂芯的室温、高温强度增加减缓，但发气量大为增加。
大量生产实践证明：组分Ⅰ增加，初强度上升，韧性下降，发气量降低。组分Ⅱ增加，降低脱模时的强度，增加脱模时的弹性，发气量和含氮量增加。为满足各种工况需求，我们建议：组分Ⅰ∶组分Ⅱ﹦（60～40）％∶（40～60）％，大多数情况选组分Ⅰ∶组分Ⅱ﹦55∶45％。
08、胺法冷芯盒树脂砂高温强度为何呈“M”形变化？
答：经测试：胺法冷芯盒树脂砂具有如下高温特性：
1）、砂芯热膨胀小，高温塑性和退让性好，铸件出现热裂几率小；
2）、砂芯高温强度较低，较易开裂，脉纹倾向较大；
3）、砂芯在加热条件下，强度先升后降又升再下降，呈现“M”形变化。在200℃附近时，强度急剧下降，砂芯易变形和开裂。
苏州兴业树脂砂高温性能测试仪
09、我们为何建议必须特别注意原砂酸耗值？
答：原砂的酸耗值对冷芯盒树脂砂的可使用时间、常温强度及高温强度都有很大影响。这是由于冷芯盒两组分树脂的反应速率，会在原砂碱性化合物作用下而加快，影响混合料的流动性与充填性。所以，用于冷芯盒工艺的原砂均需经过水洗、擦洗或精选处理，原砂中碱金属化合物，如FeO、Na2O、 K2O、 CaO、MgO等总量通常应≤5%，酸耗值一般应≤5mL。
10、为何在同等条件下，多角形原砂要用较高的射砂压力？
答：在试验中我们发现：在射砂压力和其他工艺条件都相同的情况下，用圆形砂射制的砂芯抗拉强度、质量比用多角形原砂高5～10%，并随原砂角形因数的增大而增大，分析其原因，用多角形砂配制的混合料流动性差，难以射实。但多角形原砂砂芯抗压强度比圆形砂高出10～15%。
在试验中我们又发现：其他工艺条件不变，提高多角形原砂的射砂压力，可缩小与圆形砂砂芯的砂芯抗拉强度、质量的差量，在通常情况下，提高射砂压力0.10～0.15 MPa，差量可减少15～30％。但过多提高射砂压力，会造成工装磨损加大、粘模等其他严重缺馅。因此，多角形原砂（角形因数大于1.30）最大射砂压力不宜大于0.45MPa。因此，在原砂确定以后，应通过射砂压力与强度（抗拉、抗压）的关系试验，确定最为适宜的强度（特别是抗拉强度）和射砂压力。
