【宝珠砂应用】Pep-Set树脂砂和呋喃树脂砂性能对比

Pep-Set树脂砂和呋喃树脂砂性能对比

       自上世纪80年代以来，树脂自硬砂造型制芯在我国已经普遍应用于铸钢、铸铁、有色合金铸造等领域，其中最为常见的是呋喃树脂自硬砂和碱酚醛树脂自硬砂工艺。近年来，Pep-Set树脂自硬砂工艺以其树脂比强度高、硬化速度快、再生方便等优势，得到了越来越多铸造厂的青睐。

       PEP-SET法属于铸造自硬树脂砂工艺的一种，学名是“酚脲烷树脂自硬砂”。酚醛尿烷树脂是1968年由美国亚什兰化学公司开发的，由于该粘结剂系统中，采用了一种专利的苯基醚酚醛（PEP）树脂，故这种工艺也简称为PEP- SET法。其粘结剂通常由三部分组成：组分1（液体酚醛树脂）、组分2（液体聚异氰酸酯）和组分3（固化剂：液态胺）。

       目前，洛阳凯林铸材有限公司生产的宝珠砂已成功应用于宝珠砂酚脲烷树脂自硬砂工艺生产铸钢件。

       本文主要通过试验，对Pep-Set树脂砂和呋喃树脂砂关键特性参数，如：强度、发气量、透气性等进行对比研究，为铸造用砂的使用提供参考和帮助。

1、试验条件及方法

1.1 试验材料

       试验使用粒度为50/100目的内蒙古通辽大林型砂有限公司提供的水洗砂。粘结剂分别采用常州亚什兰有限公司生产的Pep-Set树脂和苏州兴业有限公司生产的 XYR-5呋喃树脂。

1.2 试验方法

1.2.1 混砂工艺

       Pep-Set树脂砂配比：在原砂中加入1.5%的Pep-Set 树脂 （组分I-5160和组分II-5240分别占0.75%），加入1%的硼酸，在实验室手工混制60 s，搅拌均匀。呋喃树脂砂的配比: 在原砂中加入1.5%呋喃树脂和0.45%的固化剂 （磷酸，牌号LS85）磷酸占树脂加入量的30%，在实验室手工混制60 s，搅拌均匀。

       两种树脂砂样块均在打制后固化40min起模。

1.2.2 试样制备

       将混制好的树脂砂均匀地倒在“8”字样块芯盒上，手工塞实，然后用刮板刮平。“8”字样块芯盒一次做6个试样。

1.2.3 试验装置

       杠杆式万能强度试验机，国标SFL型发气性测定仪, 直读式透气性测定仪 。

2 砂型强度试验

2.1 试验过程

       对Pep-Set树脂砂和呋喃树脂砂样块，分别在 20 min、40 min、60 min、3 h、12 h、24 h、48 h、72 h 测量其强度。每个时间测3块“8”字样块强度，取其平均值。

       浇注后在Pep-Set树脂砂和呋喃树脂砂铸件砂型上进行取样，进行强度试验，测其残留强度，结果见表1和表2。

表1 抗拉强度（MPa）与硬化时间的关系

2.2 试验数据分析

       从上述试验数据易知，Pep-Set树脂砂固化速度较快，在固化时间为2 h时，强度达到终强度的81%。在固化后6 h达到终强度。之后强度略有下降，在固化后24 h时，强度下降幅度为13.9%，其24 h强度接近3 h强度。硬化曲线见图1。

       分析其原因认为，形成强度的聚氨酯发生了部分裂解，且不稳定的C-C长链结构也决定了此类化学物质的长时间稳定性较差。同时随着时间的增加，砂芯存在着一定的吸潮，也会造成其强度下降。

       呋喃树脂砂固化速度较慢，固化时间为12 h时，强度达到终强度的81%。在固化后24 h达到终强度，终强度值略低于Pep-Set树脂砂。

       从表2可以看出，呋喃树脂砂的残留强度明显高于 Pep-Set树脂砂，这会造成在铸件浇注后落砂和除砂费时费力。

3 砂型发气量试验

3.1 试验过程

       对Pep-Set树脂砂和呋喃树脂砂分别测量3 min、 10 min、20 min、30 min、40 min、50 min和60 min发气量。实验选用国标SFL型发气性测定仪进行发气量实验，每一组分用分析天平称取（1.000±0.005）g试样各三件，测量其发气量并测量其平均值，若该组出现偏差较大数值则重新称取测量该组。

       对试验数据进行了逐项统计，具体统计如表3。

3.2 试验数据分析

       从上述试验数据可知，Pep-Set树脂砂随着放置时间的增长，发气量出现先减少后增多的趋势。

       分析认为在30 min之前，主要为砂型中的有机溶剂即芳香烃类物质和残留树脂挥发的过程为主导反应，随着砂型中有机物质的减少，发气量大大减小；后边半段即30 min之后，随着大部分有机物挥发殆尽，树脂砂的吸潮为主要因素，在空气中放置的树脂砂吸入空气中的水分，增加了发气量。呋喃树脂砂的发气量明显低于Pep-Set树脂砂，不超过10 mL/g。且随放置时间的增加，呋喃树脂砂的发气量没有出现规律性变化和大的波动。所以使用Pep-Set树脂砂生产铸件，产生气孔缺陷的几率要高于呋喃树脂砂。

4 砂型透气性试验

4.1 试验过程

       对Pep-Set树脂砂和呋喃树脂砂分别测量3 h、12 h、 24 h、48 h、72 h透气性。设备选用直读式透气性测定仪 。

       对试验数据进行了逐项统计，具体统计如表4。

4.2 试验数据分析

       由上述试验数据分析可知，呋喃树脂砂的透气性略优于Pep-Set树脂砂。随着静置时间的增加，两种树脂砂的透气性并未出现明显变化。

       分析可知，树脂组分PI与树脂组分PII反应为典型的聚氨酯反应，酚基树脂含有活性官能团－羟基（－OH），异氰酸酯含有活性官能团－异氰根（－NCO），当两种树脂混合后，发生加成聚合反应，生成固态的氨基甲酸乙脂树脂（即聚氨酯），使原来的线性结构变成体型网状结构，从而粘住砂子。而呋喃树脂砂在催化剂作用下，自身聚合反应，形成立体网状结构。一旦形成空间网络结构，则较为稳定，空隙率不再发生明显变化，故透气性与树脂添加量关系较为密切而与存放时间长短基本无关。

5 结论

       （1）在树脂含量相同条件下，Pep-Set树脂砂固化速度远高于呋喃树脂砂，且Pep-Set树脂砂终强度略高于呋喃树脂砂。

       （2）Pep-Set树脂砂易吸潮，其发气量随放置时间先减小后增加。呋喃树脂砂发气量基本不受放置时间影响。

       （3）呋喃树脂砂透气性略优于Pep-Set树脂砂。两种树脂砂透气性基本不受放置时间影响。

       （4）回温对两种树脂砂发气量都有影响。随着回温时间的增加，两种树脂砂发气量先减小后增大。

备注：本文根据韩永华，商继章等的文章《Pep-Set树脂砂和呋喃树脂砂特性对比研究》改写，转载时注明出处。如有版权争议，请删除。