造型材料的技术应用现状与发展趋势

一、概述

　　由于能源消耗和环境污染， 给中国经济的可持续发展带来了巨大的压力，中国国家发展的“十一五”规划，将节能减排、绿色制造和循环经济作为国家社会和经济发展的重点。中国铸造业作为机械制造业的重要组成部分，在快速发展的同时也产生了极大的能源和环境问题。面向21世纪的铸造技术将朝着绿色铸造工艺方法和材料装备的方向发展。

　　2007年，中国的铸件产量超过了3000万t，占铸件产量的约1/3，是名符其实的铸造大国。其中砂型铸造是铸造工艺的主要方法，约占整个铸件生产的80%。相对于特种铸造方法，由砂型铸造的造型材料带来的粉尘污染、空气污染及固体污染zui为严重。因此实现砂型铸造的绿色清洁生产，对实现绿色铸造具有重要的意义。

　　砂型铸造，如按粘结剂材料分类，有粘土砂型铸造、树脂砂型铸造和水玻璃砂型铸造三大类。本文从造型材料的角度阐述其技术应用现状、发展趋势及其对绿色铸造技术发展的影响。

二、粘土砂

　　在我国，按铸造产量计算，粘土砂型铸造约占整个砂型铸造80%（占整个铸造产量的70%左右）。粘土砂型又分为干型和湿型两类。

　　粘土砂湿型主要由原砂、膨润土、煤粉和水等附加物按一定比例混制而成，混合好的型砂直接造型浇注。它是砂型铸造生产的主体，目前国内外主要用于各类中小型铸铁件、铸钢件的生产，也用于有色铸件的生产。特别是汽车铸件的大量生产，发动机缸体、缸盖、曲轴和制动鼓等关键铸件大都用湿型粘土砂生产。我国的大部分中小铸造企业均采用粘土湿型砂工艺来生产从汽车铸件到各种公共用品（地沟盖板、公园桌椅）等铸件。

　　粘土砂干型是将粘土砂湿型进一步加热烘干而成，通常用做铸造大型零件（如机床床身铸件等）。随着化学粘剂砂（树脂砂、水玻璃砂等）的采用与发展，该型砂工艺在大多生产企业中已很少应用。

　　粘土砂造型材料的主要成分是原砂、膨润土、煤粉和水，数十年来该造型材料组分较为稳定、变化不大。国内外的一些造型材料供应商将膨润土、煤粉按一定的比例混合形成混合粘结剂，或在其中增加少量附加物（如淀粉等）等，以提高粘结剂的性能，获得了一定的效果。

　　由于粘土砂型铸造生产中，造型材料品质欠佳或使用不当，是造成铸件缺陷的主要因素，它占铸件废品总量的50%以上，且铸件生产总成本中的约70%都与造型材料有关，故稳定地保证粘土型砂质量是大批量粘土砂铸造生产中的关键问题之一。因此，目前对于湿型粘土砂的研究及技术进步，更多的集中在粘土型砂质量的稳定控制及其性能的快速检测上。

　　随着检测技术、计算机和电子技术的快速发展，对型砂性能和组分的测试已正在从传统的实验室手工检测发展为自动化的离线或在线检测。常见的粘土湿型砂的自动检测项目有紧实率、含水量、透气性和湿压强度等，稳定地控制型砂的这些性能指标，就可达到较好地控制铸件质量之目的。

　　在我国，许多中小铸造企业对于型砂质量的快速实时检测与控制尚缺乏足够的认识，导致铸件废品率偏高。对生产线上的型砂性能进行快速实时检测是混制高性能的造型型砂及提高铸件质量的前提。工厂应增加现场实时检测设备，对生产线上的型砂含水量、旧砂温度等进行实时快速检测，根据检测结果及时调整型砂配方来控制型砂质量，从而提高铸件质量，降低废品率。

　　随着型砂理论和工艺研究的逐步深化，电子技术、计算机技术，以及控制理论的应用与发展，将计算机技术、人工智能技术与湿型砂工艺相结合是粘土湿型砂未来发展的一个大的趋势。在型砂自动化检测仪器结构和功能方面，测控仪将继续向数字化、微型化、智能化、连续化、通用化和系统化方向发展。研究开发造型材料的新品种，生产供应符合铸造生产需要的造型材料，实现毛坯精密化及近净形铸造、洁净及生产一直是世界各国铸造工作者共同追求的目标。

三、树脂砂

　　树脂砂型（芯）通常是由原砂、合成树脂粘结剂和固化剂等按一定的比例混合组成，混好的型（芯）砂经紧实后，在一定工艺条件下固化成铸型和砂芯。常用的树脂砂铸型为自硬树脂砂型，可分为三类：酸固化（呋喃或酚醛）树脂自硬砂、酯固化碱性酚醛树脂自硬砂、酚醛尿烷树脂自硬砂。自硬树脂砂特别适合于单件或小批量的铸铁、铸钢和非铁合金铸件的生产，在国内外的应用较为广泛。三种常用的自硬树脂砂型的特点比较见附表。

树脂砂的主要优点：铸型的尺寸精度高，铸件的表面质量较好，旧砂的溃散性及再生性能较好。该类型砂的主要缺点：成本较高，有机粘结剂组份引起的气味污染较严重。目前，在我国酸固化（呋喃或酚醛）树脂自硬砂大量用于铸铁件生产，少数工厂采用酯固化碱性酚醛树脂自硬砂和酚醛尿烷树脂自硬砂生产铸钢件或铸铁件。

　　随着铸造业向规模化、精密化及绿色环保等方向发展，对树脂砂粘结剂提出了更高要求。目前树脂生产及制备砂型方面存在的主要问题如下：

　　（1）合成树脂中苯酚及甲醛含量偏高，在混砂、造型和浇注过程中散发有害气体，污染环境。
　　（2）酚醛树脂结构中的苯环脆性、粘度大，混砂不均匀。
　　（3）制备的砂型（芯）高温强度差，发气量高，铸件中有氮针孔。
　　（4）树脂粘结剂价格偏高及一些树脂旧砂（如碱性酚醛树脂旧砂）再生回收性不好等。

　　因此，开发并采用高性能、低毒性和低成本且能够满足树脂砂铸造工艺要求的新型酚醛树脂是今后努力的方向。

四、水玻璃砂

　　与另外两大型砂（粘土砂、树脂砂）比较，水玻璃砂具有明显的优势，也有其明显的缺点。与易产生黑色污染、灰尘污染的粘土砂型铸造（组份中含有煤粉等粉尘物质）相比，具有型砂流动性好、易紧实、劳动强度低、操作简便、能耗低、劳动条件好、型（芯）尺寸精度高、铸件质量好，以及铸件缺陷少等许多优点；与易产生化学污染的树脂砂（其中含有甲醛等有机挥发物组份）比较，又有成本低，生产现场无毒、无味，以及劳动条件好等优势。不同种类的水玻璃砂具有不同的特点。

　　（1）普通CO₂水玻璃砂 水玻璃加入量较多（6%~8%），虽具有易紧实、操作简单，以及型砂强度高等优点，但旧砂的溃散性差，旧砂再生回用困难，已落后于时代要求，成了被改造的对象。

　　（2）酯硬化水玻璃砂 通过采用高质量的纯净改性水玻璃及原砂，水玻璃的加入量可降低至2.0%~3.0%，水玻璃砂的溃散性及其旧砂的可再生性大大改善。目前，有机酯硬化水玻璃砂工艺已成为我国各类工厂进行铸钢件生产技术改造时重要的选择型砂种类，有普遍推广应用之趋势，较好的酯硬化水玻璃砂工艺应用厂家已能实现旧砂的*再生回用。

　　水玻璃砂的主要缺点：旧砂溃散性差，落砂清理困难，旧砂再生回用性差，以及旧砂废弃容易造成环境污染等。

　　从目前水玻璃砂技术发展及其应用结果看，酯硬化改性水玻璃砂仍没有*解决水玻璃旧砂再生回用过程中的溃散性和回用再生性能差的问题。提高水玻璃旧砂的溃散性及回用再生性仍然是水玻璃砂技术研究的难点问题，要使水玻璃旧砂的溃散性及回用再生性接近自硬树脂砂还有很长的路要走。

　　需特别提出的是，随着微波加热与装备技术的快速发展，微波加热硬化水玻璃砂工艺的实际应用已成为可能。微波加热水玻璃砂应该是zui有可能实现绿色铸造的砂型铸造工艺，因此加强微波硬化水玻璃砂工艺应用技术研究具有重要意义。由于微波硬化水玻璃砂具有较强的吸湿性，研究微波硬化水玻璃砂抗吸湿性材料、方法及装备，将是微波加热硬化水玻璃砂工艺实际应用的关键。

　　作为21世纪zui有可能实现绿色清洁生产的铸造型砂种类及工艺，对水玻璃砂的基本要求主要包括以下几个方面：① 水玻璃旧砂实现*再生回用。② 解决水玻璃旧砂循环再生回用过程中溃散性恶化、再生砂性能质量下降问题。③ 进一步提高水玻璃砂的使用性能（如强度、表面安定性、操控性和环境适应性等）。④ 水玻璃砂相关材料（如水玻璃品种、水玻璃改性剂及硬化剂）系列化、标准化，硬化方法的多样化、灵活化等。

五. 结语

　　机械制造工业是国民经济的基础，铸造工业是机械制造业中*的重要组成部分。绿色制造、发展循环经济是21世纪国家关注的重点，我国发展绿色铸造技术与材料迫在眉睫。

　　砂型铸造是铸造工艺的主要方法，占整个铸件生产的70%~80%。相对于特种铸造方法，由砂型铸造的造型材料带来的粉尘污染、空气污染及固体污染zui为严重。因此，采用高性能、低毒性、低成本及少污染的造型材料，对实现砂型铸造的绿色清洁生产具有重要意义。