1．樹脂固化砂工藝
樹脂砂的特點較多，如型芯砂高強度、高固化效率、高潰散性，鑄件高精度、高表面質(zhì)量，為大批量流水線生產(chǎn)各種復雜的中、小型鑄件的型芯提供了一種理想的方法，從而很快在汽車、拖拉機和內(nèi)燃機等行業(yè)得到了廣泛應用。又由于其高強度、高精度、高潰散性，低的造型制芯勞動強度，對于滿足多品種、小批量生產(chǎn)各種結構日趨復雜的中、大型鑄件的型芯，也起了十分重要的作用。目前，樹脂砂工藝繁多，可按其不同的硬化方式，分為如下三大類：加熱硬化法、吹氣硬化法和自硬法。
1. 加熱硬化法
此法系指型芯本體經(jīng)過外部加熱源進行加熱，使型芯砂在一定溫度和時間下固化成型的一種工藝。目前在鑄造生產(chǎn)中廣泛應用的有：殼型法和熱芯盒法兩種。殼型法是一種開發(fā)最早、發(fā)展最快、應用甚廣的高效造型、制芯工藝。由于覆膜砂的流動性、充型性和存放性均好，強度大、潰散性好，被汽車行業(yè)廣泛應用于大批量生產(chǎn)各種結構復雜、質(zhì)量要求高的型芯。熱芯盒比殼型開發(fā)晚15年，由于它的型、芯砂制備簡單，成型溫度低，硬化速度快，在生產(chǎn)中也得到了應用，鑒于其型砂流動性差、存放性不好，吸濕性很大，含氮量較高，限制了它的應用，目前國外已開發(fā)了新型熱芯盒樹脂，效果較好，國內(nèi)也在試用。由于這兩種工藝操作方法基本相似，下面僅介紹殼型法。
（1）殼型用原材料及其特性 殼型用原材料主要是覆膜砂，它是由硅砂、熱塑性酚醛樹脂、烏洛托品硬化劑、硬脂酸鈣潤滑劑及其他附加物等材料，在專門的混制設備上熱法混制而成，鑄造廠家可根據(jù)鑄件的種類和不同結構的要求來選用，目前市場上可提供的覆膜砂系列產(chǎn)品的性能見表1。
表1 覆膜砂系列產(chǎn)品的性能
（2）殼型、芯的制造工藝及其設備殼型、芯的制作方法一般有兩種：翻斗法和吹砂法。翻斗法適用于殼型制作，而吹砂法多用于殼芯生產(chǎn)。吹砂法殼芯機又可分為底吹式和項吹式兩大類。底吹式殼芯機制芯時，芯砂由底部吹入芯盒，吹芯壓力為0.4～05MPa，吹砂時間為15～35s。由于芯砂由底部吹入芯盒，充填情況不如頂吹式理想，故一般適用于外形簡單的殼芯。頂吹式殼芯機制芯時，芯砂由芯盒頂部吹入，充填情況較好，但整機結構復雜，常用于結構較復雜的殼芯制造，其吹芯壓力為0.l～0.3MPa，吹砂時間為3～8s。
殼芯制造過程如下：把芯盒加熱至210～250℃，吹入覆膜砂，這時覆膜砂上樹脂受熱融化、結殼后，翻轉(zhuǎn)180o，使芯盒自動左右搖擺數(shù)次，排放出未固化的砂子，翻斗復位，殼型、芯繼續(xù)硬化2～3min，便可頂出制好的殼型、芯。
（3）發(fā)展前景 在熱法制芯中殼型、芯工藝是一種很有發(fā)展前途的高效制芯工藝，但是目前覆膜砂中樹脂加入量高，生產(chǎn)成本高，鑄件氣孔及變形嚴重。同時它存在硬化溫度高，硬化時間長，硬化時氣味大等缺點。國內(nèi)外正在開發(fā)各種新型的低氣味、高強度、速固化、流變性能好的改性酚醛樹脂和低氮、無氮的硬化劑，并開發(fā)了新型覆膜混砂設備和；日砂再生設備。
2．吹氣硬化法
此法系指型、芯本體不需加熱，僅在氣體催化劑作用下迅速固化成型的一種制芯工藝。這種工藝現(xiàn)有三乙胺法、SO2法和低毒、無毒氣硬法等幾種。目前在生產(chǎn)中僅三乙胺法得到廣泛的應用。它的最大特點是硬化速度快，硬透性好，生產(chǎn)效率高；其次是芯盒不需加熱，勞動條件好，芯盒生產(chǎn)成本低，現(xiàn)已在批量生產(chǎn)各種復雜的砂芯的汽車、拖拉機行業(yè)廣為應用。
（l）三乙胺法用原材料 三乙胺法用原材料主要由硅砂、樹脂和催化劑等組成。此法對硅砂要求甚嚴，特別是含水量＜0.2％，含泥量＜0.3％（均指質(zhì)量分數(shù)）。所用的樹脂由二個組分組成；組分Ⅰ為苯醚型特制酚醛樹脂，組分Ⅱ為聚異氰酸酯（PAPI）。為了降低樹脂對硅砂及環(huán)境濕度的敏感性和適用于低溫澆注鋁合金鑄件的需要，近年來，又開發(fā)了抗?jié)裥詷渲弯X合金專用樹脂。催化劑為液態(tài)的三乙胺或二甲基乙胺，為了能使砂芯均勻硬化，液態(tài)三乙胺需要先霧化或汽化，再與惰性氣體混合（常用的氮氣），吹入芯盒，使砂芯硬化，以防止三乙胺氣體濃度過大而引起爆炸。
（2）三乙胺法制芯工藝及其設備 三乙胺法制芯均在專用的冷芯盒射芯機上完成，所用射芯機的結構與普通射芯機相似，但增加了吹氣機構和前后工序配套設備。前工序配套設備有：混砂機、砂加熱器、氣體發(fā)生器、壓縮空氣干燥除濕系統(tǒng)、三乙胺氣體霧化裝置等。后工序配套設備包括廢氣凈化系統(tǒng)。
制芯的主要工序為：硅砂加熱至25～35℃，將組分Ⅰ酚醛樹脂加入砂中，混制1～2min，再加入組分Ⅱ（PAPI），繼續(xù)混制1～2min。通常兩組分加入量各為0.75％，即為砂的質(zhì)量分數(shù)為1％～2％。然后在0.30～0.35MPa射砂壓力下，把砂子射入芯盒，再將與載體混合、體積分數(shù)為2％的三乙胺氣體，在0.2MPa壓力下吹入芯盒，使型、芯砂迅速硬化，硬化時間一般為幾秒或幾十秒鐘。型、芯硬化后，緊接著通過原來吹氣系統(tǒng)，再吹入潔凈干燥的空氣，以便清洗型、芯砂中的殘胺，并可進一步提高它的強度。從芯盒中排出的空氣中含有殘余的有毒胺氣，必須送到洗滌室內(nèi)，用酸中和，將胺除去，也可采用燃燒法去胺。最后，打開芯盒，取出已硬化的砂芯，便可進行下一輪程序。
為了提高鑄件的表面質(zhì)量，減少粘砂缺陷，砂芯表面應刷一層涂料。可采用水基涂料，但必須待樹脂完全硬化后上涂料，防止明顯降低砂芯強度，刷涂后應及時烘干。
（3）發(fā)展前景 氣硬冷芯盒制芯工藝是目前國內(nèi)外重點開發(fā)、最有發(fā)展前途的一種高效制芯工藝，特別是低毒、無毒氣硬工藝，在當前全球關注環(huán)境保護、推行清潔生產(chǎn)的情況下，更具有很大的現(xiàn)實意義?，F(xiàn)正在開發(fā)的酚醛樹脂／酯法，聚丙烯酸鈉／CO2法和堿性酚醛樹脂／CO2法等無毒制芯工藝，盡管還存在強度低，樹脂加入量高，吹氣硬化時間較長，抗?jié)裥暂^差等一些問題，但可以預計，在不久的將來，會開發(fā)出更為理想、無毒無公害的高效制芯工藝，成功地應用于生產(chǎn)，有力推動我國鑄造事業(yè)向前發(fā)展。
3．樹脂砂自硬法
此法系指型、芯砂在室溫下，通過加入一定量的固化劑，使之在芯盒或砂箱內(nèi)，并在一定時間內(nèi)自行硬化成型的一種造型、制芯工藝。目前在鑄造生產(chǎn)中得到應用的有酸固化呋喃樹脂砂、酯固化堿性酚醛樹脂砂和酚尿烷樹脂砂等。這種工藝的最大特點是：樹脂砂可在常溫下自行硬化成型，型、芯砂有一定的可使用時間，其硬化速度與強度受室溫、環(huán)境濕度的影響很大，生產(chǎn)效率不高，故比較適用于單件、小批量、多品種的中、大型鑄件的型、芯生產(chǎn)，在我國機床、通用、重型、造船、機車等行業(yè)得到了應用。
在上述幾種樹脂自硬砂工藝中，以酸固化呋喃樹脂砂在我國應用最多，因為它所用的原輔材料及設備能成套供應，技術較成熟，積累的經(jīng)驗也最豐富，目前國內(nèi)300多家采用樹脂砂工藝的工廠，絕大多數(shù)是采用這種工藝，與粘土砂比較，可提高鑄件的尺寸精度2～3級，改善表面粗糙度1～2級，廢品率明顯減少。
（l）呋喃樹脂砂用原材料 呋喃樹脂砂用的主要原材料有硅砂、呋喃樹脂和固化劑。呋喃樹脂砂對硅砂的質(zhì)量要求較嚴，應從角形系數(shù)、含泥量、含水量、微粉含量、耗酸值與灼減量等項技術指標加以控制。粘結劑呋喃樹脂是以呋喃環(huán)為主、低聚合度的縮聚樹脂，按其化學組成可分為酚醛改性呋喃樹脂、脲醛改性呋喃樹脂和酚醛脲醛改性呋喃樹脂等，而以脲醛改性呋喃樹脂在國內(nèi)應用最廣。用酚醛部分取代脲醛，不僅能保持一定強度，而且還能降低樹脂中含氮量，是一種性能較好的呋喃樹脂。按國家專業(yè)標準 GB／T7526－94的規(guī)定，呋喃樹脂可按其含氮量分為無氮［ψ（N2）≤0.3％］、低氮［ψ（N2）＞0.3％～2.0％］、中氮[（ψ（N2）＞2.0％～5.0％）]和高氮[ψ（N2）＞5.0％～13.5％］樹脂，也可按游離甲醛含量（質(zhì)量分數(shù)）分為二級；一級含≤0.4％，二級含≤0.8％。要求質(zhì)量較高的鑄件可選用低氮樹脂，而有色金屬鑄件可采用含氮較高的樹脂。目前呋喃樹脂砂常用的固化劑為有機磺酸，它又可分為對甲苯磺酸和二甲苯磺酸二種，后者常用于氣溫較低的冬季。
（2）樹脂自硬砂的專用設備 樹脂自硬砂的成套設備主要包括混砂系統(tǒng)和舊砂再生系統(tǒng)兩大系列，混砂系統(tǒng)以混砂機為主，并配以振實臺、翻轉(zhuǎn)起模機、輸送輥道和電控等裝置，組成樹脂砂造型、制芯生產(chǎn)線。舊砂再生系統(tǒng)大多具有砂塊破碎、篩分、磁選、舊砂再生、微粉分離和砂溫調(diào)節(jié)等功能。為了滿足環(huán)境保護的要求及微粉分離的需要，樹脂砂生產(chǎn)線還必須配有良好通風除塵裝置。
（3）樹脂自硬砂的造型、制芯工藝 呋喃樹脂在強酸固化劑作用下，樹脂分子間相繼產(chǎn)生加聚反應和縮聚反應，使原來低相對分子質(zhì)量的線型結構相互交聯(lián)，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Ψ肿淤|(zhì)量很大的體型結構的樹脂膜，將砂粒粘結起來，達到型、芯的常溫固化。樹脂加入量（質(zhì)量分數(shù)）一般為0.8％～1.2％，磺酸類固化劑加入量為樹脂的30％～60％，型、芯砂的可使用時間從幾分鐘至數(shù)十分鐘，起模時間由十幾分鐘至數(shù)小時。
樹脂自硬砂的造型、制芯工藝基本上與粘土砂類似，由于樹脂自硬砂具有許多特點，在造型制芯時應考慮如下幾點：
應根據(jù)合金種類和鑄件的大小，合理選用樹脂的類型及吃砂量的大小，盡量降低砂鐵比和造型材料的生產(chǎn)成本；應根據(jù)室溫的高低，合理選用固化劑，夏季室溫高時，選用酸強度較低的固化劑，冬季室溫較低時，應采用二甲苯磷酸為主，加入適量無機酸的醇溶性固化劑；樹脂砂的流動性很好，但具有明顯的時間性，必須在型砂可使用時間內(nèi)完成造型制芯工作；樹脂自硬砂起模困難，不可太晚；樹脂砂在澆注時發(fā)氣速度較快，必須采取措施將氣體排出，防止氣孔的產(chǎn)生；樹脂砂耐熱性較低，必須上涂料，以保證鑄件的表面質(zhì)量；根據(jù)有機粘結劑特點，應按“快、穩(wěn)、封閉、底注、保證壓頭和處理臟鐵液”等原則來設計澆注系統(tǒng)。實踐證明，只有遵循上述原則來造型制芯，才可能獲得質(zhì)量高、成本低的樹脂砂鑄件。
（4）發(fā)展前景 我國80％以上鑄造廠家屬于單件、小批量生產(chǎn)，80年代以前大多數(shù)采用落后的粘土砂工藝，鑄件質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，環(huán)境污染嚴重。由于機械工業(yè)的發(fā)展和鑄件出口貿(mào)易的需要，不少廠家采用樹脂砂代替粘土砂，取得了明顯的效果，充分證明該工藝對單件、小批量生產(chǎn)的鑄鐵車間具有較大的發(fā)展前景，低游離甲醛和低糠醇呋喃樹脂的開發(fā)，又有力地促進了該工藝的發(fā)展。特別是80年代后，酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂的問世，較好地解決了呋喃樹脂砂的成本、環(huán)保和熱裂等問題，為今后生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄鋼件創(chuàng)出了一條新路。但是，堿性酚醛樹脂尚存的強度低、粘度大和再生困難等問題，預計在不久的將來，將會得到圓滿的解決。在即將到來的21世紀，化學固化砂的各種新型造型、制芯技術將會在我國鑄造廠家開花結果，為改變我國鑄造事業(yè)落后現(xiàn)狀作出較大的貢獻。
2．水玻璃固化砂工藝
樹脂固化砂的應用實踐表明，呋喃樹脂的價格較高，環(huán)境污染較大，在未來21世紀人們對于自身生存條件和環(huán)境的要求日趨嚴格的條件下，由于車間勞動保護和生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生方面的投資很大，從而使樹脂砂的應用受到一定限制，許多國家又對水玻璃固化砂極為重視。最近十多年來，人們對于水玻璃的基本組成和“老化”現(xiàn)象實質(zhì)的認識深化和新型硬化工藝的開發(fā)等兩方面均取得了突破性進展，在型芯砂保持足夠的工藝強度的條件下，水玻璃加入量（質(zhì)量分數(shù)）可降至2.5％～3.5％，從而使水玻璃砂長期存在的潰散性差、舊砂不能回用的問題，得到了較好的解決。水玻璃砂的硬化方法可分為：CO2氣硬法和自硬法兩種，熱硬法已很少采用。
1．CO2氣硬法
此法是水玻璃粘結劑領域里應用最早的一種快速成型工藝，由于操作方便、使用靈活、無毒無味、在國內(nèi)外大多數(shù)的鑄鋼件生產(chǎn)中，得到了廣泛的應用。
（l）硬化原理和特點 水玻璃的出現(xiàn)已有三百多年歷史，由于它的成分十分復雜、多變，它的基本組成一直沒有搞清楚，對水玻璃的研究主要停留在宏觀的層次上。近年來，多種先進測試手段的開發(fā)，可深入到分子范疇進行分析和研究，并發(fā)現(xiàn)，新制備的水玻璃是一種真溶液；但是在存放過程中，水玻璃中硅酸要進行縮聚，將從真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液，最后成為硅酸膠粒。因此，水玻璃實際上是一種由不同聚合度的聚硅酸組成的非均相混合物，易受其模數(shù)、濃度、溫度、電解質(zhì)含量和存放時間長短的影響。
水玻璃砂吹入CO2氣體硬化時，水玻璃的表層因吸收CO2而其模數(shù)升高和脫水，在酸化和脫水兩重作用下，迅速硬化而形成初強度。已固化的表層水玻璃阻礙了CO2往深層滲透，內(nèi)層水玻璃只能靠脫水而繼續(xù)增加強度。此法缺點是：型芯砂強度低，含水量大，易吸潮，潰散性差，目前大多用于中、小型鑄鋼件生產(chǎn)。
（2）水玻璃的改性 水玻璃在存放過程中分子產(chǎn)生編聚，形成膠粒，可使其粘結強度下降20％～30％，這一現(xiàn)象稱為水玻璃老化。為了消除老化，必須對水玻璃進行改性，目前改性的方法有物理改性和化學改性兩種。物理改性是用磁場、超聲波、高頻或加熱等辦法，往水玻璃中供給能量，使已聚合的膠粒解聚，聚硅酸分子重新均勻化。這種改性對高模數(shù)水玻璃有效，但是存在重新老化的問題?；瘜W改性是往水玻璃中加入少量化合物，這些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羥基、醚基、氨基等極性基團，通過氫鍵或靜電將其吸附在硅酸分子或膠粒表面，改變其表面位能和溶劑化能力，提高聚硅酸穩(wěn)定性，從而阻止老化進行。例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸鹽等，均取得了較好的效果。
（3）發(fā)展前景 采用水玻璃改性來提高其粘結能力，往往增加了生產(chǎn)成本和工藝復雜化。近年來，日本又開發(fā)了VRH法，此法是先把砂粒間空隙中的空氣抽去，再吹入CO2氣體，使鑄型迅速硬化成型。此工藝可使水玻璃加入量（質(zhì)量分數(shù)，下同）降至 3.0％以下，而CO2用量僅為原來的1／10。最近又有作者提出往水玻璃砂中加入一種無機物，經(jīng)高溫作用后，在常溫時粘結橋上會形成大量孔洞，使型芯砂在不受外力作用下，自行潰散的新工藝。
2．酯硬化法
（1）硬化原理和特點 此法是采用液體的有機酯作水玻璃的硬化劑。有機酯在強堿性水玻璃溶液的作用下，水解為醇與酸。醇有很強的親水性，它可奪去水玻璃的水分，構成它的溶劑化水。酸與水玻璃反應，析出醋酸鈉，它也有一定的親水性，能奪取水玻璃的水分，構成它的結晶水。在酸化和脫水雙重作用下，使水玻璃砂硬化。這種硬化工藝可使型芯砂具有很高的強度，不僅水玻璃加入量可降至3.0％以下，而且硬透性和抗?jié)裥跃?，適用于各種大型鑄鋼件的生產(chǎn)。缺點是型芯砂硬化速度慢、脆性大和流動性較差。
（2）主要原材料及型砂的工藝控制 酯硬化的水玻璃砂用原材料有硅砂、水玻璃和液體有機酯，這些材料的質(zhì)量和合理選用將直接影響工藝成敗、鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)成本。對酯硬化水玻璃砂來說，盡管對硅砂的要求不像樹脂砂那樣嚴格，為了降低水玻璃加入量，硅砂應滿足如下要求：泥的質(zhì)量分數(shù)≤1.0％，水的質(zhì)量分數(shù)≤0.5％，細粉的質(zhì)量分數(shù)＜l.0％和角形系數(shù)＜l.3。水玻璃應達到國家專業(yè)標準ZBJ31003－88的要求。嚴格控制水玻璃的模數(shù)是成功應用此工藝的關鍵，應根據(jù)季節(jié)和室溫加以調(diào)整：夏季，M＝2.2～2.4，其余季節(jié)，M＝2.4～2.6，有條件時，最好對水玻璃進行改性，消除老化現(xiàn)象。目前用于鑄造生產(chǎn)的有機酯有：丙三醇醋酸酯、乙二醇醋酸酯、二甘醇醋酸酯和丙二醇碳酸酯等，加入量（質(zhì)量分數(shù)）占水玻璃的8%～12％。有機酯是決定酯硬化水玻璃砂的工藝性能和生產(chǎn)成本的關鍵材料，必須嚴加選擇，即應根據(jù)型、芯的大小和水玻璃的模數(shù)，合理選用不同型號（快酯、慢酯或混合酯）的有機酯。
對于酯硬化水玻璃砂的工藝性能來說，主要控制如下性能：起模強度、終強度、可使用時間和殘留強度等，詳見表2。
表2 型、芯砂推薦的技術指標
大型鑄件的混砂可采用連續(xù)式混砂機，造型、制芯均為手工操作。
（3）發(fā)展前景 加入某些附加物，形成復合水玻璃，起著助粘結劑作用，能進一步提高水玻璃的粘結性能，如加入磷酸鹽、硼酸鹽或鋁酸鹽等附加物。另外，應用較廣泛的有機酯硬化劑，因其價格高而影響了該工藝的推廣應用，有人又提出了一種無機酸和有機物配制成的硬化劑，其主要成分為磷酸、磷酸鹽和尿素，這種新型硬化劑不僅生產(chǎn)成本低，而且，型芯砂具有較好的潰散
