呋喃樹脂砂和Pep-Set樹脂砂特性對比研究

目前，航空鎂合金鑄件的鑄造用砂主要有Pep-Set樹脂砂和呋喃樹脂砂兩種。本文主要通過試驗，對Pep-Set樹脂砂和呋喃樹脂砂關(guān)鍵特性參數(shù)，如：強(qiáng)度、發(fā)氣量、透氣性等進(jìn)行對比研究，為鎂合金鑄件鑄造用砂的使用提供參考和幫助。

1試驗條件及方法

1.1試驗材料

試驗使用粒度為50/100的內(nèi)蒙古通遼大林型砂有限公司提供的水洗砂。粘結(jié)劑分別采用常州亞什蘭有限公司生產(chǎn)的Pep-Set樹脂和蘇州興業(yè)有限公司生產(chǎn)的XYR-5呋喃樹脂。

1.2試驗方法

1.2.1混砂工藝

Pep-Set樹脂砂配比：在原砂中加入1.5%的Pep-Set樹脂（組分I-5160和組分II-5240分別占0.75%），加入1%的硼酸，在實驗室手工混制60s，攪拌均勻。呋喃樹脂砂的配比:在原砂中加入1.5%呋喃樹脂和0.45%的固化劑（磷酸,牌號LS85，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB2091－2003。磷酸占樹脂加入量的30%），加入1%的硼酸，在實驗室手工混制60s，攪拌均勻。兩種樹脂砂樣塊均在打制后固化40min起模。

1.2.2試樣制備

將混制好的樹脂砂均勻地倒在“8”字樣塊芯盒上，手工塞實，然后用刮板刮平。“8”字樣塊芯盒一次做6個試樣。

1.2.3試驗裝置

杠桿式萬能強(qiáng)度試驗機(jī)，國標(biāo)SFL型發(fā)氣性測定儀,直讀式透氣性測定儀（按GB/T2684－1981）。

2砂型強(qiáng)度試驗

2.1試驗過程

對Pep-Set樹脂砂和呋喃樹脂砂樣塊，分別在20min、40min、60min、3h、12h、24h、48h、72h測量其強(qiáng)度。每個時間測3塊“8”字樣塊強(qiáng)度，取其平均值。

澆注后在Pep-Set樹脂砂和呋喃樹脂砂鑄件砂型上進(jìn)行取樣，進(jìn)行強(qiáng)度試驗，測其殘留強(qiáng)度，結(jié)果見表1和表2。
 

2.2試驗數(shù)據(jù)分析

從上述試驗數(shù)據(jù)易知，Pep-Set樹脂砂固化速度較快，在固化時間為2h時，強(qiáng)度達(dá)到終強(qiáng)度的81%。在固化后6h達(dá)到終強(qiáng)度。之后強(qiáng)度略有下降，在固化后24h時，強(qiáng)度下降幅度為13.9%，其24h強(qiáng)度接近3h強(qiáng)度。

分析其原因認(rèn)為，形成強(qiáng)度的聚氨酯發(fā)生了部分裂解，且不穩(wěn)定的C-C長鏈結(jié)構(gòu)也決定了此類化學(xué)物質(zhì)的長時間穩(wěn)定性較差。同時隨著時間的增加，砂型存在著一定的吸潮，也會造成其強(qiáng)度下降。

呋喃樹脂砂固化速度較慢，固化時間為12h時，強(qiáng)度達(dá)到終強(qiáng)度的81%。在固化后24h達(dá)到終強(qiáng)度，終強(qiáng)度值略低于Pep-Set樹脂砂。

從表2可以看出，呋喃樹脂砂的殘留強(qiáng)度明顯高于Pep-Set樹脂砂，這會造成在鑄件澆注后落砂和除砂費時費力。

3砂型發(fā)氣量試驗

3.1試驗過程

對Pep-Set樹脂砂和呋喃樹脂砂分別測量3min、10min、20min、30min、40min、50min和60min發(fā)氣量。實驗選用國標(biāo)SFL型發(fā)氣性測定儀進(jìn)行發(fā)氣量實驗，每一組分用分析天平稱?。?.000±0.005）g試樣各三件，測量其發(fā)氣量并測量其平均值，若該組出現(xiàn)偏差較大數(shù)值則重新稱取測量該組。

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了逐項統(tǒng)計，具體統(tǒng)計如表3。

3.2試驗數(shù)據(jù)分析

從上述試驗數(shù)據(jù)可知，Pep-Set樹脂砂隨著放置時間的增長，發(fā)氣量出現(xiàn)先減少后增多的趨勢。分析認(rèn)為在30min之前，主要為砂型中的有機(jī)溶劑即芳香烴類物質(zhì)和殘留樹脂揮發(fā)的過程為主導(dǎo)反應(yīng)，隨著砂型中有機(jī)物質(zhì)的減少，發(fā)氣量大大減?。缓筮叞攵渭?0min之后，隨著大部分有機(jī)物揮發(fā)殆盡，樹脂砂的吸潮為主要因素，在空氣中放置的樹脂砂吸入空氣中的水分，增加了發(fā)氣量。

呋喃樹脂砂的發(fā)氣量明顯低于Pep-Set樹脂砂，不超過10mL/g。且隨放置時間的增加，呋喃樹脂砂的發(fā)氣量沒有出現(xiàn)規(guī)律性變化和大的波動。所以使用Pep-Set樹脂砂生產(chǎn)鎂合金鑄件，產(chǎn)生氣孔缺陷的幾率要高于呋喃樹脂砂。

4砂型透氣性試驗

4.1試驗過程

對Pep-Set樹脂砂和呋喃樹脂砂分別測量3h、12h、24h、48h、72h透氣性。設(shè)備選用直讀式透氣性測定儀（按GB/T2684－1981）。

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了逐項統(tǒng)計，具體統(tǒng)計如表4。
 

4.2試驗數(shù)據(jù)分析

由上述試驗數(shù)據(jù)分析可知，呋喃樹脂砂的透氣性略優(yōu)于Pep-Set樹脂砂。

隨著靜置時間的增加，兩種樹脂砂的透氣性并未出現(xiàn)明顯變化。

分析可知，樹脂組分PI與樹脂組分PII反應(yīng)為典型的聚氨酯反應(yīng)，酚基樹脂含有活性官能團(tuán)－羥基（－OH），異氰酸酯含有活性官能團(tuán)－異氰根（－NCO），當(dāng)兩種樹脂混合后，發(fā)生加成聚合反應(yīng)，生成固態(tài)的氨基甲酸乙脂樹脂（即聚氨酯），使原來的線性結(jié)構(gòu)變成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而粘住砂子。而呋喃樹脂砂在催化劑作用下，自身聚合反應(yīng)，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。一旦形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，則較為穩(wěn)定，空隙率不再發(fā)生明顯變化，故透氣性與樹脂添加量關(guān)系較為密切而與存放時間長短基本無關(guān)。

5回溫對發(fā)氣量影響試驗

5.1試驗過程

因樹脂為石油重餾產(chǎn)物，其在150~180℃加熱條件下可加速揮發(fā)。但溫度大于180℃將破壞形成型砂強(qiáng)度的聚氨酯的結(jié)構(gòu)從根本上影響其強(qiáng)度。故本實驗選用180℃分別回溫0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h，測量其發(fā)氣量。每個時間測三個樣塊，取其平均值。對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了逐項統(tǒng)計，具體統(tǒng)計如表5。
 

5.2試驗數(shù)據(jù)分析

由上述實驗數(shù)可知，在180℃相同回溫時間下，Pep-Set樹脂砂發(fā)氣量略大于呋喃樹脂砂。

在180℃回溫下，Pep-Set樹脂砂和呋喃樹脂砂發(fā)氣量呈現(xiàn)相同的先減小后增大的趨勢。原因可分析為回溫初期，隨著回溫時間增加，樹脂內(nèi)溶劑揮發(fā)，發(fā)氣量減少；后期在回溫過程中，砂型有吸潮現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)氣量重新增加。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)認(rèn)為回溫時間控制在1～2h較為合理。

6結(jié)論

（1）在樹脂含量相同條件下，Pep-Set樹脂砂固化速度遠(yuǎn)高于呋喃樹脂砂，且Pep-Set樹脂砂終強(qiáng)度略高于呋喃樹脂砂。

（2）Pep-Set樹脂砂易吸潮，其發(fā)氣量隨放置時間先減小后增加。呋喃樹脂砂發(fā)氣量基本不受放置時間影響。

（3）呋喃樹脂砂透氣性略優(yōu)于Pep-Set樹脂砂。兩種樹脂砂透氣性基本不受放置時間影響。

（4）回溫對兩種樹脂砂發(fā)氣量都有影響。隨著回溫時間的增加，兩種樹脂砂發(fā)氣量先減小后增大。