【编辑荐读】碱性酚醛树脂砂表面安定性的试验研究

碱性酚醛树脂砂最早是针对呋喃树脂砂生产薄壁件时已出现热裂纹缺陷而推出的一种铸钢用自硬树脂砂，作为三大自硬树脂砂之一，与另外两种自硬树脂砂，即呋喃树脂砂和酚脲烷树脂砂相比，其优点是：一是不含S、P、N，避免产生渗硫和渗磷等现象；二是释放有害气体最少；三是高温下的热塑性和“二次硬化”缓解了砂型（芯）受热产生的应力，减少或避免了包括热裂纹在内的多种铸造缺陷的产生；四是对原砂的适应性高；五是适用于多种合金材质的浇注。

当前，自硬碱性酚醛树脂砂符合我国铸造工业未来向绿色化发展的趋势要求，目前在铸钢件上得到了应用，可替换原来的呋喃树脂砂工艺。但在实际生产存在因型芯砂表面安定性差而使生产的铸件表面质量差的问题，具体表现在铸件表面粗糙度高，夹砂，粘砂缺陷多，制约了碱性酚醛树脂砂进一步推广应用。

国内众多研究表明，通过加入粉末添加剂可以在一定程度上提高碱性酚醛树脂砂试样的强度，有望以此提高酚醛树脂砂的表面安定性。

为此本文以碱性酚醛树脂砂为主要研究对象，首先明确实际生产对自硬树脂砂表面安定性的要求，其次筛选碱性酚醛树脂种类和粉末添加剂，最后开发最优工艺，期望提高其表面安定性，提高铸钢件的质量。

试验用原材料主要包括铸造用原砂和粘结材料以粉末改性剂。

本试验采用的原砂为硅砂，产地为内蒙古通辽，采用了40/70、50/100、70/140三种铸造厂常用目数进行研究。

表1 原砂理化指标

本试验中在市场上采购国内知名造型材料厂商生产的一种呋喃树脂黏结剂、一种酚脲烷树脂黏结剂，同时为了筛选出性能最佳碱性酚醛树脂，从国内外选取铸造厂常用的碱性酚醛树脂黏结剂3种（分别用H、S、X编号），三种碱酚醛来自国内具体理化指标如表2表5所示。本文研究中碱酚醛树脂砂中固化剂加入量占树脂加入量的25%；呋喃树脂砂中固化剂加入量占树脂加入量的40%；酚脲烷树脂砂中组分Ι、组分ΙΙ

根据相关研究，本研究选用数种粉末改性剂，其信息见表6。

表6 试验用粉末改性剂信息

1.2 试验方法与流程

本试验所有强度测试均采用标准“8”字抗拉试样，表面安定性测试选用Ø50 mm×50 mm标准圆柱形试样。

型（芯）砂试样制备流程如下：

2.1.1 粘结剂种类对表面安定性影响

将三种碱性酚醛树脂砂性能作对比，结果见图2，可以看出，随着树脂加入量的提高，三种碱性酚醛树脂砂24 h常温抗拉强度及表安性持续上升，且在同加入量下，碱酚醛X＞碱酚醛S＞碱酚醛H。碱酚醛X和碱酚醛S表安性在树脂加入量为1.4 %时提升最明显，且表安性提升至98 %。而碱酚醛H在树脂加入量在1.6 %以上时才达到98 %，且之后提升不再明显。

从发气性结果来看的话，碱酚醛S的最大发气量和最大速率均最高，碱酚醛X发气量高于碱酚醛H，但和碱酚醛S差距不是太明显（图3）。

从对比结果来看，碱酚醛H的最大优势是发气性良好，但包括强度和表面安定性在内的常温强度比较差，若要保持常温性能足够，需要至少保持在1.6 %以上。

综合性能碱酚醛X表现最好，常温性能最好，在发气量相比碱酚醛S要低，在树脂加入量为1.4 %时，常温性能超过碱酚醛H在树脂加入量为1.6 %时的性能，发气量和S在树脂加入量为1.2 %时差不多

2.1.2 粉末添加剂对表面安定性的影响

借鉴国内外文献，本研究选用了9种粉末添加剂加入到型砂混合物中，研究各种粉末添加物对抗拉强度及表面安定性的影响。试验条件是：50/100号大林砂；碱酚醛树脂X，固化剂加入量占树脂质量分数的25%；环境温度为18~25 ℃和湿度为50%~60 %RH；粉末添加剂加入量占砂重的0.15 %和0.25 %，加入空白组作对比，抗拉强度结果见表8，表面安定性结果见表9。

表8 粉末添加剂对碱性酚醛树脂砂抗拉强度的影响

添加粉末添加剂的主要目的主要为提高树脂砂型（芯）的表面安定性，同时不影响强度及发气量等性能。从表9可看出，碱性酚醛树脂与固化剂有机酯及原砂混合后，有机酯分散于树脂膜上并持续吸水，分解出酸性较弱的有机酸。而KOH提供碱性环境，使得碱性酚醛树脂以化学方式凝胶、加速反应进行，使得碱酚醛树脂固化过快，可使用时间大幅度缩减，以至于难以充型。故未测其性能。而氧化镁与淀粉对碱性酚醛树脂砂的强度及表面安定性提升最为明显，这是因为粉末添加剂具有较高的表面活性，可以提高型砂的流动性，为黏结桥的建立提供更多的附着点。

下面将以氧化镁与淀粉作为添加剂，进行正交试验，以优化其添加工艺。

2.2.1 正交试验因素水平设计

2.2.2 正交试验结果分析

试验环境温度：15~21 ℃，室内湿度：40~50 %RH。各组试验的强度性能测试结果如表11。

通过的试验结果进行数据处理，计算出黏结剂、微硅粉、氧化铝和石英粉四个因素在三个水平上的指标平均值k₁、k₂、k₃和极差R_A、R_B、R_C、R_D，其极差分析结果如图3。

图4 极差分析

2.2.3 正交试验结果验证

根据极差结果分析可知，对各性能而言可各得到一种优化方案，型砂1 h强度优化方案为A₃B₁C₂D₁，型砂试样24 h强度优化方案为A₂B₂C₃D₁，型砂表面安定性优化方案为A₃B₁C₁D₁，发气性优化方案为A₁B₂C₂D₁。对以上方案的参数进行验证试验，测试1 h强度、24 h强度和表面安定性。

结果如表12，除优化方案A₂B₂C₃D₁的表面安定性之外，各方案的各项性能都能满足使用要求，对于表面安定性而言，优化组A₃B₁C₂D₁及优化组A₃B₁C₁D₁的表面安定性能接近甚至超过99 %，提升效果较为明显。

综上选取优化方案A₃B₁C₁D₁作为最佳优化方案。但其发气量较高，达到了12.33 mL/g，降低树脂加入量为1.4%，各项性能如表13。 

表13 优化方案降低树脂加入量结果

但A₃B₁C₁D₁方案存在发气量比较高的缺点，由极差分析可知，树脂加入量对在以上性能最佳的A₃B₁C₁D₁方案基础上，不改变其他参数，即使用40/70大林砂，氧化镁及淀粉加入量为0.1 %、0.1 %，将树脂加入量降低为1.4 %，此时砂型（芯）性能见表13，降低树脂加入量，虽然导致常温强度有所降低，但是表面安定性下降并不明显，且发气量得到了一定程度的降低。

2.2.4 优化方案SEM分析

图5 型砂测试后试样断口

经过多次模拟，图6为最终设计造型用模具，该模具底部为斜面可增加金属液流速，三个90°拐角可增加金属液对型壁的冲击力，而侧面和底部的凹槽、凸台为砂型力学性能薄弱处，有利于检验砂型抵抗外界摩擦、碰撞以及金属液冲击的能力。

图6 所设计的浇注试件用三维模型

（1）呋喃树脂砂和酚脲烷树脂砂在树脂加入量为1.0%~1.2%时表面安定性高于99%，而碱性酚醛树脂砂提高树脂加入量至2.4%，表面安定性也无法达到99%。

（2）部分粉末添加剂可提高碱性酚醛树脂砂的表面安定性，其中提升效果最为明显的为氧化镁和可溶性淀粉。优化后的复合粉末添加剂配方为树脂加入量1.4%，原砂使用40/70号大林砂，氧化镁和可溶性淀粉加入量均为0.1%，试样的1h强度0.55 MPa、24h强度0.93MPa、表面安定性99.12%、发气量10.8 mL/g，各项性能符合生产需求。

（3）浇注试验结果表面，优化后的工艺方面能显著提高碱性酚醛树脂砂工艺生产铸件的表面质量，表面粗糙度更低，夹砂和粘砂缺陷更少。

作者：王才加尚，彭昕，张宇，殷亚军，计效园，李远才，周建新

单位：华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室

引用格式：

王才加尚,彭昕,张宇,等.碱性酚醛树脂砂表面安定性的试验研究[J].铸造,2024,73(11):1561-1568.

WANG C J S,PENG X,ZHANG Y,et al..Study on Surface Stability of Alkaline Phenolic Resin Sands[J]. Foundry,2024,73(11):1561-1568.

参考文献：点击请参看原文