目前我国砂型铸造中型砂工艺主要分为以下三类：湿型砂、树 脂砂和水玻璃砂[1] 。其中，砂芯的90%以上为树脂砂(汽车铸件生产 100%为树脂砂)，而造型工艺中，占主导地位的除湿型砂外，就是 自硬树脂砂。之所以树脂砂在铸造生产中的比重如此之高，是因为树 脂砂的广泛应用，革新了铸造工艺，彻底改变了铸造生产面貌，与其 他型砂工艺相比，树脂砂具有生产适应性强，可显著提高铸件的表面 质量和尺寸精度，旧砂可用干法、热法再生等诸多优势[2-3] 。

树脂砂按造型、制芯工艺可分为两大类，即包括呋喃树脂砂、 碱性酚醛树脂砂和酚脲烷树脂砂等造型(芯)用自硬树脂砂；呋喃、 酚醛树脂砂热芯盒、酚脲烷三乙胺冷芯盒树脂砂和酚醛树脂覆膜砂等 造型(芯)砂。树脂砂工艺发展于20世纪40—80年代的欧美，至今对 新型树脂粘结剂体系及其硬化机理和应用性能提高的探求也一直在继 续。

国外发达国家，无论是采用湿型砂还是化学粘结剂砂，所生产 的铸件尺寸精度及表面粗糙度均符合要求，且工艺稳定。这与造型材 料的品种齐全、质量好和工艺管理水平高是分不开的。这些国家都有 专营铸造造型材料公司，其中有些企业还进入了我国造型材料市场， 建有独资或合资的造型材料企业，铸造用造型材料已完全标准化、系 列化、商品化。我国已接近其水平[1] ，如铸造树脂粘结剂，我国经过 50多年的发展，其产量和消费量均居世界首位，部分树脂粘结剂的质 量性能已达国际先进水平或领先水平，满足了国内铸造行业快速增长 的需求。其中，自硬呋喃树脂产品在粘结强度、游离甲醛含量、抗湿 性、溃散性、再生性等应用性能及环保指标方面都达到或超过国外同 类产品水平；在冷芯盒树脂方面，部分技术水平已达到国际先进水 平，但行业的整体技术水平仍有较大的提升空间。但从整体上分析， 我国铸造用树脂粘结剂生产企业大多属于小型或微型企业，自主技术研发动力不足，能力薄弱，产品个性化不够，环保问 题多，缺乏核心竞争力。在当前铸件质量和环保要求 近乎严苛的条件下，铸造用树脂粘结剂企业面临着很 大的机遇和挑战[4] 。

1   自硬树脂砂

1.1   概述

自硬(no-bake)  ，也称室温硬化(air set)  、自硬 (self set)、冷硬(cold set)等。  20世纪50年代末至60 年代初起，欧美逐步发展了酸硬化(催化)的呋喃树 脂和酚醛树脂自硬法，胺硬化的酚脲烷自硬法和酯硬 化的碱性酚醛树脂自硬法等。“自硬砂”的概念，适 用于一切用化学方法硬化的型(芯)砂，除自硬树脂 砂外，还可以是自硬油砂、水玻璃砂、水泥砂和磷酸 盐粘结砂等[5] 。

自硬树脂砂除具有树脂砂的一些优点外，其主 要特点就是造型、制芯生产灵活，设备简单、模具可 使用木模，适用于单件、小批量、多品种的中大铸件 的生产，材质不限，型(芯)砂不用烘烤，操作环境 好，节省能源等。

1.2   自硬呋喃树脂砂

1.2.1    自硬呋喃树脂砂在我国的发展

呋喃树脂是指对脲醛树脂、酚醛树脂或脲酚醛树 脂用糠醇进行改性以后，得到的一系列新的化合物的 总称。常用的有脲呋喃树脂( UF/FA)、酚呋喃树脂 (PF/FA)、酚脲呋喃树脂(UF/PF/FA)以及甲醛一糠 醇树脂(F/FA)。呋喃树脂含有“呋喃环”，还含有 活性很强的羟基(一OH)和羟甲基(CH2OH)及氢键 ( —H )  ，其分子量较小。在酸的催化作用下，经链状 化合物发生脱水反应，以及呋喃环双键断开，再彼此 交联，最终形成三维的大分子有机化合体。

在我国，自硬树脂砂的研究和应用始于20世纪70 年代。从1973年起，华中科技大学(原华中工学院)  就开始进行呋喃树脂自硬砂这一新型工艺的系统性和 开拓性的研究 [6- 9] 。其中有自硬冷芯盒法树脂粘结剂 的开发，包括影响树脂性能的合成工艺研究；系统探 讨了催化剂、环境温度和湿度、硅烷偶联剂等对树脂 砂性能的影响；采用扫描电镜分别对树脂砂微观断口 形貌、树脂膜组织结构进行观察，研究砂粒间树脂缩 颈内聚强度和砂粒的附着强度的关系；系统研究了原 砂的矿物组成、砂粒大小、颗粒形状、表面状况及不 同纯化方法对自硬树脂砂强度的影响，评定了各种纯 化方法等，这为改造我国自硬树脂用原砂，提出了一 种较理想的途径。也为20世纪80年代初，我国南北并 进，同时开展铸造用大林砂和福建砂精选工艺的研究打下了坚实的基础。

1979年，国家科委正式下达《大型铸钢件呋喃树 脂自硬砂的试验研究和中间试验》的科研课题，由沈 阳铸造研究所组织对呋喃树脂自硬砂的原辅材料、铸 造工艺、专用设备和环保等几方面进行系统的开发研 究[10] 。

1990年末，由机械部科技司牵头，成立了一个国 内多家科研院所及铸造厂组成的树脂砂推广小组，其 主要工作目标之一是，加强对树脂砂(呋喃树脂砂)  的自主开发与研究，加强树脂砂设备及其配套辅料的 国产化工作，使其商品化，面向国内外两个市场。机 械部的这一措施，对我国后来树脂砂技术的应用和发 展起到了有力的推动作用[11] 。

多年来，国内铸造工作者在呋喃树脂的合成与改 性、固化剂的开发与选择；树脂砂固化机理、固化工 艺的探讨；适应不同材质铸件的型砂工艺摸索；诸如 气孔、裂纹、粘砂等典型铸件缺陷生成机理及防止措 施等方面进行了大量具有开拓性的工作，取得了令人 瞩目的成果，也为后来酚脲烷树脂自硬砂和碱性酚醛 树脂自硬砂在国内的研究应用提供了宝贵的经验[12- 17] 。

1.2.2    自硬呋喃树脂砂在我国的应用现状

目前，  自硬呋喃树脂砂用树脂质量高且稳定，品 种齐全。先后制定和修订了相关的行业及国家标准JB/ T7526— 1994 《铸造用自硬呋喃树脂》、  JB/T7527— 1994 《铸造用自硬呋喃树脂性能测定方法》和对上述 两标准合并修订的JB/T7526— 2008 《铸造用自硬呋喃 树脂》，以及GB/T21872— 2008 《铸造自硬呋喃树脂用 磺酸固化剂》 [1] 。将JB/T7526— 2008 《铸造用自硬呋喃 树脂》和JB/T7526— 1994 《铸造用自硬呋喃树脂》、 JB/T7527— 1994 《铸造用自硬呋喃树脂性能测定方 法》的主要指标列于表 1中。

从表 1 可看出，我国铸造用呋喃树脂主要指标变 得先进：关于氮含量，其W (无氮)(主要用于铸钢 件的生产)的含量由原标准的≤0.3%调整为≤0. 5% ， 氮含量的适当提高有利于增加树脂砂的比强度和韧 性，对于改善铸钢件的裂纹缺陷有利，而G  (高氮)  (主要用于非铁合金件的生产)的含量由原标准的 5.0%~13.5%调整5.0%~10.0%，其含量的降低，能降 低树脂砂的发气量，进而减少铸件气孔缺陷的倾向。 修订标准中对测定呋喃树脂砂强度试样的树脂加入量 也由原标准的1. 5%降为1.0%，并提出了新的抗拉强度 分级指标。呋喃树脂的粘度下降明显，故将无氮、低 氮和中氮三种树脂的粘度由原标准的 100 mPa ·s降至 60 mPa · s，而高氮树脂的粘度由原200 mPa · s降 至 150 mPa ·s。游离甲醛尤其是一级品的游离甲醛要求己经高于国外产品的技术指标，表明修订的标准具 有国际先进水平。

自硬呋喃树脂砂工艺在我国是自硬砂中应用最 广泛、技术最成熟和积累经验最多的一种造型、制芯 工艺，被广泛应用于铸钢、铸铁和非铁铸造合金的机 床、造船、阀门、机车车辆、通用机械和重型机械等 中、大件单件小批量铸件的生产。目前呋喃树脂约占 我国整个树脂用量的75%~80%。用自硬呋喃树脂砂生 产的铸铁件尺寸精度可达CT8- 10级，比湿型砂高2级； 铸件表面粗糙度达Ra12.5~50 μm ，比湿型砂高 1~2级； 铸件废品率可稳定在5％以下。车间单位面积的铸件产 量比原湿型砂翻了一番，铸件的清砂效率提高三倍。 在生产结构复杂、要求很高的出口铸件及其他重要产 品的铸件中，已取得了明显的经济效益和社会效益[1] 。

生产实践表明，由于呋喃树脂砂含氮、磷、硫， 且高温下退让性差，导致生产铸钢件时易产生气孔 (氮气孔)和热裂纹缺陷，故近些年来在铸钢生产领 域正逐渐被碱性酚醛树脂所取代，碱性酚醛树脂的消 费呈逐年上升趋势，相应地呋喃树脂的消费比率呈逐 年下降趋势。据对2008年至2015年的统计，  2015年呋 喃树脂消费比率从2008年的79.4%下降到76. 5%，平均 每年下降 1个百分点[18- 19] 。

1.3   自硬酚脲烷树脂砂

自硬酚尿烷树脂砂于1968年由美国Ashland化学公 司开发。由于该粘结剂采用了一种专利的聚苯醚酚醛 (Ploy-benzyl Ether Phenol ( PEP ))树脂，故自硬酚 尿烷树脂砂工艺也称PEP SET (派普)法[1] 。

酚尿烷树脂由聚苯醚酚醛树脂(组分Ⅰ)和聚异 氰酸酯(组分Ⅱ)作粘结剂和液体叔胺作催化剂等组 成。该工艺的硬化反应机理是：聚异氰酸酯分子中的 异氰酸根的两个双键R— N=C=0，其化学性质异常活泼，易被亲核试剂(如酚醛树脂分子上的羟基)所攻 击，使氢原子转移到氮原子上去，并使OR′与碳原子相 联接而硬化。其特点是这种交联反应不产生小分子的 副产物。

在我国，常州有机化工厂于1985年引进自硬酚脲 烷树脂生产技术并投入生产，  开始供应国内市场[20] 。 随后我国也开始研究开发自硬酚脲烷树脂砂工艺，包 括环保型酚脲烷树脂的合成改性、固化工艺的研究以 及铸造厂型砂工艺的完善等[21] 。从21世纪之初至今， 自硬酚脲烷树脂砂呈较快发展态势，树脂质量稳定， 品种齐全，树脂砂工艺成熟。期间还制定了国家标准 GB/T24413— 2009 《铸造用酚脲烷树脂》。该标准将 铸造用酚脲烷树脂分为铸造用酚脲烷冷芯盒树脂和铸 造用酚脲烷自硬树脂两类。其中铸造用酚脲烷自硬树 脂按使用条件不同分为普通型和高强度型两类。铸造 用酚脲烷自硬树脂的理化性能指标中，组分I和组分II 的粘度分别为≤300 mPa ·s ( 20 ℃ )和≤50 mPa ·s ( 20 ℃ )；一级和二级的游离甲醛含量分别为≤0.3% 和≤0. 5%；  普通型和高强度型的24 h抗拉强度分别为 ≥1.8 MPa和≥2.0 MPa；发气量≤13.5 mL/g[1] 。

国内不少铸造厂应用此种工艺，  大批量生产铸铁 件、铸钢件和铝合金铸件，呈现投资省、效率高、见 效快及铸件质量好的特点。重庆发动机厂、四川柴油 机厂以及一汽、东风汽车等公司都已先后引进酚脲烷 树脂制芯设备和技术，应用于康明斯汽车发动机缸体 和缸盖以及斯太尔WD615柴油机机体砂型的生产中。 铸钢方面，国内数家铸造厂将酚尿烷自硬树脂砂用于 造型制芯，生产组合斗齿、炉厂的电站阀体等耐磨钢 铸件和不锈钢导流壳、泵体等，铸件尺寸精度高，表 面质量好；锆砂/酚尿烷自硬树脂砂用于复杂铝合金铸 型的造型，具有型腔轮廓清晰、反应速度快、起模时 不易粘砂、表面质量好等优点。多家厂家的生产经验证明，采用酚脲烷树脂砂的生产效率比呋喃树脂砂工 艺提高6~7倍；特别是铸钢件避免了裂纹缺陷[22-25] 。

该工艺用酚脲烷树脂有待进一步开发研究的是， 该树脂砂在混砂、造型、浇注及落砂等工序中会散发 有害气体。为此，须改进树脂合成工艺、选择合适的 溶剂，以减少或消除其有害气体的散发。

1.4   酯硬化碱性酚醛树脂砂

1.4.1    概述

酯硬化碱性酚醛树脂砂由英国Borden公司于1980 年开发，在1982年的英国铸钢研究和贸易协会年会上 介绍了该方法；   1984年该方法获得美国专利；   1987年 英国Borden公司就该法在日本申请了专利；同年还在 日本成立了群荣术デン (Borden)公司，致力于该法 的推广[2] 。

酯硬化碱性酚醛树脂砂用树脂为在强碱性催化条 件下由苯酚和甲醛缩合而成的碱性甲阶酚醛树脂水溶 液，固化剂为有机酯。该法最大特点是，酚醛树脂不 含氮、磷、硫等元素，发气量小；有机酯固化剂能直 接参与树脂的硬化反应，在室温下大部分碱性酚醛树 脂进行交联反应，在浇注时的热作用下，未交联的树 脂继续进行缩聚反应，即先表现出塑性，然后再转变 为具有较高强度的刚性，即为“二次硬化”。其特性 缓解了型芯由于砂子受热膨胀所产生的应力，特别适 合于薄壁铸钢件防止热裂缺陷。实践证明，采用碱性 酚醛树脂砂工艺是铸钢件生产的一场革命[1] 。

1.4.2   应用现状

我国碱性酚醛树脂砂工艺的应用始于20世纪90年 代后期。在当时国产碱性酚醛树脂的主要问题是针对 树脂常温强度低、粘度大、游离甲醛含量高、保质期 短、固化速度慢等。针对上述问题，国内的华中科技 大学、山东大学[26-28]等先后开展了树脂合成工艺参数及 其改性的研究；有机酯种类(三醋酸甘油酯、二醋酸 甘油酯、一醋酸甘油酯)对甲阶酚醛树脂交联反应的 催化动力学的研究以及有机酯加速碱性酚醛树脂凝胶 反应机理的研究等，这为碱性酚醛树脂砂在我国推广 应用起到了较大作用。

近10年来，碱性酚醛树脂粘结剂取得了较大进 步，如树脂粘度下降、粘结强度提高、游离甲醛含量 低等，这在行业标准JB/T11739— 2013《铸造用自硬碱 性酚醛树脂》中得到体现 [1] ，如树脂粘度150 mPa ·s ( 20 C )，一级和二级24 h抗拉强度分别为≥0.8 MPa 和≥0.5 MPa (树脂加入量 1.8% ，占原砂质量分数)， 一级和二级的游离甲醛含量分别为0. 1%和0.3%等。此 外，树脂存放保质期延长，旧砂再生率有所提高等。

酯硬化碱性酚醛树脂砂工艺适用性比较强，特 别适合于生产高、低合金钢铸件、结构较为复杂的高 质量的碳钢件等，如不锈钢叶轮、轴箱体类机车铸钢 件、石油机械铸钢件、低碳钢、合金钢高压阀门铸钢 件等。进入21世纪以来，碱性酚醛树脂砂陆续在广州 重型机器厂、德阳二重集团、太原重型机器厂、上海 宏钢电站设备铸锻有限公司等企业大型铸钢件的生产 中得到推广应用，并已成功地生产出汽轮机缸体、不 锈钢上冠及下环、  16 m3电铲履带板、主动轮4 m3电铲 齿尖、轧钢机架等重要铸件。如二重2007年用该工艺 为东电生产一套金安桥水电机组大型不锈钢上冠(钢 液总重210t)   ；  2008年又浇注一件超低碳特大型不锈 钢铸件—— 三峡转轮体上冠，钢液总重310t；  2008年 该厂为西南铝业生产一件4 300 mm粗轧机架铸件，钢 液总重达440t，这是目前国内用碱性酚醛树脂砂生产 的较大的铸钢件[29-33] 。

1.4.3   存在的问题

随着我国碱性酚醛树脂工艺相关原辅材料、设备 制造水平的不断提高，该工艺必将被越来越多的铸造 厂应用，将在提高我国铸件整体制造水平方面发挥重 要作用。碱性酚醛树脂砂工艺有待进一步研究的内容 如下[1] ：提高碱性酚醛树脂砂的常温强度，降低型芯砂 中树脂加入量；提高型芯砂的表面安定性。碱性酚醛 树脂砂的导热性比其他树脂砂还差，故须提高其导热 性；目前碱性酚醛树脂砂推广应用受到制约的一个重 要原因是其旧砂的再生回用尚不理想。因此，有必要 研究性价比高的碱性酚醛树脂旧砂再生回用工艺，提 高其再生效率。

1.5   三种自硬树脂砂的工艺特点

三种自硬树脂砂的工艺特点归纳于表 2[1 ，5] 。几 点说明：从树脂加入量来看，呋喃树脂是最低的，而 碱性酚醛树脂是最高的；参考三种树脂的行业标准， 从最终的比强度( MPa/1% )来看，呋喃树脂远远高 于碱性酚醛树脂。从可使时间和脱模时间的比值来 看，酚脲烷树脂自硬砂硬化时强度增长快，即该比值 最大的，达0.75~0.80，即造型制芯生产效率最高。从 高温热塑性或退让性来看，碱性酚醛树脂砂和酚脲烷 树脂砂均好于呋喃树脂砂，即铸钢件用自硬呋喃树脂 砂裂纹倾向最大。从有害气体排放来看，酸硬化的呋 喃树脂砂在造型、制芯时释放甲醛、糠醇等物质；在 浇注、清砂时可放出一氧化碳、硫化物、氨、苯酚等 多种物质，在浇注、清砂现场二氧化硫也经常超标； 胺硬化酚脲烷树脂砂：由于组分I 和组分Ⅱ都采用了 含苯、甲苯等芳香族溶剂，在造型、制芯特别是在浇注后在工作场地必然会产生一些挥发性有机化合物 ( VOCs)，有害大气污染物( HAPs)以及苯/甲苯 /二甲苯( BTX )等；而酯硬化碱性酚醛树脂砂：由 于是不含苯等芳香族的水溶性的碳水化合物，以及硫 和氮等有害的物质，  树脂中游离醛和游离酚的含量也 较低，造型、制芯的作业环境相对较好。从旧砂的再 生性能方面，呋喃树脂旧砂和酚脲烷树脂旧砂均可采 用热法或干法(机械法)再生，再生回用率≥90%或 90%~95%；而碱性酚醛树脂砂干法再生效果差(再生 回用率约70%)，湿法+热法再生串联组合法，或热法 +化学再生组合法，其再生回用率85%~90%，但就国内 整体水平来看，仍较低。

1.6   自硬树脂砂工艺应用展望

( 1 )充分发挥三种自硬树脂砂的优势和特点，形 成三种自硬树脂砂竞相发展的局面。

( 2 )开发出少污染和无污染的新的树脂品种，使 铸造过程挥发的有毒气体大幅度下降或完全消除。

( 3)树脂的性能将向加快固化速度、降低粘度、 增加抗吸湿性、提高常温强度和高温强韧性的方向发 展，树脂砂的品种将会更加多样化、系列化，以适应 于不同原砂、不同环境条件、不同合金材质、不同形 状铸件的特殊要求。

( 4 )为满足铸件“轻量化”的需求，开发专门用 于铝、镁合金的分解温度低、易溃散的树脂[1 ，5] 。

2   高效制芯用树脂砂

2.1   概述

纵观树脂砂的发展历程，乃至造型材料的发展 历程来看，几乎所有的新工艺均是最先在汽车铸件的 生产中得到应用，再推广到整个铸造行业。因此，汽 车工业的发展促进了铸造行业的发展和技术进步；汽 车铸件用造型材料代表了整个铸造行业最新最先进的 水平 [34] 。这是因为汽车铸件须满足“精确、一致、健 全、轻量、洁净和复杂”等诸多的技术和质量要求， 进而对汽车铸件用型(芯)砂的性能要求也更高：高 的常温和高温强度；硬化速度要快和抗湿性能好；表 面质量要求高，较高的尺寸精度；良好的出砂性能和 旧砂再生、回用性能；制芯、浇注和清理过程中的有 毒废气少。目前，汽车铸件(铸铁和铸铝)高效制芯 主要有三种工艺：热芯盒、覆膜砂壳法和三乙胺冷芯 盒制芯工艺。

2.2   壳法覆膜砂

2.2.1    国外发展应用概况

第二次世界大战期间的1940年，德国Johannes Carl Adolph Croning博士发明了用酚醛树脂作粘结剂的壳法 工艺，即采用覆膜砂制壳型(芯)，  1944年2月在德国 获得专利；   1947年该专利作为战利品被公开，从而为 铸造业提供了一种跨时代的新型造型工艺，受到全球 铸造工作者的普遍重视[2-3] 。美国《Modern Casting》杂志曾撰文说，“壳法是20世纪金属铸造史上最具革命 性的、且贡献最大的工艺技术之一” [35] 。目前，使用 覆膜砂不仅可以制造壳型、壳芯，也可制造实体砂芯。

覆膜砂制备工艺的发展历程见表3[36] 。

在国外，壳法工艺多用于生产精密铸件，被广泛 应用于世界各地(欧、美、日、俄等国家)的汽车、 拖拉机、内燃机和液压等行业复杂铸件( 1 - 2级复杂 砂芯)的生产中。其中日本壳法工艺的应用处于世界 领先水平 [37- 40] 。由于汽车工业的发展，覆膜砂制得的 壳型(芯)在日本高温、多湿的气候环境中有良好的 保存性，也易制作，故以湿型加覆膜砂壳芯为主的组 合造型制芯方法在日本最为普及；而作为壳型，有实 体型，横向、纵向叠箱壳型，铁型覆砂，有充填铁丸 或无充填铁丸的壳型等。其中覆膜砂壳型、壳芯的约 70％用于汽车行业。在日本，支撑壳法工艺的相关产 业(如壳型、壳芯制造商、覆膜砂制造商以及酚醛树 脂制造商等)以一种在其他国家所未见的独特规模进 行发展。其覆膜砂年消耗量达数百万吨以上，与其他 造型、制芯工艺(如气硬型冷芯盒及水溶性酚醛树脂 砂工艺等)相比，壳法工艺占有绝对领先的位置。值 得指出的是，目前球形陶瓷砂在铸造生产中已广泛应 用，而最先将球形陶瓷砂用于覆膜砂且最成功的就是 日本[41] 。

2.2.2   国内发展应用概况

在我国壳型法的研究应用比国外晚几年。  1956年 9月，由当时一机部机械院和清华大学等单位正式成立 壳型铸造研究小组，开始了壳型铸造工艺试验研究。 后来逐步有多家铸造厂家参与，包括一汽、二汽等都采用壳法生产发动机铸件砂芯[42-43] 。直至20世纪70年代 末，壳法研究应用进展不大，其主要原因是当时所用 树脂性能差，工艺研究不深入和缺少必要的设备，无 法完全满足铸造生产的需要。到20世纪80年代初，榆 次液压件厂从美国引进了威克士(Vickers)液压铸件 的生产工艺，开始与华中理工大学合作，对壳法用覆 膜砂展开了系统深入的研究，开发出碗形高效覆膜砂 混砂机；制订了覆膜砂的合理配方及混制工艺；从日 本引进了壳型机；优化了模具设计，使液压铸件的质 量上了一个新台阶，达到了当时的国际先进水平。随 后上海液压件厂等也引进了壳型线。这样，壳法的应 用在我国变得越来越广泛[36，44] 。

在20世纪80年代及90年代中后期，我国有关企业 引进了国外热塑性酚醛树脂的生产技术，以及国内相 关单位的自主开发，使部分树脂对壳法的适用性有明 显改善，质量和品种有了较大的改进，以及覆膜砂生 产由铸造厂自行混制转向专业厂生产，较先进覆膜设 备及工艺的采用，树脂加入量一般为占原砂质量分数 的1 . 8%~3. 0%，大大提高了覆膜砂的水平，对促进 壳芯、壳型和覆膜砂射芯工艺的发展起到了很大的 作用 [36] 。

21 世纪至今，覆膜砂工艺已广泛应用于汽车、 拖拉机、柴油机、机床、离心铸造、液压件及泵类等 行业，特别是近些年来，一些由传统的熔模铸造工艺 生产的铸钢铸铁件也逐渐被覆膜砂壳型(芯)工艺所 取代。覆膜砂已达到专业化、规模化、商品化、系列 化。其中覆膜砂品种逐步多样化，除普通覆膜砂外， 有高强度型、低发气低膨胀型、耐高温低膨胀低发气 型、高强度低发气、低气味或无氨(无氮)型覆膜砂 等，还有激冷覆膜砂、含抗脉纹剂的覆膜砂、湿态类 覆膜砂、非铁合金(铝合金)用易溃散覆膜砂、代替 熔模铸造工艺的耐高温铸钢用覆膜砂等品种，可满足 各种合金材质、生产条件的复杂铸件的生产要求[45-58] 。 已发布的三项标准是：  JB/T8583— 2008 《铸造用覆 膜砂》，本标准代替JB/T8583— 1997 《铸造用覆膜 砂》，  JB/T8834— 2013 《铸造覆膜砂用酚醛树脂》， 本标准代替JB/T8834— 2001 《铸造用壳型(芯)酚醛 树脂》和JB/T13039— 2017 《铸造用低氨覆膜砂》 [1] 。

2.3   热(温)芯盒法树脂砂

2.3.1    热芯盒法

热芯盒法一般指用呋喃树脂作粘结剂的芯砂在预 热到200~ 250 ℃的芯盒内成形、硬化到有起模强度后 取出，依靠砂芯的余热和硬化反应放出的热量使砂芯 内部继续硬化的制芯方法 [59] 。热芯盒法一般适用于截 面厚度小于50mm的砂芯。

热芯盒法在1960年前后起源于法国，后来陆续在 欧美等国家被逐步开发应用，其发展迅速，被认为是 20世纪60年代最先进的制芯方法。  20世纪60年代中后 期至70年代，美、英、德等国，先后开发出酚脲醛树 脂、脲醛树脂、酚醛呋喃树脂，用于热芯盒树脂砂铸 铁件的生产；同时还开发出铸钢件用的不含氮的酚醛 热芯盒树脂和糠醇甲醛树脂等。

国内热芯盒法约在20世纪60年代中期开始在大批 量生产的汽车、拖拉机铸件上应用 [60- 66] 。1966年，第 一汽车厂对热芯盒法试验成功并用于生产，取代了古 老的手工油砂制芯工艺。自20世纪70年代中期至90年 代末，国内以第一汽车厂为首的多家铸造企业与化工 企业合作，开发了多款热芯盒用粘结剂，其中有代表 性的主要是呋喃I型(糠醇脲醛树脂)和呋喃Ⅱ型(糠 醇酚醛树脂)。呋喃I型树脂，采用含氮量高( ＞5％ ~13. 5％ )的脲醛呋喃树脂，用氯化铵水溶液作固化 剂。而呋喃Ⅱ型树脂，采用糖醇改性的碱性水溶液甲 阶酚醛树脂，用苯磺酸的饱和水溶液作固化剂，其因 树脂和固化剂都不含氮或只含微量氮，可用于球铁和 铸钢件。由中国一汽、沈阳铸造研究所牵头，联合国 内数家化工企业及铸造企业，  先后制定了JB3828— 1984 《铸造用糠醇脲醛醛Ⅰ型树脂》行业标准和JB/ T3828— 1999 《铸造用热芯盒树脂》行业标准，时隔 14 年后，又发布了其修订版：  JB/T3823— 2013 《铸造用 热芯盒树脂》。

2013年宁夏共享化工公司[67]介绍了一种新型低氮 苯酚改性热芯盒呋喃树脂的生产方法，改善了目前行 业中热芯盒树脂普遍存在的游离甲醛含量高、砂芯强 度低、抗湿性差等问题。合成出的热芯盒树脂具有氮 含量低( 2%)、砂芯强度高( 2.98 MPa)、抗湿性好 等特点。

目前热芯盒用树脂主要为中、低含氮量的由脲醛 或苯酚改性的呋喃树脂，氮含量低( 2%~4%)，粘度 一般＜200 mPa · s、游离甲醛含量低( 0. 15% )、具 有砂芯强度高和抗湿性好等特点。与其配套的固化剂 通常使用磺酸类水基固化剂，为适用不同季节的生 产，国内也有多个品种。到一定温度时，可强烈地 释放出酸性物质，使树脂固化。该类固化剂具有硬 化速度快、芯砂的可使用时间较长、砂芯强度高等 特点 [1] 。

热芯盒制芯有以下优点：芯砂硬化快，  其生产率 是壳芯的2~3倍；砂芯硬化后取出，尺寸精度高，能 制造Ⅱ级~Ⅲ级砂芯；热芯盒砂中树脂的加入量少， 故热芯盒砂的成本低；混砂设备简单，设备投资成本 低，有利于中小型铸造厂家采用。此外，热芯比壳芯 具有更好的溃散性，有利于铸件的清砂。

2.3.2   温芯盒法

温芯盒法( Warm box process)于1978年美国QO 化学制品公司开发成功 [68] ，用以取代某些工厂原来采 用的热芯盒法、壳法，甚至冷芯盒法制芯。温芯盒法 (芯盒加热温度范围在150~220 C ，其中日本和欧洲 为 150~170 C ，而美国为了提高制芯效率，通常采用 200~220 C )是热芯盒法的改进，它克服了热芯盒存在 的缺点，如芯盒加热温度高，耗能多，芯盒变形大； 从制芯工位散发到工作环境中的有害气体如甲醛、苯 酚、糠醇、氨异常超过极限值，工人劳动条件差；砂 芯易产生局部过烧，砂芯从芯盒中取出后在硬化期内 变形量大等。同时，温芯盒法又可继续沿用原来的热 芯盒射芯机，无需设备投资，不改变原有的生产工序 和工艺流程。

温芯盒法的研究方向主要有两种 [69]，  一是普通 的温芯盒，只改变树脂和催化剂，不增添任何设备； 另一种是将温芯盒与其他工艺结合起来(如辅以真空 的温芯盒法)。其中作为普通温芯盒法所用粘结剂有 呋喃树脂、酚醛树脂和聚丙烯酸盐树脂等，其中以呋 喃树脂为基作粘结剂的最普遍，配套一种新的催化剂 (固化剂)，即为氯化铜的水溶液或醇溶液，其在常 温非常稳定，  80~120 C开始分解，   150 C以上完全分 解。硬化后的砂芯热强度高，不需二次烘干，吸湿性 大大改善。催化剂用量为树脂的20%~30%。但其致命 的缺点是成本非常高，而且铜属战略物资，其稳定的 供应受多方面的影响，因此推广受到限制。

总的来看，温芯盒工艺在我国研究及应用较少， 也较晚。国内最早开始研究温芯盒法是在20世纪90年 代，华中科技大学(原华中理工大学) [70-71] 以高糠醇呋 喃树脂作粘结剂，不采用贵重的铜盐，而选用价廉的 磷酸盐作固化剂，该固化剂具有双重功能，即受热时 一方面能催化呋喃树脂快速硬化；另一方面固化剂本 身能聚合，对树脂膜粘结桥起一定补强作用，从而可 以降低芯砂中树脂用量。在芯盒温度150 C、加热40s 的条件下，制得砂芯性能良好，可取代传统的热芯盒 法用于批量砂芯的生产。

东风汽车公司铸造二厂 [72] 在实验室条件下的试验 结果表明，采用热芯盒法所用的呋喃- Ⅰ型树脂为粘结 剂，加入量为2. 5%，和采用自行开发的两种非铜盐催 化剂( L盐水溶液与S盐水溶液)，在180 C情况下都有 较好的固化效果，比当时所用热芯盒法的芯盒温度可 降低30~50C，芯砂的热态强度和常温强度均超过工艺 规程上对热芯盒砂的性能要求。

进入21世纪，国内尚未见到温芯盒工艺研究及应 用的报道。直到2016年和2017年，沈阳工业大学[73- 74] 先后介绍其开发的含氮量为3.0%和为2.0%的改性温芯盒呋喃树脂；在此基础上，开发了一种含磷酸盐的复 合固化剂。当芯盒温度为200C，加热时问为40s，树 脂加入量为原砂的2. 5%，特制复合固化剂加入为树脂 的20% 的情况下，芯砂的常温抗拉强度可分别达到 3.05 MPa和3.23 MPa，能够满足铸造生产的要求。

2020年，济南圣泉集团股份有限公司 [75]推出了一 种新型温芯盒树脂，其游离甲醛含量≤0. 5%，粘度 40 mPa.s，混砂均匀性好；  在树脂加入量 1. 4%、固化 剂加入量0. 49%和添加剂加入量0. 1%时，热拉强度 ≥0.8 MPa，常拉强度≥2.0 MPa，730 C时砂芯的发气 量 10 mL/g。使用情况表明，芯盒温度比热芯盒低 50  C左右(通常在 180~230 C )，发气量和VOC值 低；用于缸盖进排气道砂芯、缸盖水套芯铸件，芯砂 溃散性好。

2.4   冷芯盒法树脂砂

冷芯盒法是指借助于气体或气雾催化或硬化，在 室温下瞬时成形的树脂砂制芯工艺。该工艺大致可分 为：  三乙胺法；  SO2法(包括呋喃/SO2法，  环氧树脂/ SO2法，酚醛树脂/SO2法，自由基法(FRC)等)；各 种低毒气体硬化法等[2] 。

2.4.1    三乙胺冷芯盒法

三乙胺冷芯盒工艺，即The Phenolic Urethane Amine Cold Box Process，简称PUCB法，是最早的有机 粘结剂冷芯盒工艺。  PUCB法粘结剂包括两部分：组分 Ⅰ为酚醛树脂，组分Ⅱ为聚异氰酸酯。催化剂有三乙 胺(TEA)，二甲基乙胺(DMEA)，异丙基乙胺和三 甲胺(TMA)。其中因三乙胺价格便宜，故应用较普 遍。三乙胺法用干燥的压缩空气、二氧化碳或氮气作 为液胺的载体气体，稀释到约5%浓度。制芯工艺的一 般过程为：将混好的树脂砂吹入芯盒，然后向芯盒中

吹入催化剂气雾(压力0. 14~0.2 MPa)，使砂芯硬化成 形。尾气通过洗涤塔加以吸收[1] 。

PUCB工艺应用初期，存在的问题比较多。整套设 备结构复杂，成本高；对原材料要求苛刻；砂芯的存 放性差；热性能不足；树脂粘模等。这些因素一定程 度上制约了冷芯盒工艺的推广和应用。  20世纪80年代 以来，国外从材料、设备等诸多方面对其不断进行研 究完善，使该技术取得了飞速发展。在所有冷芯盒工 艺中，其比率达85%以上。如西德奔驰、美国福特、法 国雪铁龙等大型汽车厂均广泛采用这种工艺，占其制 芯总量的90%以上。在英、美等国，应用冷芯盒工艺已 超过44%，而德国已达57%。由于该技术的不断完善发 展，在制芯领域应用越来越多[76] 。

在我国，PUCB工艺的研究始于20世纪70年代末，距Ashland公司推出该工艺相隔10年左右的时间。原农 机部将冷芯盒技术列入攻关项目。在当时的无原材料 供应和专用设备的条件下，第一拖拉机厂[77-78]在有关单 位的协助下，经过两年多的试验，取得了一些成果。 第一拖拉机厂于1980年下半年开始进行665汽车和60拖 拉机发动机缸盖进气道等六种砂芯的生产性试验，其 中665汽车缸盖进气道从1982年初已投入生产。

与此同时，为适应我国汽车工业发展的需要， 1985年常州合成化工总厂有机化工厂与长春第一汽车 制造厂同步引进美国Ashland化学公司专利技术，并在 常州有机化工厂生产其专利产品，其中包括冷芯盒树 脂等七种系列产品，已用于现场制芯 [79] 。这为PUCB 工艺在我国的推广应用迈出了最为关键的第一步。随 后，  国内相关汽车、拖拉机厂又相继从美国B · P公司、 德国hottinger公司引进了全套及部分冷芯盒工艺的专门 工艺装备。从此，  PUCB制芯技术正式在我国进入生产 使用阶段[80] 。

上柴公司 [81]是继一汽和一拖之后第三家应用冷芯 盒制芯技术的厂家，在上柴铸造分公司第二铸造车间 内，缸盖水套等复杂砂芯全部采用冷芯盒制芯技术， 砂芯重量为0.3~60 kg，砂芯壁厚从3~170mm，最小壁 厚仅为3mm，砂芯废品率及缸盖废品率大幅度下降。

到20世纪80年代后期至90年代初，因冷芯盒专 用设备国产化率低而进口设备昂贵，树脂品种来源及 质量严重滞后，树脂砂强度低和抗吸湿性差，冷芯盒 工艺管理及过程控制人才缺乏，以及三乙胺的毒性等 问题都在不同程度上限制了冷芯盒在我国的进一步发 展，故从1995— 2000年前后，冷芯盒制芯技术进入了 调整期[80] 。

进入21世纪，受国外冷芯盒技术应用成功的鼓 舞，随着国产树脂品种和质量的逐渐提高，制芯设备 的不断引进和设备国产化率的提高，以此为基础的冷 芯盒工艺研究再次活跃起来。在2000年前，国内PUCB 用树脂只有常州有机化工厂独家供应。  2000年后，除 常州有机化工厂外，苏州兴业、济南圣泉等公司相继 研发生产三乙胺冷芯盒树脂，在三乙胺冷芯盒树脂的 合成技术上取得突破性进展[82-84] 。至今不断改进树脂产 品性能，以满足不同铸造厂家的需求。国内三乙胺冷 芯盒树脂的性能与进口的差距逐渐缩小，主要性能指 标已经达到进口树脂水平，部分性能指标已超越进口 树脂水平[85] 。已发布的行业标准有：  JB/T11738— 2013 《铸造用三乙胺冷芯盒法树脂》 [1] 。

经过10多年的努力，在2010— 2015年前后，  PUCB 法从树脂砂射芯的技术装备、工艺流程、硬化原理、 原材料要求、射芯的工艺控制、设备(模具)选型、 尾气治理、生产应用等方面进行了全方位的研究应用，目前在我国已趋成熟[86-92] 。

2.4.2   SO2冷芯盒法

SO2吹气硬化冷芯盒制芯法是继三乙胺法之后开发 的一种优质、高效、低能耗的制芯技术[2-3] 。20世纪70 年代初，由法国Sapic公司发明，   1971年在法国获得专 利。  1978年，由美国进一步完善其工艺，并制出样机 应用于生产，此后便得到飞速发展。至80年代中期， 美国已有70多家铸造厂采用此制芯工艺，全世界也有 数百家工厂应用。  SO2冷芯盒法，按照硬化机理分为两 种：一种是法国Sapic公司的Hardox法和美国Ashland公 司的FRC法。其中Hardox法是基于酸催化呋喃树脂硬化 的原理而研制成的一种新型的制芯方法。它不像自硬 法常用的在砂中直接加入酸催化剂，而只加入含过氧 化物的活化剂。当吹SO2气体通过芯砂时就与过氧化物 释放出来的新生态氧反应生成SO3 ，SO3溶于粘结剂的 水分之中生成硫酸，催化树脂，使之迅速发生放热缩 聚反应，导致砂芯瞬时硬化。

SO2冷芯盒制芯法的特点是：  SO2气体的扩散速 度比空气快30倍，比CO2和胺气快5倍，芯砂的流动性 好，硬化速度快，脱模后 1 h内强度可达终强度的85％ ~95％，生产率高；芯砂可使时间长(可达7h)；砂芯 热强度高，使得铸件的尺寸精度和表面质量均高于三 乙胺法；砂芯存放对环境温度、湿度敏感性小；发气 量低，约为三乙胺法的1/2，浇注时烟雾气味小；落砂 性优良，对铝、镁合金也极易出砂。

在国内，对SO2冷芯盒制芯工艺研究起步并不晚， 华中科技大学(原华中工学院、华中理工大学) [93- 94] 冷芯盒课题组率先于1976年开始探索该项技术，至20 世纪80年代中期，该校在SO2吹气冷芯盒法用材料、工 艺及设备方面做了大量基础研究，包括原砂处理、树 脂粘结剂、过氧化物、制芯工艺及设备，以及尾气吸 收设备等关健技术进行了系统的研究，解决了生产应 用中的问题，取得了多项成果。  1983年通过实验室鉴 定，认为其SO2制芯技术成果已接近和达到美、英资料 报导中的先进水平。

随后国内很多大专院校、研究单位、化工企业[95- 100] 均成立了专门的研究机构，进行深入研究。当时在华 中科技大学的主导下，先后有济南铸锻机械研究所、 重庆铸机厂、苏州铸机厂等与有关铸造厂通力合作， 已形成SO2制芯所需的从原砂处理开始到芯砂混制、射 芯设备及尾气净化设备的制造能力，并已有效地供应 市场。已有数十家铸造厂(车间)应用SO2制芯工艺， 有几家己达相当的规模。已成功地将SO2法用于泵类、 液压件、汽油机及柴油机等铸铁、铸钢及非铁合金铸 件的生产。

SO2法的缺点也很明显，主要有：①树脂中游离 糠醇汽化，易使砂芯表面结垢；②SO2的腐蚀性很强， 低碳钢芯盒用于砂芯大量生产时，锈蚀是一个严重问 题；③所用SO2有毒，难闻，吹气系统必须密封，对残 余的气体要收集处理。

国外的SO2法研究较少，技术发展较慢，国内的研 究对于工艺及设备的难点问题未能取得突破，使SO2法 固有的缺陷没有得到根本的改善，因此进入20世纪90 年代中期，对SO2冷芯盒工艺的研究逐渐减少。目前， 苏州兴业公司生产低浓度SO2冷芯盒法树脂，树脂加入 总量1.2%~2.0% (占原砂质量的百分比) [1] 。

2.5   三种制芯工艺的特点及展望

2.5.1    三种制芯工艺的特点

目前，壳法、热芯盒法和三乙胺冷芯盒法均为 成熟的制芯工艺。会在今后一段时间或较长时间内共 存。三种制芯工艺的特点总结归纳于表4。

三种制芯工艺均有各自的特点，  采用何种制芯工 艺也受砂芯特点的影响。通常长而细小的砂芯，如炮 筒芯、进排气管芯和一些复杂的组合砂芯，以及要求 铸件表面光洁度高的砂芯可选用壳芯，而厚大砂芯可 做成中空的壳芯；对精度要求高、断面较厚的砂芯， 如曲轴箱缸筒芯、减速器芯可选用冷芯盒法制芯；对 断面较粗而又要求高温强度的砂芯、复杂而细薄断面 的水套等砂芯，可选用热芯盒砂芯，尤其是中小铸造 企业，其经济效益较高，目前在铸造生产中广泛应 用 [101] 。

2.5.2   展望

( 1 )从节约能源、改善工作条件和提高砂芯精 度的角度，当今铸造行业制芯工艺的发展方向应是由 高温制芯向低温、常温制芯的方向发展，这一发展趋 势不可逆转。目前，虽然温芯盒法制芯在我国应用 较少，但温芯盒法优点明显，即制芯过程中甲醛气味 显著减少，没有苯酚气味，改善环境；芯砂的流动性 好；砂芯尺寸稳定、密度均匀、变形小、吸湿性和发 气性小、存放性好；节省能源、降低成本等。随着我 国工艺技术的不断进步、树脂及固化剂品种及质量的 不断提高，温芯盒法制芯工艺将会更完善，并能在铸 造生产中逐步推广应用，最终取代热芯盒法。

( 2 )生产实践表明，   目前在覆膜砂壳法、热芯 盒法和三乙胺冷芯盒法三大制芯工艺中，覆膜砂壳法 所显现的综合性能是较好的，故在冷芯盒法的一些劣 势尚未突破的情况下，预计今后一段时间或较长时间 内，覆膜砂壳法仍和冷芯盒法共存。对壳法用覆膜砂 的展望是：国内覆膜砂在大类细分下的品种规格仍太少，不能满足某些铸造工艺及合金材质铸造的需要。 故应根据铸件种类和铸造工艺要求等开发多系列多品 种的覆膜砂；开发价格低廉的覆膜砂用原砂、多品种 的覆膜砂用树脂以及各种添加物，制成具有特殊性能 的系列壳型(芯)覆膜砂，以适应不同覆膜砂性能的 要求。

( 3)三乙胺冷芯盒工艺虽然带来了环境污染、设 备投资大和铸造缺陷多等方面的问题，但仍有很大的 应用优势和潜力，其将逐渐取代热芯盒法，与世界先 进国家的制芯工艺发展趋势同步。为减少三乙胺冷芯 盒法对环境的污染，开发和改进树脂品种，改进吹气 工艺和尾气净化装置，使三乙胺的排放量控制在工业 卫生排放标准范围内；进一步提高三乙胺冷芯盒法树 脂砂的抗吸湿性。

( 4 )目前尽管三乙胺冷芯盒工艺在冷芯盒市场 占有很大的优势，但SO2法曾在我国冷芯盒制芯生产中 发挥了很大作用。  SO2法由于对环境及呋喃树脂及催化 剂等原材料的敏感性小，其某些工艺性能、特别是芯 砂高强度、高硬化速度和卓越的抗湿性等具有三乙胺 法无法替代的优势和发展潜力。加强SO2法制芯用原材 料及工艺，特别是设备防腐性及吹气系统的密闭性研 究，加大环保设备的投资，在我国铸造行业走出一条 推广SO2冷芯盒工艺的新路子。

3   树脂砂造型及制芯装备

3.1   自硬树脂砂造型装备

从环保、低碳、节能角度来看，  树脂自硬砂工艺 应用前景广阔。自硬树脂砂特别适合于单件和中、小 批量的中、大型铸件的生产，机床、矿山、重型、石 油、造船和通用等机械行业的铸造厂，只需配备相对 简单的设备即可组成机械化生产。

我国自硬树脂砂造型设备经历了引进、吸收消化 到自主研发的过程[102- 103] 。我国自1983年沈阳水泵厂率 先引进日本大洋铸机树脂砂设备以来，至1995年底， 全国112个单位分别从日本、德国、美国、瑞士、意大 利等7个国家进口了122套树脂砂设备和生产线(不包 括制芯设备)。自20世纪80年代初到90年代后期，我 国自硬树脂砂设备引进大致可分为以下三个阶段：第 一阶段是20世纪80年代初的第一次引进，主要集中在 东北、西北工业基地，涉及机床、重型、通用行业。 引进设备主要以日本大洋铸机为主，设备主要以连续 式高速混砂机、碗形混砂机和四合一机械再生系统 为主。其中也配有输送辊道、翻转起模机等造型生产 线。第二个阶段大体在20世纪80年代末、  90年代初。 随着树脂砂工艺的应用和推广，树脂砂设备的需求也 在增加，这一时期，以德国ECO公司为主的欧洲设备 占领了中国市场。使用厂家主要集中在上海和江苏地区，涉及纺机、机床、造船等行业。第三阶段发生在 20世纪90年代初，以开封高压阀门厂于1993年进口意 大利IMF公司的树脂砂脱箱造型线为起点，在短短的 两三年之内，  IMF公司迅速占领了中国自硬树脂砂市 场，用户已达30多家，遍及全国各地，分布在通用、 汽车、造船、军工、工程机械等行业。直到后来的 10 多年，  IMF 公司的造型等设备仍受中国铸造企业关 注和青睐，  比如属IMF 设备尖端产品的 100 t/h高度 可调混砂机，其可根据现场生产要求对出砂口高度 进行调整，配有用户可以调整的粘结剂流量控制系 统、固化时间控制系统、电磁驱动泵以及电子程序 结构等 [104- 105] 。

据不完全统计，  2011年之前，我国引进自硬树脂 砂线100条，国产树脂砂线2 500条，  2011— 2014年四年 间我国又装备了树脂砂线838条，到2014年底，我国共 有树脂砂生产线3 438条[18] 。我国国产自硬砂装备和生 产线己经占据了国内绝大部分市场，而且继续以其在 满足工艺和生产要求前提下的经济性、服务及时、备 件方便等优势，保持着稳步发展。

随着树脂砂应用的不断扩大和技术进步，国内 自硬砂铸造装备的发展应用已大大超过国外，推动了 国内自硬砂工艺技术的全面提升 [106- 109] 。目前，我国 自硬砂造型设备的制造水平基本与世界发达国家水平 相当。国产自硬树脂砂所需的成套设备日趋齐全和完 善，具有自主知识产权的世界上最大吨位的100t/h移动 式连续混砂机己经开发制造出来，并投入市场，其他 大吨位振实台、大吨位的四导柱翻转起模机、液压全 自动合箱机组、有箱或无箱合箱机械手、大型涂料流 涂机，以及包括自动化控制系统等在内的机械化、自 动化铸造生产线几乎遍地开花。设备的成套性、可靠 性都较好，成套设备的组成大致相同，用户可根据各 自的生产需要，选择成套设备的组成。

随着行业对大型化、自动化(智能化)、绿色 化要求的提高，开始提出用数字模拟仿真技术对大型 连续式混砂机混砂过程参数，如原砂粒度及温度、环 境温度自动调节树脂及固化剂的加入量等对树脂砂强 度、可使时间/脱模时间等性能进行数字模拟；同时将 准时化(just in time)概念引入自硬砂造型的生产管 理，赋予自硬砂铸造工艺、设备和管理的新智能化的 内涵。目前，自硬树脂砂造型设备出现80~100t/h等级 连续式混砂机、  100 t级震实台以及起模机，同时设备 具备与车间MES接口功能，为实现数字化生产提供了 接口条件[110] 。

我国树脂砂造型设备的主要企业有：无锡锡南铸 造机械股份有限公司、济南二机床铸造有限公司、双 星漯河中原机械有限公司、青岛盛美机械有限公司等。

3.2   树脂砂制芯装备

3.2.1    概述

制芯设备是随着树脂砂硬化工艺的进步而发展 的，制芯设备对于提升铸件质量和生产率具有举足轻 重的作用。据有关铸件生产数据统计，由于砂芯质量 (主要有强度、完整性、透气性、均匀性)造成的铸 件废品率均值在2. 5%以上，国内制芯设备的制芯废品 率约5% 。

目前，国内汽车铸造厂树脂砂制芯有3种制芯工 艺，如缸体生产所用砂芯如水套砂芯、曲轴箱砂芯、 缸筒与顶端砂芯、前后端面砂芯等依各厂条件不同， 分别采用三乙胺冷芯盒制芯、热芯盒制芯或覆膜壳芯 制芯。其中热芯盒制芯和覆膜壳芯制芯用设备价格低 廉，且适用于小件铸件的生产，在国内众多小规模铸 造企业使用较为普遍。国产热芯设备有单工位、两工 位、四工位等，壳芯设备有K763/874壳芯机等，可满 足复杂、薄壁、高精度铸件对砂芯质量的要求。

3.2.2   制芯中心自动化

最先进的树脂砂制芯工艺是采用三乙胺冷芯盒结 合锁芯( Key Core)技术的制芯中心[109， 111] ，整个射 芯、取芯、修整毛刺、多个砂芯定位组合成一体、上 涂料、烘干等工序，全部用一台或多台制芯机与机器 人完成。采用计算机控制的“制芯中心”使全部制芯 过程实现自动化，铸件尺寸精度可大大提高，总体尺 寸误差不超过0.3mm。其中射芯机以垂直分型为主， 有二开模、四开模，且为了减少原砂用量，砂芯都采 用抽芯工艺，从而减少约10%~15%的用砂量，生产率 可达50盒//h。整个中心配备快换芯盒装置，  芯盒更换 时间≤5min。还设置集中供氨和涂料搅拌系统。混砂 机树脂定量精度≤1%，原砂定量精度≤1%。为了弥补 制芯和造型的不匹配，在造型和制芯工序中间设置立 体仓库，砂芯从制芯到下芯全部采用自动化运输。目 前，国内较多厂家选用制芯中心生产砂芯，如东风汽 车铸造厂、一汽铸造公司、上海圣德曼铸造公司、华 东泰克西、上海柴油机、一拖第二铸铁厂、潍柴、江 西五十铃等。

目前，树脂砂制芯设备的控制技术只能满足自动 化生产的基本需求 [112] ，还未达到制芯数据智能控制 的水平，整个制芯过程受外部条件(如环境温度及湿 度、原砂温度、物料定量、称重精度等、制芯过程控 制(如机构运动、射砂、吹气过程等)因素的影响很 大。要实现智能化制芯，必须对以上各因素进行精确 的数据检测和信息反馈，并结合制芯工艺数据库实施 制芯过程参数的实时修正，以提升制芯设备的智能化 水平。

3.2.3   制芯中心数字化信息化尝试

据统计，我国大多数发动机企业缸体铸造生产流 程都能实现全线自动化，但缸盖由于其复杂性，所组 成的砂芯品种多且不规则，制芯工部只能实现半自动 化，搬运、组芯、浸涂以及输送等都靠手工操作；过 程数据基本由人工采集，没有形成系统化，生产效率 低下，产品质量不受控。为此，广西玉柴缸盖铸造车 间缸盖制芯中心尝试开展信息化技术的建设[113] ，应用 PROFINET技术( PROFINET是新一代基于工业以太网 技术的自动化总线标准，其为自动化通信领域提供了 一个完整的网络解决方案)将制芯机、机器人、输送 辊道组成一个信息网络，使用RFID [ RFID是一种射频 识别技术，它使用射频电磁波通过空间藕合在阅读器 上进行识别、分类和跟踪的移动物品(物品上附着有 RFID标签)之间实现无接触信息传递并通过所传递的 信息达到识别目的]为信息载体，采用35台机器人， 实现砂芯信息自动识别、设备工艺智能切换、组芯判 别纠错、凸台高度检测等信息化作业，可适应10种以 上不同机型缸盖生产。车间生产流程全部实现自动 化，尤其是制芯中心所有工序在辊道线体上完成砂芯 组装、涂胶、浸涂、钻孔、刻铸号、下芯等，实现流 水线自动化作业。虽然玉柴缸盖制芯中心应用了一些 较为先进的设备工艺，不仅实现了自动化，而且实现 信息化作业，但与国外先进铸造企业相比还有较大差 距，如沃尔沃缸盖铸造已实现中央控制全线自动化， 甚至实现远程监控生产流程。未来铸造设备将走向智 能化趋势，如视觉系统智能判断砂芯质量、与ERP订单 系统对接智能生产、智能监控设备故障等。

3.2.4   无机粘结剂砂制芯设备

与树脂砂等有机粘结剂砂工艺相比，无机粘结剂 砂制芯工艺由于在制芯过程中具有不排放或很少排放 VOCs有机污染物的优点，可以实现绿色环保生产，改 善铸造生产环境。近20年来国内外无机粘结剂砂制芯 工艺得到了行业的重视，加大了研发投入和应用。国 外欧洲汽车零部件铝合金铸造企业最先开始部分应用 无机粘结剂砂制芯工艺。随后国内少数铝合金铸造企 业也开始部分地试用无机粘结剂砂制芯工艺。实践表 明，无机粘结剂砂流动性差，对混砂及制芯设备的要 求大大高于树脂冷芯盒制芯工艺装备，目前无机粘结 剂砂工艺的应用范围局限大，且不够成熟[4] 。

总的来看，我国虽与国外发达国家树脂砂制芯 设备在运行可靠性等方面仍存在距离，但现在差距已 大大缩小。目前，国内铸造厂除机器人制芯中心仍以 选购国外设备为主外，其余制芯设备基本选购国内制 芯设备生产厂家的产品。目前，在我国树脂砂制芯装备市场的国内外主要企业有：  Laempe Mssner GmbH (兰佩)、  Loramendi S.Coop. (洛拉门迪)、苏州明志 科技有限公司、苏州苏铸成套装备制造有限公司、河 北欧耐机械模具股份有限公司、苏州三信机器制造有 限公司、无锡大山机械有限公司等[4] 。

4   树脂旧砂再生

4.1   概述 [114]

浇注后的旧砂是铸造生产中最大量的排放物，我 国每年废旧砂的总生成量达4 000多万t。铸造旧砂分 为两类：单一铸造旧砂，即湿型旧砂、水玻璃旧砂、 各类树脂旧砂等；混合铸造旧砂，即含树脂芯砂的 湿型混合旧砂和含碱性酚醛树脂砂的水玻璃旧砂等。 废旧砂的种类和毒性日趋增加和加剧，如含树脂芯砂 的湿型混合旧砂中含有酚、醛、胺、苯、甲苯、二甲 苯等芳香烃物质；水玻璃自硬砂和树脂自硬砂的单一 旧砂中，除了含有上述有机有害物质外，还含有无机 的钾、钠等强碱物质，对土壤和水源都会产生严重的 污染。然而，我国部分铸造企业未能按照国家相关环 保要求进行处置，而是随意抛弃排放，甚至混进城镇 生活垃圾中或与其他工业固体废弃物中随意排放，铸 造废旧砂的随意排放将会对环境造成较严重的威胁。 因此，提高铸造旧砂的再生水平，减少排放，刻不容 缓。

近年来，我国废砂处理和旧砂再生技术应用方面 取得了很大的进步，旧砂再生设备从单工序处理向多 功能一体化综合、多工序化发展，从铸造厂内再生回 用到专业化综合流动再生及向外部其他工业部门有效 利用。旧砂再生不再是孤立的，而是绿色铸造、环境 保护的一部分，成为铸造可持续发展战略的不可缺少 的一环。

以自硬树脂砂再生应用最为普遍，旧砂再生已成 为自硬树脂砂生产线不可分割的一部分。几乎所有的 自硬树脂砂生产企业均将自硬树脂砂经干法或热法再 生后用于树脂砂的造型和制芯，部分企业通过再生旧 砂可全部或部分代替新砂使用。单一的覆膜砂旧砂也 基本采用热法再生后回用。

4.2   自硬树脂旧砂的再生

4.2.1    自硬呋喃树脂旧砂和酚脲烷树脂旧砂的再生

研究及实践表明，自硬呋喃树脂旧砂和酚脲烷树 脂旧砂采用干法再生可以获得满意的再生效果，实现 循环使用，也可以采用热法再生。目前，常用机械干 法再生或机械-热法再生自硬呋喃树脂旧砂和酚脲烷树 脂旧砂，技术较为成熟[1] 。

国内广西兰科资源再生利用有限公司的再生工艺[114] ：机械&热法再生并列组合工艺，只选择热法再 生，投资成本和运行成本较高；并列组合工艺，高质 量的再生砂，节约40%的投资和80%热能消耗成本。采 用机械和热法并列组合再生工艺的再生砂，灼减量指 标虽然比新砂高，但再生砂粘结强度高，在同等强度 条件下，可减少树脂加入量，型砂的灼减量反而低于 新砂混制的型砂。

4.2.2   碱性酚醛树脂旧砂再生

酯硬化碱性酚醛树脂旧砂被认为是一种再生回 用难度较大的旧砂，且至今未得到较好解决。究其原 因：由于常温下碱性酚醛树脂砂旧砂砂粒表面的树脂 膜具有一定的韧性(特别是其中含水量＞ 1.0%时)， 很难用干法机械再生去除；碱性酚醛树脂旧砂砂粒表 面上树脂膜中残留有少量K (360 C左右熔化，  1 320 C后 气化)，很难用一般高温( 800~900 C )热法再生工艺 将其全部除去。残留K存在于再生砂中，与石英砂形成 硅酸钾，覆盖于砂粒表面，  K还与树脂的分解产物O2 、 CO和CO2等作用生成碳酸钾等，其无机化合物的存在 会严重降低再生砂粘结强度和抗湿能力[1] 。

热法+化学再生组合法：英国Borden公司在普通热 法的基础上，研制成功一种提高附着力的添加剂Alpha beta Max500，并将其称之为新型热法。这种热法用添 加剂为液体，加入量为型砂质量的0. 1%~0.3%。使用效 果表明，再生砂的回用率由70%提高到85%~90%。当 型砂的再生砂用量较高时，这种添加剂尤其能够明显 地提高型芯和铸型的强度。国内也有类似再生方法的 应用案例，如四川某铸造厂从英国引入第一条树脂砂 生产线，其碱性酚醛树脂旧砂，采用干法其再生率仅 70%，济南圣泉集团股份有限公司提出化学法+热法复 合工艺对其进行旧砂再生，实现碱性树脂砂工艺再生 砂回用率达到90%以上要求[115] 。

国内某生产铸钢件的铸造企业，  碱性酚醛树脂旧 砂为 12万t/年。再生砂技术要求：能单独作为面(芯)  砂使用。如只选择机械再生，韧性树脂膜和K 、Na等无 机盐类难以去除；热法串联机械再生，  K 、Na无机盐难 以去除，  收得率≤70%。国内广西兰科资源再生利用有 限公司的再生工艺，湿法+热法再生串联组合工艺，得 到高质量的再生砂，高收得率≥90%，成本合理。碱性 酚醛树脂再生砂的各项指标优于新砂和铸造厂经机械 再生后回用的旧砂。

4.3   含树脂芯砂湿型混合旧砂的再生

4.3.1    湿型混合旧砂的特点

湿砂型是以膨润土为粘结剂，加煤粉或少量淀粉 类物质和水混制而成，故也称湿型砂型。以汽车行业所用的湿型铸造所用砂芯则基本上都是树脂砂芯，如 壳芯、热芯盒芯、三乙胺冷芯盒芯等。浇注后落砂的 旧砂中是混有树脂砂芯的湿型砂。这种混合旧砂中， 既有芯砂表面附着的树脂膜，又有湿型砂中的煤粉和 砂表面的死湿型膜。

4.3.2   湿型旧砂再生方法

目前，在生产中应用的再生方法主要有“热-机械 联合再生法”和“湿法&热法并联再生组合工艺”。其 中“热-机械联合再生法”，旧砂中的树脂膜和煤粉等 可燃材料在高温下可气化和燃烧，但包覆在砂粒表面 的湿型中的蒙脱石在600~730C失去结构水会烧成坚硬 难溶于水的陶瓷状硬块(又被称作鲕化层或鱼卵石化 层)，既不能被水洗掉，又很难用机械方法除掉。因 此，对这类旧砂的再生，焙烧温度要设定在既能使鱼 卵石湿型膜与硅砂的结合力松散开裂，又要避免温度 太高使湿型膜烧成陶瓷块。旧砂焙烧以后附着在硅砂 表面的少量非活性湿型膜可通过后续的机械摩擦或研 磨再生工艺清除。有人认为，“热-机械联合再生法是 目前既使旧砂达到芯砂使用标准，又不产生二次污染 的砂再生方式” [116] 。

某铸造企业型(芯)砂工艺：湿型砂造型，三乙 胺冷芯制芯，废砂中块状砂芯比例10%，散状废砂约占 90% ，25万t/年。再生砂技术要求：代替新砂单独作为 三乙胺冷芯制芯使用。如只选择湿法再生，  10%砂芯再 生效果难以保证；热法串联机械再生：再生砂质量不 高，收得率≤70%。广西兰科资源再生利用有限公司的 再生工艺[114，  117- 118] ：湿法&热法并联再生组合工艺：得 到高质量的再生砂，高收得率≥95%。再生砂灼减量指 标虽然比新砂略高，但再生砂粘结强度高出许多，在 同等强度条件下，可减少树脂加入量，砂芯的灼减量 反而低于新砂混制的砂芯。

目前，我国已有一批具有较强实力的从事铸造废 弃材料的再生、综合利用企业，进行基础技术研究探 讨，不断地开发和改进新的工艺和设备，主要有重庆 长江造型材料(集团)股份有限公司、广西兰科资源 再生利用有限公司、北京仁创科技集团有限公司、宁 波天阳铸造材料有限公司、柳晶科技集团(常州)股 份有限公司、中机铸材科技(福建)有限公司等。

5   应用树脂砂时的环保问题及展望

5.1   概述

相比于其他型(芯)砂，尽管树脂砂工艺对优质 铸件具有很大优势，但同时也给铸造生产过程带来了 环境污染。研究发现[119- 120] ，采用包括树脂砂在内的型 砂工艺时，其在混砂、造型(芯)、浇注、落砂等环节排放的废气中含有大量对环境和人体健康有严重危 害的多种挥发性有机物VOCs和危险性空气污染物HAPs (指己知或被怀疑会造成癌症或其他严重身体影响的 污染物，或不利环境和生态效应的空气污染物)。近 年来引起了社会对铸造厂环境条件的强烈关注。我国 也相继出台了一些环保法规，如中华人民共和国环境 保护法，中华人民共和国大气污染防治法，中华人民 共和国固体废弃物污染环境防治法和铸造行业大气污 染排放限值(中国铸协)等。因此，科学地测定和分 析树脂砂在生产过程中产生的各种废气的组成及危害 性，采取有效的防治措施，实现达标排放已成为当前 国内外十分关注和亟待解决的重大问题。

目前，减少树脂砂铸造车间有机挥发性废气排 放的途径主要有，开发和应用低有害废气排放的树脂 砂，比如木质素改性的呋喃树脂砂和碱性酚醛树脂 砂；低臭味覆膜砂；环保型三乙胺冷芯盒树脂和自硬 酚醛烷树脂等；开发应用有害废气的有效净化方法， 以减少铸造车间废气的排放等。此外，采用对环境友 好的新型低毒树脂砂制芯工艺和无机粘结剂砂工艺取 代树脂砂工艺的研究应用也一直在进行。

5.2   木质素改性呋喃树脂和碱性酚醛树脂

木质素作为自然界中储量丰富的一种天然多酚 类高分子聚合物，由于其结构中存在较多的醛基和羟 基，其中羟基以醇羟基和酚羟基两种形式存在。在合 成树脂过程中，利用5-羟甲基糠醛和植物、作物提取物 对呋喃树脂改性，其生产工艺不仅包含了传统呋喃树 脂生产的碱一酸一碱工艺，同时还加入了对植物、作 物提取材料的改性工艺，木质素既可以提供醛基又可 以提供羟基，从而降低甲醛用量；同时对该树脂配套 低硫固化剂，可减少树脂和固化剂的加入量，降低混 砂和浇注过程中甲醛、氮氧化物和SO2等有害气体的排 放。比如传统呋喃树脂，其游离甲醛为0. 1%，而木质 素改性呋喃树脂，其游离甲醛仅0.02%。通过对现场混 合砂过程中甲醛、二氧化硫和氮氧化物等有害气体检 测结果表明，木质素改性树脂在固化过程中甲醛释放 量比普通呋喃树脂降低30%~50%，其他有害气体也相 应降低，混砂造型时刺激性气味变小，固化后型砂有 淡淡木香味[121- 124] 。

商品邦尼树脂是近年来邦尼公司推向市场的新 型环保铸造粘结剂，同样地采用木质素代替甲醛与苯 酚，加上脲呋喃改性而合成的一种改性甲阶酚醛树 脂。该树脂既具有碱性酚醛树脂的二次硬化特性，又 保持了呋喃树脂的强度、溃散性、使用适应性及较好 再生性。该树脂环保无毒，树脂中甲醛与苯酚含量为 零，浇注后刺激气味小。目前，该树脂已经在国内数十家铸钢企业使用，产品涉及到电力、船舶、冶金、 矿山、工程机械等行业各类材质、结构及无损检测等 级的铸钢件，单件重量从几十公斤到100余吨[125- 126] 。该 树脂产品项目已于2021年通过了中国铸造协会组织的 科技成果评价。

5.3   低臭味覆膜砂

覆膜砂是在原砂表面覆有热塑性酚醛树脂、固化 剂六次甲基四胺(固化剂占树脂的15%左右) 及润滑剂 的型(芯)砂，其在浇注时分解释放出的氨、酚与醛 是造成环境污染的根由。我国劳动保护法规定造型工 段氨浓度应小于30 mg/m3 ，实际上往往超标8~10倍(约 280 mg/m3 )，刺激工人咽喉，恶化工作环境，影响身 体健康，周围数十米环境都为有害气体干扰。自20世 纪80年代以来，国外(日本)就出现了低臭味少公害 型覆膜砂 [1 ，36] ，国内近些年来也有低氨、无氨或环保 型覆膜砂的研究与应用。据报道[126- 128] ，环保砂中含有 的游离氨量较普通砂低40%~70%，游离酚含量较普通 砂低60%左右，游离醛含量较普通砂低10%~25%。其 解决低臭味的主要思路和途径是，在传统的覆膜砂配 方中，将液态的热固性酚醛树脂部分取代固态的热塑 性酚醛树脂，使得传统固化剂六亚甲基四胺的加入量 减少，据报道，由原来的11%~20%降至4%~8%；或同 时使用低氨固化剂，以部分或全部取代乌洛托品。此 外，还可不用传统的热塑性酚醛树脂，而采用双酚A型 环氧树脂，  固化剂为液态酚醛树脂，  以及采用双酚A型 和苯酚型苯并恶嗓树脂(为一种典型的开环聚合形成 酚醛结构的单体)，加入固化促进剂制成覆膜砂等 [130] 。如前所述，我国还发布了首个《铸造用低氨覆膜 砂》的行业标准[1] 。

5.4   环保型三乙胺冷芯盒树脂和自硬酚脲烷树脂

美国Ashland公司推出了一种SOMAXTM冷芯盒粘 结剂，据报道，其混合料可使用时间在某些条件下超 过24h ，其挥发性有机物含量较酚脲烷冷芯盒树脂低， 残留胺味小，故更具环境友好性。三乙胺冷芯盒用双 组分粘结剂由于其粘度较大，必须用高沸点的苯类混 合溶剂来稀释以达到粘度低、可泵性和包覆性好的目 的。  HA公司从减少芳香烃溶剂着手，推出了以植物油 脂肪酸甲酯等为主要溶剂，以取代苯类混合溶剂的环 保型产品，即HA6817+HA6892[1] 。

苏州兴业公司通过对合成工艺改进和低萘芳烃溶 剂的使用，开发出了环境友好型酚脲烷自硬树脂，有 效降低了树脂中的游离酚、游离醛和萘的含量；通过 引入低挥发、无刺激性的咪唑类固化剂代替常规的吡 啶类固化剂，保持树脂低温高活性的同时，有效降低了刺激性气味的产生[131] 。

5.5   铸造生产中废气净化

5.5.1    概述

热芯盒工艺、覆膜壳芯(型)工艺及冷芯盒工艺 在制芯以及浇注、落砂时，易挥发物质及树脂聚合放 出的小分子物质，还有游离酚、游离醛及短链分子和 六次甲基四胺的分解物等，均是在短时间内集中释放 出来。故应在制芯、浇注和落砂等工部采取有效的集 中收集、处理以及排放措施。

自硬树脂砂一般固化时间较长，  大多数铸造厂在 24 h以后浇注，其在合箱前的有害挥发物质的释放不会 太快太集中。如果车间保持通风良好，基本可免作收 集处理。因此，在自硬树脂砂造型(芯)工部可不安 置废气集中收集装置。

5.5.2   废气净化途径

经过集中收集后的废气，需要进一步处理后才能 完成达标排放。初步试验和判断表明，铸造生产有机 废气处理的可能方法如下[132- 133] 。

( 1 )吸附+燃烧法/冷凝法：将吸附法和燃烧法结 合，由吸附法将低浓度有机废气中的有机物收集；分 别通过燃烧法或冷凝法将吸附所获得的高浓度有机气 体燃烧掉或冷凝下来，实现有机废气治理或回收。已 在覆膜砂制芯工艺中有尝试[134] 。

( 2 )吸收法：其治理有机废气污染在铸造车间有 用磷酸吸收法治理含三乙胺有机废气的实例，但要解 决好吸收液体的二次污染问题。

( 3)脉冲电晕法：其治理铸造车间产生的含三乙 胺有机废气正处于实验室研究阶段，须加快工业化试 验研究，有应用前景[135] 。

( 4 )低温等离子体净化铸造废气VOCs。其原理 是利用交变高压电场进行气体放电，产生低温等离子 体，净化废气中的VOCs，净化过程主要分为四步：电 子雪崩 一发光流柱与微放电 一高能电子及自由基的形 成一VOCs分子的降解。低温等离子体能高效除味，特 别适应铸造生产过程中制芯、浇注、落砂、热处理等 工序产生的各种刺激性气味的气体；低温等离子体处 理铸造废气属于干法净化，是一种全新的净化过程， 运行过程无需添加任何添加剂，不产生废水、废渣， 不会导致二次污染等。

( 5)植物提取液雾化处理。天然植物提取液是 从特定的植物根茎叶中萃取的汁液，经过专业的配 方制备而成的植物除臭液(商品名称有的称“净化 灵”)，其物理化学性质稳定，无毒无害，与废气分 子反应以后不会产生有毒的副产物，无二次污染。植物提取液与废气污染物成分的反应原理主要是聚合、 取代、置换等化学反应。在实际使用过程中，可根据 实际废气排放量和浓度，适当调节原液的稀释比例以 及喷头的数量及位置，有针对性的对VOCs和氨气进行 治理。采用天然植物提取原液通过专用设备按实际需 求稀释到一定比例后，利用专用的雾化设备将稀释后 的提取液进行雾化，用适当数量的喷嘴将其喷洒于需 要处理废气的位置，使之与废气进行中和分解反应， 并保持其持续性。实际应用效果表明，经对浇注区喷 雾植物提取液前后的甲醛、二氧化硫和氨氧化物的检 测结果表明，其降低有害污染物的效果明显，去除污 染物效果较好。

5.6   新型环保有机 / 无机粘结剂砂研究应用展望

5.6.1    新型低毒树脂砂制芯工艺

自20世纪80— 90年代，在冷芯盒工艺的开发方 面，出现了酚醛- 酯法( 1985年)和CO2- 酚醛树脂法 ( 1989年)、聚丙烯酸钠-粉状固化剂- CO2法( 1992 年)等新型低毒制芯工艺，尽管其强度等性能还不 够理想，但已倍受铸造工作者的欢迎。国内华中科技 大学、沈阳铸造研究所、沈阳工业大学等一些研究机 构和大学先后开展了这方面的研究，已在粘结固化机 理、基体树脂的合成与改性、固化剂的选择、固化工 艺的改进等方面取得了许多进展[2， 136] 。因此，可以预 计今后这方面的工作还会进一步深入，还会有更新的 成果问世，达到实用化。

5.6.2   无机粘结剂砂取代有机粘结剂砂

( 1 )国外概况。进入21世纪以来，新型硅酸盐系 粘结剂在国外的应用获得了新突破。德国及欧洲企业 先后发明了一种以硅酸盐为主，配合少量粉末固化剂 的芯砂无机粘结剂，如ASK公司的INOTEC粘结剂， HA公司的Cordis系列粘结剂，芯盒需加热到200 C以 下，同时辅以吹热空气，借助于脱除自由水使砂芯硬 化，称“无机粘结剂温芯盒”工艺。  BMW公司采用 ASK公司开发的第三代无机粘结剂INOTECTM作芯 砂，即使不施涂涂料，浇注的铸件内腔光洁，且浇注 过程中无烟气。经大量试验并试生产，很快就正式在 汽车铸铝件大批量生产中应用。大众公司和Diamler公 司的轻合金铸造厂也已在生产中采用Cordis粘结剂制 芯，代替冷芯盒工艺，制造铝合金铸件。其在生态、 产品质量、经济等方面都获得了较好的效益[137] 。

日本丰田公司采用热硬化硅酸盐粘结剂砂制芯工 艺，以取代覆膜砂壳型工艺，解决了新型汽车发动机 缸盖复杂铸铝件生产中出现的芯砂充填性差和浇注后 缸盖内腔出砂性差的问题；实现了车间设备工程集约化和小型化、无烟、无臭等。实践表明，该无机粘结 剂工艺的多项指标优于酚醛树脂覆膜砂壳法工艺[138] 。

( 2 )国内概况。目前，我国一些铸造企业也从 国外引进了无机粘结剂砂工艺技术(包括进口无机粘 结剂及制芯设备等)，用于铝合金铸件的生产。与此 同时，我国一些大学、科研院所及造型材料生产企业 (包括一些传统生产有机粘结剂的企业也投入精力研 发无机粘结剂)也在开发铸铝件生产的无机粘结剂并 已用于生产实际。沈阳工业大学、沈阳汇亚通铸造材 料有限公司、沈阳铸造研究所等单位分别发表了其研 究成果。其要点是 [139- 141] ：除采用新型改性硅酸盐粘 结剂及配套的促硬剂外，还分别开发了HYT-CO2硬化 法、热空气硬化法和CO2硬化法进行了芯砂性能的研究 及实际生产验证。结论是：新型无机粘结剂，在射芯 造型制芯和普通造型制芯均达到应用要求，可部分或 全部替代有机粘结剂进行铸造生产，即达到环保减排 的效果，又可降低生产成本。

重庆长江造型材料(集团)股份有限公司[142- 143]， 针对传统无机湿态型砂的使用期过短而须现场混砂使 用的问题，开发了一种以硅酸盐为粘结剂覆膜的湿态 型(芯)砂。并牵头制定了行业标准——JB/T13082— 2017 《有色合金铸造用无机粘结剂覆膜湿态砂》。该 无机粘结剂覆膜湿态砂，采用热芯盒工艺制芯，芯盒 温度200C以下，砂芯可用于重力铸造和低压铸造铸铝 件的生产。如要使该产品在铸造企业成功应用，除克 服传统无机粘结剂砂碰到的问题外，还须考虑无机湿 态型(芯)砂的仓储环节，如环境储存温度湿度、包 装密封等。

河南金耐源新材料科技有限公司[144]使用自行开发 的新型无机粘结剂混制湿态砂，在温芯盒成形工艺中 进行了应用。其中采用莫来石陶瓷砂(TCS-450)作原 砂，无机粘结剂和促硬剂分别为2.0%和1% (均占原砂 的质量分数)，在压力下射砂制芯并加热硬化(温度 约为180 C )，最后取出壳型芯，进行组簇叠箱浇注铸 件。结论是，其热态抗拉强度和常温抗拉强度都可以 达到和超过有机覆膜砂技术指标，且发气量极低，整 个加热制样过程中无烟、无毒、无味，可替代湿态覆 膜砂工艺用于壳型生产。该工艺在国内数家铸造厂应 用，具有溃散性较好、再生回用性能佳的特点，如再 生砂经过20次再生循环之后，质量也不会有太大的变 化。其《无机粘结剂关键技术的研发及在射芯成型工 艺中的应用》于2019年通过中国铸造协会的科技成果 评价。

新型硅酸盐粘结剂砂是一种前景很好的无机粘 结剂砂工艺，这给铸造行业带来了新希望。然而，就 国外来说，这种新型硅酸盐粘结剂，目前只能用于制芯，不能作为自硬砂造型；且砂芯只能或主要用于 生产铝合金铸件，而用于铸铁件的生产，国外也尚处 于试验阶段。国内只有少数或部分铝合金铸造厂(车 间)在应用，并没有完全在行业推广应用。没有突破 的难题主要就是芯砂流动性差，对混砂、制芯设备以 及模具工装要求高，这也成为制约该工艺推广应用的 障碍(当然还有芯砂抗吸湿性及溃散性的问题)。可 见，由无机粘结剂砂取代树脂砂用于复杂铸铝件和铸 铁件的生产，还有一段很长的路要走。尚须联合原辅 材料、铸造、混砂及制芯装备、模具/工装、旧砂再生 等单位共同参与进行攻关。

6   结论

( 1 )在可预见的数年内，树脂砂仍是我国砂型铸 造造型制芯工艺的首选。近些年来在我国，采用无机 粘结剂、特别是新型硅酸盐无机粘结剂取代树脂砂造 型、制芯来生产铸铝件和铸铁件，已成为应用研究的 热点。但要达到全面推广应用，仍有诸多技术瓶颈须 克服。故在无机粘结剂砂工艺性能达不到现有树脂砂 工艺水平的情况下，目前树脂砂工艺的应用格局不会 变化。

( 2 )树脂砂造型、制芯以冷法为主。基于节约 能源、改善工作条件和提高砂芯精度的角度，树脂砂 造型工艺仍以自硬树脂砂工艺为主；树脂砂制芯工艺 的发展方向是由高温制芯向低温、常温制芯的方向发 展；随着树脂及固化剂品种及质量的不断提高，温芯 盒法制芯工艺将会更完善，并能在铸造生产中逐步推 广应用，最终取代热芯盒法。

( 3)探讨树脂砂工艺绿色化的途径。减少树脂砂 铸造车间有机挥发性废气排放的途径主要有，开发和 应用环境友好型、安全型、可再生利用和节能降耗的 低有害废气排放的树脂粘结剂；开发应用有害废气的 有效净化方法，以达到达标排放。

( 4 )将绿色化与数值化、智能化结合，使树脂砂 工艺的应用迈向新台阶。目前在铸造行业，计算机技 术正从各方面推动着铸造数值模拟、  ERP等企业信息 管理技术的发展，使铸造生产从主要依靠经验走向科 学理论指导生产的阶段。随着树脂砂的广泛应用，因 其工艺控制不当，会引起的一些典型的铸造缺陷，如 气孔、粘砂、脉纹、表层组织异常和裂纹等；同时， 如前所述，由此引起的有毒有害废气的排放问题也是 亟待解决的问题。但树脂砂性能和应用受原材料、 工艺、设备和管理等多种因素的制约。故在树脂砂工 艺的应用中，引入数值化、信息化和智能化技术，对 树脂砂发气特性、高温力学性能与铸件缺陷进行数值 模拟，树脂砂在混砂过程中液固两相及射砂过程气固两相运动模拟，以及树脂砂在混砂、造型、制芯及浇 注、落砂等环节的铸造生产过程、废气排放监控与分析等，这对控制环境污染程度、砂型(芯)质量及铸 件质量是十分必要的。