适用于铸造的中氮呋喃树脂的应用研究

作者：信息来源:模具 2008-6-10

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摘要: 利用正交实验方法，研究了适用于铸造的中氮呋喃树脂，本树脂的含氮量为8%，芯盒温度为150～170 ℃，抗拉强度＞3 MPa，硬化时间比普通呋喃树脂提前40 s，发气量降低10%。关键词：铸造材料。呋喃树脂。 Adhesives呋喃Ⅰ型树脂作为热芯盒法芯砂粘结剂，具有粘度低，与...

摘要: 利用正交实验方法，研究了适用于铸造的中氮呋喃树脂，本树脂的含氮量为8%，芯盒温度为150～170 ℃，抗拉强度＞3 MPa，硬化时间比普通呋喃树脂提前40 s，发气量降低10%。
关键词：铸造材料；呋喃树脂；粘结剂
文献标识码：A　　文章编号：1000-8365(1999)02-0017-02

Study on Mid-nitrogen Furan Resin in Casting Industry

FENG La-jun
(Xi'an University of Technology, Xi'an 710048,China)

Abstract：Mid-nitrogen furan resin in casting industry is studied by orthogonal design. The nitrogen content of the resin is 8%. The temperature of casting model is 150～170 ℃. The resin solidify fast than ordinary resin by 40 second escape gas less 10%.
Key Words: Casting material;Furan resin; Adhesives

　　呋喃Ⅰ型树脂作为热芯盒法芯砂粘结剂，具有粘度低，与砂混合包复砂粒表面硬化速度快，强度高等一系列优点，但也存在着在使用过程中发出剌激性烟气，用于生产铸钢件和复杂的薄壁铸铁件时，在靠近型芯的铸件表面下，易出现密集的皮下气孔和针孔等缺点。例如上海柴油机厂生产的球墨铸铁曲轴、缸盖，第二汽车制造厂生产汽缸体及其它个别铸件就有此类缺陷。通过对种树脂砂在高温时发出的气体进行分析，证明其中含有大量的氮气和氢气。另外，这种树脂的分解温度低，发气量大而快更易引起气孔。针对这一实际，本文着力研究了中氮呋喃Ⅰ型树脂。减少呋喃Ⅰ型树脂的含氮量，克服其发气快、分解温度低的缺点。
1　中氮呋喃树脂的研究
　　由于中氮呋喃树脂的含氮量由原来17%降至7%～8%，从而提高产品的正品率。
1.1　普能呋喃Ⅰ型树脂
　　普通呋喃Ⅰ型树脂由糠醇、尿素、甲醛在乌洛托品催化作用下缩合而成液态线型树脂，其缩合反应为：

则树脂中含氮量为15.3%，固化剂为：HN₄Cl、CO(NH₂）₂、H₂O；比例为1∶3∶3，固化剂用量为树脂量的20%，这样可计算出树脂固化剂带入的氮为5%。
　　固化反应为：
　　NH₄Cl+H₂O＝HCl+NH₄OH
　　NH₄OH＝NH₃＋H₂O
　　4NH₄Cl+6CH₂O=(CH₂）₆N₄＋6H₂O＋4HCl
　　CO(NH₂）₂＋H₂O＝2NH₃+CO₂
在酸作用下，呋喃树脂脱水缩合，使线型分子交联成体型结构，缩合反应为：

通过以上反应原理可知呋喃Ⅰ型树脂使用时，放出的氮气主要来源于树脂中游离的尿素和固化剂中的氯化铵和尿素，氢气主要来源于固化剂中的残酸与铁的反应。
1.2　中氮呋喃树脂研制原理
　　中氮呋喃树脂的显著特点是降低树脂中的含氮量，由于树脂中含氮量的降低，甚至于游离的尿素含量已几乎为零，另外采用新型的固化剂，固化剂中不含氮，这样就减少了铸造过程的发气量。
　　中氮树脂研制原理是改进呋喃Ⅰ型树脂生产的原料配比，降低尿素的含量，增加糠醇的含量，由于尿素的含量减少，反应终点尿素的浓度可以降为零，剩余的糠醇树脂在酸催化下缩合，缩合成不含氮的呋喃树脂。
其缩合反应为：

1.3　中氮树脂的研究
　　研制出满足铸造要求的中氮树脂，除减少发气量外，还要满足硬化温度低、强度好、抗金属渗透、流动性好的要求，因此原料配比缩合反应的时间，即产品的分子量大小成了研究的关键。研究过程中采用正交实验制定原料配比，正交实验设计，见表1。

表1　正交实验设计
Tab.1　Orthogonal experiment design

因子水　　　　　平123尿素100100100甲醇295290300糠醇1501752

注：表中数据以mol计

　　经过实验筛选，选用原料摩尔配比为尿素∶甲醛∶糠醇=1∶(2.95)∶(1.5)比较好。以这种配方和脱水生产的中氮树脂，采用对甲苯磺酸为固化剂，固化后树脂中的含氮量为8%，粘度为246 Pa^.s，外观为浅灰褐色。
2　中氮树脂性能
　　为了比较中氮呋喃树脂，特选取市售的呋喃Ⅰ型树脂与其比较，主要比较了常温强度、不同硬化温度下的强度、流动性及发气量等。实验结果，见图1～6。

图1　热态抗拉强度
Fig.1　Heat tensile
strength图2　常温抗拉强度
Fig.2　Normal tensile
strength

图3　不同硬化温度
下热态强度
Fig.3　Heat tensile strength at
different temperature图4　不同硬化温度
下常温强度
Fig.4　Normalith tensile strength at
different curing temperature

图5　流动性能(温度30 ℃，
湿度67%)
Fig.5　Fludity (at 30°
humidity 67%)图6　发气量
Fig.6　Gas evolution
quantity

从图1、2可见，普通Ⅰ型呋喃树脂在硬化50 s以后才表现出较好的抗拉强度，热态达到1.5 MPa的硬化强度，中氮树脂硬化时间提前50 s。从图4分析，中氮树脂在150～180 ℃就可达到较好的抗拉强度，而普通Ⅰ型呋喃树脂要到220 ℃左右才能达到满意的抗拉强度，硬化温度下降40～70 ℃。图5表明中氮树脂的流动性比普通Ⅰ型呋喃树脂好。图6表明中氮树脂的发气量低于普通Ⅰ型呋喃树脂发气量的10%左右。硬化温度低、时间短、可以节约能源；流动性好、便于施工；发气量小、可提高铸件的精度、减少铸件气孔。
3　工业应用
　　将研究的中氮树脂在第二汽车制造厂使用，树脂的用量为2.5%，生产了2402D-115芯子700余件，存放10 d后浇注，产品检查后未发现有粘砂缺陷及与树脂有关的其它缺陷。目前这种树脂已在秦川机械厂、第二汽车制造厂等工厂应用均取得了较好的经济效益。

4　结论
　　通过以上实验分析和工厂应用表明，研究出的中氮树脂具有以下特点：
　　(1) 可降低制芯温度40 ℃;
　　(2) 硬化时间减少了20～40 s，可大大节约能源;
　　(3) 树脂中无酚，不产生剌激性气味;
　　(4) 发气量降低10%，改善了铸件的精度和表面光洁度，提高了成品率。因此，可以扩大生产规格，推广应用。

作者简介：冯拉俊(1957-　)，男，陕西扶凤，副教授、博士.
作者单位：西安理工大学，陕西西安 710048