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摘要：各种铸铁件生产中，常用树脂砂有：呋喃树脂自硬砂、Pepset树脂自硬砂（派普树脂自硬砂）、冷芯盒树脂砂（即冷芯树脂砂）、覆膜砂等。汽车发动机铸铁缸体，无论是KW线上的卧浇工艺还是全树脂砂组合成形的立浇工艺，上述4种树脂砂都会有应用。其中应用最多的是除Pepset树脂自硬砂以外的其他3种树脂砂。如果树脂砂（型芯）失效，将对缸体质量产生影响，讨论和分析树脂砂的失效模式和失效的控制措施，显得非常重要。
关键词：铸铁件；树脂砂；失效模式
1树脂砂失效模式
树脂砂的失效主要有3种：（1）混制的树脂砂使用时间（从混制完成到制作型芯的时间）超过可使用时间，致使部分树脂砂已经反应或流动性变差，造成型芯缺肉或表面不紧实，或制作出的型、芯局部或整体强度不足，易蹭落砂粒，易酥散、易破损、易断裂等。（2）使用前即浇注前，由树脂砂制成的型、芯受存放时间和存放环境湿度影响，强度降低严重和吸潮严重。（3）正常树脂砂型芯在浇注时，受高温金属液的烘烤和直接浸泡，迅速失去强度，发生变形、开裂和溃散。
1.1树脂砂的可使用时间
通常呋喃树脂自硬砂和Pepset树脂自硬砂混制时由于已经分别加入了液态苯磺酸和液态叔胺催化剂，可使用时间非常有限，应尽快使用。其可使用时间受环境温度影响。冷芯树脂砂混制时只加入了双组份树脂（组份Ⅰ-酚醛型树脂，组份Ⅱ-聚异氰酸酯树脂）而并未加入固化剂，只在冷芯机射芯时才有固化剂三乙胺吹入。所以，混制好的冷芯树脂砂放置时间（可使用时间）相对长些。但也受到环境温度和湿度影响，通常建议≤20min，夏季不≤5min。冷芯树脂砂质量还受到原砂、再生砂水分含量和载送三乙胺及冲洗残留三乙胺的压缩空气含水量的影响。资料介绍，原砂、再生砂水分含量达到0.3％时，砂芯终强度下降30％；水分含量达到0.5％时，砂芯终强度下降60％。所以，对冷芯树脂砂还应控制砂的含水量＜0.1％以及压缩空气的干燥处理。
1.2使用前的失效
使用前的失效是针对制作好的型、芯放置一段时间后的失效，主要受存放时间和环境湿度2个因素的影响。理论上，随着存放时间增加，型芯强度会有一定程度降低，但在环境湿度影响下，吸潮不但使型芯含水量增高，更使型芯强度受到严重影响。所以，两个影响因素中环境湿度是影响最大的因素。生产观察表明，覆膜砂型芯受存放时间和环境湿度的影响最不敏感，即存放性最好，便于生产管理。由覆膜砂制作的热芯存放时间甚至超过1年。冷芯受存放时间和环境湿度的影响最为敏感，即存放性最差。尤其在阴雨和潮湿的夏季，相对湿度≥90％时，冷芯的存放性最差，存放甚至不超过24h。呋喃树脂砂型芯和Pepset树脂砂型芯的存放性介于上述2种树脂砂型芯之间，但前者的存放性略优于后者。试验表明，呋喃树脂砂型芯在四川和重庆潮湿的夏季，存放1个月后再经160℃保温0.5～1h烘干，其强度σb（1月）与制芯24h后的σb（24h）相比下降10%～20％。只要σ（b24h）≥1.0MPa，则不至失效。尽管如此，在生产工艺制定时，呋喃树脂砂型芯存放时间不宜超过1个月；Pepset树脂砂型芯存放不宜超过20天；覆膜砂型芯存放时间不宜超过6个月；冷芯存放时间最短，依据环境湿度而定。
1.3树脂砂在浇注条件下的失效
对铸铁件而言，无论是哪种树脂砂，其在1340～1430℃的浇注温度条件下的失效模式都是一样的。即在高温铁液烘烤和浸泡作用下砂粒间树脂桥键断裂、树脂燃烧挥发消失，最终砂芯溃散。从时间上，失效发生在浇注期间或刚结束，表现为因砂芯溃散导致的缺陷和因砂芯变形产生的铸件报废；失效发生在浇注结束后，通常不会对铸件质量产生影响。铸铁件浇注过程分为3个阶段：（1）铁液充填浇注系统，充填时间为t1。仅对浇注系统砂芯有热作用，对形成铸件的其他型芯没有影响。所以，该阶段通常没有树脂砂型、芯的失效。（2）充填型内重要或单薄砂芯以下型腔。以缸体立浇工艺为例，铁液从缸体底面开始充型直至水套芯以下，即充填水套芯以下的型腔，充填时间为t2。
该阶段，直接受铁液烘烤和浸泡的型芯承受时间是t2；水套芯及以上型芯只受到1340～1430℃的高温烘烤而未遭受浸泡。（3）充填余下铸件型腔和冒口，所需时间为t3。铁液开始接触水套芯并浸泡直至完全淹没，最后再将冒口或排气片充满。以上分析可见，浇注时间t（浇）=t1+t2+t3，其中浇注系统砂芯承受高温铁液的作用时间为t（浇）。对于中小件，t（浇）通常＜40s，浇注系统砂芯和其余型芯在较短的浇注时间内一般不会失效；但型内特殊结构和单薄的砂芯仍有失效的风险。对重量≥1t的大件，t（浇）≥50s，此时浇注系统砂芯有失效的风险，型内某些单薄型芯也可能在长时间浇注烘烤作用下过早失效。
2树脂砂型芯失效控制办法
2.1树脂砂的可使用时间的控制
为使无论手工还是机器制作的型芯具有好的强度特性，首先应控制混制好的树脂砂的可使用时间。混制好的树脂砂越快使用越好，不使用超过可使用时间的树脂砂。这样，确保混好的树脂砂尚未发生反应，流动性未降低，从而制出的砂芯表面各处充实、光滑，强度特性好。
2.2使用前失效的控制
本文所述树脂砂芯随着存放时间增加都会有不同程度的吸潮，其中以冷芯最甚。工艺上可采取以下措施。
（1）首先规定允许存放时间。
（2）有条件时型芯可在恒温恒湿条件下储存，严禁受到潮湿、水的侵害。
（3）使用前须经历烘干工序，根据型芯大小烘干工艺为：150～220℃，保温时间在0.5～2h选择。
（4）经历烘干后，取样（8字样）检测中小件σb≤0.45MPa，大件σb≤0.75MPa；或砂芯易蹭落砂粒，易酥散，搬运易掉砂蹭落；或砂芯已有变形和裂纹。此时应判定其失效，不能使用。
2.3浇注条件下失效的控制
对铸铁中小件，因浇注时间短（t浇≤40s），通常不会有失效的发生。但对于型内某些单薄的树脂砂芯，如缸体水套芯和油道芯，其有些部位断面厚度δ=1～3mm，对此应考虑失效的发生。防止措施是：（1）采用特种覆膜砂或特种树脂砂，如铬矿砂、锆英砂、宝珠砂等；（2）特殊涂料的保护，如锆英涂料等；（3）多层涂料工艺；（4）缩短浇注时间；（5）设计金属芯撑以约束和防止变形。
对于重量≥1t的大型铸铁件，由于浇注时间长（t浇≥50s），失效的发生一定存在。首先，浇注系统受长时间（t1＋t2＋t3）铁液冲刷和高温浸蚀作用最容易失效，表现为浇注后期溃散、垮塌、冲蚀。为防止浇注系统型芯的早期失效，通常浇注系统流道设计为耐火砖或耐火陶瓷被预埋在树脂砂中。对大型铸铁件型内结构特殊且有失效风险的砂芯，其防止措施与中小件单薄砂芯防止失效的措施相同。
3结语
针对树脂砂的失效模式，采取了相应的控制措施。首先，树脂砂不超过规定的可使用时间；其次，型芯尽可能在恒温干燥环境中存放。尤其是冷芯在潮湿季节存放时间应短。为防止铸铁件浇注条件下单薄砂芯过早失效，可采用铬矿砂、锆英砂、宝珠砂等特种覆膜砂或树脂砂，选用特殊涂料和工艺，缩短浇注时间以及设计防砂芯变形的金属芯撑。为防止大型铸铁件浇注系统长时间冲刷和过热造成的早期失效，可将浇注系统流道设计为耐火砖或耐火陶瓷预埋在树脂砂中。模具则以制芯质量为准绳。采用壳芯，砂芯抽空，砂芯内部预埋稻草或泡沫等以防止因溃散性差导致的铸件裂纹。热法再生砂质量最好，其含水量和灼减量几乎为0，可直接用于制芯。
参考文献
[1]刘增林，陈科，聂越，等.4G20B缸体缸孔缺口形成原因分析及解决措施[J].铸造技术，2014（7）：2140-2142.