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用于冷芯盒工艺的高性能水基涂料的研究
Development the Water-based coating for cold box process
刘生银,孙兴华,金晓春,黄爱民
(亚什兰(中国)投资有限公司铸造部,上海 200030)
摘要: 水对冷芯盒工艺的砂芯强度影响非常大, 试验数据表明,已经生产出来的砂芯,如果
在高潮湿(相对湿度 90%)中存放 24 小时,强度会下降 50%-67%.生产实际中,芯砂中如果含水
量大于 0.2%时,几乎不能用于冷芯盒工艺;鉴于此,开发出一种对砂芯强度影响最小的水基
涂料。
关键词: 冷芯盒工艺; 砂芯强度; 9022C 水基涂料
Abstract: Sand cores made by cold box process are very sensitive to moisture. It
is shown that the tensile strength of sand cores will decrease by 50-67% after they
are stored 24 hours under 90% relative humidity. It is recommended that sand
moisture should be less than 0.2% in the foundry. To minimize the impact of water
based coating to sand core strength, Ashland developed a kind of coating with minimal
penetration into sand cores.
Key Words: Cold Box Process, Sand core strength, 9022C water based coating
早在上世纪 60 年代时,冷芯盒工艺就由亚什兰公司发明并申请了专利,随后的 80 年代,
我国引进了该工艺用于汽车发动机主要零部件的生产,并一度在我们的铸造教科书上称之为
亚什兰工艺。
冷芯盒树脂是由酚醛树脂和异氰酸酯树脂两组分组成,两组分在三乙胺作催化剂的作用
下,常温时快速硬化。该工艺的优点明显,可快速同时硬化(10 秒之内),无需加热,初始强度
和终强度高,适合大批量快速生产要求。
冷芯盒树脂反应机理:
酚醛树脂

异氰酸酯

聚氨酯
随着国内铸造业对该工艺的深入了解和实际使用,越来越多的铸造厂采用了该工艺,据
不完全统计,目前国内几乎所有大型汽车发动机铸造厂家均采用冷芯盒工艺。但是该工艺中
的 II 组份异氰酸酯和水有很强的反应倾向
异氰酸酯与水反应:
H
R-NCO + H2O
 [R-N-COOH]
 R—NH2 + CO2
异氰酸酯与水的反应优先于与 I 组分酚醛树脂的反应,即反应前,如果异氰酸酯遇到水,
无论是在树脂中或砂子中,均会先与水反应,然后才会和酚醛反应,因此砂芯强度会大大降
低。所以冷芯盒工艺要求芯砂中含水量不得高于 0.2%.
1 原砂中带有水分的情形
我们在试验室里做了试验,采用标准大林砂 50/100 目,原砂含水量为 0.13%.试验前,先
将砂子在烘箱中烘干,再分别加入 0.2%、0.3%、0.4%、0.5% 和 1.0%的水, 然后测试不同含
水量的砂子的冷芯盒工艺强度。采用亚什兰的 440C/840C 冷芯盒树脂, 树脂加入量两组份共
为 1.5%(组份 I: 组份 II=50:50)。
表 1:砂含水量对砂芯强度的影响
砂含水量,%
30s
1hr
3hr
24hr
0.00
11.12
14.76
15.10
17.41
0.20
10.35
13.64
14.62
16.15
0.30
9.79
11.89
11.47
13.50
0.40
4.97
6.57
5.45
7.69
0.50
2.80
4.55
3.99
3.08
1.00
0.00
0.00
0.00
0.00
12.00
9.00
6.00
3.00
0.00
0.00

原砂含水量对瞬时强度(30S)的影响
0.20 0.40 0.60 0.80
含水量(%)

1.00
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00

图 1 原砂含水量对瞬时(30s)强度的影响
原砂含水量对3小时强度的影响
0.00
0.20
0.40
0.60
含水(%)
0.80
1.00
图 2 原砂含水量对 3 小时强度的影响
从表 1、图 1、图 2 结果可以看出,当原砂中含水量为 0.3%时,砂芯 3 小时强度及 24 小
时强度明显降低,因此冷芯盒工艺要求原砂含水量小于 0.2%。
2 固化后的砂芯遇到水分的影响
采用亚什兰的 440C/840C 冷芯盒树脂,大林标准 40/70 目砂,砂含水量低于 0.2%, 树脂
加入量两组份共为 1.5%(组分 I: 组分 II=50:50)。将固化后的砂芯分别放置于室温,50%相
对湿度,以及 40℃,90%相对湿度下比较湿度对砂芯强度的影响。
表 2:大气湿度对固化后的砂芯强度的影响
试验室温度/湿度 25℃/ 50RH
40℃/ 90RH
30s
5Min
1Hr
3Hr
5Hr
7Hr
9Hr
24Hr
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
13.8
17.1
18.6
19.1
19.7
20.3
21.0
21.5
14.2
15.0
14.4
14.9
13.3
12.4
12.2
7.1
440C/840C,25C,50RH
440C/840C,40C,90RH
30S 5Min 1Hr 3Hr 5Hr 7Hr 9Hr 24Hr
时间
图 3 大气湿度对砂芯强度的影响
从表 2 和图 3 可以得出如下结论:
1)440C/840C 冷芯盒树脂在加入量各组份仅为 0.75%时,初始强度已经达到 14.2KGF, 明
显高于正常客户的使用需求;
2)在常温(25℃)和常湿(相对湿度 50%)状态下,砂芯强度由初始的 13.8KGF 达到 24 小时的
21.5KGF,增加了 56%. 说明冷芯盒树脂继续反应,砂芯强度会随着时间继续增长。
3)在高温(40℃)和高湿(相对湿度 95%)状态下,砂芯强度由初始的 14.2KGF 降到 24 小时的
7.1KGF,降低了 50%.说明固化