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一、概述
由于能源消耗和環(huán)境污染， 給中國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的壓力，中國國家發(fā)展的“十一五”規(guī)劃，將節(jié)能減排、綠色制造和循環(huán)經(jīng)濟(jì)作為國家社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)。中國鑄造業(yè)作為機(jī)械制造業(yè)的重要組成部分，在快速發(fā)展的同時(shí)也產(chǎn)生了極大的能源和環(huán)境問題。面向21世紀(jì)的鑄造技術(shù)將朝著綠色鑄造工藝方法和材料裝備的方向發(fā)展。
2007年，中國的鑄件產(chǎn)量超過了3000萬t，占全球鑄件產(chǎn)量的約1/3，是名符其實(shí)的鑄造大國。其中砂型鑄造是鑄造工藝的主要方法，約占整個(gè)鑄件生產(chǎn)的80%。相對于特種鑄造方法，由砂型鑄造的造型材料帶來的粉塵污染、空氣污染及固體污染最為嚴(yán)重。因此實(shí)現(xiàn)砂型鑄造的綠色清潔生產(chǎn)，對實(shí)現(xiàn)綠色鑄造具有重要的意義。
砂型鑄造，如按粘結(jié)劑材料分類，有粘土砂型鑄造、樹脂砂型鑄造和水玻璃砂型鑄造三大類。本文從造型材料的角度闡述其技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及其對綠色鑄造技術(shù)發(fā)展的影響。
二、粘土砂
在我國，按鑄造產(chǎn)量計(jì)算，粘土砂型鑄造約占整個(gè)砂型鑄造80%（占整個(gè)鑄造產(chǎn)量的70%左右）。粘土砂型又分為干型和濕型兩類。
粘土砂濕型主要由原砂、膨潤土、煤粉和水等附加物按一定比例混制而成，混合好的型砂直接造型澆注。它是砂型鑄造生產(chǎn)的主體，目前國內(nèi)外主要用于各類中小型鑄鐵件、鑄鋼件的生產(chǎn)，也用于有色鑄件的生產(chǎn)。特別是汽車鑄件的大量生產(chǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、曲軸和制動(dòng)鼓等關(guān)鍵鑄件大都用濕型粘土砂生產(chǎn)。我國的大部分中小鑄造企業(yè)均采用粘土濕型砂工藝來生產(chǎn)從汽車鑄件到各種公共用品（地溝蓋板、公園桌椅）等鑄件。
粘土砂干型是將粘土砂濕型進(jìn)一步加熱烘干而成，通常用做鑄造大型零件（如機(jī)床床身鑄件等）。隨著化學(xué)粘劑砂（樹脂砂、水玻璃砂等）的采用與發(fā)展，該型砂工藝在大多生產(chǎn)企業(yè)中已很少應(yīng)用。
粘土砂造型材料的主要成分是原砂、膨潤土、煤粉和水，數(shù)十年來該造型材料組分較為穩(wěn)定、變化不大。國內(nèi)外的一些造型材料供應(yīng)商將膨潤土、煤粉按一定的比例混合形成混合粘結(jié)劑，或在其中增加少量附加物（如淀粉等）等，以提高粘結(jié)劑的性能，獲得了一定的效果。
由于粘土砂型鑄造生產(chǎn)中，造型材料品質(zhì)欠佳或使用不當(dāng)，是造成鑄件缺陷的主要因素，它占鑄件廢品總量的50%以上，且鑄件生產(chǎn)總成本中的約70%都與造型材料有關(guān)，故穩(wěn)定地保證粘土型砂質(zhì)量是大批量粘土砂鑄造生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題之一。因此，目前對于濕型粘土砂的研究及技術(shù)進(jìn)步，更多的集中在粘土型砂質(zhì)量的穩(wěn)定控制及其性能的快速檢測上。
隨著檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，對型砂性能和組分的測試已正在從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室手工檢測發(fā)展為自動(dòng)化的離線或在線檢測。常見的粘土濕型砂的自動(dòng)檢測項(xiàng)目有緊實(shí)率、含水量、透氣性和濕壓強(qiáng)度等，穩(wěn)定地控制型砂的這些性能指標(biāo)，就可達(dá)到較好地控制鑄件質(zhì)量之目的。
在我國，許多中小鑄造企業(yè)對于型砂質(zhì)量的快速實(shí)時(shí)檢測與控制尚缺乏足夠的認(rèn)識，導(dǎo)致鑄件廢品率偏高。對生產(chǎn)線上的型砂性能進(jìn)行快速實(shí)時(shí)檢測是混制高性能的造型型砂及提高鑄件質(zhì)量的前提。工廠應(yīng)增加現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測設(shè)備，對生產(chǎn)線上的型砂含水量、舊砂溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)快速檢測，根據(jù)檢測結(jié)果及時(shí)調(diào)整型砂配方來控制型砂質(zhì)量，從而提高鑄件質(zhì)量，降低廢品率。
隨著型砂理論和工藝研究的逐步深化，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及控制理論的應(yīng)用與發(fā)展，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)與濕型砂工藝相結(jié)合是粘土濕型砂未來發(fā)展的一個(gè)大的趨勢。在型砂自動(dòng)化檢測儀器結(jié)構(gòu)和功能方面，測控儀將繼續(xù)向數(shù)字化、微型化、智能化、連續(xù)化、通用化和系統(tǒng)化方向發(fā)展。研究開發(fā)造型材料的新品種，生產(chǎn)供應(yīng)符合鑄造生產(chǎn)需要的造型材料，實(shí)現(xiàn)毛坯精密化及近凈形鑄造、潔凈及高效生產(chǎn)一直是世界各國鑄造工作者共同追求的目標(biāo)。
三、樹脂砂
樹脂砂型（芯）通常是由原砂、合成樹脂粘結(jié)劑和固化劑等按一定的比例混合組成，混好的型（芯）砂經(jīng)緊實(shí)后，在一定工藝條件下固化成鑄型和砂芯。常用的樹脂砂鑄型為自硬樹脂砂型，可分為三類：酸固化（呋喃或酚醛）樹脂自硬砂、酯固化堿性酚醛樹脂自硬砂、酚醛尿烷樹脂自硬砂。自硬樹脂砂特別適合于單件或小批量的鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金鑄件的生產(chǎn)，在國內(nèi)外的應(yīng)用較為廣泛。三種常用的自硬樹脂砂型的特點(diǎn)比較見附表。
樹脂砂的主要優(yōu)點(diǎn)：鑄型的尺寸精度高，鑄件的表面質(zhì)量較好，舊砂的潰散性及再生性能較好。該類型砂的主要缺點(diǎn)：成本較高，有機(jī)粘結(jié)劑組份引起的氣味污染較嚴(yán)重。目前，在我國酸固化（呋喃或酚醛）樹脂自硬砂大量用于鑄鐵件生產(chǎn)，少數(shù)工廠采用酯固化堿性酚醛樹脂自硬砂和酚醛尿烷樹脂自硬砂生產(chǎn)鑄鋼件或鑄鐵件。
隨著鑄造業(yè)向規(guī)模化、精密化及綠色環(huán)保等方向發(fā)展，對樹脂砂粘結(jié)劑提出了更高要求。目前樹脂生產(chǎn)及制備砂型方面存在的主要問題如下：
?。?span>1）合成樹脂中苯酚及甲醛含量偏高，在混砂、造型和澆注過程中散發(fā)有害氣體，污染環(huán)境。
?。?span>2）酚醛樹脂結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)脆性、粘度大，混砂不均勻。
?。?span>3）制備的砂型（芯）高溫強(qiáng)度差，發(fā)氣量高，鑄件中有氮針孔。
?。?span>4）樹脂粘結(jié)劑價(jià)格偏高及一些樹脂舊砂（如堿性酚醛樹脂舊砂）再生回收性不好等。
因此，開發(fā)并采用高性能、低毒性和低成本且能夠滿足樹脂砂鑄造工藝要求的新型酚醛樹脂是今后努力的方向。
四、水玻璃砂
與另外兩大型砂（粘土砂、樹脂砂）比較，水玻璃砂具有明顯的優(yōu)勢，也有其明顯的缺點(diǎn)。與易產(chǎn)生黑色污染、灰塵污染的粘土砂型鑄造（組份中含有煤粉等粉塵物質(zhì)）相比，具有型砂流動(dòng)性好、易緊實(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度低、操作簡便、能耗低、勞動(dòng)條件好、型（芯）尺寸精度高、鑄件質(zhì)量好，以及鑄件缺陷少等許多優(yōu)點(diǎn)；與易產(chǎn)生化學(xué)污染的樹脂砂（其中含有甲醛等有機(jī)揮發(fā)物組份）比較，又有成本低，生產(chǎn)現(xiàn)場無毒、無味，以及勞動(dòng)條件好等優(yōu)勢。不同種類的水玻璃砂具有不同的特點(diǎn)。
（1）普通CO2水玻璃砂
水玻璃加入量較多（6%~8%），雖具有易緊實(shí)、操作簡單，以及型砂強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但舊砂的潰散性差，舊砂再生回用困難，已落后于時(shí)代要求，成了被改造的對象。
?。?span>2）酯硬化水玻璃砂 通過采用高質(zhì)量的純凈改性水玻璃及原砂，水玻璃的加入量可降低至2.0%~3.0%，水玻璃砂的潰散性及其舊砂的可再生性大大改善。目前，有機(jī)酯硬化水玻璃砂工藝已成為我國各類工廠進(jìn)行鑄鋼件生產(chǎn)技術(shù)改造時(shí)重要的選擇型砂種類，有普遍推廣應(yīng)用之趨勢，較好的酯硬化水玻璃砂工藝應(yīng)用廠家已能實(shí)現(xiàn)舊砂的完全再生回用。
水玻璃砂的主要缺點(diǎn)：舊砂潰散性差，落砂清理困難，舊砂再生回用性差，以及舊砂廢棄容易造成環(huán)境污染等。
從目前水玻璃砂技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用結(jié)果看，酯硬化改性水玻璃砂仍沒有徹底解決水玻璃舊砂再生回用過程中的潰散性和回用再生性能差的問題。提高水玻璃舊砂的潰散性及回用再生性仍然是水玻璃砂技術(shù)研究的難點(diǎn)問題，要使水玻璃舊砂的潰散性及回用再生性接近自硬樹脂砂還有很長的路要走。
需特別提出的是，隨著微波加熱與裝備技術(shù)的快速發(fā)展，微波加熱硬化水玻璃砂工藝的實(shí)際應(yīng)用已成為可能。微波加熱水玻璃砂應(yīng)該是最有可能實(shí)現(xiàn)綠色鑄造的砂型鑄造工藝，因此加強(qiáng)微波硬化水玻璃砂工藝應(yīng)用技術(shù)研究具有重要意義。由于微波硬化水玻璃砂具有較強(qiáng)的吸濕性，研究微波硬化水玻璃砂抗吸濕性材料、方法及裝備，將是微波加熱硬化水玻璃砂工藝實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
作為21世紀(jì)最有可能實(shí)現(xiàn)綠色清潔生產(chǎn)的鑄造型砂種類及工藝，對水玻璃砂的基本要求主要包括以下幾個(gè)方面：① 水玻璃舊砂實(shí)現(xiàn)完全再生回用。② 解決水玻璃舊砂循環(huán)再生回用過程中潰散性惡化、再生砂性能質(zhì)量下降問題。③ 進(jìn)一步提高水玻璃砂的使用性能（如強(qiáng)度、表面安定性、操控性和環(huán)境適應(yīng)性等）。④ 水玻璃砂相關(guān)材料（如水玻璃品種、水玻璃改性劑及硬化劑）系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，硬化方法的多樣化、靈活化等。
五. 結(jié)語
機(jī)械制造工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，鑄造工業(yè)是機(jī)械制造業(yè)中不可缺少的重要組成部分。綠色制造、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)是21世紀(jì)國家關(guān)注的重點(diǎn)，我國發(fā)展綠色鑄造技術(shù)與材料迫在眉睫。
砂型鑄造是鑄造工藝的主要方法，占整個(gè)鑄件生產(chǎn)的70%~80%。相對于特種鑄造方法，由砂型鑄造的造型材料帶來的粉塵污染、空氣污染及固體污染最為嚴(yán)重。因此，采用高性能、低毒性、低成本及少污染的造型材料，對實(shí)現(xiàn)砂型鑄造的綠色清潔生產(chǎn)具有重要意義。
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