三乙胺法冷芯盒制芯工艺的应用及探讨

三乙胺冷芯盒工艺在铸造生产中的应用与研究的开题报告
一、研究背景
三乙胺冷芯盒是一种新型铸造材料，可显著提高铸件质量和生产效率。

因此，它在铸造生产中得到了广泛应用。

然而，在实际应用中，不同的生产工艺会对其性能产生一定的影响，因此有必要对其工艺参数进行研究，以提高生产效率和产品质量。

二、研究目的
本研究旨在探究三乙胺冷芯盒在铸造生产中的应用和工艺参数对其性能的影响，为进一步提高铸件质量和生产效率提供理论依据和技术支持。

三、研究内容
1、三乙胺冷芯盒在铸造生产中的应用情况分析和概述；
2、研究三乙胺冷芯盒的制备工艺，包括材料配比、混合、成型、硬化等步骤的优化；
3、探究不同工艺参数对三乙胺冷芯盒性能的影响，包括压缩强度、抗拉强度、抗弯强度等性能；
4、研究三乙胺冷芯盒的耐高温性能和耐化学腐蚀性能，并对其应用范围进行评价；
5、研究三乙胺冷芯盒在不同铸造条件下的应用效果和生产成本。

四、研究方法
本研究采用实验方法，按照不同的工艺参数对三乙胺冷芯盒的性能进行测试和分析，包括定量分析和定性分析。

同时，采用SEM和XRD等分析方法对其微观结构和组成进行观察和探究。

五、预期成果
通过本研究，将进一步明确三乙胺冷芯盒在铸造生产中的应用范围和优势，提高生产效率和产品质量。

同时，将为相关企业的生产和技术提供理论依据和科学支持。

行业标准《铸造用三乙胺冷芯盒法树脂》解读1 标准概况三乙胺冷芯盒法树脂工艺由于其具有生产效率高、节约能源、芯（型）强度高、尺寸精确、芯（型）砂溃散性好等优点，已经得到了铸造业的广泛使用。

根据2011年中国机械工业联合会下发的2011年行业标准制修订计划，《铸造用三乙胺冷芯盒法树脂》行业标准由苏州兴业材料科股份有限公司负责起草，全国铸造标准化技术委员会归口管理。

在2011年第三批行业标准制修订计划中，标准名称为《铸造用三乙胺法冷芯盒树脂》，在标准征求意见时，经标准起草小组一致同意，将标准名称确定为《铸造用三乙胺冷芯盒法树脂》。

2 标准的主要内容2.1 范围本标准适用于铸造用三乙胺冷芯盒法制芯（型）用树脂。

2.2 术语和定义参照GB/T 5611《铸造术语》“铸造用三乙胺冷芯盒法树脂 TEA cured cold-box resin for foundry”，将铸造用三乙胺冷芯盒法树脂定义为“在室温下吹入三乙胺等叔胺类催化剂气体，使双组分粘结剂的酚醛树脂和聚异氰酸酯交联成固态的氨基甲酸酯，从而使砂芯（型）硬化的冷芯盒用树脂。

”2.3 分类和牌号铸造用三乙胺冷芯盒法树脂是目前广泛使用的制芯、造型用有机粘结剂，在用户现场使用时主要根据强度判断产品优良，因此标准以强度等级分级为普通型、抗湿型和高强度型。

铸造用三乙胺冷芯盒法树脂按使用条件不同分类及分类代号见表1。

铸造用三乙胺冷芯盒法树脂的牌号表示方法如下:示例SLⅠ-G：表示铸造用三乙胺冷芯盒法树脂组分Ⅰ高强度型树脂。

2.4 技术要求2.4.1 铸造用三乙胺冷芯盒法树脂的理化性能应符合表2的规定。

因为组分Ⅰ刚生产出来时为淡黄色，遇光易变棕红色，但不影响性能，所以本标准规定组分Ⅰ为淡黄色至棕红色透明液体。

为促进技术进步，出于对职业健康和环境保护的需要，同时考虑到国内有代表性厂家的现状，对组分Ⅰ中的游离甲醛进行了分级规定，≤0.5%为合格品，≤0.3%为优级品。

三乙胺吹气冷芯盒法是应用最早和最普及的一种。

在这种工艺中，芯砂粘结剂由两部分液体组成：组分I 为酚醛树脂，组分II 为聚异氰酸酯；催化剂为液态三乙胺。

在冷芯盒射芯机上将树脂砂射入芯盒后，通过三乙胺气体发生器向芯盒内吹入三乙胺和载体的混合气体，使砂芯在数秒至数十秒内硬化，达到满足脱模和搬运的强度。

对三乙胺和载体气体进行加热，促进三乙胺和载体气体充分混合均匀，可以缩短硬化时间和降低树脂的用量。

三乙胺气体发生器的结构和工作原理三乙胺气体发生器的一个工作循环分为如下3 个阶段：高压吹胺低压吹胺清空三乙胺，有机化合物，系统命名为N,N-二乙基乙胺，是具有有强烈的氨臭的淡黄色透明液体，在空气中微发烟。

微溶于水，可溶于乙醇、乙醚。

水溶液呈弱碱性。

易燃，易爆。

有毒，具强刺激性。

工业上主要用作溶剂、固化剂、催化剂、外观与性状：无色油状液体，有强烈氨臭。

熔点(℃)：-114.8相对密度（水=1）：0.726沸点(℃)：89.5折射率：1.4010黏度(30℃)：0.32mPa·s相对蒸气密度（空气=1）：3.48饱和蒸气压(kPa)：8.80(20℃)燃烧热(kJ/mol)：4333.8临界温度(℃)：259临界压力(MPa)：3.04辛醇/水分配系数的对数值：1.45闪点(℃)：<0爆炸上限%(V/V)：8.0引燃温度(℃)：249爆炸下限%(V/V)：1.2溶解性：微溶于水，溶于乙醇、乙醚等多数有机溶剂。

毒性：有毒，对皮肤和黏膜有刺激性，LD50 460mg/kg。

空气中最高容许浓度30mg/m3。

胺法冷芯盒制芯工艺研究三乙胺冷芯盒工艺自1968年在美国铸造学会举办的展览会上展出以来，因其很高的生产率颇具竞争性和实用性，而且在此基础上出现了制芯中心，型芯的尺寸精度进一步提高，受到了铸造业内人士的普遍关注，尤其是在汽车、拖拉机、内燃机等大批大量生产行业得到了极其广泛的发展和应用。

据报道，美国铸造行业所用的各类铸造粘结剂中，冷芯盒树脂的年用量最大，约占粘结剂总量的44%。

我国七十年代初，一拖工艺材料研究所和安阳塑料厂率先开始了胺法冷芯盒制芯树脂及工艺的研究，但当时国内无专用设备及配套材料供应，使该工艺无法推广。

1985年，常州有机化工厂从美国Ashland公司引进了胺法冷芯树脂生产技术，一汽铸造一厂从美国B﹠P公司引进了全套冷芯盒制芯设备，接着一拖、上柴又分别从德国、美国引进了两套冷芯盒制芯专用装备，使胺法冷芯技术在国内获得生产性应用。

到目前为止，国内已形成了冷芯盒全套设备、工艺装备、树脂及配套辅料等近百家设计、制造单位的年产值数十亿元的产业链。

1.冷芯盒树脂砂的工作原理和化学特性1.1冷芯盒树脂砂工作原理冷芯盒树脂有二个组份，即：Ⅰ组份是宽分布线性酚醛树脂。

它是用苯酚、甲醛经过化学反应获得的含有羟甲基（-CH2OH）与醚键（R-O-R）的线性聚合体。

适量的羟甲基数,可保证型芯获得必要的初强度，适当的醚键可保证充分的终强度。

Ⅱ组份是用高沸点的相溶性优良的溶剂而改性的含有适量（—N=C=O）基团的聚异氰酸酯。

冷芯盒工艺的固化原理是酚醛树脂中的羟甲基（-CH2OH）和聚异氰酸酯中的（—N=C=O）基团在三乙胺的催化作用下，数秒内反应生成固态的尿烷树脂。

实际使用时，需要混砂和制芯两个过程：首先是树脂的两种组分通过混砂过程均匀地包覆在砂粒表面；然后将混好的混合料射入芯盒，再吹入三乙胺气体，使均匀包覆在砂粒表面的树脂膜从液态变成固态，在砂粒与砂粒之间建立粘结桥，形成强度。

1.2冷芯盒树脂砂的化学特性1.2.1 Ⅱ组份聚异氰酸酯中—N=C=O基团在碱性或微碱性环境中容易水解，放出CO2生成胺化合物，其反应活性受浓度、温度、催化剂的影响。

三乙胺法冷芯盒工艺技术三乙胺法冷芯盒工艺技术是一种常用的金属铸造工艺，它广泛应用于航空航天、汽车制造、机械工程等领域。

该工艺的主要原理是利用三乙胺在铸造过程中的化学反应，使其快速气化，在模具中形成均匀的气泡，从而形成轻质的铸件。

首先，三乙胺法冷芯盒工艺技术要求选用适合的模具材料。

由于三乙胺气化时会产生较高的温度，模具材料需要具备高温耐受性和耐蚀性，一般选择耐火材料或特种合金。

其次，该工艺要求在铸造前将三乙胺喷涂在模具表面。

这一步骤需要将三乙胺与稀释剂按一定比例混合后喷涂到模具内壁上，并迅速将模具合拢，使其均匀覆盖在模腔表面。

然后，进行金属液浇注。

在模具内喷涂三乙胺后，需要迅速将金属液浇注到模腔中，由于三乙胺的快速气化，使得金属液不被三乙胺冷凝，从而形成轻质的铸件。

接下来，进行冷却和凝固。

在铸造完成后，需要将铸件进行冷却，使其凝固定形。

冷却速度的控制是至关重要的，过快或过慢都会影响铸件的性能。

最后，取出模具，完成整个冷芯盒工艺。

一般来说，三乙胺法冷芯盒工艺技术可以提高铸件的密度、减少缺陷和气孔，使得铸件的质量更加稳定可靠。

值得注意的是，三乙胺在铸造过程中会产生一定的气味和有害气体，因此在操作过程中需要保持良好的通风条件并使用适当的个人防护设备，确保工人的安全。

总的来说，三乙胺法冷芯盒工艺技术是一种重要的铸造工艺，具有较高的效率和质量优势。

通过合理的应用和控制，可以实现高质量的铸件生产，并满足不同领域的需求。

三乙胺法冷芯盒工艺技术是一种常用的金属铸造工艺，它在各个领域中广泛应用。

下面将详细介绍该工艺技术的相关内容。

首先，三乙胺法冷芯盒工艺技术的基本原理是利用三乙胺在铸造过程中的化学反应。

三乙胺，也被称为N,N-二乙基甲酸酰胺，是一种液体化合物。

当在铸造过程中，将三乙胺喷涂在模具表面后，它会快速气化，形成大量气泡，进而形成轻质的芯盒。

该工艺的第一步是选择适合的模具材料。

由于三乙胺在气化时会产生高温，因此模具材料需要具备耐高温和耐蚀性。

三乙胺法冷芯盒制芯工艺影响因素的研究引言三乙胺法冷芯盒制芯作为一种常用的铸造工艺，广泛应用于金属铸造行业。

在该工艺中，冷芯盒起到加固砂芯的作用，从而保证砂芯能够在铸造过程中保持形状稳定。

然而，冷芯盒制芯工艺中存在许多影响因素，这些因素会直接影响到制芯质量和生产效率。

因此，对冷芯盒制芯工艺影响因素的研究具有重要的理论和实际意义。

影响因素1. 砂芯配合比砂芯配合比是指砂芯制备过程中砂与粘结剂的比例关系。

砂芯配合比的变化会直接影响到砂芯的强度和形状稳定性。

过高或过低的配合比会导致砂芯变形或者失去强度，影响到铸件的质量。

因此，在冷芯盒制芯过程中，合理选择砂芯配合比十分重要。

2. 砂芯固化条件砂芯固化条件是指砂芯在制备过程中固化所需的温度和时间。

砂芯固化条件的设置不仅会影响到砂芯的强度和稳定性，还会对铸件的缩孔和热裂纹等缺陷产生影响。

因此，对砂芯固化条件的优化研究可以有效提高制芯质量和减少铸件缺陷。

3. 冷芯盒结构设计冷芯盒的结构设计直接影响到砂芯的形状和支撑力。

合理的冷芯盒结构设计可以保证砂芯在铸造过程中不发生变形或裂纹。

对于复杂形状的砂芯，冷芯盒结构设计的合理性尤为重要。

因此，冷芯盒结构设计应根据具体的砂芯形状和尺寸进行优化。

4. 三乙胺溶剂配置三乙胺是冷芯盒制芯工艺中常用的一种粘结剂，它可以使砂芯具备一定的强度和稳定性。

三乙胺溶剂配置的不同会直接影响到砂芯的粘结效果。

过高或过低的三乙胺溶剂配比会导致砂芯粘结不牢或者溶剂残留在砂芯中，影响到铸件质量。

因此，三乙胺溶剂配比的合理选择对于冷芯盒制芯工艺影响很大。

结论三乙胺法冷芯盒制芯工艺是常用的铸造工艺之一，影响因素的研究对于提高制芯质量和生产效率具有重要意义。

砂芯配合比、砂芯固化条件、冷芯盒结构设计以及三乙胺溶剂配置是冷芯盒制芯工艺的主要影响因素。

合理选择和优化这些影响因素可以有效提高制芯质量、减少缺陷产生，从而提高铸件的质量和生产效益。

因此，在实际生产中，应对这些影响因素进行细致的研究和优化，以提高冷芯盒制芯工艺的可靠性和稳定性。

热加工图6 X 射线检测结果图7 切剖和着色检测结果2021年 第4期 热加工97的一种方法，但在生产过程中，三乙胺气雾发生器存在一些问题，可导致砂芯成品率降低，使生产环境恶化。

（1）三乙胺气体泄漏，环境污染严重 目前，使用的三乙胺气雾发生器液体、气体输送系统采用焊接方式，该方式不便于损坏部件的更换及维修。

若采用螺纹联接，则容易发生三乙胺和压缩空气泄漏[3]，使生产环境恶化，加大生产成本。

（2）三乙胺气体加热雾化不充分 三乙胺在要求的工艺时间内未能达到一定温度，雾化不充分[4]，砂芯中的两种树脂发生反应不充分，导致砂芯局部硬度偏高，而其余部分又未能硬化，产生了废芯，造成了劳动生产率降低，生产成本增加。

（3）供胺系统定量装置易损坏，定量不准确 目前，三乙胺气雾发生器供胺系统的定量装置主要有三种形式：其一，采用波纹管式定量泵，通过计量泵上的调整机构对进入的三乙胺量进行调节，计量泵内的波纹管使用寿命较短，定量不够准确；其二，采用定量泵、气动截止阀简单地对三乙胺进行计量，定量泵会产生空打或过量输送，使计量不够准确，造成三乙胺浪费或砂芯硬化缺陷；其三，采用气动隔膜泵，根据电磁阀通断设定不同的供胺时间来调整供胺量，气动隔膜泵膜片比较容易损坏，定量不准确[4，5]。

（4）雾化过程压力设计不合理 吹气压力按时间段设定，分为低压段、高压段，由于高低压段之间没有过渡段，同时为保证生产节拍低压段时间不能过长，如果固化层过浅，高低压的瞬时切换动作还可能造成砂芯表面被吹出凹坑[6]。

3 三乙胺发生器技术方案为了克服以上不足，本文介绍了一种用于冷芯盒双组份树脂砂芯固化的三乙胺气雾发生器[7]，以克服生产过程中存在的一些问题。

3.1 工作原理当冷芯盒制芯机充砂完成后，向三乙胺发生器发出加胺信号，泵前气动角座阀打开（延时2s 后），定量齿轮泵起动，胺液进入三乙胺加热器，当齿轮流量计检测到胺量已达到设定输入量后，PLC 控制泵断电，气动角座阀关闭，停止向加热系统供胺，如图1所示。

冷芯盒制芯技术及应用现状前言自1968年美国的阿什兰公司发明并推广冷芯盒技术以来，冷芯盒制芯因其生产效率高、节能，砂芯尺寸精度高、发气量低，芯盒寿命长、变形量小，铸件表面光洁、尺寸精度高（可达到CT7级），浇注后砂芯溃散性好等特点而被广泛采用。

尽管冷芯盒法除了ISOCURE法（阿什兰法）外，后来还开发了SO2法（呋喃树脂/SO2法、环氧树脂/SO2法、酚醛树脂/SO2法、自由基硬化法）、低毒或无毒的气硬促硬法（钠水玻璃/CO2法、酚醛树脂/脂法、有机粘结剂/CO2法）、FRC法，但目前应用最多的仍是ISOCURE法。

ISOCURE法是在原砂中加入一定量的组分I（液态的酚醛树脂）和II组分（聚异氰酸脂），在混砂机中混匀后，用射芯机射砂或人工填砂制芯，用干燥的空气、CO2气体或氮气作载体，通入约5%浓度的催化剂气体，使组分I中的酚醛树脂的羟基和组分II中的异氰酸基在催化剂的作用下，发生聚合反应生成尿烷树脂而固化。

冷芯盒的适应性强，它可以应用于铸造所有种类的黑色和有色合金以及适用于大多数铸造用砂，冷芯盒砂芯可小到136g，大到840Kg，最大达到1000磅；砂芯壁厚从3mm到170mm。

在国内外，冷芯盒技术已成功的应用于汽车、拖拉机、飞机、机床、泵业等行业，但在实际生产中，冷芯盒制芯工艺受到许多因素的影响，包括原材料、工装、工艺参数等。

本文对冷芯盒技术的应用中应注意的问题作了一定的综述，并对国内应用冷芯盒技术的情况作了说明。

一、冷芯盒生产中应注意的问题：冷芯盒技术的本质是组分I（液态的酚醛树脂）和II组分（聚异氰酸脂）在催化剂的作用下，生成尿烷的过程，即：催化剂酚醛树脂+聚异氰酸脂尿烷组分I的酚醛树脂结构要求为苯醚型，组分II为4，4’二苯基甲烷二异氰酸酯（MDA）或多次甲基多苯基多异氰酸脂（PAPI）等，美国推荐使用MDA，我国主要用PAPI。

组分I和组分II通常用高沸点的酯或酮稀释，以增加树脂的流动性和可泵性，使树脂容易包覆在砂粒表面，也增加芯砂的流动性，使砂芯致密。

华中科技大学硕士学位论文AbstractTri-ethylamine Cold Box Core-making Process,with the features of more efficiency, energy saving,good casting surface quality,accurate dimension,good core collapsibility, has been widely used in automobiles,internal combustion engines,tractor,engineering machinery,rolling stock,brake pump.However,the high usage amount of resin,low performance and bad storage of sand core lead to the high scrap rate in production process of some Foundry Enterprise.Therefore,further studies on these problems can provide technical support for optimization of Tri-ethylamine Cold Box Core-making Process, enhancing sand core performance and reducing production cost,which have important realistic significance.In this paper,combining the production practice of No.1Foundry Plant,Dongfeng motor Co.,Ltd(hereinafter called:No.1Foundry Plant),reasons for the high usage amount of resin and low efficiency of core-making were analyzed.Furthermore,effects of process conditions for sand core performance of Tri-ethylamine Cold Box based on actual production were studied.Finally,several improvement measures of ISOCURE of No.1 Foundry Plant were proposed,and the results achieved are as follows.Through analyzing quality of raw materials and production process of Tri-ethylamine Cold Box Core-making of No.1Foundry Plant,high water content of the raw sand and the compressed air is identified as the main reason for high usage amount of resin.The effect of the amount of added resin on sand core performance was studied.The results showed that the initial strength and the24h final strength of sand core increased with the increase of amount of addition of resin,the gas evolution indicate the same variation tendency.When the amount of added resin is1.8%,he24h final strength reach the maximum at the ratio of two components is50:50,and the initial strength reaches its maximum at the ratio of55:45.It is also can be seen that the tensile strength of sand core has good stability when the ratio is between50:50and55:45.And then,research of water-based paint,environmental humidity and temperature on strength and fracture of sand core were also explored.The results showed that the water-based paint made the24h final strength decrease significantly,but the decline rate华中科技大学硕士学位论文decreased with the increase amount of added resin;the strength of core painted during storage time1-6h was lower than that of immediate painted core and painted after storage 24h.In the environment of room temperature and high humidity,the core strength decreased significantly due to high humidity with the extension of storage time.In the environment of40℃and RH100%,the sand core reaches its maximum strength within5h, and then the strength declined rapidly with the extension of storage time.The resin binding bridge showed cohesive-fracture-dominated compound fracture in the environment of room temperature and low humidity,While,the resin binding bridge showed the adhesive fracture because of moisture-induced cracks in high humidity environment.Based on these,several improvements for the raw water content,sand mulling, compressed air dryer,dip coating and heating,process and tooling parameters and sand core storage have been proposed to reduce the usage amount of resin and increase efficiency of core-making.Key words:Tri-ethylamine;Cold box;Process parameters;Water-based coating;Environment humidity;Core strength;Core fracture独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

三乙胺冷芯盒法[酚醛-异氰酸盐-胺气固化（冷芯盒）]法原理：粘结剂由两部分组成，第一组分为溶剂基的酚醛树脂，第二组分为聚异氰酸脂，MDI（4,4’一二苯基甲烷二异氰酸脂），将树脂同砂子进行混合并把混合物射入芯盒，把胺气（TEA三乙胺或DMEA 二甲基乙胺）吹到砂芯里，经催化使第一组分和第二组分之间产生聚合反应生成脲烷（氨基甲酸树脂），使之硬化，这种反应几乎是瞬间的。

砂子：通常用洁净的，AFS50-60[50/100]硅砂，但是锆砂和铬铁矿砂也可以用。

砂子必须干燥，超过0.1%的水分会降低型砂混砂料的存放期。

高PH值(高酸耗值)也会缩短存放期。

理想的温度约为25℃：温度低会造成胺气冷凝和不均匀固化；温度高会造成溶剂从粘接剂中过快散失而使强度降低。

氮含量:第二部分,异氰酸盐含11.2%氮。

[注：兴业树脂二组分异氰酸盐含氮量为：7.5%—8.8%][注：当组分Ⅰ加入量高于组分Ⅱ时，砂芯即时抗拉强度提高，砂芯发气量减少，含氮量相对降低，将组分Ⅰ、组分Ⅱ之比确定为：55：45。

另外，组分Ⅰ的价格较组分Ⅱ便宜，亦能降低一些成本] 混砂方法：可用间歇式混砂机或连续式混砂机。

先加入第一组分再加入第二组分。

不要强力搅拌以免砂子受热而使溶剂挥发。

存放期：如果型砂干燥，可存放1-2h。

[混好的芯砂存放时间一般为：2-3h，夏季为：1-2h。

][兴业供一汽轻发的冷芯树脂，可使用时间大于4h，气温高时要缩短][注：可使用时间：将混制好的树脂砂放入塑料桶内，放置一定时间（如30min、60min、120min、180min、240min、480min）后，射制“8”字形抗拉试样，吹气硬化后1min内，测其初始强度，直至射制的工艺试样初始强度低于工艺要求下限为止，此时到混砂完毕的时间即为冷芯盒树脂砂的可使用时间。

生产中的工艺强度下限值，对于复杂砂芯一般定为0.15MPa；对于形状较简单的厚壁砂芯可定为0.06%MPa。

]射芯方法：采用低压，200-300kpa（30-50psi），吹入的空气必须干燥：经过带有干燥剂的干燥器可把空气中水分减少到50ppm。