我国造型材料“十三五”技术发展　规划纲要

1、 国内外发展现状及发展趋势

造型材料是铸造工业的物质基础，没有足够数量、质量和品种的造型材料，铸造企业的生产和发展都会受到很大限制。实践表明，铸件质量在很大程度上取决于造型材料的好坏。造型材料的质量不过关是我国铸件废品率居高不下（平均10％～15％）的重要原因之一。随着社会经济的发展和对铸件质量要求不断提高，近年来造型材料在新产品开发及质量提高方面都有了大幅度的进步。但是造型材料面临着两个方面的严重挑战：（1）为了满足铸件日益增长的质量要求，对造型材料质量提出了更高的要求，特别是高温合金的发展和陶瓷芯的应用，对造型材料的耐火度、化学稳定性和热稳定性等性能要求更高；（2）环境保护和清洁生产方面的要求日趋严格，特别是在各种化学硬化粘结剂竞相发展和广泛使用的今天，环境污染问题也就越来越明显，改进现有粘结剂和开发新型粘结剂，已引起了各国铸造工作者的高度关注。

1.1   国内发展现状及发展趋势

我国是一个铸造历史悠久，但铸造技术落后的国家，除了少数大型铸造企业的设备精良、技术先进、环保到位外，大多数中小铸造企业，尤以乡镇企业，还是以粘土砂手工造型为主，装备简陋，检验缺乏，导致铸件废品率高，材料能耗多，作业环境差。为了提高铸件质量，增强竞争力，70—80年代我国开始采用树脂砂造型制芯。具体来说，壳型法主要用于铸铁件，近年也用于铸钢件及有色合金铸件；热芯盒法始用于60年代中期，随后大量应用于汽车行业；酸固化呋喃树脂自硬砂始用于70年代，现已在全国推广应用，其粘结剂销售量占各种铸造树脂销售量之首；三乙胺冷芯盒法近些年已在我国一些汽车柴油机厂应用。由于我国铸造厂家多，多属于单件、小规模生产的中小铸造企业，作业环境恶劣等现象在这些铸造企业表现十分突出。要从污染的造型材料的源头上来减少和消除铸造生产产生的污染问题还任重道远。

1.2    国外发展现状及发展趋势

粘土是历史最悠久、应用最广泛的一种铸造粘结剂。但是粘土砂生产铸件，质量差、效率低和污染重。直到20世纪40年代，德国开发了用酚醛树脂作铸造粘结剂的新型造型制芯工艺，于是，铸造工业步入了化学粘结剂的时代。在50—60年代，美国和欧洲开始采用酸固化树脂自硬砂。

为了适应汽车工业的高速发展，在欧洲、北美洲开始采用热芯盒树脂砂制芯。尤其是到1968年美国Ashland公司又推出了一种三乙胺冷芯盒法，就可使砂芯在室温下几十秒内硬化，并很快在各国汽车铸造厂得到了迅速推广。

虽然采用树脂砂生产的铸件质量有明显提高，但工人的作业环境更加恶化，这种依靠以污染环境作为代价来换取铸件质量改进的发展思路再也不能采用了。到90年代初，德国率先颁布了严格的环境保护法，使人们开始关注采用树脂砂工艺时，在各工序中产生的酚、醛、胺类和苯等有害气体对人体的危害。2001年，美国对有害气体的污染，制订了“MACT标准”，这对改进现有铸造粘结剂和开发新型环保型粘结剂的研究起了很大的推进作用。

目前生产中使用的自硬砂粘结剂有三种：呋喃树脂、脲烷树脂和碱性酚醛树脂，其中以呋喃树脂的用量最大，但在使用过程中的主要污染物有：醛、酚、糠醇等。近年开发以六碳糖类为原料，脱水制得的5-羟甲基糠醛为主的呋喃树脂，总的糠醇含量可降至20%～30%，不含或少含酚和醛，目前是一个较好的环保型呋喃树脂。

在采用高效制芯的尿烷树脂时，其中两组分都需用不同极性的含苯有机溶剂，毒性很大。德国研制了以植物油为基的，粘度低、污染小的甲酯代替有毒的芳香烃作溶剂。

为了进一步改善制芯工艺的作业环境，德国HA等公司开发了以水玻璃为粘结剂冷芯盒砂，如Cordis和Innotec等新型改性水玻璃，已在德国“大众”和“宝马”等汽车公司得到了应用。

旧砂再生是减少新砂用量，降低生产成本，提高铸件质量和保护自然环境的最有效方法之一。在英国、德国、日本和美国等工业发达国家，已开发了粘土砂、水玻璃砂和树脂砂等旧砂的专用再生设备，已投入生产应用。但近年来广泛应用树脂芯砂而产生的树脂-粘土混合旧砂，明显增加了混合旧砂的再生难度，对于混合旧砂的再生，国外也加大了研究力度。

1.3   国内外的差距

目前，我国造型材料在数量上能满足铸造生产要求, 但是，由于生产厂家过于分散，质量差，缺乏竞争力，与世界铸造先进水平还有较大差距，具体可归纳为如下几方面：

（1）我国大多数厂家生产的呋喃树脂粘结剂是以糠醇为主；

（2）我国自硬砂造型应用的比重太小，粘土砂应用的比重太大；

（3）我国至今还是采用有毒的芳烃溶剂的冷芯盒工艺；

（4）国产涂料的品种比较单一，质量很不稳定；

（5）从造型方法看，我国是以手工造型为主；

（6）我国旧砂再生回用率一般在30%～60%，小型铸造厂旧砂不回用。

1.4    问题分析与解决思路

针对我国造型材料与国外先进国家存在的差距，我国应该进一步通过准入制的办法, 在对现有造型材料专业制造厂进行整合的基础上, 加大技术、设备、人员和资金的投入, 在继续提高现有产品的质量和扩展产品品种的同时，不断开发高质量、少污染的新产品，以适用我国清洁铸造生产的需要，力争使我国造型材料的生产逐步实现批量化、自动化、科学化。

2  、发展目标

我国造型材料发展目标是，在铸造材料的质量、品种、数量上，以及在整体技术水平与企业管理上，加快缩小与世界先进水平的差距，同时，建立起一个高质量、少污染，相对稳定、有序供应、高度发达的中国铸造材料生产体系和销售市场，以适应我国从铸造大国向铸造强国迈进的需要。

3 、 发展重点

3.1   技术路线

我国的铸造工业是一个原材料消耗多，废弃物排放量也多的国家。当今我国造型材料的现状是，从生产数量上还能满足我国铸造生产的需要，但是从产品质量和品种上与世界先进水平比较，还有较大的差距。而且，其发展速度和开发创新能力都不理想，这主要是由于我国现有的铸造材料厂小而多，生产检验设备缺乏与简陋，技术力量薄弱，生产成本高，产品质量差，经济效益低，环境污染重。为了改变我国现有铸造材料生产的落后现状，逐步建立起一个质量高、污染少，相对稳定，有序供应，高度发达的中国铸造材料市场，以适应我国铸造产业不断发展的需要，我国铸造材料行业今后发展的技术路线应是：

（1）对铸造材料生产厂必须实行准入制，进行产业结构调整，淘汰一批技术水平低，产品质量差，污染严重，经济效益不好的小厂，逐步实现技术水平高，工艺装备精良，资金雄厚，管理水平先进，能不断向市场提供高档、优质的铸造材料商品，市场占有率高的规模化、专业化的铸造材料企业。

（2）在增长方式上由劳动、资源密集型向技术资本密集型的转变，由粗放污染型向绿色集约型转变，使生产的产品质量、品种、数量能与世界先进水平相当。在不断完善和增加铸造材料技术性能的检测方法和仪器基础上，加紧制定和实施铸造材料技术标准，为提高铸造材料的质量及其生产稳定性，提供必要的条件。

（3）强化铸造材料共性技术的研究，不断开发出适合我国国情的新型绿色铸造材料，为改变我国铸造生产的造型制芯大量采用资源少、成本高和污染重的树脂砂工艺。

3.2     技术研究

3.2.1    关键技术的研究

（1）高强度、高溃散的常温硬化水玻璃砂在大批量汽车、柴油机等的关键产品铸件上的应用；

（2）有机无机杂化水玻璃砂在单件、小批量中大型铸件上的应用；

（3）生物质制备的5-羟甲基糠醛为基的自硬呋喃树脂及其配套固化剂的开发和在机床高端铸件上的应用；

（4）高耐热、低活性、低成本的陶瓷芯的开发及其在耐热、高化学活性的超合金，钛锆合金和共晶合金等铸件上的应用；

（5）低成本、高耐热的刚玉质（无锆英粉）的多功能铸型涂料及其在大型、重型铸钢件上的应用；

（6）铸造粘土混合旧砂和水玻璃砂的再生回用工艺和设备开发。

3.2.2    共性技术的研究

（1）化学交联与物理脱水的水玻璃硬化机理的研究；

（2）低活性、高耐热和低成本的新型纳米陶瓷材料的开发及其低温烧结机理的研究；

（3）果糖的脱水和5-羟甲基糠醛的制备和速固、高强、无污染呋喃树脂合成方法的研究；

（4）粘土混合旧砂的再生原理的研究；

（5）浸涂和流涂用水基快干铸型涂料的流变学性能的研究；

（6）有机聚合物杂化改性水玻璃的方法及其硬化机理的研究。

4  、重点项目

4.1   重点技术

（1）开发高强度、高硬化速度、无污染和低成本新型铸造粘结剂及其配套的固化剂；

（2）研制常温流变性、高温抗粘砂性、低成本、多功能的铸型涂料；

（3）解决混有树脂芯砂的粘土砂、水玻璃砂和碱性酚醛树脂砂等旧砂再生回用的工艺和设备；

（4）提高无污染水玻璃砂的即时强度、硬化速度、抗湿能力、溃散性等，以适用于大批量制芯生产的需要。

4.2    重点研究项目

（1）生物质自硬呋喃树脂及其配套低硫固化剂的开发研究，要求糠醇含量在60%以下；

（2）混合粘土旧砂和水玻璃砂的再生回用工艺和设备的研制，要求旧砂再生率达到80%以上；

（3）高强度、速固化、易溃散水玻璃砂的开发应用，水玻璃在砂中的加入量＜3.0%；

（4）中大型铸钢件水基快干低成本铸型涂料的研究；

（5）加强铸造材料关键技术性能，特别是在线流水线上的快速检测方法与相应仪器的开发研究，例如含水量、紧实度、强度等指标；

（6）加强铸造材料产品标准的定期修订、制定和实施的工作。

4.3    重点产品

（1）生物质自硬呋喃树脂及配套固化剂；

（2）大型铸件用CO₂碱性酚醛树脂粘结剂；

（3）综合性能好的水基快干消失模铸造涂料；

（4）强度高，硬化速度快和溃散性好的水玻璃粘结剂。

5 、 政策建议

（1）对铸造原辅材料厂实行准入制的办法，对那些污染大、质量差和成本高的铸造原辅材料厂使之逐步淘汰；

（2）在购置环保设备和材料方面，应给与小、微铸造企业一定的优惠；

（3）在税收方面也应给与效益较差的小、微铸造企业一定的优惠。

来源：中国机械工程学会铸造分会

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