树脂砂造型透气性对铸造质量影响的实验分析

引言

随着制造业升级与产品多样化需求的不断提升，铸造行业作为基础工艺支撑，正向高精度、高效率、绿色环保方向发展。树脂砂造型凭借其优异的成型精度、表面光洁度和可回收性，已成为中小型复杂零件和高合金结构件生产的主流工艺之一。当前，国内外企业普遍采用热固性树脂砂或冷硬型砂系统，以提高型芯强度和抗崩塌性能，但造型砂的透气性常因树脂覆盖、胶衣厚度及混砂工艺差异而波动，直接影响金属液渗气、缺陷形成及铸件内部组织均匀性。

本实验旨在系统研究不同配比与固化条件下树脂砂造型的气孔结构与透气性能，明确透气率、渗气压力与铸件缺陷率之间的定量关系。研究意义在于揭示造型透气性对铸造质量的关键影响机制，为工艺参数优化和砂型配方制定提供理论支撑。预期成果包括：建立树脂砂透气性能测试方法、确定最佳配比区间、提出透气性控制技术规范，并通过试铸验证提高铸件致密度与表面质量，为铸造企业实现高品质、低缺陷生产提供可行方案。

一、实验材料与方法

（一）实验材料准备

本研究所采用的树脂砂为酚醛树脂砂和呋喃树脂砂两类，其基础材料为粒度分布在 50–70 目之间的高纯石英砂。树脂砂性能参数包括粒径分布、树脂添加量（0.8%、1.0%、1.2%、1.5%）、热分解温度、起模强度、最终强度和透气性指数等。为提升实验系统性与对比性，所用添加剂主要为膨润土粉末、透气性增强剂（如木屑粉、镁粉）以及固化促进剂等，按照 0.2%、0.5%、1.0%等配比分组使用。实验所用模具采用标准铝合金母模精加工而成，设计尺寸为150mm×100mm×30mm ，内部嵌入专用测温探针与气体导流孔，确保铸件质量测评的标准化与可重复性。

（二）实验方法与步骤

树脂砂造型的制备过程中，首先按比例配制树脂与固化剂混合液，再均匀喷洒于干燥石英砂上，混合至包覆均匀后入模紧实，静置固化。每组试样制备 5 套以保证实验重复性。透气性测试采用 Y09 系列透气性仪，根据标准 GB/T 26909-2011 方法，测定单位时间内空气通过试样所需压力与流量，计算透气性指数。铸造实验中使用普通灰铸铁和铝合金为浇注金属，采用中频电炉加热至设定温度后倾注至模具中。铸造质量评估包括三方面：表面质量通过目测与显微镜观察进行判定，缺陷类型按《铸件表面缺陷图谱》分类；内部质量采用超声波探伤与 X 射线透视结合评估疏松、缩孔等问题；力学性能方面，试样在标准力学试验机上进行拉伸、硬度测试，分析不同透气性下铸件性能变化规律。实验设置了五个对照组，分别对应五个透气性梯度（透气性指数从 50 至 150），以探索透气性参数对铸件质量的直接影响。

二、树脂砂造型透气性实验结果分析

（一）不同透气性树脂砂造型的制备

通过调整树脂含量、添加剂类型与用量，形成五组透气性梯度分明的试样。组一（低透气性）中，树脂含量高达 1.5%，颗粒间隙小，透气性指数为52 ；组五（高透气性）采用木屑添加剂 0.5%、树脂添加量降至 0.8%，透气性达 148。造型结构通过横截面观察法测定砂粒排列状态，发现高透气性组的砂粒结构更疏松、孔隙率明显提升，模具本体密度降低约 15% 。中等透气性组（指数约 100）表现出良好的砂型强度与均匀孔道结构，是后续铸造性能表现最优的一组。

（二）透气性对铸造过程的影响

在实际浇注过程中发现，低透气性组普遍存在铸件金属液返喷现象，气体排出困难，模具内压力剧增；而高透气性组则表现为气体顺利逸出、金属充型均匀。通过温度场与压力场实时监测，铸件凝固过程中气体逸散速率与透气性呈正相关。尤其在金属液初步凝固前 15 秒内，气体积聚趋势在透气性较差的模具中尤为显著，部分试样甚至在模腔形成气体爆裂点，引发砂眼与气孔缺陷。实验进一步确认，透气性良好的砂型能够有效控制浇注气压变化，避免气孔聚集，提高金属液充型稳定性。

三、透气性对铸造质量的具体影响

（一）铸件表面质量分析

表面质量方面，低透气性组铸件常见气孔、冷隔、夹渣等典型缺陷，粗糙度 Ra 值平均在 20μm 以上；中等透气性组的铸件表面平整致密，Ra 值控制在10μm 以下；高透气性组表面出现局部砂粒粘连与冲刷痕迹，主要由于模具强度下降所致。气孔率统计显示，透气性过低组气孔率达 12% ，而最优透气性组控制在 3% 以内，显著优于传统造型工艺平均水平。

（二）铸件内部质量评估

内部质量检测表明，低透气性组 X 射线成像显示显著缩孔、疏松区域，声波衰减系数高达 3.5dB/cm，说明声波在多孔介质中传播阻力加大；中等透气性组声波传导更连续，内部组织密实均匀；过高透气性组虽未出现大面积缩松，但边界热节区热裂纹增多，推测与模具刚性下降相关。综合判断，透气性指数在 95^～115 范围内的模具在控制气体逸出、抑制缩孔与砂眼方面效果最佳。

（三）力学性能测试与分析

在拉伸试验中，低透气性组铸件表现出明显脆性断裂特征，最大抗拉强度为135MPa ；中等透气性组达到165MPa 以上，伸长率也提高至 4.1% ；高透气性组抗拉强度下降至 150MPa，材料韧性略低于最优组。硬度测量方面，同样呈现中透气性组略优，HB 硬度均值为 210 左右。上述结果表明，良好的透气性不仅提高了铸件的致密性与无缺陷性，也有助于金属晶粒细化与成分均匀，从而显著改善力学性能表现。

四、透气性优化策略与铸造质量提升

（一）透气性优化方法探讨

为兼顾透气性与模具强度，本研究提出三方面优化路径：一是配方优化，将树脂添加量控制在 1.0% 左右，辅以 0.3% 的透气剂如细粒木屑或膨润土，兼顾模具致密度与气体通道；二是工艺改进，采用分层装砂、分级压实方式，在关键气体排放通道处留设排气孔或排气通道，提升局部透气效率；三是包装和储运改进，避免砂型过早受潮结块或变形影响孔隙结构。此外，建议在生产现场安装在线透气性传感装置，实时监控模具性能，防止批量缺陷产生。

（二）优化后铸造质量对比分析

经过优化后的砂型在实际浇注中表现出极佳的稳定性与一致性。表面质量方面，Ra 值下降至 8μm 以内，无明显冷隔或粘砂现象；内部缺陷检出率下降60% ，超声波与 X 射线结果显示组织致密、分布均匀。力学性能方面，抗拉强度提升至 172MPa，延伸率接近 4.5%，HB 硬度稳定在 215 以上，显示综合性能较优化前显著提升。实验验证优化方案具备良好的实用价值与推广前景，尤其适用于高精度要求的汽车零部件、航空合金铸件等高端铸造领域。

结语

树脂砂造型的透气性对铸件质量具有直接而深远的影响。通过本研究可以得出，适度透气性不仅有助于气体顺利逸出、减少铸件缺陷，还显著提升了铸件的结构致密度与力学性能。然而，过低或过高的透气性均可能带来新的问题，如气孔、裂纹或强度下降等。因此，需在材料配方、成型工艺与现场操作中实现透气性与模具性能的最优平衡。未来，可引入 AI 建模、多物理场仿真与数字孪生等先进手段，实现造型透气性与铸造质量间的精准预测与动态控制，为智能铸造与绿色制造提供坚实技术支撑。

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