消失模铸造技术简介及工艺流程.docx

消失模铸造工艺简述
    消失模铸造是把涂有耐火材料涂层的泡沫塑料模样放入砂箱，模样四周用干砂充填，采用微震加负压紧实，在没有芯子的情况下浇注液态金属，在浇铸和凝固过程中继续保持一定的负压，使泡沫塑料气化继而被金属取代形成铸件的一种新型铸造工艺方法。
    一．消失模铸造的工艺流程如下：
    1）预发泡
    模型生产是消失模铸造工艺的第一道工序，复杂铸件如汽缸盖，需要数块泡沫模型分别制作，然后再胶合成一个整体模型。每个分块模型都需要一套模具进行生产，另外在胶合操作中还可能需要一套胎具，用于保持各分块的准确定位，模型的成型工艺分为两步，第一步是将聚苯乙烯珠粒（EPS）预发到适当密度，一般通过蒸汽快速加热来进行，此阶段称为预发泡。
    2）模型成型
    经过预发泡的珠粒要先进行稳定化处理，然后再送到成型机的料斗中，通过加料孔进行加料，模具型腔充满预发的珠粒后，开始通入蒸汽，使珠粒软化、膨胀，挤满所有空隙并且粘合成一体，这样就完成了泡沫模型的制造过程，此阶段称为蒸压成型。
    成型后，在模具的水冷腔内通过大流量水流对模型进行冷却，然后打开模具取出模型，此时模型温度较高而强度较低，所以在脱模和储存期间必须谨慎操作，防止变形及损坏。
    3）模型簇组合
    模型在使用之前，必须存放适当时间使其熟化稳定，典型的模型存放周期多达30天，而对于用设计独特的模具所成型的模型仅需存放2个小时，模型熟化稳定后，可对分块模型进行胶粘结合。大批量生产的铸件其分块模型胶合必须使用热熔胶在自动胶合机上进行，才能保证粘合精度。中小批量生产的铸件可采用冷粘胶手工粘合，胶合面接缝处应密封牢固，以减少产生铸造缺陷的可能性
    4）模型簇浸涂、干燥
    为了每箱浇注可生产更多的铸件，有时将许多模型胶接成簇，把模型簇浸入耐火涂料中，然后在大约30～60C（86-140F）的空气循环烘炉中干燥2～3个小时，干燥之后，将模型簇放入砂箱，填入干砂振动紧实，必须使所有模型簇内部孔腔和外围的干砂都得到紧实和支撑。
    5）浇注
    模型簇在砂箱内通过干砂振动充填坚实后，抽真空形成负压加强紧实度，铸型就可浇注，熔融金属浇入铸型后，模型气化被金属所取代形成铸件。 在消失模铸造工艺中，浇注速度比传统空型铸造更为关键。如果浇注过程中断，砂型就可能塌陷造成废品。因此为减少每次浇注的差别，最好使用自动浇注机。
    6）落砂清理
    浇注之后，负压保持一段时间后释放真空，铸件在砂箱中凝固和冷却，然后落砂。铸件落砂相当简单，倾翻砂箱铸件就从松散的干砂中掉出。随后将铸件进行自动分离、清理、检查并放到铸件箱中运走。
    干砂经砂处理系统处理冷却后可重新使用，很少使用其他附加工序，金属废料可在生产中重熔使用。
   二． 消失模铸造工艺的优点
   1）铸件精度高:消失模铸造是一种近无余量、精确成型的新工艺,该工艺无需取模、无分型面、无砂芯,因而铸件没有飞边、毛刺和拔模斜度,并减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差。铸件表面粗糙度可达Ra3.2至12.5μm；铸件尺寸精度可达CT7至9；加工余量最多为1.5至2mm，可大大减少机械加工的费用，和传统砂型铸造方法相比，可以减少40%至50%的机械加工间。
2）设计灵活:为铸件结构设计提供了充分的自由度。可以通过泡沫塑料模片组合铸造出高度复杂的铸件。
3）无传统铸造中的砂芯  因此不会出现传统砂型铸造中因砂芯尺寸不准或下芯位置不准确造成铸件壁厚不均。
4）清洁生产 型砂中无化学粘结剂,低温下泡沫塑料对环境无害,旧砂回收率95%以上。
5）降低投资和生产成本 减轻铸件毛坯的重量,机械加工余量小。
因此,消失模铸造技术符合铸造发展的总趋势,有着广泛的发展前景。
三．消失模铸造工艺的缺点和局限性
消失模铸造工艺与其他铸造工艺一样，有它的缺点和局限性，并非所有的铸件都适合采用消失模工艺来生产，要进行具体分析。主要根据以下一些因素来考虑是否采用这种工艺。
1）铸件的批量  批量越大,经济效益越可观。
2）铸件材质 其适用性好与差的顺序大致是:灰铸铁--非铁合金--普通碳素钢--球墨铸铁--低碳钢和合金钢;这是因为泡沫塑料在浇注过程中燃烧分解物对合金溶液的影响作用不同。例如对含碳低的铸钢件，采用消失模铸造可能使铸件表皮出现增碳问题，因此决定生产之前需通过必要的准备以不致使工艺实验、调试周期过长。
3）铸件大小 主要考虑相应设备的使用范围（如振实台，砂箱）。
4）铸件结构 铸件结构越复杂就越能体现消失模铸造工艺的优越性和经济效益,对于结构上有狭窄的内腔通道和夹层的情况,采用消失模工艺前需要预先进行实验,才能投入生产。对一些现状简单的、用砂型铸造方法也可生产出高质量的铸件，而且其生产效率、铸件成本比用消失模工艺低，这种情况就不一定采用消失模铸造方法。

四．消失模铸造工艺在国内的发展现状：
通过十多年的生产实践，我国采用消失模技术进行铸造生产的企业，已由开始阶段不到十家发展到目前的数百家。消失模铸造生产在我国有许多成功的实例，没有达到预期效果而下马的企业也有相当多的数量。分析成功的经验和失败的教训，对于消失模铸造在我国的发展前景，关键在于对这种工艺的认知程度，在于对该工艺生产系统的优化控制，包括对原材料、涂料技术、干砂紧实技术以及消失模铸造工艺技术的优化控制等。
五．对消失模铸造生产系统的优化控制
1）原材料的优化控制

消失模铸造生产需要的原材料大致分为模型原材料、干砂原材料、涂料原材料、合金熔炼原材料等几个方面。由于消失模铸造工艺是一项系统工程，原材料的选择尤为重要。所以控制各种原材料的质量和参数就成了消失模铸造成败的基础。
模型材料通常称之为珠粒，铸造上采用的珠粒一般分为两种类型，即聚苯乙烯(EPS-Polystyrene)珠粒和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA-Polymethyl Methacrylate)珠粒，二者都属于高分子材料。另外还有一种EPS+PMMA的聚合物。对于低碳钢铸件，模型材料中的碳易使铸件表面产生增碳现象，从而导致各种碳缺陷。其中EPS(含碳92％)、EPS＋PMMA共聚物、PMMA(含碳60％)对铸件的增碳影响程度依次减小。此外，模型的密度是其发气量的重要控制参数，上述三种材料的发气量从小到大依次为EPS、PS＋PMMA共聚物、PMMA。同时，珠粒的尺寸应根据所生产铸件的壁厚进行选择，一般情况下，厚大铸件选用较粗粒径的珠粒，反之薄壁铸件选用较细粒径的珠粒，使铸件最薄部位保持三个珠粒以上为宜。
另外，模型材料的预发和成形控制也是技术成功的一个关键。一般情况下，预发珠粒其密度控制在约0.024～0.03g/cm3，其体积约为原珠粒体积的30倍。成形模型的密度控制在约0.02～0.025g/cm3。
干砂是消失模铸造的造型材料，由于该工艺的特点，选择干砂应与生产的铸件材质有关，高温合金采用耐火度较高、颗粒较粗的干砂。目前干砂主要使用天然石英砂，应去除砂中的铁渣、粉尘和水分，并保持使用温度不高于50℃。
涂料是消失模铸造中必不可少的原料，现在许多铸造厂采用自制涂料。涂料的主要作用是提高模型的强度和刚度、防止破坏或变形；隔离金属液和铸型；排除模型气化产物；保证铸件表面质量等。消失模涂料中耐火骨料主要有锆英粉、铝矾土、棕刚玉粉、石英粉、滑石粉、莫来石粉、云母粉等。其粒径级配应兼顾防止粘砂和高温透气性，粒形有利于提高透气性，通常选择一定数量的球状颗粒，有利于模型气化后气体的逸出或模型不完全分解的液化产物的排除。
2）涂料制配的控制
消失模铸造涂料的载体多采用水基，以利于环境保护。其粘接剂主要包括粘土、水玻璃、糖浆、纸浆废液、白乳胶、硅溶胶等。在选择粘接剂考虑以下几个方面因素：高温发气性；涂挂性；涂层强度和刚度；浸蚀模型性等。悬浮剂用于防止涂料发生沉积、分层、结块，使涂料具有触变性。一般可采用膨润土、凹凸棒石粘土、有机高分子化合物及其复合体等。另外消失模涂料中还需添加表面活性剂，以增加涂料的涂挂性，提高涂料与模型表面的亲和性和结合强度。此外还常常加入其他添加剂，如消泡剂、减水剂、防腐剂、颜料等。
为此，要求涂层具有良好的强度、透气性、耐火度、绝热性、耐急冷急热性、吸湿性、清理性、涂挂性、悬浮性等。综合起来主要包括工作性能和工艺性能。
涂料的工作性能包括强度、透气性、耐火度、绝热性、耐急冷急热性等，主要是在浇注和冷却过程中应具有的性能，其中最重要的是强度和透气性。而涂料的工艺性能包括涂挂性、悬浮性等，主要是在涂挂操作中所要求的性能。
一般消失模铸造多采用水基涂料，涂料与模型一般不润湿，从而要求改进水基涂料的涂挂性。涂挂性是指模型涂挂涂料后一般需要悬挂干燥，希望涂料在涂挂后尽快不滴不淌，确保涂料层的均匀性，减少环境污染。悬浮性是指涂料在使用过程中，涂料保持密度的均匀性，不发生沉积现象。
涂料的制配工艺控制是涂料技术的关键环节。国产涂料多采用碾混、辊混或搅拌工艺。根据生产实践，碾混和辊混其质量优于搅拌。建议有条件的企业可采用碾混或辊混方法制配涂料。
由于不同的合金对涂料的作用情况不同，建议根据合金种类的不同研制相应的涂料，如铸铁涂料、铸钢涂料、有色合金涂料等。在涂料配置和混制过程中，应尽量使用合理的骨料级配，使骨料和粘接剂及其它添加剂混合均匀。
除了涂料性能达到要求外，涂敷和烘干工艺对生产也具有一定影响。生产上多采用浸涂，最好是一次完成。也可以分两次涂敷，但应每次涂敷后要进行烘干，烘干时注意烘干温度的均匀性和烘干时间，保证涂层干燥彻底并不开裂。
3）干砂造型工艺的控制
干砂造型是将模型埋入到砂箱中，在振动台上进行振动紧实，保证模型周围干砂充填到位并获得一定的紧实度，使型砂具有足够的强度抵抗金属液的冲击和压力。
干砂造型第一步是向砂箱中加入干砂，加砂时为保证干砂的充填到位，首先在砂箱中加入一定厚度的底砂并振动紧实，然后放入模型簇，再加入一定厚度的干砂，将模型簇埋入到三分之一到二分之一，再进行适当振动，以促使干砂向模型内腔充填。最后填满砂箱进行振动，振动时间不宜过长，以保证模型不出现损坏和变形，同时保证涂料层不发生脱落和裂纹。
振动参数应根据铸件结构和模型簇形式进行选择，对于多数铸件，一般应采用垂直单向振动，对于结构比较复杂的铸件，可考虑采用单向水平振动或二维和三维振动。振动强度的大小对干砂造型影响很大，用振动加速度表示振动强度。对于一般复杂程度的铸件和模型簇，振动加速度在10～20m/s2之间。而振幅是影响模型保持一定刚度的重要振动参数，消失模铸造振幅一般在0.5～1mm[4]。振动时间的选择比较微妙，应结合铸件和模型簇结构进行选择。但总体上振动时间约控制在1～5min为宜。同时底砂、模型簇埋入一半时的振动时间尽量要短，可选择1～2min，模型簇全部埋入后的振动时间一般控制在2～3min即可。
4）铸造工艺的控制
消失模铸造工艺包括浇冒口系统设计、浇注温度控制、浇注操作控制、负压控制等。
浇注系统在消失模铸造工艺中具有十分重要的地位，是铸件生产成败的一个关键。在浇注系统设计时，应考虑到这种工艺的特殊性，由于模型簇的存在，使得金属液浇入后的行为与砂型铸造有很大的不同。因此浇注系统设计必定与砂型铸造有一定的区别。在设计浇注系统各部分截面尺寸时，应考虑到消失模铸造金属液浇注时由于模型存在而产生的阻力，最小阻流面积应略大于砂型铸造。
由于铸件品种繁多、形状各异，每个铸件的具体生产工艺都有各自的特点，并且千差万别。这些因素都直接影响到浇注系统设计结果的准确性。为此，可将铸件以某种方式进行分类。针对中小铸件，可按铸件生产工艺特点进行分类，如表1所示[2]。模型簇组合方式可基本反映铸件的特点，以及铸件的补缩形式。浇注系统各部分截面尺寸与铸件大小、模型簇组合方式以及每箱件数都有关系。为此，在设计新铸件的工艺时，应根据铸件特征，参照同类铸件浇注系统特点有针对性地进行计算。
表1 铸件分类
模型模型簇组合方式
应用范围
补缩方式
一箱一件
较大的铸件
冒口补缩
组合在直浇道上（无横浇道）
小型铸件
直浇道（或冒口）补缩
组合在横浇道上
小型铸件
横浇道（或冒口）补缩
组合在冒口上
小型铸件
冒口补缩
因为模型的存在，在浇注过程中模型气化需要吸收热量，所以消失模铸造的浇注温度应略高于砂型铸造。对于不同的合金材料，与砂型铸造相比，消失模铸造浇注温度一般控制在高于砂型铸造30～50℃。这高出30～50℃的金属液的热量可满足模型气化需要的热量。浇注温度过低铸件容易产生浇不足、冷隔、皱皮等缺陷。浇注温度过高铸件容易产生粘砂等缺陷。
消失模铸造浇注操作最忌讳的是断续浇注，这样容易造成铸件产生冷隔缺陷，即先浇入的金属液温度降低，导致与后浇注的金属液之间产生冷隔。另外，消失模铸造浇注系统多采用封闭式浇注系统，以保持浇注的平稳性。对此，浇口杯的形式与浇注操作是否平稳关系密切。浇注时应保持浇口杯内液面保持稳定，使浇注动压头平稳。
负压是黑色合金消失模铸造的必要措施。负压的作用是增加砂型强度和刚度的重要保证措施，同时也是将模型气化产物排除的主要措施。负压的大小及保持时间与铸件材质和模型簇结构以及涂料有关。对于透气性较好、涂层厚度小于1mm的涂料，对铸铁件负压大小一般在0.04～0.06MPa，对于铸钢件取其上限。对于铸铝件负压大小一般控制在0.02～0.03MPa。负压保持时间依模型簇结构而定，每箱中模型簇数量较大的情况，可适当延长负压保持时间。一般是在铸件表层凝固结壳达到一定厚度即可却去负压。对于涂层较厚及涂料透气性较差的情况，可适当增大负压及保持时间。
六．　影响消失模铸造缺陷的因素

1）模型制造
在消失模生产工艺中,模型制造是一个重要环节, EPS原料选择、模型加工精度、模型密度、浇注时热分解产物等因素都对获得优质铸件有重要影响。
目前常用模具制作方式有以下几种:
A ) 用EPS板材切割粘连而成; 2)自己设计图纸,外委加工; 3)自制简易的预制设备。
采用上述方法制作模型普遍存在不重视模样密度变化的现象,特别是委托外厂加工时水分不易控制,经常出现浇注时铁水反喷或铸件出现冷隔,浇不足的现象。因此在生产过程中通过加强对模型密度的检验,增加模型的烘干时间等措施加以解决,如果条件允许,最好用电窑缓慢烘干,以保证烘干的缓慢彻底,且模样不变形。EPS颗粒经实验选定后,不能随意更改,并严格检验。

2）　振动存在的问题
振动紧实是消失模四大关键技术之一。振动作用使干砂在砂箱中产生动态流动,提高干砂充实性及密度,防止出现铸造缺陷。在干砂振动充填时,比较理想的状态是:干砂在振动过程中进行有序流动,在保证模型不变形的情况下,均匀地填充到模型的各个部位,使模型获得较高和较均匀的充型密度。但在振动过程中,常出现模样变形、涂料层开裂等现象,经分析主要是激振力过大,同一组电机的偏振块不平衡等现象,为此主要调整振力、振幅和振动时间,对尺寸较大而简单的铸件,可以用垂直振动或水平振动并把振幅减小等方法加以解决。另外,型砂粒度搭配合理,既能保证紧实度又能保证透气性。

3）　涂料使用的问题
在消失模铸造中,涂料的使用可以提高模样的强度和刚度,使EPS模样与砂型隔离,防止出现粘砂和铸型塌陷,在浇注过程中,模样高温分解产物顺利的通过涂层排出,涂层一般由耐火材料、粘结剂和悬浮剂组成。各组成物要有合适的配比,才能取得良好的效果。如果随意改变配比和配制工艺,会使涂料性能大大下降。如减少骨料,减少悬浮剂,混制时间短等。在模样烘干过程中,第一次烘干彻底才能进行下一次喷涂,不能使模样存有水分。有时夏季只采用晒干方法,由于干燥时间缓慢,涂料均匀性降低,干燥不彻底,导致铸件局部有粘砂现象,并且造成浇注时反喷或产生气孔。另外涂层厚度应随铸件壁厚有所变化,厚壁铸件涂层应厚些,相反要薄些。涂料最好采用喷涂的方法,以保证涂层均匀。

4）　浇注过程中存在的问题
消失模铸造在浇注时为了排除气体和汽化残渣,直浇道要有足够的高度,保证金属液有足够的压头。浇口杯要足够大,使金属液快速充型,确保铸件轮廓清晰,由于消失模铸造采用的是负压干砂真空振动造型,采用此方法铸型强度远大于湿型强度,采用抽负压方法可提高铸型稳定性。要及时抽走模样气化时产生的热解氧化产物。如果操作不当,将会造成铸造缺陷。因此在生产中根据实际情况调整负压。浇注时,开始应慢浇,然后快浇,以保证气体顺利排出铸型。

整理于 2009.11.23