消失模铸造工艺概要Word格式文档下载.docx
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1961年联邦德国的Grunzweig&
Hartman公司自美国引进技术，在Wittmoser的指导下，从1962年起开场生产机械用铸件。
“采用无粘剂干砂造型的实型铸造法〞获得了美国专利。
60年代初期，在美国Michigan州建立了“实型铸造工艺公司〞〔FullMoldProcess,Inc.〕。
1966年联邦德国的R.Hofmann以“用磁性材料填埋消失模的工艺和设备〞获得了专利。
1967年Wittmoser开发了用铁丸造型、由磁场固定铁丸的消失模铸造工艺，也称为磁型铸造，并于1968年在德国国际铸造展览会〔GIFA〕上展出。
1981年，有关消失模铸造工艺的根本专利期满。
此后，消失模铸造工艺在世界各国以较快的速度开展。
1982年，美国建成了第一条用消失模工艺大量生产汽车用铝合金铸件的生产线，开创了用此项工艺大批量生产铸件的先河。
80年代初，英国铸钢研究与贸易协会开发了消失模精细铸造工艺〔ReplicastProcess〕,并获得了专利，其根本容是在发泡模上施以耐火涂料，再撒砂增强与固定涂料，如此共施涂5-6层，然后将其在900℃左右焙烧，使发泡模气化，制得瓷壳型。
最后将壳型用干砂填埋、浇注金属液。
2、如何在不同生产条件下应用消失模铸造工艺
消失模铸造工的基点是采用塑料发泡模，在其开展过程中衍生了多种不尽一样的分支，通常，按所用的造型材料分为以下3种：
〔1〕实型铸造工艺〔FullMoldProcess〕
实型铸造是消失模工艺中应用最早的工艺，其特点是造型时采用加有粘结剂的型砂，在砂箱或专用的地坑中填埋发泡模组。
型砂的粘结剂可以根据铸件的特点和企业的生产条件选择，粘土、水泥、水玻璃和各种自硬型树脂都可采用。
目前，此种工艺主要用于以单件、小批量方式制造中、大型铸件，如机床铸件，汽车覆盖件模具，中、大型阀类铸件和管件等。
采用实型铸造工艺的铸件，所用的发泡模多用泡沫塑料板材或块状坯料加工制成。
一般的铸造厂多用电热丝切割泡沫塑料板材，并辅以转台和异形导板以得到复杂的形状。
高水平的铸造厂那么采用CAM系统和数控三坐标高速切削机床加工。
有些定型产品，如阀类铸件和管件等，虽然品种较多而单个品种每次按排生产的量不多，但对铸件的需长期的，也应采用成形模具制造发泡模，以保证其外表质量和尺寸精度。
不宜采用板材加工成形的方式。
〔2〕消失模铸造工艺〔LostFoamProcess或ExpandablePatternCastingProcess〕
广义而言，“消失模铸造工艺〞包括以采用发泡模造型为根底的各种工艺。
实际上，通常说“消失模铸造工艺〞，往往就是指在砂箱中用不加粘结剂的干砂造型的工艺，其中，又包含3种方式：
●除填砂时借助于振动使砂粒填充紧实，并在铸型上方用多孔盖板压住砂粒外，不采取其他对铸型加压以使其增强的措施；
●造型后借助于真空泵，使砂箱中减压，利用大气压力将干砂固定，然后浇注金属液；
●用铁丸代替干砂，造型后用外加的磁场固定铁丸，通常称为磁型铸造。
由于设备复杂而且生产的灵活性较差，现在采用磁型铸造工艺的已经不多。
〔3〕消失模精细铸造工艺〔ReplicastProcess〕
此工艺虽然也是消失模铸造工艺的一种，但是除采用发泡模代替蜡模以外，其制造型壳的工艺完全与熔模精细铸造一样。
本文在此处对其点到为止，今后不再述与。
除上述3种工艺以外，消失模还有一项值得重视的用途，那就是大量生产形状复杂的铸件时，在难以起模的部位用发泡模制成的镶块，留在铸型或芯子中，采取这种工艺措施，可以大幅度简化模具结构和造芯作业。
80年代初，JohnDeere公司设在美国的一家铸造厂，在6缸缸盖水套芯中采用发泡镶块，使造芯作业大为简化，原来由14外芯子组成的芯组，简化到只用3个芯子。
这样，不仅简化造芯作业，降低模具费用，还能提高铸件的尺寸精度。
3、消失模铸造的工艺流程
采用消失模铸造工艺〔用无粘结剂的干砂造型〕，生产工艺的流程见图1。
图中实线箭头所示的是常规的工艺流程；
双虚线箭头表示用泡沫塑料板材或块状坯料制模的过程；
虚线箭头表示并非一定要经过的过程。
4、目前决定采用消失模铸造工艺流程时仍须持审慎的态度
虽然消失模铸造工艺有许多其他工艺所不具备的优点，看来十分诱人，而且多年来发表了许多研究成果，又有不少大批量生产的报道。
但是，这决不意味着这一工艺已很成熟，可以轻而易举地投入生产、获得效益。
铸造厂想用消失摸工艺生产铸件，必须正视所面临的多种困难。
现在能全部解决这些问题企业几乎很少。
采用消失模铸造工艺时，铸型中没有传统铸造工艺所具有的空腔。
浇注时，金属液充型的情况与传统铸造工艺大不一样。
金属液充型过程中，同时要发生发泡模的软化、熔化和分解气化。
许多与工艺相关的因素，如发泡模材料、铸件材质、浇注温度、浇注速度、发泡模热分解的产物与发气的速度、浇注系统的设置、涂料的特性、砂箱的减压状态等，不仅影响金属液的充型，而且对铸件产品的质量有重大的影响。
到目前为止，对这些因素的设定还没有行之有效的规那么可循，对许多因素的检测和控制还缺乏必要而充分的手段。
在工业兴旺国家中，尽管各种原材料的供给条件很好，一些已用本工艺批量生产某些铸件的工厂，如果要将另一类铸件由其他铸造工艺改用此工艺，也还要有一试验和探索的过程。
二、发泡模材料与其在受热时的变化
发泡模材料材料的选用是消失模铸造工艺中的关键，据估计，2／3以上的工艺参数和工艺控制都与其密切相关。
用发泡材料制成消失模，目的是减少浇注时模样材料的发气量，这是很容易想到的。
一般说来，制模材料发泡后的密度大约是发泡前的1／40～1／60。
也就是说，单位体积发泡模的发气量，与未发泡的原料相比，只有1／40～1／60。
从降低发气量的方面考虑，当然希望发泡模发泡时体积膨胀的倍数大些，发泡后的密度小一些。
但是，发泡模的密度太小，那么强度太低，在制模、上涂料和造型过程中容易变形。
从强度方面考虑，又不允许密度太小。
1．发泡模材料
最早使用的发泡模材料是可发性聚苯乙烯（EPS）珠粒。
尽管各工业国家都对此进了大量的研究工作，也有了不少新进展。
但是，到现在为止，可发性聚苯乙烯仍是采用最广的制模材料，也是采用消失模铸造工艺首选材料。
生产铸铁件时，如光亮碳缺陷是生产中的主要问题，且在用聚苯乙烯发泡模的条件下无有效解决方案，那么可考虑用可发性聚甲基丙烯酸甲酯（EPMMA）发泡制模。
为适应不同的生产条件，也有聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的共聚物供给。
近年来，也在研究可发性聚乙烯和聚丙烯的应用。
（1）可发性聚苯乙烯
聚苯乙烯〔PS〕的分子式为〔C6H5.C2H3〕n分子结构见图2
请注意分子结构中有结构稳定的苯环，这是用聚苯乙烯发泡模时，铸件上易于产生光亮碳缺陷或其他增碳缺陷的主要原因。
聚苯乙烯珠粒只有在浸含发泡剂后，成为可发性聚苯乙烯〔EPS〕，才是制发泡模的材料。
作为发泡剂，应符合以下两点根本要求：
●沸点在聚苯乙烯的软化点以下〔低于75℃〕；
●聚苯乙烯在其中的溶解度低。
表1中列出了用于聚苯乙烯的几种主要发泡剂，利用各种发泡剂的蒸气压不同，可使聚苯乙烯珠粒的性质能满足各种发泡制品的要求。
在铸造方面，聚苯乙烯一般宜采用丙烷作发泡剂。
制造厂供给珠粒时应提供发泡剂含量的测试结果，珠粒中发泡剂含量一般应是6-11%〔质量分数〕。
制造发泡模用的可发性聚苯乙烯，一般应满足以下几项要求：
●分子量150000-300000，分子量太低，那么发泡模易于变形；
●单体〔未致聚合的苯乙烯〕含量不多于0.5%；
●水分含量不多于1%；
●发泡剂含量6%～11%；
●体积密度610～640g/L
可发性聚苯乙烯珠粒中的发泡剂，会挥发逸散。
因此，珠粒应密封包装，并贮存在低温环境中，贮存期一般不应超过半年。
对珠粒粒径的要求，以后还要谈与，这里先提到一些最根本的考虑。
从改善铸件外表质量出发，希望珠粒越细越好。
但珠料太细，那么外表积很大，发泡剂的逸散加速，影响发泡模的制作。
因此，珠粒的粒径宜为0.25～0.35mm，制造较大的发泡模，也可用0.6mm左右的珠粒。
〔2〕可发性聚甲基丙烯酸甲酯
聚甲基丙烯酸甲酯〔PMMA〕的分子式为〔C5H8O2〕n，分子结构见图3。
聚甲基丙烯酸甲酯浸含发泡剂后，就是可发性聚甲基丙烯酸甲酯〔EPMMA〕，用于制造发泡模。
用PMMA发泡模代替PS发泡模能有效地防止铸件上产生光亮碳缺陷和增碳缺陷，其原因如下；
●PMMA分子中的C/H比小于PS；
●PS受热时易于散乱裂解，不易瞬时全部气化，有一局部可能变成不易分解的碳质残留物。
PMMA受热时，开链倾向强，易分解为单体而气化；
●PS中有结构稳定的苯环，受热时苯环不易分解，而易于产生光亮碳。
PMMA中没有苯环，容易裂解；
●PMMA分子结构中有两个氧原子，可以和碳起作用。
应该指出，采用PMMA发泡模也有其特有的问题。
首先，EPMMA珠粒的价格大约是EPS珠粒的8倍，而最大的问题那么是发气量大，对金属液充型的阻力大增，在工艺上应有特殊的安排。
2、聚苯乙烯受热时的变化
聚苯乙烯的软化点〔玻璃化转变点〕约为85℃，含有发泡剂的还要低一点。
PS发泡模受热时，一般在80℃左右开场软化，95℃附近体积急剧收缩，约缩小60%。
加热到300℃以上，聚苯乙烯开场缓慢分解，420℃以上分解加速。
在大气条件下，于490℃燃烧。
在真空或缺氧条件下不燃烧，因条件不同而发生不同程度的裂解和分解。
在高温下，高分子量的聚苯乙烯并不都裂解成为苯乙烯单体，有强烈的散乱裂解倾向，同时还产生二聚物、三聚物乃至低分子量聚合物。
因此，在浇注金属液的条件下，浇注的时间很短，聚苯乙烯不会在瞬间全部气化，有一局部会成为低粘度的液体，还会产生不易分解的高碳质残留物。
一些以液体形式存在的低分子量聚合物来不与分解，可能在压力作用下进入涂料层和型砂中。
制造铝合金铸件时，浇注温度不太高（约为650~750℃），聚苯乙烯裂解为苯乙烯单体的不到10％，90％以上是高沸点的二聚物、三聚物与低分子量聚合物，分解产生的低级碳氢化合物不多。
而且，苯乙烯单体的沸点为145.2℃，一些气态苯乙烯渗入涂料层和型砂后即凝成液体。
因此，与铸铁和铸钢相比，浇注铝合金时，铸型由发泡模热分解产生的气体要少得多，铸型气体的压力也小得多。
这也是用消失模铸造工艺制造铝合金铸件时困难较少的主要原因之一。
浇注铸铁件时，聚苯乙烯裂解得到的苯乙烯单体较多，苯乙烯单体又会进一步分解为C3～C5之类的低沸点碳氢化合物，产生的气体总量比浇注铝合金时多很多，铁液充型时受到的阻力也大得多。
同时，聚苯乙烯不可能完全裂解为单体，仍会残留不易分解的高碳物质。
由于铸铁中碳、硅含量都高，高碳物质析出的碳不易渗入铸铁，而沉积在铁液流的前沿外表上或铸件外表上，成为光亮碳缺陷。
浇注铸钢件时，钢液温度比铁液高150～200℃，高碳气体中的碳不易以光亮碳的形式析出，更倾向于渗入铸钢件的外表，钢中含铬、锰量较高时渗碳现象尤为明显。
3．聚甲基丙烯酸甲酯受热时的变化
PMMA的软化点比PS略高一点（大约高5℃左右），EPMMA珠粒的预发泡温度也应该稍高一些。
PMMA受热裂解的特性与PS很不一样，在220℃左右开场裂解，成为甲基丙烯酸甲酯单体。
加热到300℃以上，即迅速全部裂解为单体，以气体的形态排出铸型，不象PS那样形成碳质残留物。
既不会造成光亮碳缺陷，也不会使铸件外表增碳。
PMMA发泡模的发气量比PS发泡模大得多，采用PMMA发泡模时应注意以下几点：
●制造薄壁铸件时，因铸型气体阻力大，易产生“浇缺乏〞缺陷。
在此情况下，可适当增加砂箱中的减压程度；
●采用PMMA发泡模时，应十分重视涂料层的透气性，造型用砂也以粗一些为好，宜采用粒度代号为30的砂；
●制造铸钢件时，因浇注温度高，裂解生生气体的压力骤增，可能使钢液自直浇道喷出，造成事故，应予以重视。
就目前的情况来看，不宜用PMMA发泡模制造厚壁铸钢件，铸件的壁厚以不超过20mm为宜。
三、浇注方案和金属液充型的情况
到目前为止，在消失模铸造的浇注系统设置方面，还没有成熟的经历可资借鉴，更没有指导性的设计原那么可作为依据，一般都要由铸造厂通过试验和探索，以求得令人满意的效果。
采用消失模铸造工艺时，金属液的充型过程会由于浇注金属的品种，浇注温度、发泡模的材料、发泡倍率等因素不同而异。
这里以日本阪口康司提供的一组试验结果为例，示时性地说明用不同浇注方案金属液充型的情况，供参考。
试验中使用的铸件如以下各图所示。
发泡模用0.7mm的可发性聚苯乙烯珠粒制成，发泡倍数为40，因为只比拟充型情况，发泡模都不加涂料。
1、铸铁铁液充型的情况
在砂箱不减压和砂箱抽不同程度负压的两种情况下浇注试样。
铸铁的材质相当于HT200，浇注温度为1400℃。
〔1〕砂箱不减压
在砂箱不减压的条件下，分别用顶注、底注和侧注方案浇注试样，铁液充型的情况见图4。
图4中的数字是浇注时间〔单位为秒〕，数字附近的曲线表示该时刻铁液流充型的前沿所在。
由图4可知，浇注铸铁时，采用不同的浇注方案，铁液流动的情形和充满铸型的时间差异很大，这主要是因为铁液充型时所受气体的阻力不同。
采用顶注方案时，浇2.5s即将铸型充满。
侧注时，浇3s仍未完全充满。
底注时，经8s才根本充满。
这里，再用图5来大致说明采用顶注和底注方案时铁液充型的情形。
顶注时，发泡模中心局部先气化，靠近型砂的周边局部那么残留到后期。
铁液下落时，周边局部因摩擦阻力大而流动缓缦，中心局部那么下落较快。
如图5a所示，排气通道较宽，排气顺畅而平稳，故充型阻力很小。
底注时，发泡模也是中心局部先气化。
铁液流动的情况那么与顶注时不同，中心局部，铁液受到气，体的压力较大，周边局部气体压力较低，故铁液面于中心局部凹下。
在此情况下，残留的发泡模和靠近型砂的铁液都有堵塞排气通道的作用。
因此，排气比拟困难，铁液充型也就很缓慢。
参看图5b。
侧注时，因铁液的密度高，较易于向下方流动，对于厚壁铸件，这种倾向就更为明显。
（2）砂箱减压
使砂箱减压到不同程度，用底注方案浇注试验铸件，铁液充型情况见图6。
砂箱减压到-6.5kPa时，充型情况较不减压时改善很多，充型时间也显著缩短。
保持-13kPa的负压时，充型更快一些。
但由于铁液上升快，可能有小块未气化的模料被卷入铁液。
保持-26kPa的负压时，充型很快，铁液中卷入模料的可能性更大，这就会导致气孔缺陷。
可见，砂箱中抽成负压对铁液充型非常有利，而且浇注工部又没有烟气，是应该采取的措施。
但是，减压程度过高，那么铁液充型太快，易产生气孔缺陷，也是应该防止的。
实际生产中，适宜的减压程度取决于众多工艺因素，如铸件形状、发泡模状况、铸件重量、浇注温度、涂料、型砂与砂箱结构等，不可能提出具体的建议数字，应根据现场情况通过试验确定。
2．铝合金液充型的情况
铝合金的浇注温度为650~750℃，比铸铁的浇注温度低得多。
由于铝合金液使发泡模分解的能力低，发泡模的分解缓慢，浇注时间很长。
在砂箱不减压和保持-6.5kPa的情况下浇注试验铸件，浇注温度为750℃。
在砂箱不减压的条件下，分别用顶注、底注和侧注方案浇注试验铸件，铝合金液充型的情况见图7。
由图7可见，因铝合金液的浇注温度较低，发泡模分解缓慢，金属充型的流率很低。
而且，采用不同的浇注方案，金属液充型的情况并无太大的差异。
特别是，侧注时金属液也不倾向于向下方流动。
因此，浇注铝合金时，只要金属液的体积流率大于发泡模分解的速率，可以认为金属液根本上是向各方向分散流动的。
不过，浇注厚壁铸件时，情况会有所不同。
〔2〕砂箱减压
铸造铝合金时，使砂箱保持负压也是防止铸件浇缺乏的有效措施。
浇注薄壁铸件时，尤其应实施减压以利于气体的排出。
图8说明减压到-6.5kPa时，试验铸件的充型情况。
在轻微的减压条件下，无论顶注或底注，金属液充型都比不减压时快得多
值得注意的是：
由于浇注铝合金时发泡模的分解缓慢，如减压程度稍高，那么金属液将先沿铸型壁流动并将尚未分解的发泡模卷入金属液中。
在此情况下，铸型壁被先到的金属液堵塞，排气困难，如采用顶注方案，卷在金属液中的发泡模料气化时，会从直浇道喷出，如浇道凝固，那么形成气孔缺陷。
（3）铝合金液的定向凝固
前面已经谈到，用消失模铸造工艺浇注铝合金铸件时，金属液的流动平静而缓慢。
这一特点，对铸件的冷却条件有值得注意的影响。
液流平静，就不产生紊流。
因此，液流的前沿持续地将热量传递给模料使其分解，前沿也就不断地降低温度。
液流缓慢，其温度就会随流动距离的增长而有明显的降低。
当然，不能以为液流温度的下降只取决于液流流经的长度，液流流动的时间对降温的影响更为重要。
由于以上两点，用消失模铸造工艺制造壁厚均匀的铝合金铸件时，铸件有定向凝固的特点。
作为例子，可参看截面50mm×
10mm长250mm的条状铝合金铸件的凝固曲线（见图9）。
金属液从—端注入。
可见，铸件的凝固有明显的定向性，浇注系统同时起冒口的作用，既可防止铸件中心部位出现缩松，又可大幅度提高工艺出品率。
当然，也要注意另外一种情况，如果液流前沿先期冷却到凝固温度，那么液流的流动停止，铸件就浇注缺乏。
3．铜合金液充型的情况
在砂箱不减压和保持-26kPa的情况下，用锡锌铅青铜浇注试验铸件，以观察铜合金液的充型的情况，浇注温度为1150℃
（1）砂箱不减压
砂箱不减压时，采用不同浇注方案时的充型情况见图10。
采用顶注和侧注方案时，金属液充型速率高于铝合金而低于铸铁，而采用底注方案时，分解气体阻碍充型的情况不象铸铁那样严重。
大体上可以说，各种浇注方案都可用于铜合金，但采用侧注方案时，因铜合金液的密度高，易于向下方流动，应尽量防止金属液上升过程中某些部位液短暂停顿，以免发生铸型损坏。
〔2〕砂箱减压到-26kpa
在减压到-26kpa的情况下，金属液充型很快，并观察到金属液强烈卷入模料现象，见图11。
顶注时，气体由直浇道喷出．，底注时那么产生大气孔。
看来是减压程度高了一些。
由于金属液的温度较低，发泡模气化缓慢，只能采取弱减压，使排气能力与模料气化速率相配。
这样才能防止金属液充型过快而卷入模料。
四、制造发泡模
单件或小批量生产大、中型铸件时，每种铸件都需进展工艺设计，而且发泡模只能用发泡板材或坯料加工制成，所以发泡模一般都由铸造厂自行制备，泡沫塑料制品厂不可能为其提供发泡模。
批量生产的条件下，用可发性珠粒，经预发后，在专用的金属模具中制成成形的发泡模。
制备成形发泡模的作业，通常由铸造厂完成。
但也有不少铸造厂委托塑料厂或其他工厂制作成形发泡模，铸造厂只进展组合和配装浇冒口构件。
由专业泡沫塑料制品厂供给发泡模，从经济方面考虑，也许是有利的，即使如此，铸造厂有关人员也应对制造发泡模的主要过程有所了解。
1．由板材或块状坯料加工制造发泡模
消失模铸造用的浇冒口构件和单件、小批量生产用的发泡模，都用泡沫塑料板材或按要求制定的坯料加工制成。
〔1〕板材或坯料
供消失模铸造用的聚苯乙烯泡沫塑料板材，目前我国已有两个品种、多种规格可供选用，参见表2。
有的塑料厂还可根据铸造厂的要求，供给其他尺寸规格的坯料，如塑料制品七厂就可按用户的要求供货，坯料的最大尺寸可以是6000mm×
1200mm×
500ram。
〔2〕加工成形
板材或坯料可用各种机械切割的方式加工，铣切、锯切、刨切、车切和磨削都可采用，尤以铣切方式应用最广。
可用木工铣床，也可用小台钻装上特制铣刀，进展加工。
一些条件好的铸造厂，那么采用计算机辅助制造技术。
泡沫塑料的特点是：
密度小、质地软、强度低、软化点低和热导率低。
因而，其加工方法不同于金属和木材，根本上应采取劈削方式。
加工工艺的要点如下：
●刀具的刃口应薄而锋利；
●切割速度宜高一些；
●切削量应较小；
●采取措施冷却刀刃，以免加工时受热粘附熔融的聚苯乙烯。
〔3〕电热线切割
目前电热丝切割是采用最广的方法。
虽然用此种方法制造的发泡模尺寸精度和外表面质量都略差一些，但对于一般单件或小批量生产的铸件，仍能满足要求。
而且，用电热丝切割法有设备简单、操作方便和生产效率高等优点。
电热丝的温度应能使模料熔化而又不致引燃烧，最好控制在250～450℃之间。
可用一调压器调节施加于电热丝工作局部的电压，以调节电热丝的温度。
电热丝的直径是影响切割外表质量的重要因素。
电热丝细，那么切割外表致密而均匀；
电热丝粗，那么切割面粗糙。
但电热丝的直径也不能太小，应由切割材料的厚度决定。
切割材料厚，应选用粗些的电热丝；
料薄，那么应该用细电热丝。
电热丝的有关数据参见表3。
铸造厂常用的切割装置是装有垂直电热丝的工作平台。
主体是木制工作台，台面应平整而光滑，在工作台的一侧装一刚度高的支柱，支柱上装一伸到台面上的悬臂。
悬臂上装有一套夹紧电热丝的卡头，其下正对工作台面的中心，台面上钻有小孔，小孔中嵌入小瓷管。
电热丝通过瓷管延伸到工作台下方，用重锤紧。
应保证电热丝垂直于工作台台面。
台面上，在装支柱的一侧，装一位置可调的长导板，以引导泡沫塑料板的运动。
调整导板到电热丝的距离，就可以得到所需的切割尺寸。
220V的电源，经可调变压器，分别用两个导电夹夹在悬臂上卡头的下方和台面下重锤的上方，使电热丝工作段有符合要求的电压。
用一木制转盘，就可以方便地将板材切割成弧形或圆形。
借助于样板，能得到所需的任何形状。
在经常剖切板料的情况下，可在工作台两侧各装可上下活动的支架，装设位置可调的水平切割电热丝，就便于将板材或块状坯料剖切成不同的厚度。
2、用可发性珠粒制造成形发泡模
制造成形发泡模的工艺过程见图12。
对各工序的简要说明如
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