消失模铸造工艺概要

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. 消失模铸造工艺概要

消失模铸造工艺最早出现于20世纪50年代后期，到现在已经有50来年的历史了。由于其在浇注金属液使之成形的过程中包含有金属液置换消失模的过程，完全不同于传统铸造工艺的“空腔充型〞方式，因而，由长期经验积累而建立的有关浇注系统的一套技术不能直接运用，必须从实践中建立新的工艺设计原则。消失模铸造工艺的创新期经历了40年之久。

1977年“美国铸造师协会〞和“消失 模铸造技术联谊会〞共同对此项工艺在北美的实际应用情况进行了调查研究。对调查结果进行分析之后，认为：消失模铸造工艺在铝合金，铸铁和铸钢方面的应用都已从“创新期〞进入“发展期〞，而进入“成熟期〞则仍需一段时间。同时，他们还预测：常用的几种得铸造合金消失模工艺进入“成熟期〞的时间如下：

铝合金 铸铁 铸钢

20XX 20XX 20XX

一、消失模铸造工艺的基本情况

目前，消失模铸造工艺已经是一种应用相当广的工艺，可用以制造多种不同材质的铸件。生产铝合金铸件方面，成功的经验很多，无论在美国或欧洲，都实现了高水平的工业规模生产，大量生产的重要汽车零件有进气歧管、发动机缸体和缸盖等。在生产铸钢件、铸铁件和铜合金铸件方面，近年来都也有了可喜的进展。

消失模铸造工艺对生产条件和铸件品种的适应能力很强：既可用于单件、小批量生产，也可用于大量生产；生产的铸件小的可在10kg以下，大的可在30kg以上。

1、消失模工艺的简要发展过程

1958年，Harold F.Shroyer以“无型腔铸型与其制造方法〞获得了美国专利。

最早问世的消失模工艺制造铸件，是M.C.Flemings和Alfred Duca等人于1962年公布的一批艺术铸件。

1959年，美国艺术家Alfred Duca找到麻省理工学院的M.C.Flemings，谈到了用聚苯乙烯发泡模制造艺术品的设想，并希望解决有关工业应用的问题。Flemings很快就将此项目列入了麻省理工学院的研究课题，并邀请Duca到学校共同研究如何将此项工艺用于制造艺术铸件，该课题还得到了洛克菲勒基金、福特基金和国际镍公司的资助。工作开始以后才得知该课题与Shroyer的专利十分相近。早期工作中，小件用粘土湿型砂造型；中、大型铸件，为改善表面质量，用吹CO2硬化的水玻璃砂造型。制成的艺术铸件主要有：

刚下马的骑士〔球墨铸铁〕高500mm宽380mm

双翼飞马〔青铜〕 高1220mm，重150kg

十字架上的人〔球墨铸铁〕高~2750mm

钟塔〔球墨铸件〕 高~3050mm

亚当塑像〔球墨铸铁〕 高~1520mm

1960年Flemings等与T.R.Smith交流经验，开始采用无粘结X的干砂造型，也制成了十多种艺术铸件，.

. 所用的铸造合金有灰铸铁，球墨铸铁、铜合金以与铝合金。1962年即将这些成果展出，这是用无粘结剂干砂制成的第一批消失模铸件。

其后，联邦德国亚琛大学的A.Wittmoser也发表了有关消失模铸造的研究论文。

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年起开始生产机械用铸件。

1964年T.R.Smith以“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〞〔Full Mold Process,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基本专利期满。此后，消失模铸造工艺在世界各国以较快的速度发展。

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密铸造工艺〔Replicast Process〕,并获得了专利，其基本内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，制得陶瓷壳型。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，在其发展过程中衍生了多种不尽相同的分支，通常，按所用的造型材料分为以下3种：

〔1〕实型铸造工艺〔Full Mold Process〕

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。高水平的铸造厂则采用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，但对铸件的需求是长期的，也应采用成形模具制造发泡模，以保证其表面质量和尺寸精度。不宜采用板材加工成形的方式。

〔2〕消失模铸造工艺〔Lost Foam Process或Expandable Pattern Casting Process〕

广义而言，“消失模铸造工艺〞包括以采用发泡模造型为基础的各种工艺。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〕消失模精密铸造工艺〔Replicast Process〕

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密铸造相同。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，John Deere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.

. 铸造工艺大不相同。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、砂箱内的减压状态等，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则可循，对许多因素的检测和控制还缺乏必要而充分的手段。在工业发达国家中，尽管各种原材料的供应条件很好，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，则强度太低，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，则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应。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，应符合以下两点基本要求： .

.  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。制造厂供应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，则发泡模易于变形；

 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，这里先提到一些最基本的考虑。从改善铸件表面质量出发，希望珠粒越细越好。但珠料太细，则表面积很大，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。