消失模铸造工艺

消失模近净成形铸造工艺技术及应用

李润生

（中天创展球铁有限公司佛山顺德528313）

一消失模铸造概述

在我国已有几千年历史的传统铸造，主要用来生产机械零件的毛坯件，尽管发展到现在，也出现了许多新的方法，但是目前生产上应用最普遍的仍然是发展较早的砂型铸造。

手工砂型铸造通常又被称之为翻砂。它必须借助于铸模（用木材或金属制成），才能将型砂制成的需形状的铸型，但是这类用木材或金属制成的模样，必须在浇注前从铸型中取出，否则就无法浇注。因此，这种工艺显得特别复杂，工序多、劳动强度大、生产周期长、成本高，而且铸件精度不够理想，表面较粗糙，加工余量大，甚至对于某些复杂的零件还无法实现活块整体铸造，这就成了砂型铸造的致命弱点。

为了改善砂型铸造的状况，人们作了不少努力，近代高速粘土湿砂射压造型和静压造型的应用，呋喃树脂自硬砂，有机酯硬化和微波加热水玻璃砂的应用，达到砂型铸造的先进水平。但是对于那些单件小批量、形状较为复杂的大中型铸件、大批量生产的复杂铸件如何来实现“高效、优质、清洁、低成本、高精度、”的生产要求，成了铸造工作者急待解决的重大课题。在消失模铸造法出现之后，这个问题得到了解决。消失模铸造是一种近无余量、精确成型的铸造方法，被铸造界的权威人士称为“21世纪的铸造工艺革命”和“最值得推广的绿色铸造工程”。

消失模铸造与传统的粘土砂铸造的主要工艺流程比较如下图：

消失模实型铸造法、干砂负压铸造法分别代表了消失模铸造发展的两个阶段，也是当前世界各地广泛使用的、已相互独立的两种铸造方法。

实型铸造法（FM法）：就是用泡沫聚苯乙烯模代替铸模进行造型，其方法主要是用化学自硬砂造型，模样不取出呈实体铸型，浇入金属液，模样气化，而得到理想铸件的一种铸造方法。该法的工艺过程是将泡沫塑料制成的模样，置入砂箱内填入造型材料后夯实，模样不取出构成一个没有型腔的实体铸型，当金属液浇入铸型时，泡沫塑料模在高温金属液的作用下迅速气化、燃烧而消失，金属液取代了原来泡沫塑料模样所占据的位置，冷却凝固成与模样形状相同的实型铸件。目前用化学自硬砂作为填充材料的实型法适用于生产单件中大型铸件。以下是呋喃树脂砂FM法主要工艺流程：

干砂负压铸造法（EPC法）：干砂负压铸造法是将真空密封造型法与实型铸造进行工艺嫁接而形成的一种新的铸造方法，因而它保留了真空密封造型法和实型铸造的主要优点，克服了它们各自的缺点和局限性。这不仅是实型铸造技术的新突破，更是实型铸造法的新发展。在干砂填充成型法基础上，采用负压浇注，不仅利用砂箱内外压差使干砂紧实，还保证了泡塑模在真空下气化，这样所产生的气体量大大减少，产生的气体也能及时和有效地排放。由于金属液被浇注进入真空状态下的型腔，因此铸件表面精度很高，同时简化了造型操作，无须混砂工序，铸件容易落砂清理，极少粉尘污染，减少了气孔以及根除了由粘结剂等添加物引起的铸造缺陷。该方法已成为消失模铸造的最重要方法。EPC法工艺流程如下：

生产工序的减少和操作内容的简化，为消失模铸造提高生产率、减轻劳动强度创造了有利条件。并且由于铸件近无余量净成型，清砂极为简便，从而大大减小了铸件重量，最大限度地排除了粉尘污染，因此又成为铸造行业节能减排的先进工艺技术之一。

以上两种铸造方法虽然造型方法或造型材料不同，但其本质特征是相同的，即采用泡沫塑料模取代了原来的空型腔呈实体的铸型，并且在浇注过程中泡塑模样是随金属液的推移而逐渐地被气化消失，模样和金属液同时存在，使铸型始终保持呈实体的状态，直至浇注完毕，模样完全被金属液所取代。因而在许多铸造工艺和技术要求上基本都是一致的，例如塑料模制造、涂料等。但不同之处是：FM法1）模样不用模具成形，而是采用市售的泡沫板材，用数控加工机床分块制作，然后粘合而成。2）通常采用树脂自硬砂或水玻璃自硬砂作充填砂；而EPC法1）模样在模具中发泡成形。2）用干砂填充砂箱。3）用真空泵抽负压成实体铸型。

另外，也有部分国内文献称以上铸造方法为气化模铸造、无型腔铸造等。实际上，泡沫塑料模在浇注过程中并非都是气化过程。在浇注过程中，泡沫塑料的变化包括软化、熔融、气化和燃烧等一系列物理化学现象，在很多情况下，气化过程并不是主要的（如实型铸造）。同样，对很多复杂铸件（如柴油机缸体）也很难做到无型腔，因此，气化模铸造、无型腔铸造的称呼是欠妥的。为避免混乱，美国铸造协会称之为消失模铸造，并作为该工艺的名称。

二消失模铸造工艺特点

（一）实型铸造法

用化学自硬砂填充放入泡塑模的砂箱，放模填砂紧实是造型操作的要点。因为泡塑模质轻易变形，放入砂箱时要垫住中间悬空部位，一层一层地先四周后中间填砂，死角凹位

要填到位并插实。对不易填实的内孔、窄槽，插入相等尺寸的芯柱或芯块紧固。一般泡塑模全部放在下型，填好砂硬化后放上上砂箱，接入冒口，浇口等形成上型。无需取出模样，就可等待浇注。

涂料选用专用商品系列涂料，要求透气性、涂挂性，强度要高。涂层厚度铸件厚壁处可涂厚一些，以铸件表面不产生粘砂为合适，可以用手工刷涂或喷淋涂等方式。泡塑模上涂料后在约55℃以下的气氛中烘干4~8小时。

浇注系统可采用顶注、侧注、底注或多层浇口的方式，浇道用陶瓷管组合驳接或直接用泡沫材料组成。根据铸件的结构和工作面选择浇口位置十分重要，设置不当会引起缩孔、粘砂、气孔、碳黑及皱皮等缺陷。由于浇注时泡沫燃烧汽化产生大量黑浓烟污染环境，因此不推荐用明冒口和散气片，最好采用暗冒口以及提高透气性的方法排气。合理设计浇冒系统可大大消除由泡沫不完全汽化引起的残留碳和缩孔、疏松等常见铸造缺陷。

1.工艺技术指标

消失模实型铸造是一项近净成型铸造工艺，与普通砂型铸造相比，铸铁件表面粗糙度降低1~2个等级，达到Ra≤12.5μm；机械加工余量减少30~60%，最多为1.5至2.5mm，对某些零件甚至可以不加工；铸件尺寸精度达到CT 7~9，铸件壁厚偏差能够控制在-0.15~+0.15mm之间。铸件重量减轻10~20%；金属利用率（加工后成品重量/铸造毛坯重量）可达94~97%，降低了能耗。插入小芯可铸出φ3—5mm小孔，直径大于6mm的浅盲孔可直接铸出。所以，消失模实型铸造是很值得推广的半精密铸造模具制造方法。

2.铸造实例

覆盖件的成形过程分若干工序完成，如汽车前围外板就经过落料、拉伸、修边冲孔、冲窗口整形、翻边翻口工序，需要多套独立模具或组合模具。目前汽车覆盖件冲模及家电产品外壳冲压成形模需求量十分巨大，而消失模近净成型铸造方法可解决供不应求的瓶颈问题，它大大降低了生产成本，缩短制作周期，减少模具的后续机械加工量。以下生产铸铁汽车及五金冲压模具的若干实例，材质有高强度灰铸铁，合金铸铁和球墨铸铁以及特种合金高性能球铁，重量5吨以上，目前最重可达15吨。