第2章消失模铸造

第二章
消失模铸造
• 定义：消失模铸造（Lost Foam
Casting）又称气化模铸造（Evaporative Pattern Casting）或实型铸造（Full Mold Casting）。它是采用泡沫塑料模样代替普 通模样紧实造型，造好铸型后不取出模样 、直接浇入金属液，在高温金属液的作用 下，模样受热气化、燃烧而消失，金属液 取代原来泡沫塑料模样占据的空间位置， 冷却凝固后即获得所需的铸件。
• 1968年，德国人E.KRYZMOWSKI在砂箱内抽成负 压进行浇注,取得了专利，即现在的消失模铸造。 • 1982年美国首先公开了世界上第一条生产复杂铝铸 件的消失模铸造生产线。至此，消失模铸造作为一 种全新的铸造工艺方法被应用于生产。 • 1990年美国通用汽车公司在Saturu建立了一个年产 5.5万吨的新铸造厂，其中有三条全自动的消失模铸 造生产线，生产铝合金四缸缸体、缸盖和珠光体球 铁曲轴及两种型号的差速器壳体。
图4
美国Intermet Foundry公司消失模铸造产品
图5
欧美一些消失模铸造企业的黑色合金铸件
九、消失模铸造工艺
• 分类： 1. 根据铸型材料分： ①自硬砂消失模铸造 ②无粘结剂干砂消失模铸造 2. 根据浇注条件分： ①普通消失模铸造 ②负压消失模铸造
消失模铸造的工艺过程示意图
图7-15 消失模铸造工艺示意图 1-干砂或旧砂；2-密封塑料薄膜；3，14-干砂或自硬砂；4-冒口；5-模样；6-抽气室； 7-抽气管；8-浇口杯；9-直浇道；10-横浇道；11-有底砂箱；12-金属丝网 13-多孔隔板
消失模铸造与其他铸造方法的主要区别在于 它所特有的白区与黑区部分。白区指制模工部和模 型组合及涂料烘干工部；黑区指造型浇注工部。 白模制作的工艺流程
原 料
预 发 泡
熟 化
蒸缸
成型机
浇冒系 统粘接
浸涂涂料 干燥 备用埋箱造型
模样不仅决定着铸件的外部质量，对铸件的内部 质量也有重要影响。
1.消失模铸造对模样材料的主要要求： • 模样表面必须光滑； • 气化温度和发气量低； • 气化完全、残留物少、毒性低； • 密度低、刚度和表面刚性好； • 能承受机械加工，同时又要容易机械加工。
3.蒸压成型
• 预发珠粒填满模具型腔后，通入0.1-0.15MPa的 蒸汽，使珠粒软化、膨胀，挤满所有空隙并粘合 在一起，完成泡沫模型的制造过程。 • 发泡成型时间控制很重要； • 蒸汽能否均匀地遍及模具的各个部位，根据模具 的不同壁厚给予所需的蒸汽量，也是十分重要的。
4.冷却
• 模样在出模前必须进行冷却，以抑制出模后继续 长大。冷却后模样降温至发泡材料的软化点以下， 模样进入玻璃态，硬化定型，这样才能获得与模 具形状一致、尺寸一致的模样。 • 一般采用喷水冷却的方法将模具冷却到40-50℃或 更低。
• 作为“二十一世纪的铸造技术”，消失模铸造与普 通砂型铸造法比较，有如下优点：
1.简化了模型，无需起模。 2.铸件尺寸精度和表面光洁度显著提高。 3.简化了工艺，填砂的过程就是造型的过程，使劳动强度和劳 动条件大幅度的改善，相同产量的情况下，对工人的技术熟 练程度要求降低。 4.带有孔或者内腔的铸件不需要下芯。 5.采用无任何粘结剂的干砂造型，消除了水、粘结剂和附加物 带来的铸造缺陷。 6.易于实现机械化、自动化生产，由于工序的减少和必需设备 的简化，使投资减少。 7.节材、节能，旧砂回用率可达95%以上，不需要像粘土砂生 产线那样的砂处理成套设备。 8.铸件成本可降低10%～40%（铸钢件成本可降低40%左右，铸 铁件可降低10～20%左右）。
（2）涂料要求 • ①透气性。好
• 可采取将不同种类和粒度的耐火骨料进行合理搭配； • 选用有机粘结剂； • 加入适量的氧化剂。
好 • ②润湿性和粘附性；
• 可添加表面活性剂
• ③高温强度； 好 • ④干燥速度； 快 • ⑤发气量。 低
（3）涂料组成
• 耐火骨料：石墨粉、石英粉、锆英粉、刚玉粉、 铬铁矿粉、铝矾土、镁砂、橄榄石粉、滑石粉； • 载体：水、酒精； • 粘结剂：膨润土、水玻璃、硅溶胶、磷酸盐，糖 浆、纸浆废液、树脂、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁 醛（PVB）、羧甲基纤维素（CMC）、淀粉、糊 精； • 悬浮剂：钠基膨润土或活化膨润土、粘土、CMC、 聚乙烯醇、糖浆、木质素磺酸钙；PVB、有机改 性膨润土、钠基膨润土或锂基膨润土等。
• 1956年美国人H.F.SHOYER开始了将聚苯乙烯泡 沫塑料用于铸造的试验 ；1958年以专利的形式公 布于众，当时称之为“无型腔铸造”。1962年西 德从美国引进专利，消失模铸造法才开始被开发， 并在工业上得到应用。 1964年美国的T.R.SMITH发表了使用无粘结剂干 砂造型生产消失模铸件的专利。到了1967年,采用 普通粘土砂和自硬砂的消失模铸造法获得了成功。
八、消失模铸造的应用 1.应用的铸件合金种类 铝合金、特种铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、 特种铸钢、普通碳钢、低碳钢及不锈钢。 2.应用成功典型铸件 （1）抗磨铸件－磨球、衬板、锤头
高铬铸铁衬板
磨球
• （2）耐热铸件
高铬镍耐热耐蚀合金料框
高铬耐热耐磨铸件炉篦子
烟台宏源特种铸造厂生产的耐热钢铸件
• （3）其他特型铸件
加热时珠粒的膨胀与熔接
发泡成型工艺过程控制 1.预热 • 模具安装完毕后，要将它预热到100℃左右。 2.填料 • 往模腔充填泡沫珠粒的方法有：手工填料、 料枪射料和真空吸料等，其中料枪射料最 普遍。
模型成形加料
自然加料
手工加料 加料方式 真空加料 通压缩空 气加料
加料方式
强制加料
手动料枪
• 在模具上开注料口，应遵循的原则为：进 料顺，排气畅，受阻小，使泡沫模样充填 紧实，密度均匀。
• 模片的粘接设计 • 泡沫模片胶粘剂分为两大类：热熔胶和冷 粘胶。粘合方式有手工粘接和机械胶合两 种。
模样用粘结剂的种类与选择 要求： • 足够的粘结强度； • 快干性能好； • 软化和气化点低，气化完全，残留物少； • 干燥后呈柔软的薄层； • 无毒、对泡沫塑料无腐蚀。
（1）乳液型粘结剂（冷粘胶） • ①聚醋酸乙烯乳液及聚醋酸改性乳液 • 特点：粘结强度高、价格低、无毒、来源 方便；耐水性差、抗蠕变性差、快干性较 差。 • ②聚乙烯醇缩丁醛 • ③聚丙烯酸酯乳液
发泡成型模具及成型后的泡沫塑料模样照片
模样的分片及粘接（模型簇组合）
• 较复杂的模样若不能在一副模具内成型，需先进 行分片处理，各片单独用模具成型；然后用粘接 方法，将分片泡沫模样组合成整体泡沫模样。
• 泡沫塑料模样的分片 • 简单分片：对泡沫模样进行简单分割，分割面为 平面。各个模片成型后，可用手工粘接方法，将2 片模片组成整体；
美国消失模铸造发展的三个阶段
• 六、消失模铸造的工艺特点
与传统的砂型铸造相比，大量生产的消失模铸 造有如下工艺特征：
1.一个与铸件形状完全一致、尺寸大小只差金属 收缩量的泡沫塑料模型保留在铸型内，形成“实 型”铸型，而不是传统砂型的“空腔”铸型（即 “空型”）。
2.其砂型为无粘结剂、无水份、无任何附加物的 干石英砂。
EPS预发泡后珠粒
预发珠粒的熟化 • 目的：使预发泡珠粒具备弹性有再膨胀能力， 在模样发泡之前，须进行熟化。
（1）熟化机理：熟化就是把刚发泡的珠粒放 置几个小时以上，让空气渗透到珠粒的泡孔 内，使珠粒变得干燥有弹性，增加模样成型 时的膨胀能力和模样成型后抵抗外压变形、 收缩的能力。
（2）影响熟化的主要因素 ①熟化温度：最合适的熟化温度是20－ 25℃； ②熟化时间：跟预发泡珠粒的湿度和密度 有关。 预发珠粒的密度越低，熟化时间越长； 预发珠粒的湿度越大，熟化的时间也越长。
• 缺点：易使铸件产生增碳缺陷。 • 应用：铝合金、灰铁及普通碳钢件。
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EPMMA的特点： 优点： 非挥发残留物极少，铸件不易产生增碳缺陷； 模样的尺寸稳定性比EPS好。 缺点：发气量较大；价格昂贵；同密度的刚 度不如EPS模料。 • 应用：铸铁、低碳钢、不锈钢件。 • STMMA模料的性能介于以上二者之间，应 用广泛。比如球铁件、耐热合金铸铁件、各 种铸钢件、灰铁件、铜合金件。
EPS预发泡珠粒熟化时间参考值
堆积密度 15 （kg/m3） 20 25 30 40
最佳熟化 时间/h
最小熟化 时间/h
48-72
10
24-48 10-30
5 2
5-25
0.5
3-20
0.4
模样的发泡成形
• 模样的发泡成形大致可分为四个工序，如图所示
消失模模样的成形过程
发泡成型
• 发泡成型的目的在于将一次预发的松散珠粒填入 一定形状和尺寸的模具中，再次加热进行二次发 泡，形成与模具形状和尺寸一致的整体模样。 • 发泡成型的工艺过程：蒸汽通过气塞进入预发珠 粒的颗粒间隙，赶走空气和水，同时加热预发珠 粒，使它的表面再次加热到热变形软化区，内部 剩余发泡剂预热膨胀，压力增加，使珠粒二次膨 胀并在界面融合，形成一个整体。在这个过程中， 通入的蒸汽也会向发泡珠粒内部渗透，加速二次 发泡的过程。
（2）热熔胶 • ①石蜡－松香粘结剂 • ②EVA－石蜡粘结剂 • 特点：粘接速度快，初粘强度高，需加热 设备，易产生烟气。
修补剂 • 用磨削加工中得到的泡沫塑料灰粉和酒精、 聚醋酸乙烯乳液调成糊状。
模型簇浸涂料 （1）涂料的作用
• ①防止铸件产生粘砂； • ②提高泡沫塑料模样的刚度，防止加砂造 型时模样变形； • ③提高铸件表面质量和使用性能，利于铸 件落砂、清理； • ④对于铝合金铸件，尤其是薄壁铝合金铸 件，涂料应有良好的保温绝热作用。
预发泡 • 目的：为了获得低密度、孔径致密均匀的 泡沫塑料模或板材，可发性聚苯乙烯珠粒 在成形发泡之前，必须经过预发泡、干燥 和在空气中停放使其稳定（即熟化）的阶 段。