（机械工程专业论文）真空实型铸造的工艺研究及发展探讨.pdf

摘要 l f 真空实型铸造是由实型铸造与真空密封造型技垄相结合的一种新型精密铸 造技术。真壁实型铸造在我国已有3 0 余年历史，但真正获得较快发展是在8 0 年代后期j 本文首先回顾了真空实型铸造的发展历史及其演变过程；对国内真空 实型铸造的研究现状进行了综述与评估：据不完全统计，现今，我国从事这项新 技术研究和应用的约有1 0 0 余家单位，其中，研究院所和高等院校有1 0 余家， 消失模铸造原辅材料和专用设备生产厂点有1 0 余家。1 9 9 7 年，我国实型铸件产 量近2 5 8 0 0 t ，仅占现生产能力的1 6 ；文章介绍了我国真空实型铸造工艺研究 现状及研究成果，目前广泛使用可发性聚苯乙烯作为模样材料，对气化模的成型 过程进行了描述；对不同形式的浇注系统进行了比较，有助于深入认识金属一一 铸型泡沫塑料模的相互作用规律和铸件的形成原理，为正确制定e p s v 法 铸造工艺建立依据：本文回顾了消失模铸造涂料的研究状况，简述了涂料的组成 及其性能要求和作用，指出了生产上的工艺控制措施及生产和研究工作展望等； 干砂、加砂方法、砂箱、模型簇、振动、负压等因素对消失模铸造都有不同程度 的影响，合理地控制这些因素，对稳定铸造工艺及提高铸件质量是非常重要的。 文章介绍了真空实型铸造技术在工厂的实际应用情况最后对我国真空实型铸造 的发展前景进行了预测，并对我国真空实型铸造的进一步发展提出了建议。 。 关键词：真空实型铸造工艺研究 应慢预翌专誉 a b s t r a c t e x p e n d a b l ep a t t e r nc a s t i n g h a sb e e n d e v e l o p e d f o r3 0 y e a r s i nc h i n a i n p r a c t i c e ，h o w e v e l ar a p i dd e v e l o p m e n tw a so b t a i n e da tt h ee n do ft h i s 9 0 s a r e v i e wo ft h eh i s t o r yi nt h ed e v e l o p m e n to f e x p e n d a b l ep a t t e r nc a s t i n gi sg i v e ni n t h i sa r t i c l e t h er e s e a r c hp r e s e n tc o n d i t i o no fe x p e n d a b l ep a t t e r nc a s t i n gp r o c e s sa t h o m ew a se v a l u a t e d ；a ss h o w ni na ni n c o m p l e t es t a t i s t i c ，a tp r e s e n tt h e r ea r ea b o u t 1 0 0g r o u p sw o r k i n go nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h i sk i n do fn e w t e c h n o l o g y a m o n g t h e ma r e1 0h i g ha c a d e m i e so rr e s e a r c hi n s t i t u t e sa n d1 0c o m p a n i e so r p l a n t s f o rr a wm a t e r i a l s ，a u x i l i a r ym a t e r i a l s ，a n de x c l u s i v ef a c i l i t i e s i n19 9 7 ，t h eo u t p u to f e p cc a s t i n g sr u n su pt o2 5 8 0 0 ti n c h i n a ，c o n s i d e r i n gt h a ti t i s o n l y 16 o ft h e c u r r e n t t h r o u g h p u t ，i nt h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h er e s e a r c hs i t u a t i o na n dr e s e a r c h r e s u l t so f e x p e n d a b l ep a t t e r nc a s t i n ga th o m e ；p a t t e r nm a t e r i a li na p p l i c a t i o ni se p s ； t h em e c h a n i s mo f e p ci sd e s c r i b e d ；ac o m p a r i s o no f d i f f e r e n tg a t i n gs y s t e m si sa l s o m a d e t h er e s u l t so b t a i n e da r eo f g r e a ta i dt of u r t h e rs t u d i e so fi n t e r a c t i o n sa m o n g t h em e t a l ，t h em o u l da n d t h ee v a p o r a t i v ep l a s t i cp a t t e r na n dt ot h es t u d i e so f f o r m i n g t h e o r yo fc a s t i n g s ，a sw e l la st ot h ee s t a b l i s h m e n te r ar e l i a b l eb a s i sf o rt h ed e s i g no f e p s vf o u n d r y t h er e s e a r c hs i t u a t i o no ft h ec o a t i n gf o rl o s tf o a mc a s t i n gi s r e v i e w e d i t sc o m p o s i t i o n ，p r o p e r t yd e m a n d s ，t e c h n i c a lm e a s u r e sa n de f f e c t sa r e s t a t e d d e v e l o p m e n t s i n p r o d u c t i o n a n dr e s e a r c ha r ef o r e c a s t e d t h ef a c t o r s e f f e c t i n ge p ci n d u c eu n b o u n ds a n da n dj t sf i l l i n gm o l d i n gb o x p a t t e r n & c l u s t e r , v i b r a t i o n ，v a c u u me t c i ti si m p o r t a n tt op l a nc o r r e c t l yt h ef a c t o r sf o rs t a b i l i z i n g p r o c e s s a n d i m p r o v i n gc a s t i n g s t h ep r o s p e c t s o fe x p e n d a b l ep a t t e r n c a s t i n g p r o c e s sa th o m e w e r ef o r e c a s t e d ，ap r o p o s a lc o n c e r n i n gt h ed e v e l o p m e n to fi t sw a s o f f e r e d k e yw o r d s ：e x p e n d a b l e p a t t e r nc a s t i n g , p r e s e n tc o n d i t i o n ，a p p l i c a t i o n ， p r o s p e c t s ，p r o p o s a l 第一章真空实型铸造的发展及现状 1 1 真空实型铸造的发展历史及其演变过程 真空实型铸造实际上是由实型铸造与真空密封造型技术相结合的一种新型 精密铸造技术。 实型铸造自问世至今已有四十多年的历史。首先由美国人h f 斯洛耶 ( s h r o y e r ) 于1 9 5 6 年发明。1 9 5 8 年以专利形式发布于世，后来在1 9 6 1 年由德国维 特莫塞( w t t m o s s e r ) 教授晟早推广应用于工业生产。其生产方法是：用泡沫聚苯 乙烯塑料实体模型代替铸造模( 术模或金属模) 进行普通造型。当金属液浇入铸型 时，泡沫塑料模型被迅速气化，金属液取代了原来塑料模所占的位置，冷凝后形 成与泡沫模型形状完全相同的实体铸件。由于泡沫模型在造型时不需分型，也不 需拨模，故称为实型铸造，简称为“f m ”法川。但所用的造型材料仍需粘结剂、 水分及其它添加物，同时泡沫塑料模型热分解产物的黑烟等都造成环境污染等问 题。 为了克服上述的问题，于1 9 6 9 年，日本秋田株式会社和长野县工艺试验所 发明了真空( 薄膜) 密封造型法( 简称v 法) ，该工艺方法是利用塑料薄膜密封砂 箱及模样的同时，并依靠真空泵抽出型腔内空气，造成型腔内外压力差，使干砂 紧实以形成所需型腔后浇注成形的一种物理造型方法。然而，这种工艺方法所使 用的模样仍为普通铸造模( 术模或金属模) ，且造型时仍需分型和拨模。 随着工业生产的发展需要，直至2 0 世纪8 0 年代初，综合上述两种工艺方法 各自的优点，进而演变成了现有真空一一实型铸造技术。即以泡沫聚苯乙烯( e p s ) 塑料作为实体模型、用无粘结剂的干砂作造型材料，用塑料薄膜密封砂箱上沿并 借助抽真空使铸型紧密而获得铸件的方法，国内原称为“e p s v ”法，现在统称 为“e p c ”法或称消失模( 气化模) 铸造法。由于该工艺自应用于工业生产以来 获得了迅速发展且优点特殊，故被国内外铸造界誉为“2 1 世纪的铸造技术”或 称“铸造韵绿色工程”。 1 2 真空实型铸造的工艺流程 真空实型铸造工艺流程图【2 1 真空实型铸造大体可分为八个工艺过程： 1 1 制备气化模样( 包括浇注系统的模样) ； 2 1 经粘接组成实体模组； 3 1 在模组上涂刷特制涂料并经烘干； 4 l 将特制砂箱放在振动台上： 5 ) 在砂箱下面铺2 0 3 0 m m 于砂； 6 1 将气化模组放入砂箱内，一边加干砂一边振动紧实砂型； 7 1 对砂箱抽真空，并在真空状态下进行浇注，气化模型气化被金属置换， 复制出与泡沫模样相同的铸件： 8 1 冷凝后取出铸件，进行下一循环。 2 1 3 我国真空实型铸造的现状 我国已有十多家高校和研究单位开展实型铸造研究，主要有：清华大学、华 中理工大学、昆明工学院、内蒙古工业大学、中国科学院长春光机所、郑州机械 研究所、济南铸造锻压机械研究所和机械工业部第四设计院、马鞍钢铁设计院等。 由于这些单位的介入，根本改变了我国以前历次会议以经验交流为主的局面，充 实了我国在消失模铸造这门新学科基础理论方面的研究，从而提高了我国在这一 领域的学术地位和技术水平，必将对我国实铸事业的发展起着深远的影响。 真空实型( 消失模) 铸造是一门集塑料、化工、机械、铸造融为一体的综合 性多学科的( 铸造新技术) 系统工程。为发展我国的实型铸造事业，中国铸造协 会实型铸造专业委员会在开发和推广应用这项新工艺的同时，十分重视和致力于 对实型铸造特定的原辅材料( 如：e p s 珠粒和板材、粘结剂等) 和专用设备的研 究开发及专业化布点工作。现已有上海塑料七厂、上海华新包装机械厂、温州塑 料助剂总厂、温州化工机械厂、富阳方园塑机公司和富阳江南包装机械厂等l 5 家，其中一家是制造发泡模具的专业化厂点。这些年来，相继研制成功的主要有： 震动式泡塑扳机( p s b 1 ) 、泡塑电切割机( p s - j i ) 、间歇式预发泡机( m y j 一6 0 ) 、 铸造用泡塑板材成型机机械发泡成型机、k b c 系列液压发泡成型机、三维震动 台( f v z 1 和e p c 系列) 及新一代铸造用模型材料e p m m a 与e p s 共聚树脂等， 同时研究开发的还有消失模铸造系列涂料和泡塑专用粘结剂及其他配套设备。 我国在实铸行业中发展较快的是采用无粘结剂干砂和抽真空技术的消失模 铸造，十年前处于试生产的只有2 - 3 个厂点，产量仅几百吨，而今用于生产或 试生产的已有5 0 余家正着手和准备上此项目的厂点又有l o 余家，其产量更是 大幅度地增长。据不完全统计，1 9 9 5 年和1 9 9 7 年消失模铸件产量分别为7 2 0 0 t 和2 0 0 0 0 t ，按生产条件分为三太类p l 。 1 3 1采用国产闭环型消失模铸造生产线 这种采用机械、液压和电气方式的闭环型生产线砂箱数在2 4 1 0 0 箱不等， 主要厂点有：长春光机所工厂( 长春九龙铸造有限公司) 、赤峰富龙集团铸业有 限公司、丹江口水利枢纽管理局机械厂、广西灵山县机械实业总公司、福州柴油 机总厂、通海玛钢厂、温州瓯海实型铸造有限公司、山东兖州有色金属精铸厂和 大连机车车辆厂( 磁型) 等约1 5 家1 7 条生产线，这类生产线一般投资在1 5 0 1 0 0 0 万元不等( 其中包括白区部分的费用) 。 3 1 3 2 简易生产线或单机型消失模铸造 通常是在铸造工部仅设置一台( 造型用) 振动台，几个专用砂箱，或设带辊 道的砂箱简易输送线；干砂一般为自然冷却，或调协简易砂冷却装置；另加一套 真空系统，这种生产模式比较符合我国国情，花钱少、上马和见效快。生产厂家 可依据资金状况选择，少则约5 一l o 万元，多则几十万无。为此，这种生产形式 在我国( 与日本一样) 发展很快；尤其为近几年“异军突起”的私营或集体中小 企业广泛采纳，这方面的主要厂点有：屏山县兴马精铸有限责任公司、敦化林业 局机械厂、徐州电力铸钢厂、通化二道江发电厂铸造厂、营口市鲅鱼圈东海铸造 厂、无锡永鑫实型铸造厂、重庆江南机械厂、云南宜良南羊铸造厂和广东紫金县 联发合金钢制品有限公司、长沙中南电炉厂以及长沙县新安铸钢厂等4 0 多家厂 点。 1 3 3 采用国外引进型消失模铸造生产线 采用国外引进型消失模铸造生产线及有关设备的厂点有6 家，重点介绍以下 4 家。 ( 1 ) 第一汽车厂轻型发动机厂于1 9 9 3 年从美国福康公司引进造型用震动台、 生产e p s 模的预发泡机和成型机各1 台及进气歧管发泡模具1 套，共4 件约7 5 万美元。于1 9 9 3 年末投入试生产以来产量逐年增长，到1 9 9 7 年达年产9 万件约 3 0 0 t 铝台金进气管。 f 2 ) 全椒柴油机总厂于1 9 9 5 年从美国福康公司引进消失模铸造生产线一条， 预发泡机、成型机、粘结机和涂料搅拌机各l 台及缸盖发泡模具1 套，约3 0 0 万美元，其余国内配套，总投资人民币4 5 0 0 - 5 0 0 0 万元，主要生产柴油机缸盖 等铸件。 ( 3 1 长沙发动机总厂于1 9 9 6 年从意大利法塔铝公司引进自动化消失模铸造 生产线一条，生产e p s 模发泡设备预发泡机、成型机、模型胶合机各2 台和迸 气管发泡模具1 套合计约3 0 0 万美元；另加国内配套总投资约4 0 0 0 多万人民币， 生产铝合金缸体、缸盖铸件。 ( 4 ) 赤峰富龙集团铸业有限公司1 9 9 6 年引进日本两条消失模铸造生产线约 1 6 0 0 万人民币，另从美国引进预发泡机、成型机和粘结机各1 台及进气管发泡 模具1 套，合计约8 0 万美元，计划总投资约5 0 0 0 万人民币。1 9 9 7 年产是约1 5 0 0 t ， 配套完成后的生产能力可达1 0 0 0 t ，主要生产排气管等球铁铸件 4 2 1原材料 第二章真空实型铸造工艺研究 r 聚氯乙烯泡沫塑料 i 2 1 1原材料种类j 聚苯乙烯泡沫塑料 l聚乙烯泡沫塑料 【聚氨酯泡沫塑料 a 对铸造用泡沫塑料要求： 品种规格多，以适应不同制模和铸造的需要。 发气量低，气化迅速，残留物尽量少。 比重轻，强度和表面刚性好。 成本低，价格便宜，贷源广。 孔径均匀、结构致密，加工性能好。 b 聚苯乙烯为石油化工的废气( 付产品) ，它以比重轻、气化迅速、残留物 少、成型加工方便、资源丰富、价廉而被国内主用。 表l国产铸造用泡沫塑料的分类和规格 项目规格 牌 比重( 密度) 品种 聚苯乙烯 用途 、 号 ( 克厘米3 )板材 型号 珠粒( 目数) z k b 1 8铸100 i s o 0 2 0可发性1 0 1 6 1 5 0 0 x 1 0 0 0 x 1 0 0铸钢 z k b 2 3铸20 0 2 0 0 2 4可发性1 7 2 01 5 0 0 x 1 0 0 0 x l o o铸铁及有色金属 代用品：( 1 ) 可发性聚甲基丙烯酸甲脂p m m a ；( 2 ) p m m a + e p s 的共聚物。 2 1 2 对铸造专用的e p s 珠粒的要求 相对分子质量偏高( 2 0 - 5 0 万) ； 有足够的发泡剂含量( 戊烷含量大于5 s ) ； o 较高的发泡倍率( 约4 0 倍左右) 。铝合金铸件允许实型模样密度可以偏大 ( o 。0 2 2 0 0 2 6 9 c m 3 ) ，而钢铁铸件则要求实型模样密度偏小( o0 1 6 0 0 2 2 9 c m 3 ) 。 一般e p s 原珠粒直径约为铸件壁厚的i 1 0 ，其关系见表2 。 5 表2 铸件壁厚与e p s 珠粒直径关系 铸件壁厚( m m )e p s 原珠粒直径d ( m m )预发泡后粒径d ( m m ) 3 4 o3 o 4 o 9 1 2 4 5 0 4 - 0 51 2 1 5 7 50 5 o 7 6 1 5 2 5 2 1 3 气化模成型方法 2 13l 聚苯乙烯发泡成型 预发泡一熟化一一成型发泡一一干燥 预发泡：采用热水预发泡工艺，即在1 0 0 1 2 沸水中搅拌，主要控制预发 泡时间。 成型发泡：将经熟化的预发e p s 珠粒装进模具内。再将模具放入蒸压釜 内，通过蒸汽加热、加压使塑料模成型。主要控制其温度、压力和时间。 堆密度测量：将预发并经熟化后的原料装入量筒中，振动量简直至珠粒 停止沉降，测量出其体积，并称出其重量，珠粒的堆密度为： q = q ( g c r a 3 ) 式中q _ 一珠粒的质量，g v 一一珠粒的体积，c m 3 泡沫塑料模样密度测量：将试样干燥后， 寸，即可测得其密度为：p = g v ( g c r a 3 ) 预发泡时间对e p s 预发珠粒堆密度的影响 据有关资料介绍，选择三种不同粒度的原料， 6 4 由0 8 一1 0 m m 7 4 由0 6 3 一o 8 m m 8 # 04 一o ，6 3 r a m 用天平称量，并用卡尺测量尺 其对应的颗粒直径分别为： 预发泡时间对预发珠粒堆密度的影响见图1 ，从图中可以看出，不管哪种粒度的 原料，随着预发泡时间增加，其堆密度都不断减小只是减小的幅度不同而已。 这是因为在沸腾的热水中，e p s 珠粒很快达到其玻璃化转变温度成为粘弹态- 此 时，原来存在于珠粒中的发泡剂就相当于气泡核，由于珠粒处于粘弹态。发泡剂 受热气化将产生一定的压力从而形成撒气泡，使原来分散在珠粒中的核气化膨胀 为分散的互不连通的蜂窝状泡孔。一旦形成泡孔，水蒸汽就向孔内渗透，发泡剂 急剧气化使珠粒膨胀，同时发泡剂也向外渗透。相对而言，水蒸气的分子比作为 6 发泡剂的戊烷分子小得多，粘滞性小、扩散能力强，更易透过高聚合分子链组成 的泡孔壁。故其向泡孔内的渗透速率远大于发泡剂向泡孔外的渗透速率。所以随 着预发泡时间的增加，泡孔内的压力逐渐增加，致使泡孔进一步胀大，其堆密度 不断减小。 t h w ， 。 图1预发泡时间对预发珠粒堆密度的影响【4 】 不同粒度的原料发泡能力不同 从图1 中还可看出，在预发泡时间相同的情况下，不同粒度的原料预发泡后 堆密度不同，亦即不同粒度的原料的发泡能力不同。其中酽原料最细，预发后 堆密度最大，而6 。料最粗，预发后堆密度最小，7 4 料居中。即8 4 粒发泡能力最 差，7 4 料稍好，6 4 料最强。这是因为小珠粒中的发泡剂比大珠粒的发泡剂更易逸 散，而发泡剂的逸散能力可用珠粒的表面积与体积之比来表征。表面积越大其逸 散面积越大，逸散能力越强；而体积越大，所含发泡剂越多，保存发泡剂能力越 强。对于球形粒，其发泡剂逸散能力可用下式表达： 彳3 + vr 式中a - 一e p s 原料珠粒表面积 v 一一e p s 原料珠粒体积 r 一一e p s 原料珠粒半径 显然，原珠粒越小，发泡剂逸散能力越强，反之逸散能力越弱。反映到e p s 原料珠粒的发泡能力上，大珠粒的葚泡能力优于小珠粒的发泡能力。同时原料存 放1 个月以上时，较小颗粒的原料中有许多都丧失了发泡能力。 o 模样密度与预发后堆密度的关系 e p s 泡沫模样密度与预发后珠粒堆密度的关系见图2 ，从中不难看出，二者 几乎为1 ：l 的关系，即最终发泡模样的密度值就是预发后珠粒的堆密度值。这是 因为，在正常情况下，经预发的珠粒装入模具后的填充状态与澍量堆密度时的量 7 筒中的填充状态几乎一样，即填充后的空隙率几乎相等。成型发泡时，珠粒进一 步膨胀将这部分空隙充填掉。因此，可以通过控制预发泡工艺来控制所制模样的 密度。 n 0i t b t 20 持t ，0 辐0 4 s 奄m n 。 图2 模样密度与预发珠粒堆密度的关系 从理论上讲，等直径圆形颗粒按最密集的堆积排列，其堆积致密度为7 4 ， 空隙率为2 6 。实际上由于种种原因很难使其处于最致密的排列状态，经测定 e p s 珠粒在自然填充状态下，其空隙率一般为4 0 左右。 o 成型发泡工艺与所制e p s 模密度的关系 用于大型薄壁铸件的e p s 模对密度有严格的要求，要获得各种不同密度的 e p s 模样，必须有合适的成型工艺。 为了获得各种密度的合格泡沫模样的成型发泡工艺，通过大量的不同密度模 样的成型发泡工艺的试验，结果见表3 ( 表3 为7 4 原料的工艺试验结果) 。 表3不同密度模样成型工艺试验结果：! 密度i1 0 2 ( 3 1 0 2 ( 21 0 5 ( 2 1 0 8 c | 1 1 0 3 2l 1 1 0 3 2 l 1 1 0 3 2 i 1 1 0 3 21 1 0 3 2 c m 3 ) j5 m i n 7 m i n5 r a i n5 r a i n l 堕鱼l 兰坐鱼i 三垡i 璺i 兰坐i 璺i 墨翌垫 0 0 8 0 0 9 o 1 0 0 1 2 0 1 4 o 2 l 0 2 5 + + + 0 4 1 + 二二一 在试验中，判断试样是否合格的标准主要是其外观质量，若表面轮廓清晰、 8 珠粒问连接良好，无明显凹陷，整个试样无膨胀或收缩变形，即为合格模样。否 则不合格。从表中可看出，随着模样密度的减少，成型发泡时所要求的温度越高， 时间越长。这是因为对于同一种粒度的原料经不同时间的预发泡，获得不同粒度 的预发泡珠粒。堆密度大的，珠粒小；反之，珠粒大。珠粒大小不同，其再发泡 膨胀能力不同，而使其成型时所需的工艺参数不一样。从机理上讲，成型发泡靠 的是蒸汽加热时，在短时间内珠粒内剩余发泡剂的气化压力和珠粒内空气来不及 排除，从而急剧膨胀促使珠粒进一步膨胀。最终充填所有空隙，从而获得致密的 模样。经过精密测定，预发珠粒所含发泡剂的量与预发泡时间的关系如图3 。从 图中可看出，预发泡时间越长，预发后珠粒越大，发泡剂剩余量越小，从而使成 型发泡能力降低，这正好说明了为什么要求的模样密度越小，成型发泡所需温度 越高、时间越长。反之，成型发泡所需温度越低，时间越短。 另外，其他两种粒度的原料成型发泡工艺与模样密度的关系见表4 ，其成型 的工艺基本与7 4 料相同。可见，成型发泡工艺主要受要求的模样密度控制。 当然，对于一定密度的模样，其成型发泡工艺参数有一定的范围。 图3发泡剂剩余量与预发泡时间的关系 表4 不同粒度珠粒e p s 模发泡工艺 原料8 0 6 4 密度0 0 60 0 90 1 10 2 20 1 20 1 70 2 20 3 6 窖舡f 1 1 0 1 1 0 c1 1 0 1 0 5 1 1 0 1 0 8 1 0 5 1 0 2 工艺参数 s t a i n5 r a i n缅i n，m 】nj m l n5 m i n) m l n5 m i n 综上所述，发泡工艺与模样密度是相互制约的，预发泡工艺影响模样的密度， 要求的模样密度又制约了成型发泡工艺。认清这一点对于在实际生产中控制模样 密度，调整生产工艺极为重要。尤其对于薄壁模样更是如此。 9 模具结构 制造泡沫塑料模样的发泡模具受周期性加热和冷却，在永和水蒸气的反复作 用下工作，要求材料导热性能好、低热容量、耐腐蚀性好、强度高、价格便宜。 常见的发泡模具材料有铝合金、不锈钢、碳素钢。其中铝合金质( 重) 量轻，导熟 性好，强度和耐蚀性能好，还可以加工出相当光洁的模具表面，在生产上应用最 普遍。 设计模具时，应考虑以下原则： 1 ) 准确的形状和尺寸，每个型腔背面必须进行仿形加工，以保证均匀壁厚， 达到均匀加热和冷却的目的； 2 ) 铝合金模具壁厚一般为8 1 5 r a m ，钢模具一般为35 m m ； 3 ) 加料装置必须保证良好的珠粒充填效果；排气塞面积约为模具型腔总面 积的2 ，其中心距一般为2 5 r a m ，其设置应与对面工作面上排气塞错开； 4 ) 模样的收缩率可选择o 3 一o 6 。 发泡模具可分为：蒸缸发泡模具和压机气宅发泡模具两类。蒸缸发泡模具采 用手工操作，生产周期长、效率低、劳动强度大，仅适于制造小型且批量不大的 模样。蒸汽压力与加热时间视制品大小和壁厚而定，一般的蒸汽压力为0 0 5 01 m p a ，加热时间为l o 5 0 r a i n 。大量生产的模样多是采用机械化或自动化生产 的压机气室发泡模具。 蒸缸发泡模模具结构主要由定型、动型、锁紧装置和加料机构组成。压机气 室发泡模具与蒸缸发泡模具相比，还有气室( 通水或水蒸气) 等。 2 1 3 2 聚苯乙烯泡塑板材切割、粘结成型 按照零件图，考虑加工余量和收缩量，不考虑拔模斜度，也无芯子与外型之 分，采用精确样板，直接用泡沫塑料板材切割并经粘合制作成气化模。其工艺要 点如下1 6 j ： 采用切割锯作加工工具，它由锯弓和中08 l m m 的镍铬丝组成，通过变 压器供电，电阻丝始终要处于绷紧状态，以保汪切割质量。 切割时电压控制要恰当，控制电压就是控制电阻丝的加热温度。电压过 大，泡沫塑料烧损量大，电压过低则切割困难，两者得到的模型印割表面凹凸不 平，影响铸件质量。 o 泡沫塑料切割刀，一般很锋利小刀。 泡塑粘合剂，早期用乳白胶，现在大多推荐用北京w p h l 型胶。 1 d 泡沫塑料e p s 板材。 即利用密度为o 0 1 8 0 0 2 0 9 c m 3 的e p s 泡沫板材，采用电热靠模切割，然后 粘合成整体的加工方法。方法是：由0 5 08 r a m 的镍铬电阻丝，通过可调变压 器供电，用弹簧使电阻丝处于崩紧状态，从而保证切割的质量；对于形状复杂件 先用硬纸板( 或电木板) 加工出一付切割用的靠模，切割时把靠模固定在泡沫板材 上，电阻丝紧靠着靠模作切割运动，保证了尺寸的准确，操作方便，简单易行。 气化模的组合采用北京w p h 一1 型胶粘接。 2 2 浇注系统设计 针对产品的不同类型，选择不同的浇注系统，但总的原则是采用底注式使液 态金属充型平稳。小件采用封闭式( fi ：x f 横：e f = 1 4 ：1 2 ：1 ) ，而大件采用开 放式( x f 自：e f * ：f1 = l ：1 1 ：1 2 ) ，内浇口直接与模型本体粘合后刷涂料，而横 浇道与直浇道单独刷涂料而后组合，这样保证了制模、刷涂料以及烘干的操作方 便。至于冒口的放置视铸件热节的情况而定，一般可设置球形顶冒口和侧冒口。 22 1 开放式浇注系统条件下的充填过程 采用开放式浇注系统，直浇口一般充填不满，金属液处于无压充型状态。浇 注刚开始时，金属液首先将直浇道中心的e p s 烧失与直浇e l 底窝相撞后，通过 内浇口沿着型壁表面散开( 图4 1 a ) 。界面处的e p s 首先分解，产生的气体通过涂 料层被抽走，流动阻力减小，而铸件壁中心处气体反压力较高，阻碍金属液推进。 因此，金属液沿e p s 模型铸型界面流动，形成一种空的铸件外壳，其内部是尚 未分解的部分e p s 模和尚未排出的气体( 图4 - 1 b ) 。随着金属液的不断补充，型腔 内残留的e p s 继续气化，分解气体通过外壳缺e l 外排，空洞被填满，形成完整 健全的铸件( 图4 1 d ) 。这种充填形态与压力铸造的弥散式充填有相似之处。倘若 空洞内的e p s 分解气体不能全部排出，或气体反压力高于液体金属的静压力， 则分解气体侵入金属液内铸件产生气孔缺陷。 ( 4 1 ) 开放式浇注系统 ( 4 - 2 ) 封闭式浇注系统 f 直：z f = l ：1 8 fi t ：z f 。2 9 ：1 图4e p s v 法浇注时金属液充填过程【7 】 2 2 2 封闭式浇注系统条件下的充填过程 采用封闭式浇注系统时液体金属的充填形态如图4 - 2 所示。浇注时直浇道 内的e p s 迅速气体，并在很短时间内就被液体金属充满，浇注系统内就会建立 一定的静压力，金属液具备克服分解气体气压力作用的能力。虽然靠近型壁处的 流动速度稍高于中心处的流动速度，但金属液基本上呈层流充填。在试验选择的 f 直：z f = 2 9 1 7 ：1 范围内，截面积比值愈大，型腔断面各处金属液流动速度 差别愈小，也就是说，金属液己由弥散式充填逐渐过渡到层流充填，铸件内部的 孔洞越来越少。实验结果表明，恰当的金属静压力和充填速度有利于e p s 的有 序排气，有助于保持金属液分解气体e p s 模型界面的平衡。这对于减少或消除 气孔缺陷极为有利【8 】【9 1 。 综上所述，a 采用开放式浇注系统时，液体金属沿铸型e p s 模型界面流动， 铸件外壳首先形成。这种充填形态类似于压力铸造的弥散充填，铸件容易产生残 碳夹杂或气孔缺陷。而采用封闭式浇注系统时，有助于保持金属液分解气体e p s 模的平衡状态，金属液在型腔内呈层流充填。可减少或消除气孔缺陷。 b e p s v 法精密铸造不宜采用开放式浇注系统。若采用底注式，必须在e p s 最后气化的部位设置冒口，集渣集气，排除过冷的金属液，以保证铸件上部不出 现缺陷。对于高度较大的长形铸件，宣采用侧注式，内浇口应设在铸件的上半部。 2 3 耐火涂料的配制与涂刷 ： 涂料是真空实型铸造的关键环节之一，涂料的性能直接影响铸件表面，甚至 内在质量，故国外文献有“涂料即铸型”之说，除传统砂型铸造中，对涂料要求 的悬浮性、密度、粘度和流变特性外，e p c 法对涂料的工艺性能和工作性能还 有新的要求。如：o 要求涂料和对e p s 模样涂挂润湿性好，覆盖能力强( 统称 为涂覆性) ；浇注过程中有良好的高温性能和透气性；涂层需要有足够的干态 强度，、涂挂后形成一定力学强度和刚度的硬壳。对模样有加固作用，保证搬运、 填砂、震实过程中无变形和损坏，能抵抗造型时干砂的磨刷力等。 在国外，研制的涂料都是专利产品。 2 3 1涂料的组成：含耐火骨料，粘结剂，载液、悬浮荆，附加物等 耐火骨料： 耐火粉料是涂料的骨干，具有隔离、绝热抗粘砂和降低铸件表面粗糙度等作 用。耐火粉料的选择主要依含金种类而定，高熔点合金多采用耐火度较高的刚玉 1 2 粉、锆英粉。从涂料的性能要求和生产需要看，应注重粉料粒度、分布以及不同 粉料的优化级配问题。一般应用的耐火粉料有剐玉粉、锆英粉、石英粉、铝硅系 耐火熟料( 包括铝矾土、煤矸石、粘土质熟料) 、混合粉等。从涂层透气性考虑， 以多孔性结构的铝矾土粉料为好。 o 构成涂料层强度的粘结剂，分低温型和高温型，前者有糖浆、纸浆、糊精、 酚醛树脂、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯乳液、聚乙烯醇缩丁醛、羧甲基纤维素等：后 者有粘土、磷酸盐、水玻璃、硅溶胶以及水溶性树脂等。 o 载液有水或有机溶剂如乙醇( 工业用酒精) 。合适的溶剂以乙醇和水为好， 应用更广泛的还是水基涂料。 悬浮剂，悬浮剂的作用是促使耐火材料在稀释中呈悬浮状态，防止沉淀。 常见悬浮剂有活化膨润土、c m c 、轻质耐火砖粉料和聚乙烯醇缩丁醛等。 其它附加物，主要用于改善涂料某方面的性能。如表面活性剂、发泡剂、 消泡剂、防腐剂等，应根据需要选择加入【1 0 】【】。 2 3 2 涂料应具备的性能 2 3 2 1 工作性能 涂料的工作性能包括强度、透气性、绝热性、耐火度以及耐急冷急热性能， 更为重要的是前两者。 l 透气性 、 在真空实型铸造过程中，气化产物的排出主要依赖涂层的透气性，为避免气 压力过大引起充型不平稳，气化产物停留时间过长，从而导致铸件产生皱皮，增 碳等缺陷，要求涂料有较高的透气性。尤其是高温透气性，高温下较长的持久性， 抗高温烧结、侵蚀能力等。铸型系统的透气性除与涂层有关外还取决于砂子、负 压度、浇注工艺等因素。 影响透气性的因素：涂料的透气性与耐火材料的配比，粘结剂种类与含量、 悬浮剂多少都有关系。资料表明：1 0 的石英粉与9 0 的铝矾土塔配有较好的透 气性。在固定此配比下，通过改变聚乙烯醇水溶液加入量、水玻璃及粘土加入量， 探索了它们引起的涂料常温透气性及经8 0 0 c 保温后冷下来的透气性的变化。 ( 1 1 聚乙烯醇水溶液加入量对透气性的影响 聚乙烯醇作为粘结剂使用有较高的强度，它是一种有机物，希望它能在高温 下烧掉形成微孔而提高透气性。在固定水玻璃量为2 5 ( 占耐火材料的比例) 粘土量为2 的条件下，聚乙烯醇水溶液加入量对涂料透气性( q 哪的影响，如图 1 3 5 所示。由图可见，常温透气性齄着聚乙烯醇加入量的提高存在一峰值，而高温 后透气性是一直增加的。为什么会出现这种变化呢? 从微观上看，聚乙烯醇粘结 剂要起到粘结作用是包覆在耐火材料颗粒表面的，粘结剂量越多，包覆在颗粒表 面的粘结膜越厚，颗粒间的距离越大，在干燥过程中，粘结剂膜会由于失去水分 而收缩，粘结膜越厚，收缩越大，颗粒间的间隙越大，透气性越好，这是提高透 气性的因素。而另一方面，随着聚乙烯醇加入量的继续增加，粘结剂除了形成包 覆在颗料表面的薄膜以外，还有部分会堆积于耐火材料颗粒之间，它会堵塞颗粒 间的毛细孔通道，使透气性降低，这是降低透气性的因素，这两个因素共同作用 的结果，使涂料的透气性随着聚乙烯酵量的增加出现一个峰值，这个峰值所对应 的聚乙烯醇量是颗粒表面聚乙烯醇膜达到最大厚度且不产生粘结剂在颗粒间堆 积所对应的量，由图5 看出，这个聚乙烯醇水溶量是3 。经历高温后的情形就 不同了。随着聚乙烯醇量的增加透气性是一直增加的，资料表明，聚乙烯醇的分： 解温度较低，通常在2 4 0 以上就开始分解。这是它作为型砂溃散性好的原因。 所以，当在实验中经8 0 0 保温的情况下，聚乙烯醇当然彻底分解了。不管是结 膜的聚乙烯醇，还是堆积的聚乙烯醇都变成了灰分，而且产生很大的体积收缩， 聚乙烯醇加入量越太，体积收缩越大，产生的空隙越多，因此透气性越好。这就 表明：在生产过程中，涂料中有机粘结剂是来得及分解的，所以提高有机粘结剂 加入量对改善透气性是有利的。 聚乙烯醇量 图5 聚乙烯醇对透气性的影响 ( 2 ) 水玻璃加入量对涂料透气性的影响 水玻璃是铸造上常用的无机粘结剂。这里选用水玻璃主要希望它能提高涂料 的高温强度，这对浇注较大铸件时尤其重要，水玻璃加入量对涂料透气性有何影 响呢? 在聚乙烯醇水溶液加入量为3 ， 八量对涂料透气性的影响，如图。6 所示。 1 4 粘上加入量为2 的条件下，水玻璃加 由此看出，随着水玻璃量的增加，常温 透气性是下降的，而经8 0 0 c 的高温下，水玻璃中的硅酸钠会发生熔化。因其溶 点为7 9 3 ，发生熔化的硅酸钠在随后的冷却过程中会产生较大的收缩而形成非 晶玻璃体，在这一范围内，水玻璃量越多，收缩也较大的结果会使涂料中的孔隙 度增加而使透气性变好，但当水玻璃量增加到一定程度后，冷凝后的非晶玻璃体 会变成连续的整体，这时会使透气性急剧下降，甚至会比常温透气性还低。因为 非晶玻璃体的致密程度比硅酸凝胶的致密性高得多。从图中可知，玻璃体由不连 续的转折点是5 水玻璃，即在4 水玻璃时，透气性是最好的。 图6 水玻璃对透气性的影响 ( 3 1 粘土加入量对涂料透气性的影响c ”j c l 3 j 实验中加的粘土是悬浮性好的膨润土，其作用是希望提高涂料的悬浮性，这 是涂料的重要工艺性能，粘土加入量对涂料透气性有何影响呢? 在聚乙烯醇水溶 液加入量为3 ，水玻璃加入量为5 的条件下，得到图7 的结果。由此看出， 随着粘土量的增加，常温透气性是下降的，高温后透气性是提高的。与2 7 0 目的 耐火材料颗粒相比，粘土是更细小的颗粒，在涂料中加入粘土后粘土会主要集 中在耐火材料的颗粒间，而堵塞耐火材料颗粒间的毛细孔通道，使涂料透气性降 低，粘土量越多，这种堵塞作用越大，所以涂料的常温透气性会随粘土含量的增 加而下降。但经过8 0 0 ( 2 的高温后，耐火材料颗粒间的粘土会发生如下变化：在 经过1 0 0 c 时，会失去粘土中的吸附水，温度经过1 7 0 - 3 0 0 c 时，会失去臌润土 晶层与晶层之间的层间水；当温度达到6 0 0 7 0 0 。c 时粘土会失去结构水而成为死 粘土；当粘土经过这一系列变化后，体积会发生明显的收缩而使在耐火材料颗粒 间产生间隙，进而使涂料透气性提高，粘土含量越高，这种作用越大。因此，经 8 0 0 1 2 后涂料透气性随粘土含量的升高是增加的。 1 5 j _ 2 善1 0 事 崩 t 秸土t ， 图7 粘土加入量对透气性的影响 ( 4 ) 结论 聚乙烯醇水溶液、水玻璃及粘土加入量对负压实型铸造用涂料透气性的影 响，得到如下认识： a 聚乙烯醇水溶液加入量增加使涂料的常温透气性存在一极大值，而经8 0 0 保温后再冷却下来的涂料透气性随聚乙烯醇n a 量的升高而增加。 b 水玻璃加入量越大，涂料的常温透气性越差，而经8 0 0 1 2 保温后的涂料 透气性在水玻璃加入量为5 时，达到极大值。 c 膨润土量的增加使常温透气性下降，而使经8 0 0 ( 2 后的涂料透气性升高。 d 合适的涂料透气性范围应在2 5 6 0 c m 4 gm i n 之间，低于下限时，铸件 出现气孔和增碳缺陷，而高于上限时又会出现严重的机械粘砂。 2 强度 涂料的强度包括结构强度，附着强度，表面强度等。 e p c 法涂料的工作特点，在实际生产和文献介绍中还发现因涂层高温强度 不足而导致铸件缺陷的现象，一般考虑涂块的常温抗弯强度和涂料层在不同载荷 下的抗变形能力。 ( 1 ) 涂层强度 从涂料本身讲，涂料成分均匀( 搅拌均匀) ，回性良好，干燥均匀等是获得强 度的必要条件。在干燥过程的同时，涂层中水分不断蒸发，粘结剂的浓度增大， 使耐火粉颗粒相互靠近，彼此粘结在一起使涂层获得强度。 从表5 和衰6 中数据，可以看出聚乙烯醇( p v a ) 、乳胶等有机粘结剂涂层的 常温强度均高于硅溶胶等无机粘结剂涂料层强度。其原因是，首先，p v a 充分 润湿粉料的表面后，因吸附作用产生氢键和范德华力使其和粉料粒子结合起来。 随水分的失去，由液态转为固态。再者，p v a 是强极性的线型高聚物，高分子 链中原子间以共价键结合，分子链间相互邻近的范围很大，使分子间相互吸引的 1 6 一 r【lpl 范德华力很大，有时甚至超过共价键键能，其效果远超过目前最好的粘结剂所能 达到的强度。 i涂料种类 铝矾土煤矸石刚玉粉 锆英粉石英粉 i 涂层强度，m a3 ，9 83 5 71 9 6 71 6 2 6 1 1 、7 6 表6 水基硅溶胶涂料层强度 l涂料种类铝矾土煤矸石刚玉粉 锆英粉石英粉 i 涂层强度，砌a1 1 40 4 92 5 5 29 6o 5 5 硅溶胶涂料干燥后形成硅凝胶，其凝胶强度与时效时间长短密切相关。随着 时间的延长而凝胶陈化，网架结构中水分大量蒸发，硅溶胶胶凝将粉料粒子粘结 起来使涂层获得强度。随干燥时间的延长，强度增大，在与其有机粘结剂p v a 干燥条件相同的情况下，硅溶胶涂料的干强度较低。 粘结剂相同的涂层强度，随耐火粉料密度而增大，如表6 中石英粉、煤矸石 p v a 涂层强度明显低于刚玉粉、锆荚粉涂层强度。表2 中锆英粉硅溶胶涂料层 强度明显高于石英粉涂料层强度。对同种涂料，干燥充分时涂层强度大。但是， 粘结剂相同时也并非完全如此，涂层强度还与耐火粉料粒度分布有关，粉料粒度 分布分散时粉的密度低于锆英粉的，但其强度却高于锆英粉。 涂层强度因耐火粉料粒度的关系，同种粘结剂相同比例加入量，粉料粒度优 化组配：涂料固含量高，涂层致密，涂层强度高。对偃师铝钒土用筛分法进行粒 度分级，用不同级别粉料来配制涂料，测试结果( 表7 ) 表明，组配粉料( 原料粉) ， 其强度明显高于粒度较为集中的其他两种涂料的。 表7 筛分后偃师铝矾土硅溶胶涂料层强度 0 7 5 o 4 5 r a m0 0 4 5 - 0 0 3 8 m m 涂料种类原粉料