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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2007年 2009年 2013年一、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“无型腔铸型及其制造方法”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1520mm1960年Flemings等与T.R.Smith交流经验，开始采用无粘结刘的干砂造型，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、铜合金以及铝合金。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：l 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；l 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；l 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，今后不再述及。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及发气的速度、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、发泡模材料及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，23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140160。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140160。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：l 沸点在聚苯乙烯的软化点以下（低于75）；l 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：l 分子量150000-300000，分子量太低，则发泡模易于变形；l 单体（未致聚合的苯乙烯）含量不多于0.5%；l 水分含量不多于1%；l 发泡剂含量6%11%；l 体积密度610640g/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，以后还要谈及，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0.250.35mm，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发泡模能有效地避免铸件上产生光亮碳缺陷和增碳缺陷，其原因如下；l PMMA分子中的C/H比小于PS；l PS受热时易于散乱裂解，不易瞬时全部气化，有一部分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；l 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；l 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，而最大的问题则是发气量大，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左右开始软化，95附近体积急剧收缩，约缩小60%。 加热到300以上，聚苯乙烯开始缓慢分解，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，有一部分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及分解，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650750)，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、三聚物及低分子量聚合物，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，铸型内由发泡模热分解产生的气体要少得多，铸型内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C3C5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表面上或铸件表面上，成为光亮碳缺陷。 浇注铸钢件时，钢液温度比铁液高150200，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表面，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很不相同，在220左右开始裂解，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，也不会使铸件表面增碳。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：l 制造薄壁铸件时，因铸型内气体阻力大，易产生“浇不足”缺陷。在此情况下，可适当增加砂箱中的减压程度；l 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；l 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，还没有成熟的经验可资借鉴，更没有指导性的设计原则可作为依据，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，因为只比较充型情况，发泡模都不加涂料。1、铸铁铁液充型的情况在砂箱内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）砂箱内不减压在砂箱内不减压的条件下，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别很大，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才基本充满。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，发泡模中心部分先气化，靠近型砂的周边部分则残留到后期。铁液下落时，周边部分因摩擦阻力大而流动缓缦，中心部分则下落较快。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，发泡模也是中心部分先气化。铁液流动的情况则与顶注时不同，中心部分，铁液受到气，体的压力较大，周边部分气体压力较低，故铁液面于中心部分凹下。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，排气比较困难，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)砂箱内减压 使砂箱内减压到不同程度，用底注方案浇注试验铸件，铁液充型情况见图6。 砂箱内减压到-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，则铁液充型太快，易产生气孔缺陷，也是应该避免的。 实际生产中，合适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、型砂及砂箱结构等，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650750，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。 在砂箱内不减压和保持-6.5kPa的情况下浇注试验铸件，浇注温度为750。 （1）砂箱内不减压在砂箱内不减压的条件下，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别。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，可以认为金属液基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）砂箱内减压 铸造铝合金时，使砂箱内保持负压也是防止铸件浇不足的有效措施。浇注薄壁铸件时，尤其应实施减压以利于气体的排出。图8表明减压到-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，则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，如内浇道凝固，则形成气孔缺陷。 (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50mm10mm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，既可避免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，则液流的流动停止，铸件就浇注不足。 3铜合金液充型的情况 在砂箱内不减压和保持-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)砂箱内不减压砂箱内不减压时，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，应尽量避免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）砂箱内减压到-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，底注时则产生大气孔。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。这样才能避免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，每种铸件都需进行工艺设计，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，铸造厂只进行组合和配装浇冒口构件。由专业泡沫塑料制品厂供应发泡模，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，供应其他尺寸规格的坯料，如上海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6000mm1200mm500ram。 （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，进行加工。一些条件好的铸造厂，则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，基本上应采取劈削方式。加工工艺的要点如下：l 刀具的刃口应薄而锋利；l 切割速度宜高一些；l 切削量应较小；l 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表面面质量都略差一些，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250450之间。可用一调压器调节施加于电热丝工作部分的电压，以调节电热丝的温度。 电热丝的直径是影响切割表面质量的重要因素。电热丝细，则切割表面致密而均匀；电热丝粗，则切割面粗糙。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，则应该用细电热丝。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，小孔中嵌入小陶瓷管。电热丝通过陶瓷管延伸到工作台下方，用重锤张紧。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下。 （1）预发泡为了制得质地均匀的发泡模，必须在成形之前，使可发性聚苯乙烯珠粒预发泡。预发泡的方法有几种，如热水预发泡、蒸汽预发泡和真空下预发泡，广泛采用的是蒸汽预发泡。预发泡前，先将原料珠粒用润滑剂处理，然后将可发性聚苯乙烯珠粒置于预发泡机中，通入蒸汽，将其加热到100110进行预发泡。由蒸汽作用的时间来控制珠粒的膨胀程度。用蒸汽作热源，不仅是因为其方便易得，而且蒸汽本身也起发泡剂的作用。珠粒加入预发泡机中之后，应不断搅拌，使其受热均匀，并防止结块。通常采用分批作业的大气开放式预热机，发泡倍数由料位计控制。也有连续作业的预发泡机和真空预发泡机等，采用这类设备时，预发泡倍率由发泡工艺过程控制。预发泡时的发泡倍率，一般为4050。此时，预发泡颗粒的直径大致是原珠粒的3倍。预发泡颗粒的直径与发泡倍率的关系见图13。例如，最小壁厚为5mm的铸件，所用可发性聚苯乙烯珠粒的直径应不大于0.55mm。 但是，以上是就一般情况而言的。对于薄壁铸铁件，预发泡时发泡20倍左右，制成坚固的发泡模，也是可行的。制造薄壁铸件时，当然有必要用细珠粒。但是，细珠粒的比表面积大，浸含的发泡剂易于挥发逸散，最高发泡倍率的限值也就较低。对于厚壁铸件，经预发的颗粒充填成形模没有困难，发泡模的强度也相当高，采用直径较大的珠粒，也能得到表面质量良好的铸件。 （2）熟化经预发泡的颗粒，冷却后内部呈减速压状态，为使颗粒稳定、具有弹性而且有再膨胀的能力，必须经过一段“熟化”过程。熟化斗内的温度以2025为宜，通常应经1024h的熟化。特殊情况下，也有只经30min熟化的。（3）成形发泡模的成形共有充填、加热、冷却和脱模4个工序，见图14，并分别略加说明如下。A、充填预发泡颗粒 对于精度有严格要求的发泡模，充填是重要的工序。如充填量不足，无论怎样通过加热来调整，都不可能得到优良品。手工充填时，应经多次振动，使模腔内充满预发泡颗粒。最好用充填枪，利用压缩空气喷吹，使金属模腔充满。 B、加热(二次发泡)成形 金属模膛内充满预发泡颗粒后，通过蒸汽加热。此时，颗粒内仍残留有发泡剂(可能是445)，蒸汽也起发泡剂的作用，因而颗粒再次膨胀，填满颗粒之间的间隙，并使各颗粒表面相互融合，如图15示。加热成形，可采用两种方式。图15 加热时预发泡颗粒的膨胀和融合大批量生产的条件下，采用成形压机。制造用的发泡模，一般多采用水平分模的垂直压机。为使复杂的发泡模一次成形，有时也制作5面或6面分模的成形机。采用成形压机，模具结构复杂，成形金属模上应有通蒸汽和冷却水的孔(参见图15)。蒸汽压力为100-200kPa。整个制模周期为25min。小批量生产的条件下，用手工充填预发泡颗粒后，将成形金属模置于高压釜中，通入蒸汽加热。蒸汽压力为2070kPa。手工充填，在高压釜中成形用的金属模，结构比用于成形压机的简单，造价也要低4050。用此种方式制造发泡模，所需的时间则比用成形压机时长得多。 成形用的金属模，需反复加热和冷却，故应选用热导率高的材料。从制造所需的工时和材料成本考虑，以采用铸造铝合金和铝合金型材为好。C、冷却（抑制继续发泡） 在预定条件下加热后，必须在脱模前使成形金属模冷却。冷却工序中包含通水冷却和在空气中冷却。D、脱模 成形后，发泡模内部仍处于减压状态，而且相当软，必须十分仔细地取出发泡模，以免损坏其表面。聚苯乙烯发泡模成形后，在几小时之内仍会稍稍膨胀，然后在30天内还要收缩，线收缩率约为0.3%-0.6 %。设计成形金属模时，应考虑金属凝固、冷却过程中的收缩和发泡模的收缩。图16是发泡模收缩的一例。因此，制成的发泡模还应有一熟化阶段，一般为4小时到15天。厚截面发泡模可能需要30天。五、发泡模的组装，涂料、型砂及其他1发泡模的组装发泡模组装作业的内容，因生产条件而有所不同。在单件、小批量生产的条件下，将由加工板材或坯料制成的散件组装成完整的发泡模。在批量生产、用珠粒发泡成形的条件下，有时为简化模具或出于其他考虑，也不直接制成整体的成形发泡模；而是将其分为若干部分发泡成形，然后组装成发泡模。有些形状复杂的铸件，要制造整体发泡模，需用5面分模或6面分模的成形机，模具结构复杂制造费用很高。如分若干部分制造，虽增加了组装工序,但模具和装备简化，制造成本降低。从发展的前景来看，如果要充分地发挥消失模铸造工艺的长处，可以用组装发泡模的方法，制出用传统造型方法不可能制造的铸件，或形状非常特殊的铸件。当然，要做到这点，铸造厂和设计者的密切合作是必不可少的。 然后根据工艺要求，在发泡模上组装浇注系统、冒口、出气孔和工艺肋等附件。 对于小型铸件，则应根据砂箱尺寸和浇注、补缩方式，将若干发泡模组装成模组，类似熔模铸造常用的方式。 2、组装用的粘合剂 粘合发泡模是生产中的重要环节，有多种粘合方法可供选用。目前，还不能肯定地说哪种方法好。只能根据铸件的特点和工厂具体条件，从反复试验和和比较中找到适合于自己条件的方法。 （1）粘熔胶粘合 目前，国外采用甚广的是以乙烯基醋酸酯（EVA）为主要成分的热熔胶，使用温度130150。在没有合适的热熔胶可供选用的条件下，国内有人用乙烯基醋酸酯和石蜡的混合物，其中EVA占5070，石蜡占5030。配制方法是：先将石蜡置于容器中，用热水浴使其熔化，然后分批加入EVA并不断搅拌使其熔化。石蜡松香粘合胶也是一种易于自制的材料。其中石蜡占7580，松香占2025。配制方法是：先将石蜡置于容器中，用水浴加热熔化，然后分批加入松香并不断搅拌，使其熔化。使用温度为95110。使用热熔胶粘合时，控制胶的用量是至关重要的。胶量不足，则发泡模易开裂，还可能导致涂料渗入粘合面。胶量太多，则因其发气量很大，会影响浇注过程，并使铸件产生气孔缺陷。采用热熔胶粘合时，应特别注意胶的温度。温度的波动对用胶量的影响极大，有时10的温度变化，会使用胶量差一倍以上。所以一定要采用恒温器来保持胶液温度一致。（2）常温粘合最常用的常温粘合剂是白乳胶（聚醋酸乙烯乳液），其粘合强度高，价格又便宜，缺点是干燥慢。白乳胶适用于较大的粘合面，或粘合后放置期间粘合面不受力的情况。 聚乙烯醇缩丁醛的醇溶液，也是常用的常温粘合剂。其中聚乙烯醇缩丁醛占15-17，乙醇占83%-85%。这种粘合剂比白乳胶干得快，但其粘强度较低。有的工厂选用铸造用呋哺树脂作粘合剂，效果很好，不仅硬化快，而且粘合强度很高。这种粘合方法的要点是，在一个粘合面上涂少量呋喃树脂，在另一粘合面的相应部位涂少许硬化剂(有机磺酸)，然后将粘合面贴合，几秒钟后即硬化而具有强度。（3）胶带粘合用胶带粘合是很方便的，不少铸造厂都将胶带与其他粘合法配合使用。但是，目前市场上购买的胶带多用纸或薄膜作底带，这很容易导致铸件产生缺陷，选购胶带时最好选底带较薄的。双面胶带也可供粘合用。还可以用贴抹带，即贴胶带以后，可将底带揭下，只留下粘结剂。现在这种这种胶带已经很多，用起来更方便。3、涂料涂料是消失模铸造工艺中最重要的控制因素，对金属充型的过程和铸件的质量影响很大。 但是，在消失模铸造的条件下，对涂料作用的评定是非常困难的。对涂料的要求，要取决于许多相关的工艺因素，如铸件的材质、铸件的形状、大小和壁厚、发泡模的特性(成分和密度)、型砂的状况及砂箱内减压的状况等。尽管当前科学技术发展很快，对于这样的涂料，人们的认识还是远远不够的。所以，到目前为止，还不可能就一般情况对涂料的性能提出具体的要求，只能通过试验和探索以求得令人满意的结果。1997年，北美已有126家铸造厂或多或少地采用消失模铸造工艺，批量生产的铸造厂也不下30家。即使在这种情况下，采用此工艺的一些主要厂家仍认为：要取得良好的效果，铸造厂必须固定涂料供应厂家，并与之密切配合，根据铸造厂的具体生产条件和对铸件缺陷的分析，不断调整和改进涂料的配方和主要性能指标，以最大限度地提高铸件的质量。 即使在同一铸造厂，已成功地用于某些铸件的涂料，用于另一些铸件效果却未必好。美国一家自1991年起全部采用消失模铸造工艺制造灰铸铁件和球墨铸铁件的铸造厂(Citation厂)，就是根据具体情况使用5种不同成分的涂料。 目前，消失模铸造用的涂料几乎都是水基涂料，但这些不是绝对的，有时也可以用有机载体涂料。模组上涂料后，应先行晾干，以免涂料层开裂，然后再在低温干燥室内使其充分干燥。为防止发泡模受热变形，干燥室的温度应在55以下。大体上说来，涂料应具备以下一些性能。 （1）适当的透气能力在浇注过程中，发泡模受热分解，要产生大量所体，涂料层有一定的透气能力是非常重要的，砂箱中不减压时，涂料层的透气能力尤为重要。 但是，由此一端，就以为涂料层的透气能力越高越好，就并不全面了。实际生产中已有过这样的情况：由于涂料层透气能力很高，金属液充型很快，液流中可能卷入尚未完全分解的模料，以致铸件中产生气孔缺陷。在砂箱内减压程度高的情况下，就更容易出现这种问题此外，涂料透气能力太高，铸件表面上还可能出现粘砂。（2）吸附液体的能力以前，一般都没有注意这一点最近几年的研究表明，涂料层必须具有吸附液体的能力。在浇注过程中，聚苯乙烯不会在瞬间全部气化，有一部分会成为低粘度的液体。如果此种液体留在金属液流表面上，会产生不易分解的高碳残留物，使铸件上出现冷隔或光亮碳缺陷。如果涂料层有吸附液体的能力，则上述问题会大为减轻。（3）较高的强度发泡模的强度是不很高的。组装好的发泡模上涂料后，应能使模组增强，避免在搬运和造型时变形或破损。此外，涂料层还应有高温强度，以耐受金属液流的作用和热冲击。（4）一定的保温、隔热性能浇注过程中，发泡模材料的软化、熔化、裂解和分解都是要吸收热量的。这当然会对金属液流的前沿有冷却作用。因此，采用消失模铸造工艺时，浇不足或冷隔是常见的铸造缺陷。如果涂料层有激冷作用，当然会促进这类缺陷的形成；如果涂料层有一定的保温、隔热性能，就有利于防止产生这类缺陷。4型砂及其紧实方法由于篇幅所限，我们将不涉及“实型铸造”所用的各种自硬砂，只讨论有关使用无粘结剂干砂的一些问题。（1）型砂消失模铸造工艺中，用于填埋发泡模的型砂，最常用的是硅砂。制造高锰钢铸件时，如来源方便，可用镁橄榄石砂；如涂料合适，用硅砂也未尝不可。但是，在铸件尺寸精度要求很高的情况下，硅砂在575时的相变膨胀是不能忽视的，这时就有必要考虑采用镁橄榄石砂、锆砂或人造莫来石质陶粒等膨胀小的砂子代替硅砂。美国Mercury Marine铸造厂用消失模铸造工艺生产缸体铸件，采用Matrix多传感器空气规监测发泡模的尺寸变化，如起模后、熟化后、粘合及运输后的变化。此项检测设备于1991年在美国亚拉巴马-伯明翰大学试验、鉴定，1992年11月开始用于生产。对大量测定数据进行分析之后，发现影响铸件尺寸精度的主要因素不在于发泡模的制造，而在于型砂的控制。于是，决定采用人造莫来石质陶粒代替硅砂，并取得了很好的效果。干砂造型所用的型砂，以圆粒形者为好。圆形砂流动性好，易于填充狭窄部位，而且紧实所需的能量较少。采用硅砂时，可能的话，宜尽量采用圆粒砂。人造陶粒的圆整度优于任何天然砂，基本上接近球形。天然锆砂以圆粒形者为多，也有的呈长椭圆形。镁橄榄石砂是由岩石破碎加工制成的，只能是尖角形到多角形的。型砂的粒度，应与铸造合金的种类、涂料的特性和砂箱中的减压程度等因素综合考虑。一般说来一制造铝合金铸件可用平均粒度0.4250.212mm（4070目）的型砂；制造铸钢件和铸铁件可用平均粒度0.2120.106mm（70-40目）的型砂。砂箱内减压程度高时，宜选用较细的型砂。采用PMMA发泡模时，因其产气量较大，应采用较粗一些的砂。在干砂振实的情况下，为防止振实时不同粒径的砂粒偏析，型砂的粒度分布不宜太宽，越接近单筛眇越好。浇注以后，回收砂应经处理，其目的有三：l 砂子温度降到50以下，砂温高易导致发泡模变形；l 除去粉尘；l 除去残留的有机物。制造铝合金铸件时，上述处理尤为重要。因为铝合金的浇注温度低，浇注后砂箱中型砂的温度也低，很易使发泡模料热解产生的高分子气体在砂中冷凝，从而影响型砂的振实。批量生产铝合金铸件对，应控制回收砂的灼烧减量( LOI ) ，一般情况下，用过的型砂应分离出15左右，并相应补加新砂。分离出的砂，可用热法再生，然后再作为新砂使用。（2）型砂的紧实将发泡模用型砂填埋并使其紧实，要满足三个要求：l 均匀填埋到发泡模内、外表面及各个部位；l 有足够的紧实度，足以耐受浇注过程中金属液和气体的压力；l 既要使型砂处处紧实，又不能造成发泡模损坏或变形。 用不加粘结剂的干砂，当然有可能只靠振实来紧实型砂。但是，对于水平位置的孔，或发泡模下面的凹部，均匀而紧实地填砂是不易做到的。考虑到发泡模形状复杂，想达到上述三个要求，在技术上决非易事。由于填砂及紧实型砂是本工艺中的重要环节，各工业国都有人在探讨、研究，目前还不能说对此已能掌握。实际上，并不是用此工艺时不需要粘结剂，而是要使振实型砂时发泡模不致变形，型砂中加有粘结剂是非常有害的。不过，在制造形状复杂的铸件时，也可以先在难以填砂的凹部塞填自硬砂，再填埋干砂，不必刻意追求无粘结剂。关于振动紧实型砂，目前仍在不断研究之中，不可能说得准确，但可提出以下要点，供参考。l 振动加速度不达到某一定值以上是没有紧实作用的，生产现场控制的目标是：目视可见砂粒运动；l 在剧烈的振动下，砂粒剧烈跳动，则不仅不能振实，而且会使发泡模变形，甚至损坏；l 一定要分批投砂，以保护发泡模。干砂振实倒最紧时，其体积密度要比松砂的体积密度高10左右。也就是说，在砂箱截面尺寸一定的条件下。振实时，如一次投入全部型砂，型砂在高度方面可下降10%左右。由于砂粒向下运动，容易使发泡模变形。在两个方向加振时，两振源的振幅和频率不宜相同；l 最近几年的研究工作表明，水平施振有很好的紧实效果，如：填充发泡模空腔的紧实度最高；发泡模的变形最小；能耗最低。美国Vulcan工程公司己开发出此种振实装置。（3）砂箱中的减压程度砂箱中适宜的减压程度，与铸造合金种类、铸件特征、发泡模材料、涂料性能及型砂特性等许多因素有关，应在现场通过试验确定。以下列出大致范围，供参考。铝合金铸件：减压程度为0-20kPa；铸铁件：减压程度为-20-40kPa；铸钢件：-30-50kPa。六、铸造缺陷及其防止方法前面谈到过，消失模铸造工艺与传统的铸造工艺很不相同，因而，铸件上产生的一些铸造缺陷有的也是用其他造型工艺时所未见过的。对待铸造缺陷，应根据消失模铸造工艺的特点作具体分析，从而采取正确的对策。1、铸型损坏铸型损坏是用无粘结剂型砂时颇为常见的缺陷，大致有以下几种。（1）铸型上部崩塌铸型上部砂层太薄时，可能因金属液的浮力而损坏，也可能因其正下方在浇注过程中出现空洞而塌下。因此，铸型上部应有足够的吃砂量。（2）型腔内局部产生空洞而致铸型损坏浇注过程中，如果金属液置换消失模的过程不顺畅，金属液流的前沿短暂地停顿不流，就会在发泡模和金属液流之间形成空洞，空洞处的铸型因受金属液的热作用而损坏。在此情况下，应改进浇注方案，使液流前沿持续、不停顿地流动。此外，在发泡模分解产生的气体压力高、排气不良时，也会造成空洞。（3）浇注系统设置不当而致的铸型损坏制造较大的铸件时，如内浇道太短，铸件与横浇道之间的砂层太薄，会导致这一薄砂层损坏。2、浇注不足浇注温度低的合金(如铝合金)，浇注时金属液流动速率之低是按其他铸造工艺的经验难以想象的。因而，浇不足或冷隔等是常见的缺陷。生产薄壁铸件时，也易产生浇不足缺陷。适当提高浇注温度，是首先应该考虑的措施。如这类缺陷比较多发，应考虑增加砂箱中的减压程度。减压是缩短浇注时间的有效措施。浇注时间缩短，对防止浇不足和冷隔是十分有效的。如果发泡模的密度太高，则降低发泡模的密度也是有效的措施。3、粘砂采用消失模铸造工艺时，粘砂是常见的铸造缺陷之一。以下几点都可能是铸件产生粘砂的原因。现场发生问题时，应分析具体条件，确定主要影响因素，然后采取相应的措施。（1）浇注温度过高浇注温度是消失模铸造工艺中的重要因素之一。由于发泡模气化、分解所需的热量，只能在浇注过程中从金属液获得，这当然会使金属液流前沿的温度降低。实践表明，适当提高浇注温度有利于改善铸件表面质量。例如，浇注小型铸铁件时，将浇注温度提高到