消失模铸造工艺设计（内部资料）

消失模铸造工艺设计,安徽工程科技学院王仲珏教授2007年6月,消失模铸造工艺设计,一、总论二、制模工艺三、浇注系统设计四、涂料五、填砂与浇注,一、总论,消失模铸造工艺设计目的：获得表面和内部质量较好的优质铸件。消失模铸造工艺特点：消失模的型腔是实型的，且有泡沫塑料模样，高温浇注时，模样气化消失。消失模铸造优点：精度高、污染小、低成本，可以铸造各种材质、大中小型、形状复杂的铸件。,消失模铸造的产品质量主要决定于：“白区”、“黑区”生产线的方案设计和设备配套水平；消失模铸造工艺及浇注系统设计；消失模涂料的品质和浸涂、烘干工艺。消失模铸造工艺流程为：1）制作泡塑气化模；2）组合浇注系统；3）气化模表面刷、喷特制耐火涂料并烘干；4）将特制隔层砂箱置于振动工作台上；5）填入底砂（干砂）振实，刮平；6）将烘干的气化模放于底砂上，填满干砂，微振适当时间刮平箱口；7）用塑料薄膜覆盖，放上浇口杯，接真空系统抽真空，干砂紧固成型后，进行浇注，气化模气化消失，金属液取代其位置；8）释放真空，待铸件冷凝后翻箱，从松散的砂中取出铸件。,二、制模工艺,目前，消失模模样所用的原材料主要有可发泡聚苯乙烯（EPS）、可发泡聚甲基丙烯酸甲酯(EPMMA)、苯乙烯和甲基丙烯酸甲醋的共聚物（STMMA）等。EPS模样发气量低，残留物量少，密度小、气化迅速、价格适中等优点，但EPS模样容易引起铸铁件表面产生光亮碳缺陷和使铸钢件表面增碳，而采用EPMMA模样对解决增碳、皱皮、黑渣等缺陷非常有效，但是，EPMMA的发气量大，约是EPS的1.5倍。STMMA是苯乙烯和甲基丙烯酸甲醋的共聚物，兼有前两者的优点。,无论采用哪一种珠粒制模，其制模工艺过程都是相同的。其工艺过程如下：原料预发泡珠粒熟化处理制模模样的熟化模样组合（1）原料(EPS、EPMMA、STMMA等)采用聚苯乙烯珠粒，聚苯乙烯塑料具有发气量低，残留物量少，密度小、气化迅速、价格适中等优点。（2）予发泡：聚苯乙烯在制模之前，必须经过予发泡处理，来调整并获得所需的粒度和密度。,（3）熟化：予发泡后的珠粒在使用前需在空气中进行十几小时的熟化处理，让空气渗透到珠粒的泡孔内，使其状态稳定，恢复弹性和再膨胀能力。（4）制模：制模在制模机上进行，将熟化后的聚苯乙烯珠粒用压缩空气发送到模具内，通入蒸汽使其软化膨胀，珠粒间受热融合，黏结成型，模具冷却后开模，取出模样。（5）组模：将制成的模样与切割的浇道、浇口等粘接在一起，形成浇注模。,三、浇注系统的设计,铸件典型浇注系统由浇口杯（外浇口）、直浇道、直浇道道窝、橫浇道和内浇道等部分组成。能否获得健全的铸件，与浇注系统结构和形式有很大的关系。如果设计不合理，就可能使铸件产生气孔、缩孔和冷隔等缺陷。消失模铸造还会出现特有的皱皮、冷隔状夹杂和铸钢件的渗碳等瑕疵。浇注系统的设计应该有利于金属液顺利平稳地充满整个型腔，而且具有良好的浮渣和排气能力，以获得无缺陷的优质铸件。消失模浇注系统的位置安放自由，不受起模、合箱、抽芯的限制。因此可以放在最理想的位置上。对各种大、中、小型，各种材质、形状复杂的铸件都适用。,浇注系统设计的原则：保证金属液能充满型腔。（如图1）浇注系统的安排要考虑到模样束在砂箱中的位置，便于填砂紧实。浇注系统的设计要保证模样束的整体强度。内浇道的个数、位置对金属液充型方向的影响。浇注系统多采用简单的形式。金属液压头应超过金属前沿的界面气体压力，以防呛火（反喷）。,图1.浇注过程各种压力平衡Ph砂型对涂料的压力；P气泡沫塑料分解物气体压力；P金液态金属对涂料及砂型的压力,浇注位置的设计确定浇注位置在很大程度上着眼于控制铸件的凝固。实现顺序凝固的铸件，可以消除缩孔、缩松，保证获得致密铸件，在这种条件下，浇注位置的确定应有利于安放冒口。埋型操作时，需考虑气化模在砂箱中的合理位置，使它与箱壁之间有合理的距离，即吃砂量。只要具备一定厚度的吃砂量，在抽真空后才能产生足够的强度，形成坚固的铸型，使其能承受住金属液静压力的作用。,确定浇注位置时应注意以下几点：重要的加工平面要朝下或垂直放置；模样的大平面应垂直或倾斜放置；尽量将气化模上具有开口部分（如空穴及凹槽等）朝上安放，便于填砂紧实；便于开设浇、冒系统和除渣排气通道；利于造型材料的填充，避免形成死角区；尽量满足凝固原则，就是使截面的横截面积自上而下逐渐增大；模样在砂箱中的位置应有利于干砂充填，尽量避免水平面和水平向下的盲孔。,浇注系统形式的选择按金属液注入铸型（或内浇道）位置的不同，浇注系统可分为以下几种（如图2.所示）：顶注；上（侧）注；下1/3处浇注；阶梯浇注；底注；下雨淋浇注。其中，下1/3浇注较为常用。顶注式浇注系统的优点是，充型时间最短、浇速快，防止塌箱；满足顺序凝固要求，补缩作用好，而且有利于防止浇不足和冷隔缺陷。缺点是难以控制流速，容易使残留物卷入，对型腔的冲击大，飞溅大。侧注式浇注系统的优点，液体从模样中间引入，可缩短内浇道的距离。侧柱金属液一进入型腔就可以在360角范围内向四周扩散，充型速度快。,图2.浇注系统的形式a)顶注b)上注c)下1/3处浇注d)阶梯浇注e)底注f)下雨淋浇注,底注式浇注系统充型时内浇道处于被淹没状态，金属液流平稳，不易氧化，也没有激溅；可以抑制气化模的发气量，同时金属液上升的方向与泡沫分解气化的方向一致，有利于浮渣。缺点是当铸件高度较高时，越往上升金属液的温度越低，不利于顶部冒口的补缩；金属液上升速度慢，铸件表面易出现碳缺陷，尤其是厚大铸件。阶梯式浇注系统兼有顶注和底注两种浇注方式的优点，有利于铸件的顺序凝固和排气浮渣。但浇注系统的模样制作复杂，塑料模样成品率低，浇注时易引起冷隔缺陷，一般用在高大的铸件上。在实际的生产中，应根据铸件的特点和金属材质进行合理选择浇注系统。比如，铸钢的流动性差，收缩大，在最后凝固冷却的部位易出现缩松、缩孔等铸造缺陷。为了消除或避免这些缺陷，大多数铸件采用顶注式（对小铸件）和阶梯式（大铸件）浇注系统，让直浇道或内浇道通过冒口，提高冒口的补缩能力。,铸件的大小和壁厚不同，采用的浇注系统也有所不同。对于大型铸件大多采用底注式浇注系统，这样可以使气化模的分解气体处于抑制状态，保证真空系统的有效抽气量大于模样气化生成的气体。对于薄壁、矮小的铸件可以采用顶注式浇注系统。薄壁矮小的铸件模样，气化后生成的气体量也就相应的较少，同时气化的气体由真空泵强行抽离砂箱。采用这种浇注系统对薄壁矮小铸件进行浇注，其充型速度快，金属温度高，不仅成型好，而且可以得到表面光洁、内部质量也好的铸件。这类铸件采用顶注式浇注系统不存在塌箱问题，因为尽管气化也是在整个铸型内进行，但是浇注可以在短短的几秒内就结束，砂箱内的真空度下降到临界值之前就充满型腔，而且表面已经凝固结壳。,浇道的结构与形状内浇道应设计成由橫（或直）浇道到铸型方向呈逐渐减小的喇叭形，使得内浇口始终充满状态，防止模样气化的气体反喷。其截面呈长方形或圆形。对于必须采用的阶梯浇注的较高大铸件是，其浇口宜采用向上倾斜的形式，倾斜角度为2030。这样可以使金属液自上而下的注入型腔。浇口的作用很大程度上取决与它的形状。为有利于减少金属液的热损失和充型，保证浇注系统在铸件凝固后凝固，直浇道和横浇道宜选用圆形截面，也可以是方形截面。内浇口一般采用矩形浇口，而且浇口的截面厚度不应小于5mm。,内浇道截面大小的计算计算浇注系统时，可以借鉴砂型铸造的计算方法，采用水力学公式计算：式中G流经内浇道的液态金属重量（kg）（包括铸件重和浇注系统重量）；流量系数，可参考传统工艺查表，一般取0.30.4之间；H压头高度，根据模样在砂箱中位置确定；t浇注时间。,浇注系统各单元界面积的比例在消失模铸造中，大多采用封闭式浇注系统。在实际生产中内浇道总截面积、横浇道总截面积和直浇道截面积之比为：对铸铁来说，对铸钢来说，,直浇道与模样体之间的距离模样与直浇道的距离S，与铸件的材质、大小有关，可按下面的经验公式计算：S直浇道与模体之间的距离（mm）；K常数，浇注铝合金时60mm；浇注铜合金时80mm；浇注铸铁件时120mm；浇注铸钢时140mm；H铸件高度（mm）；G铸件重量（kg）；修正系数，为0.08mm/kg；修正系数，为0.06。,冒口的设计冒口设计的一般原则（1）冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁；（2）冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位；（3）冒口不应设在铸件最重要、受力大的部位,以免组织粗大降低强度；（4）冒口位置不要选在铸造应力集中处,应注意减轻对铸件的收缩阻碍,以免引起裂纹；（5）尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件；（6）冒口布置在加工面上,可节约铸件精整工时,零件外观好；（7）不同高度上的冒口,可应用冷铁将各个冒口的补缩作用范围隔开。,消失模铸造中的冒口除补缩和调整温度场外，还有集渣、排气的作用。在浇注过程中，远离浇道位置和铸型的死角、顶端部位，经常容易出现夹渣、冷隔等缺陷，可以在这些部位设置集渣或收集过冷金属液的冒口。在消失模铸造中，大都采用圆柱形或球形暗冒口。这样可以保证铸型在整个浇注的过程中处于真空密封状态，抑制气化模的气化率；有利于改善浇注环境，提高铸件的内外质量。冒口一般可粘结在泡沫塑料模样上，也可将冒口模样嵌入到在铸件泡沫塑料模样的凹穴部位。,冒口的补缩距离铸钢件冒口的有效补缩距离为冒口区与末端区长度之和。在冒口的有效补缩距离范围内，铸件实现顺序凝固，铸件致密。铸钢件冒口区长度和末端区长度都随铸件厚度的增大而增加，根据铸件的厚度结合图3可以查出冒口区长度和末端区长度。冒口的有效补缩距离冒口区长度末端区长度灰铸铁冒口的补缩距离与铁液的共晶度有关。由于灰铸铁的共晶度低，结晶范围宽，共晶转变前析出奥氏体阻碍补缩，所以冒口的补缩距离较小。其冒口的补缩距离从图4中查出；球墨铸铁具有模糊凝固特性，冒口的补缩效果较差，只有铸造较厚的球铸铁件时才有必要采用传统的冒口补缩。其补缩距离约为铸件厚度的4倍左右；可锻铸铁冒口的补缩距离为44.5倍壁厚。,图3,图4,冒口的设计方法：模数法、周界商法、收缩模数法和热节圆法。（详细推倒原理、公式见论文）1、模数法:根据铸件顺序凝固原理，保证冒口的凝固时间晚于铸件的凝固时间，这就要求冒口的模数大于铸件的模数，一般取铸件的1.11.2倍。模数法计算冒口的一般步骤为：a.根据铸件的特征划分几个基本形状，并确定冒口的补缩区域；b.计算每个补缩区域的铸件模数；c.根据铸件的结构特征和补缩区域，选择合适的冒口类型和冒口数量，并计算冒口尺寸，如采用边冒口，需要计算冒口颈尺寸；d.根据冒口补缩距离，验算冒口数量，根据冒口的最大补缩能力验算冒口容量,2、周界商法:通过公式的推倒建立的数学模型来进行冒口的计算。用这种方法计算十分精确。其计算步骤如下：a.利用公式计算铸件的周界商；b.选定冒口类型，计算/值，并在表上查出相应的近似值；c.利用公式计算出冒口模数，根据常用冒口参数表确定冒口尺寸。,3、铸铁件收缩模数法：铸铁件冒口补缩铸件，必须充分利用后补缩和自补缩，冒口只是补充后补和自补的差额，因此铸铁件的冒口凝固不必晚于铸件，冒口补缩液量只是占铸铁合金总收缩的一部分。收缩模数法的冒口设计步骤如下：a.根据铸件的结构尺寸，计算铸铁件模数、铸件质量的周界商；b.根据铸件的材质，计算铸件材质的收缩时间分数和补缩率；c.计算铸件收缩模数；d.根据和补缩通道定义，确定冒口位置和个数；e.计算冒口体和冒口颈模数；f.选择冒口形状、确定冒口尺寸。,4、热节圆法：此方法计算冒口是利用被补缩处热节圆直径根据经验按一定的比例放大即得到所求圆柱形冒口直径或腰圆形冒口宽度。其优点计算过程简单，但需要一定的实践经验。设计步骤及方法如下：a.根据铸件的结构形状，确定冒口的补缩区域。用作图法画出铸件补缩区域的剖面图，然后在所画的补缩区域内作一个最大的内切圆，则此圆直径就是“热节圆直径”；b.选择冒口形状，最常用的是圆柱形冒口和腰圆形冒口，根据公式并确定冒口的直径（圆柱形冒口）或宽度（腰圆形冒口）；c.根据冒口直径或腰圆形冒口宽度确定冒口高度；d.验算冒口的相对长度；e.验算工艺出品率。,根据上述设计原理、方法和步骤，所设计浇注系统的三维图5如图和图6所示。,图5,图6,二、涂料,在消失模铸造生产中，涂料是影响铸件质量的三大因素之一。涂料能增强型砂抵抗金属液的冲刷和侵蚀能力，防止铸件表面产生机械和化学粘砂，以获得表面光洁的优质铸件。其主要作用有：1提高泡沫塑料模样的刚度和强度。这样能够防止模样在搬运、填砂紧实过程中破坏或变形。2隔离的作用，涂料层是液态金属与干砂之间的一层重要的隔离介质，如图5。涂层将金属液与铸型分开，防止金属液渗入干砂中，保证铸件不产生粘砂，使得表面光洁。同时，也有效的防止干砂流入金属液与泡沫的间隙中，造成铸件塌箱。涂层厚度一般为0.52mm之间。3透气的作用。涂料层能让泡沫塑料热分解产物（大量的气体或液体）顺利地排到干砂中去，然后被真空泵吸出，有效地防止铸件产生气孔、炭黑等缺陷。,图51干砂2涂料3金属液4气态产物5液态产物6泡沫塑料模样,消失模涂料的基本组成耐火材料：耐火材料是涂料的骨干材料，它决定材料的耐火度、化学稳定性和绝热性能。常用耐火材料有刚玉、锆砂、硅砂、铝矾土、高岭土熟料、氧化镁、硅藻土等。粘结剂：可以提高涂料的强度和透气性。粘结剂大致可分为有机粘结剂和无机粘结剂。使用最多的有机粘结剂有糖浆、纸浆废液、树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素（CMC）、淀粉、糊精等。常用的无机粘结剂有膨润土、水玻璃、硅溶胶和磷酸盐等。载体：一般用水或乙醇。悬浮剂：悬浮剂主要作用是防止涂料中的固体耐火材料发生沉淀，也起到调节涂料的流变性和改善涂料工艺性能的作用。此外还在涂料中加入少量的表面活性剂、润湿剂、消泡剂和防腐剂等，使涂料的性能达到最佳的效果，从而能获得优质的铸件。,通用涂料耐火骨料为石英粉，可作为有色合金涂料，也可作为铸铁件或小型铸钢件的水基涂料。粘结剂：选用糊精作为低温粘结剂，硅溶胶作为高温粘结剂。两者结合使其成为复合粘结剂。悬浮剂：以钠基膨润土与CMC复合作为复合悬浮剂(CMC的质量分数为2%)。溶剂为水。为改变涂料对气化模的润湿性需加入微量的表面活性剂聚异丙二醇醚及消泡剂正丁醇等。经正交试验,推荐使用的涂料配方：石英粉100%，糊精1%，硅溶胶5%，膨润土4%，CMC0.4%。涂料用球磨机湿碾，混制工艺为：石英粉+膨润土(干混4h)+水+糊精+硅溶胶+CMC及助剂(湿混4h)出料。该涂料用于消失模铸造有色合金、铸铁件和小型铸钢件，效果良好。,高锰钢消失模水基涂料高锰钢消失模水基涂料以高铬刚玉为耐火骨料，粘结剂选用氧化淀粉溶液(低温粘结剂)和某一磷酸盐溶液(高温粘结剂)组成的复合粘结剂。悬浮剂选用优质膨润土。溶剂为水。助剂采用微量表面活性剂、消泡剂(正辛酸)等。为获得较高铸件表面光洁度,有利清理铸件,还加入了熔剂CaF2。用球磨机混碾，混制工艺为：高铬刚玉膨润土熔剂氧化淀粉溶液磷酸盐溶液助剂水出料。用正交法试验求得该涂料的配方为：膨润土30氧化淀粉2磷酸盐5熔剂4所研制的涂料可作为高锰钢件和碳钢件的通用涂料。,高锰钢件消失模醇基涂料高锰钢件消失模醇基涂料大都采用水基刚玉、锆英粉涂料或醇基镁砂粉涂料。使用水基刚玉涂料成本偏高，且涂料性能也不理想。高锰钢醇基涂料用耐火骨料为铁合金厂生产铬铁的副产品铬铁渣，经破碎研磨成粉状(料度200目)。醇基涂料的配制工艺：锂基膨润土+助剂+PVB+酚醛树脂+耐火填料+熔剂+适量工业酒精+酒精出料。根据各因素对悬浮性、透气性和涂料强度的主次关系综合权衡，2%酚醛树脂+0.4%PVB+3%膨润土+4%氧化铁粉为最佳水平组合条件，即为最佳涂料配方。,涂料性能及主要性能的测试方法良好的涂料必须具备下列性能：高的强度、良好的透气性、悬浮性、滴淌性、良好的涂挂性、耐热性等性能。配制好的涂料必须对这些性能进行检测，验证涂料是否达到标准，如不符合要求，须重新配制。1涂料透气性能的检测采用型砂透气性测定仪进行测试涂料的透气性。用它测试需要解决的是试样制作和夹持问题。可在圆柱样筒上装金属网，在网上涂一层2mm左右厚的涂料，经干燥后测定其透气性。也可用装有塑料模的测栅制取涂料试样，干燥后装在透气性样筒上，用型砂透气性测定仪测定涂层的透气率，用秒表测定时间，按标准公式透气性V通过试样的空气体积（cm3）H试样高度（cm）F试样面积（cm2）p气体通过试样前的压力（Pa）t定量气体通过试样的时间（min）透气性值最好控制在100120之间，可以上下浮动，但最好不要小于100。,2涂料强度性能的检测涂料的强度要求既要考虑材料的本身，又要考虑到负压强度、粘结剂和模样材料的特性。经验证明，消失模涂料强度一般在3055kPa之间较合适。在FDE1涂料强度智能测试仪进行检测。此仪器能成批自动测量铸型涂料层的破裂强度，测量断裂强度范围0.4kPa140kPa，分辨率0.1kPa。3涂料的滴淌性的检测测试需要快速天平、秒表、涂片和支架。先用快速天平称出涂片（40mm40mm2mm不绣钢片）和支架重G1。把涂料浸在待测涂料中，取出将涂片挂在支架上，支架下方放着薄膜以接收涂片上滴下的涂料。用秒表记下涂料滴淌的时间，2min时再称出涂片加涂料和支架重G2、滴下涂料G3。则：涂片上附着的涂料重GG2G1；滴下的涂料重G3；滴淌时间则是涂片浸涂取出后到涂料不滴所用的时间t。一般地，滴淌量越小，滴淌时间越短，涂料的滴淌性就越好。,4涂料的涂挂性能检测涂料的涂挂性的测试方法很简单，可用板状泡沫塑料模片加以测定。用手握住泡沫塑料模片或玻璃片的一段，将其浸入涂料中，取出后用肉眼观察是否所有地方已涂挂上涂料，厚度是否均匀。如果所有地方都能涂挂满，且厚度均匀，则涂料的涂挂性能良好，满足使用要求。5涂料的触变性检测触变性测试采用NDJ1型旋转式黏度计测量涂料的表观粘度与时间的变化情况。触变性的计算时，将10min的读数（S）与30s时的读数（S）代入下式计算：涂料的触变性涂料触变性的值一般应大于20才能满足使用要求。,涂料层的干燥模样上好涂料后，涂料层厚度为0.52mm，然后进行干燥处理。自然干燥：在阳光充足的条件下，醇基涂料可在1560m