新型模样材料推动EPC技术发展

1、新型模样材料推动 EPC 技术发展唐锁云 韩晓红 陆国华 唐书明（杭州凯斯特化工有限公司，杭州 311106）（一） EPC 技术的发展需要新的模样材料 什么是消失模铸造？简单说就是采用易汽化的泡沫塑料作模样进行造型生产 铸件的一种铸造工艺。因此模样材料的性能就成为影响铸件质量的关键因素。因 为模样不仅决定铸件的形状、尺寸，而且参与浇注过程中一系列物理化学变化。 EPS 是消失模铸造最早采用的模样材料，虽然它有易成型加工，价格低的优点。但是EPS模样材料最大的缺点是在大于 9000c的浇注温度下热解产生大量的碳渣 残存在于模样消失后的型腔内。对于铝合金铸件易出现表面皱皮、重叠缺陷，对 于铸铁件

2、易形成表面亮碳及内部夹渣缺陷。特别是球铁件，由于球铁中碳量是饱 和的， EPS 分解产生的热解碳不能被铁水吸收，容易形成亮碳（片状碳）夹渣， 这对于那些要求承受动态（交变）应力的铸件容易引起潜在的破坏的危险。对于 钢铸件主要是表面增碳、 夹渣等严重影响铸件的组织和性能的缺陷。 为了克服 EPS 模样材料的缺点，美国、日本等国从 80 年代开始研究新一代模样材料。作为新一 代模样材料，人们期望达到如下要求：（1）树脂的性能：保存期长，珠粒直径小，模样刚性好，发气量低，危险性小；（2）造型时的性能：造型周期短，尺寸稳定性好；（3）铸造性能：不形成碳黑缺陷，碳质附着少。美国 DOW 化学公司研制成功

3、可发性聚甲基丙烯酸甲酯即 EPMMA 珠粒， 美国 GM 公司的中央汽车开发研究所做了大量试验， 确认 EPMMA 不仅对铸铁件 特别有用，消除了碳黑缺陷。而且也浇铸成功低碳钢、不锈钢铸件。对于这种合 金，来自模样裂解产生的碳易被熔融的钢水粘附，用EPS模样使钢水的含碳量增 加 0.1%-0.3%（ 甚至更高 ）。而采用 EPMMA 模样，增碳量低于 0.05%, 于是 EPMMA 模样给钢铸件质量带来了好处。但是 EPMMA 模样的成型温度较高，发气量也大，在密度较低时，其刚性 尚不如EPS,而且价格昂贵等，为模样制造和浇注工艺带来一定困难。BASF与三菱合作推出牌号为“ CLEARPOR

4、”的共聚树脂。“CLEARPOR ”共聚树脂虽然 性能优良,但价格仍然昂贵（是 StMMA 的 3-4 倍）,使一般铸造厂难以承受。我国是一个铸造大国, 虽然消失模铸造在我国起步较早, 但长期来我国消失 模技术和产品与国外相比差距很大。为了改变我国模样材料的研究和生产落后面 貌,推动我国消失模铸造技术的发展和提高消失模铸件质量。我们先后开发成功 EPMMA 及 STMMA 共聚系列专用模样材料, 其中“可发性共聚树脂及制备方法” 获中国及美国发明专利,使我们国家有了自己自主知识产权的生产技术,改变了 模样材料专用料依靠进口的局面。目前 STMMA 树脂株粒不仅在国内许多消失模 铸造厂应用,取得

5、了良好的效果,而且已经出口美国、印度、伊朗等国家,并在 欧洲及美国召开的一些铸造年会上展示上了 STMMA 共聚珠粒与模样,引起了极 大的关注。STMMA 是专门用于消失模铸造的模样材料的可发性共聚树脂珠粒,它的铸 造性能基本与EPMMA相同，但发气量较低。且与 EPS相比有如下优点：1, 降低了铸件的碳缺陷； 2,降低了烟碳； 3,提高了铸件表面光洁度和 成品率； 4,降低了铸件的综合生产成本。共聚树脂的上述优点是由材料的性质决定的。 STMMA与EPS的综合性能比 较如表 1 所示。表1 STMMA 与EPS的综合性能比较项目单位EPSSTMMA组成C8H8n(C5H8O2)x(C8H8)

6、ym碳含量%9269.6Tfr75-8085-95分解热j/g-912-863初始气化温度r275-300268终了气化温度r460-500400-450发气量（900 r）ml/g600900铸造性能浇注温度（灰铁、箱体类）r1460-15001420-1450模样分解残留物多少铸钢件表面增碳率%0.1-0.3V 0.1模样质量易形成碳渣缺陷/碳质附着多不易形成缺陷/碳附着少模样收缩率*%0.3-0.50.1-0.2铸件成品率/（铸铁加工件）%低、V 80高、 90*模样的收缩率与多种因素有关，主要有:1. 挥发分含量高，收缩率大；2. 模样密度高，收缩率小；3. 粒径小，收缩率大；4. 干

7、燥温度高，时间长，收缩率大等。EPS模样收缩率大，尺寸稳定性差。StMMA模样的收缩率小，尺寸稳 定性好。因此，设计模具时要特别注意。从两种模样材料的性能对比中可知：（1）EPS的软化温度Tf比STMMA低，Tf是设定珠粒预发和成型温度的主要依据，EPS的预发温度低，发泡是在常压下进行；STMMA预发温度一般高于EPS 5-10C,且发泡筒内压力要控制在 0.03-0.045MPa。（2） 模样材料在高温下要裂解成低聚物和低分子化合物，EPS的分解热高于 STMMA 。其气化温度特别是最终气化温度要高于 STMMA 40-50C。这是由于EPS比STMMA 难分解，其分解热比 STMMA 高5

8、0J/g。（3）EPS 主要由含苯环的链节组成，不仅碳含量高，且苯环热稳定性好。 在高温（900C）、缺氧时，首先生成焦油状粘稠液体，进而裂解成碳 和氢，而 STMMA 组成中主要是丙烯酸酯基链节，在高温下是拉链式 分解，易生成低分子液体和气体通过涂层和砂箱被抽出，且组成中含 有两个氧原子要带走两个碳，进一步减少了碳的来源，这就是为什么 采用 STMMA 模样材料，铸件不易生成碳缺陷和钢铸件表面增碳量低， 且表面光洁度好的主要理论依据。STMMA 共聚树脂投产以来，已在国内外近百家厂使用，对提高我国 EPC 技 术水平和铸件质量取得了良好的效果。（二） StMMA 模样材料推动了 EPC 技术

9、发展1、 各种球铁件美国 Muller 公司是世界上著名的生产伐门的企业， 用砂型铸造生产伐体己有 30 多年历史。改用消失模工艺后开始采用 EPS 模样，最大的技术难题是碳缺陷。自 2003 年开始用我公司的 StMMA 模样材料后，消除了困扰他们的碳缺陷问题，使 EPC 工艺取得成功。 目前 4-16英寸的灰铁和球铁伐体全部采用 StMMA 模样材料 生产，成品率高达 96-97% 。对球铁件，我国大多数厂原来都是用 EPS 模样，近年来许多厂改用 STMMA 模样，极大地减少了铸件的碳夹渣缺陷，降低了浇注温度，提高了铸件表面光洁 度，从而提高了铸件成品率。目前采用 StMMA 生产工程机

10、械和汽车另配件的企 业主要有：山西华恩、宝鸡瑞泰尔、金洹亿、随州盛星、十堰知名实业、飞远、 江西分宜、新乡鼎宏等数十家。辽宁朝阳某厂原来用 EPS 珠粒生产出口管件的成 品率，特别是一次打压合格率不到 50% （有时V 30% ）,改用STMMA后一次打 压合格提高到 95%以上。营口金鹏管业等用 StMMA 模样材生产球铁管件也取得了很好效果。高邮精诚生产火车上用的缸套（直径380 长 600，内外全加工），原来用EPS,屡试屡败。后采用StMMA获得成功，成品率达到95%。南京天成、 巢湖华通等用 StMMA 生产球铁阀体、阀盖等 . 取得了良好的经济效益。2、各种耐热合金铸铁件采用 EP

11、S 模样生产耐热合金铸铁容易产生的主要缺陷是表面粗糙、内部夹渣 和气孔缺陷, 改用 STMMA 模样后,克服了上述缺陷, 产品质量和使用寿命提高, 提高了企业的知名度,使企业赢得了市场,经济效益显著。最突出的是马鞍山博 望地区有海天重工、华达、安工等一批企业巳形成产业群。3、各种铸钢件采用 EPS 模样生产铸钢件容易出现表面增碳及内部夹渣、气孔等缺陷,特别 是含碳量低于 0.30%的钢件。由于铸件表面增碳严重,使铸件的力学性能和加工 性能变坏。 采用 STMMA 模样材料, 可克服上述铸造缺陷, 特别是表面增碳缺陷, 并大大提高铸件表面光洁度。如：无锡某实型铸造厂采用 STMMA 模样材料生产

12、 各种出口铸钢（包括合金钢）件,铸件质量深受国外用户欢迎。贵阳机车车辆厂 和安顺某铸造厂采用 STMMA 模样材料,生产含碳量为 0.25%的铁路配件,解决 了钢铸件的表面增碳问题,并通过铁路部门的质量检测、验收。马鞍山海天用 STMMA 模样材料生产合金钢铸件效果也很好,该厂正在不断扩大高附加值的铸 件（重点是出口）生产。兴化精钢用 StMMA 模样生产耐热合金钢,经测试各项 性能指标合格,其中碳含量由原来 0.321%增加到 0.325-0.341%,符合要求。现在 采用 STMMA 模样材料生产钢铸件（包括低碳钢铸件）的厂越来越多。特别值得 关注的是江苏某集团公司用 STMMA 模样生产

13、不锈钢（ ZG0Cr18Ni9 ）钢管接头 （233mm x 736mm）获得成功，经检测、炉内钢水 C=0039%,在铸件上、中、下三 点取样，碳含量分别为 C=0043%（上），C=055%（中），C=0059%（下），产品经用 户检测、验收质量合格，投入批量生产，取得了十分可喜的经济效益。这为我国 消失模铸造采用 STMMA 模样材料生产高附加值的低碳钢和不锈钢铸件进行了成 功的尝试。4、灰铁件用 EPS 模样材料生产 ,灰铁件容易出现的缺陷是内部气孔、碳夹渣和表面粗 糙。这对于那些铸件表面质量要求较高和要求防渗漏或耐压件，采用 STMMA 模 样材料可以消除这些缺陷。 例如安徽全椒某厂

14、用 STMMA 模样生产缸体、缸盖（单 缸体和多缸体） 成品率达 95% 以上，取得了满意的效果。 河南神龙泵业用 StMMA 代替 EPS 生产泵体和叶轮获得成功后 , 现各种型号的水泵全部采用消失模工艺生 产 , 并正在开发其他产品。我国消失模铸件产量中，各种箱体、壳体类产品占有很大比重。但目前大部 分采用 EPS 模样材料，绝大多数都出现铸件表面粘砂严重，清理工作量大，并造 成环境污染等。产生这些问题的根本原因从两种模样材料性能对比中可知， EPS 最终裂解温度比StMMA高50C左右，即浇注温度大多在 1480C 1500C在这 样高的温度下浇注容易出现表面粘砂和灰铁白口化 , 硬度高

15、，加工困难。 但如果低 于1480C浇注，则易使EPS模样热解不完全出现严重的碳夹渣、气孔，甚至浇不 足或重皮等。用 StMMA 代 EPS 至少有以下优点 : （1）降低浇注温度，防止表面 粘砂，减少清理工作量；（2）提高铸件成品率至少 3-5% ；（3）节能和延长炉衬寿 命等。因此，用 StMMA 代 EPS 不仅可提高铸件质量 , 改善车间环境 , 而且降低了 铸件的综合成本。福建龙工在进口两万吨生产线上，全部采用 StMMA 模样材料 生产各种箱体取得了良好的效果，其中最为突出的是铸件表面光洁，大大减少了 清理工作量，车间环境整洁。特别是对于一些壁薄、防渗漏和要求表面光洁的箱 体、壳体

16、，采用 StMMA 更具优越性，这些正在被国内一些企业所认识。5、铜合金和铝合金铸件采用 EPS 模样材料生产铜合金件容易出现的问题是铸件表面粗糙和皮下气 孔；对于铝合金铸件主要是表面皱皮、重叠缺陷。厦门某厂和南京航天大学等采 用 STMMA 模样浇注铜合金铸件克服了 EPS 模样材料的铸造缺陷； 山东三信汇丰 用 StMMA 模样材料浇注铝合金缸体、缸盖，降低了铝合金的浇注温度，提高了 充型效果，减少了铸缺陷。因此 STMMA 模样材料在铜、铝合金铸造方面也是很 有作为的。（三）StMMA模样材料提高了消失模铸造经济效益有人说，StMMA好是好，但比EPS贵，铸件成本高，实际上是一种误解。我

17、们知道 EPC 是一近似无余量的精密成型铸造技术， 铸件的质量、 加工成 本（包括清理）、成品率和环境效益等都对 EPC 工艺的综合经济效益有直接影响。 下面对两种材料对铸件成本的影响。1、 有可比性的一类铸件 所谓有可比性，就是两种材料都能用，但对产品质量和效益的影响不同。例如铸铁件和中碳钢件等。灰铁件：对加件如缸体缸盖等，成品率可提高 20-30% ，甚至更高。对箱体 类，用 StMMA 比 EPS 成品率可提高 5-10% ；浇注温度低 40-500c; 铸件清理工 作量大大减轻 ， 铸件表面质量好，硬度低，节省加工工时等 。球铁件：近年来工程机械及汽车配件的球铁件用 StMMA 的逐年增多。因 为用EPS生产，产品的安全性能存在很大风险。我国用 EPC 工艺生产球铁管件的企业很多，除少数企业外，大多生产出口 产品时用StMMA,国内销售，基本上用EPS。其结果是一次打压合格率低，须 要经过一次或多次修补来提高合格率。这不仅增加产品成