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，对于铸铁件易形成表面亮碳及内部夹渣

2、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化学公司研制成功可发性聚甲基丙烯酸甲酯即EPMMA珠粒，美国G

3、M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”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）

4、，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。

5、 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 EPS STMMA 组成 C8H8n (C5H8O2)x(C8H8)ym 碳含量 % 92 69.6Tf 75-80 85-95分解热 j/g -912 -863 初始气化温度 275-300268 终了气化温度 460

6、-500 400-450 发气量(900) ml/g 600 900 铸造性能 浇注温度(灰铁、箱体类) 1460-1500 1420-1450 模样分解残留物 多 少 铸钢件表面增碳率 % 0.1-0.3 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*% 0.3-0.5 0.1-0.2 铸件成品率/(铸铁加工件) % 低、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

7、。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 5-10，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 40-50。这是由于EPS比STMMA难分解，其分解热比STMMA高50J/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（900）、缺氧时，首先生成焦油状

8、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

9、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30%）

10、，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EPS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

11、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

12、（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模样生产不锈钢（ZG0Cr18Ni9）钢管接头(233mm×736mm)获得成功，经检测、炉内钢水C=0.039%,在铸件上、中、下三点取样，碳含量分别为C=0.043%(上)，C=0.55%(中)，C=0.059%(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

13、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

14、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50左右，即浇注温度大多在14801500 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，加工困难。但如果低于1480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

15、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，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）S

16、tMMA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。这不仅增加产品成本，