消失模铸造白区存在的问题及解决方法

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1、消失模铸造白区存在的问题及解决方法(2023-10-25 09:22:36) 标签： 杂谈我国消失模铸造在最近几年发展较快，但总体技术水平和国外相比还有很大的距离。特别是在白区方面，与国外消失模铸造专家的认识有很大的区别，如在泡沫塑料模样原材料的选择；珠粒预发和成型；预发、成型时对设备的要求等。下面就上述问题作一简单的介绍。一、泡沫塑料模样原材料的选择消失模铸造技术是采用泡沫塑料模样代替普通铸造的铸模进行实体造型，并造型后模样不用取出就直接进行浇注，在浇注时金属液逐步替换泡沫塑料模样位置的过程。所以泡沫塑料模样和泡沫塑料模样原材料的的质量及性能的好坏直接影响到铸件的质量。在选用消失模铸造模样原

2、材料时，首先要了解消失模铸造对模样原材料的要求：1、气化温度和发气量低；2、气化完全、迅速、残留物少、毒性低；3、密度低，表面光洁度好，强度和表面刚性好。以使模样在制造、搬运和干砂充填造型过程中不易损伤，确保模样尺寸和形状的稳定。目前消失模铸造用泡沫塑料主要有：可发性聚苯乙烯（EPS）和苯乙烯-甲基丙烯酸甲脂（STMMA）共聚树脂等。由于可发性聚苯乙烯（EPS）密度低，易成型加工等特点，使它最早成为常用模样材料，EPS的开发与应用促进了消失模铸造的发展。但是随着消失模铸造技术和设备的不断发展完善，适用范围逐步拓宽，EPS在技术要求高的铸铁件方面已远远不能满足要求，因此从二十世纪八十年代开始，美

3、国等开始研究开发新一代模样材料，通过大量的试验研究工作，美国DOW化学公司开发成功EPMMA作为新一代模样材料。EPMMA模样材料的开发，成功解决了在EPC工艺中用EPS模样浇注黑色金属时出现的碳缺陷问题，解决了EPS模样材料造成的铸钢件表面“增碳”问题。但使用EPMMA模样材料也带来新的问题，制模难度大、模样刚性差，特别是发气量大等。为了克服上述两种模样材料的某些不足之处，我公司研发了苯乙烯（ST）与甲基丙烯酸甲脂（MMA）共聚树脂模样材料，即苯乙烯-甲基丙烯酸甲脂（STMMA）共聚树脂，这种共聚树脂性能兼有EPS和EPMMA的优点，克服两者不足之处。现在国内有许多厂用EPS做模样材料生产铸

4、铁和铸钢，因EPS碳含量高，在生产中低碳钢时，增碳量一般在0.1%0.3%以上，且增碳不规则，这样要保证铸钢牌号就不可能。使用共聚树脂（STMMA）模样材料生产铸钢，增碳量一般在0.05%-0.08%范围，这样用EPC生产铸钢就不会存在问题了。如辽宁某厂，原来用EPS模样生产铸钢件（ZG35，见图1），增碳问题（增碳量0.15%）一直无法解决，损失较大，后改用STMMA原料生产，增碳量可控制在0.06%之内。用EPS做铸铁件时，增碳不是大问题，但会出现碳缺陷。为了要消除碳缺陷，许多厂家用提高浇注温度和浇注时真空负压度的方法，这样铸件的碳缺陷有可能减少，但却带来了许多其他问题：1、在用EPS 模

5、样生产铸铁时，金属液的出炉温度要达到1580-1590。国外的研究说明，金属液的温度在1550以上，会恶化石墨形态基体粗化，出现D型石墨，降低铸铁性能；2、提高浇注温度和浇注时真空负压度后，铸件的粘砂现象严重，影响了铸件的外观，增加了铸件清理的难度；3、EPS模样生产薄壁复杂件时，模样易变形和浇不足。例重庆某厂生产的箱替类铸件（HT200）。原来使用EPS模样，出炉温度1590-1600，浇注温度1500左右，浇注时真空负压度在-0.07MPa- -0.06MPa，铸件粘砂和碳缺陷非常严重（见图2、3），铸件废品率高，清理工作难度大。后改用STMMA模样，图1图2图3出炉温度1550，浇注温度

6、1430-1450，浇注时真空负压度在-0.02MPa- -0.03MPa，铸件无碳缺陷，粘砂的现象明显改观（见图4）。图4图5共聚树脂（STMMA）是专门用于EPC的模样材料，比EPS具有更卓越的铸造性能，与EPS相比有以下优点：1、 降低了铸件的碳缺陷；2、 降低了铸钢件增碳缺陷；3、 降低了烟碳；4、 降低了铸铁件金属液出炉温度；5、 提高了铸件表面光洁度。例国内某厂生产的多缸柴油发动机的缸盖（HT250，见图5）。在生产试验过程中，用EPS模样生产时，铸件从外观看：表面的碳缺陷较严重，做压力试验时，渗漏非常严重，几乎没有合格的铸件。而现在用STMMA模样材料生产铸件，每月产量70009

7、000只，一次浇注合格率为99%，经济效益显著。二、共聚树脂（STMMA）的预发和成型过程中应注意的一些问题2.1共聚树脂（STMMA）的预发及预发过程中应注意的一些问题珠粒的预发是为了获得性能良好的预发泡珠粒，即密度均匀和球体均匀，使预发珠粒在二次成型加热时有足够的膨胀力，及珠粒膨胀时的均匀一致性，为制得高质量的模样提供最好的基础。预发泡时珠粒密度的控制是模样制造的重要工艺参数。对于STMMA模样，为了保证模样有足够的强度、刚度和表面光洁度，薄壁件一般控制在2325克/升，壁厚较大的件采用粒径大些的珠粒，密度可控制在1922克/升。由于STMMA珠粒在预发过程中对蒸汽压力要求较高，国内大多数

8、厂家采用的预发机在对蒸汽压力的控制不严、压力波动大，这样在实际生产过程中经常会出现预发珠粒结团严重，预发泡珠粒密度波动范围大，有的甚至会出现死料等诸多问题。为了得到良好的预发泡珠粒，在实际预发过程中应注意以下问题。A、 蒸汽压力的控制。由于STMMA珠粒在预发过程中对蒸汽压力最为敏感。在同等温度和时间内预发，如膨胀室内的压力有0.01Mpa的误差，就会导致预发珠粒密度产生较大偏差，影响二次成型时模样质量的稳定性。所以在预发时膨胀室内蒸汽压力应保持稳定。首先蒸汽主管压力应保持在0.4Mpa或以上。其次蒸汽在进入预发设备之前要经过汽水分离装置，充分排除蒸汽中多余的水份，再经过调压阀降低压力，使蒸汽

9、压力控制在一稳定的压力范围内。最后是预发时，膨胀室内压力要控制在一稳定的范围内（最好使用点切点压力表控制），以减少因蒸汽压力不稳定而影响预发时珠粒密度的变化。B、 预发时加热时间的控制。通过调整膨胀室内蒸汽压力或温度，来控制预发泡是加热的时间。对STMMA来说，加热时间一般应控制在30秒60秒，加热时间不宜过短或过长（时间过短，珠粒易受热不均匀，造成珠粒球体大小不一致；时间过长，会损耗过多的发泡剂），否则会影响珠粒在二次成型时的性能。C、 预发珠粒熟化时间的控制。由于刚预发的珠粒内部呈负压状态，此时的珠粒尚不能使用，须经过一段时间的熟化，让空气逐步进入珠粒内部，使珠粒内外的压力平衡，在二次成型

10、加热时珠粒有足够的膨胀力。但珠粒熟化的时间须控制好，熟化时间一般为812小时（视环境气温而定，此荐时间一般以常为基准）。熟化时要注意熟化温度不能太高（25），时间不能太长，否则珠粒中发泡剂会损失过多，使二次成型困难。最佳熟化时间与环境温度和湿度有关，环境温度高，湿度低，熟化时间短；环境温度低，湿度高，熟化时间长。在实际应用过程中，各厂家可根据自身的环境条件制定适合的珠粒熟化工艺。D、预发工艺的制定及数据的记录。工艺的制定及数据的记录主要是为控制质量提供最有效的数据。在生产过程中，根据不同模样的技术要求制定相应的预发泡珠粒密度。并在预发时做好各种数据的记录。如珠粒原料数据，加热预发时蒸汽压力数值

11、，加热时间、温度，预发珠粒密度及珠粒预发过程中的表象等。2.2模样成型及成型过程中应注意的一些问题国内通常模样成型有两种工艺，即蒸缸手工模和机模成型。其成型工艺如下：模具预热珠粒充填加热成型冷却脱模1、模具预热。预热的目的是为了缩短成型时间，减少发泡成型时模具型腔中的冷凝水。2、珠粒的充填。充填是模样制造的重要工序。充填不均匀或充填不足不能制得合格的模样。采用充填的方法有吸料充填、压料充填和压吸充填等。目前国内大都采用的是吸料充填，这种加料方式有一定的弊端。如某厂采用吸料充填的方式，加料时抬模，虽珠粒预发密度控制在23克/升左右，由于抬模加料，模样重量超重，模样表面的珠粒融合不一致（局部过烧或

12、局部融合不好，见图6），模样整体密度不均匀（由于抬模，模样平面部位密度过高），这给后续的铸件质量带来了不稳定因素。具体采用何种充填方法和充填气体压力，要看模具型腔结构复杂程度如何而定。其中压吸式充填对于薄壁和结构较为复杂模具的充填有很大效果，有利生产完整和表面光洁的模样（见图7）。图6（粒状表面） 图7（合格模样）3、加热成型。是根据模样大小、结构、壁厚等不同，控制加热时蒸汽压力和模具的最终温度，使模具整体温度上升均衡。尽量避免加热过快模具温度上升不均衡，而造成模样表面珠粒熔融合不一致的现象。在加热成型过程中，要珠粒受热达到珠粒软化点的温度，并保温、保压使珠粒继续膨胀融合。在加热成型过程中要求

13、对温度能有效地进行控制，并根据模样熔结质量和加热时模具的温度来调整加热时模腔内蒸汽压力和加热时间。具体的加热温度、模腔内蒸汽压力和加热时间，是根据不同模具和不同预发泡珠粒密度来确定。要特别注意加热蒸汽中不要夹带冷凝水，模具的壁厚要均匀，通气塞排布要合理，否则会影响模样表面珠粒融合的质量。5、冷却。冷却的目的是使模样定型并具有一定的强度和刚度，所以冷却要均匀、充分。模具内刚成型的热塑性泡沫塑料模样的热量通过各种传热途径，散入周围的空气或冷却介质中。但是由于模样泡体是热的不良导体，冷却时常常出现表层的已被冷却固化定型，芯部的温度还很高的现象。这时如冷却定型不够，虽然皮层已固化定型，但是芯部的大量热

14、量会继续向外传，使皮层温度回升，再加上模样芯部泡体的膨胀力，就可能使已定型的模样形状变形或破坏，称之为三次发泡。在冷却过程中要特别注意冷却水温度不能太低，水压不能太大，冷却时间不能太长，否则模样和模样表面会有塌缩的现象。6、脱模。刚成型的模样冷却后内部处于减压状态，比较软，如果脱模不当，模样表面就易损伤、变形，所以对于不同的结构的模样要采用不同的脱模方式。在整个消失模铸造生产过程中，还有许多的问题，如白区模具方面的问题；黑区造型振动台、砂箱和负压的问题等，在此就不再细说了。在实际生产过程中也会不断出现各种新问题（详见附表），须有及时解决问题的技术手段。总之消失模铸造是一持续改进、不断发展完善的

15、过程。附 表缺陷名称产生的原因解决办法模样外观正常，内部熔结不良（1）成型加热时间短或蒸汽压力低，成型温度低；（2）预发泡珠粒干燥、熟化温度高或时间长，发泡剂含量不够。（1）提高加热蒸汽压力，提高成型温度，延长发泡成型时间；（2）控制珠粒干燥熟化温度和时间；（3）调整发泡剂含量。内部结构松弛，大部份熔结不良（1）珠粒充填不均匀；（2）成型温度偏低，时间短；（3）珠粒密度过低或发泡剂含量低。（1）改进充填方法和条件；（2）提高加热蒸汽的压力，延长加热时间；（3）控制预发泡珠粒密度和发泡剂含量。模样不完整，轮廓不清楚（1）珠粒未完全填满模腔；（2）模具的通气孔分布、加料口位置、模具结构不合理；（3

16、）珠粒的粒度不合适。（1）改进充填方法，调整压缩空气压力；（2）改进模具结构，调整通气孔的布置和数量以及加料口位置；（3）对薄壁模样应选用较小的珠粒。模样表面熔化（1）加热蒸汽压力过高；（2）发泡成型时间太长；（3）模具通气孔太多或孔径太大。（1）降低加热成型蒸汽压力；（2）缩短成型加热时间；（3）调整通气孔数量及孔径大小及分布等。模样大面积收缩（1）成型时间过长或温度过高；（2）冷却速度太快（冷却水温度太低）；（3）冷却时间不够，脱模温度太高。（1）缩短成型时间或降低成型温度；（2）调整冷却速度和时间。模样局部收缩（1）加料不均匀；（2）加热或冷却不均匀；（3）模具结构不合理，局部通气孔位置

17、、数量或孔径不合适；（4）蒸汽成型时模具在蒸汽缸中的位置不当，正对着蒸汽进口处。（1）确保加料均匀；（2）调整加热和冷却条件，确保加热和冷却均匀；（3）改进模具结构，调整通气孔位置、数量和孔径大小；（4）调整模具在蒸缸中的位置或改进蒸缸中蒸汽位置或通汽方式。模样尺寸增大，膨胀变形模具未能充分冷却，模样脱模时间过早。（1）充分冷却模具，模具温度低于60；（2）调整脱模时间。模样表面粗糙，珠粒局部处有凹陷（1）珠粒密度过低或珠粒未完全熟化；（2）发泡成型时间不够；（3）珠粒发泡剂含量低；（4）珠粒粒径太大。（1）提高珠粒预发密度，采用熟化好的珠粒；（2）延长成型时间；（3）提高预发泡珠粒发泡剂含量

18、，选用合适的粒径。模样表面珠粒界面凸出（1）成型时间太长；（2）模具的冷却速度太快，冷却时间不够。（1）缩短成型时间；（2）降低模具冷却速度，延长冷却时间，使模样充分定型。模样刚脱模时正常，过后收缩变形（1）预发泡珠粒密度过低；（2）预发泡珠粒熟化时间不够；（3）冷却时，模样整体降温不一致。（1）缩短预发泡时间，提高预发泡密度；（2）适当延长预发泡珠粒熟化时间；（3）改进冷却方式，使模具、模样降温均衡。模样中含有冷凝水（1）发泡珠粒熔结不良；（2）冷却水压力过高和时间过长；（3）成型时间长，泡孔有破裂并孔现象；（4）预发珠粒密度过低。（1）加热蒸汽压力和成型温度要适当；（2）调整冷却水压力和冷却时间；（3）缩短成型加热时间；（4）提高预发珠粒密度。模样由模具中取出时损坏或变形（1）模样与模具之间有粘结现象；（2）模具结构不合理；（3）脱模时压缩空气和水压力过大。（1）定期润滑模具工作表面；（2）修改模具结构，提高表面光洁度，增加脱模斜度等；（3）控制压缩空气和水的压力。参考文献：1、唐锁云韩晓红 消失模铸造模样材料的性能与StMMA模样成型工艺