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消失模铸造简介


消失模铸造(又称实型铸造)是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型簇,刷涂耐火涂料并烘干后,埋在干石英砂中振动造型,在负压下浇注,使模型气化,液体金属占据模型位置,凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。

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技术特征

铸件精度高

消失模铸造是一种近无余量、精确成型的新工艺,该工艺无需取模、无分型面、无砂芯,因而铸件没有飞边、毛刺和拔模斜度,并减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差。铸件表面粗糙度可达Ra3.2至12.5μm;铸件尺寸精度可达CT7至9;加工余量最多为1.5至2mm,可大大减少机械加工的费用,和传统砂型铸造方法相比,可以减少40%至50%的机械加工时间。

设计灵活

为铸件结构设计提供了充分的自由度。可以通过泡沫塑料模片组合铸造出高度复杂的铸件。

无传统铸造中的砂芯

因此不会出现传统砂型铸造中因砂芯尺寸不准或下芯位置不准确造成铸件壁厚不均。

清洁生产

型砂中无化学粘结剂,低温下泡沫塑料对环境无害,旧砂回收率95%以上。

降低投资和生产成本

减轻铸件毛坯的重量,机械加工余量小。

缺点和局限性

消失模铸造工艺与其他铸造工艺一样,有它的缺点和局限性,并非所有的铸件都适合采用消失模工艺来生产,要进行具体分析。主要根据以下一些因素来考虑是否采用这种工艺。1.铸件的批量 批量越大,经济效益越可观。2.铸件材质 其适用性好与差的顺序大致是:灰铸铁--非铁合金--普通碳素钢--球墨铸铁--低碳钢和合金钢;通过必要的准备以不致使工艺实验、调试周期过长。3.铸件大小 主要考虑相应设备的使用范围(如振实台,砂箱)。4.铸件结构 铸件结构越复杂就越能体现消失模铸造工艺的优越性和经济效益,对于结构上有狭窄的内腔通道和夹层的情况,采用消失模工艺前需要预先进行实验,才能投入生产。

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主要应用

 

消失模铸造技术的优势体现的越来越明显,许多中小企业相继投产。特别是近几年来消失模铸造企业如雨后春笋,从消失模铸造设备厂家的订货需求可以明显体会到这一点[2]  。

但是也有不少消失模铸造企业投产后不久纷纷下马。其中缘由在于许多企业对消失模铸造工艺了解不深入,一开始看起来消失模铸造工艺很简单,没有充分估计到它的规律性和复杂性,仓促上马,结果在实际生产中遇到意想不到的问题,又没有心理准备,对出现的问题束手无策,又匆匆下马。结果既浪费时间、资金和精力,又要丢掉市场,得不偿失。实际上,消失模铸造是一个系统工程,理论上可以用于生产各种铸件,并且在实验室取得了广泛的成功。但是,由于我国消失模铸造模型材料普遍采用包装用的泡沫聚苯乙烯(EPS),并且专用涂料技术还没有形成技术优势,加之干砂振动技术和消失模铸造工艺也不成熟,从而导致许多初上企业,特别是中小企业对于这些认识还不深入,所以才会出现一哄而上又一哄而下的被动局面。专家表示,国内铸造产业还需不断努力,以便未来更好的发展。

生产线

 

 

类型

单机或简易型

通常在铸造车间设置1-2台(造型时用)三维振动台,几个-10多个专用砂箱,砂箱吊运或设有辊(轨)道的砂箱简易输送线,干砂一般是自然冷却或设有简易型砂冷却装置,另加一套抽真空系统和砂除尘筛分设备。投资灵活,费用在8-15万,生产规模一般在500-5000吨。 这种生产模式是比较符合我国国情,花钱少,上马快,深受我国广大中小企业欢迎,发展十分迅速。这类工厂占我国消失模铸造厂点的90%以上。

国产型

采用机械、液压、气动和电控方式,自行设计的国产型生产线,其砂箱数在10 -50余个不等;均设有砂冷却系统设备;生产规模在年产2000―30000吨,投资在50万-400万不等。这类生产厂点约有30家(条)。特点是系统完整,功能齐全,连续作业,适合大批量、大规模生产 。

国外引进型

引进国外的这些工厂中,投资少则为约1000余万元,多则为(累计)约8000万元,一般在4000至5000万元之间。

 

布局原则

消失模生产线一般分为二个区域:白区和黑区。白区工作环境相对较好,一般为单独的车间。黑区也为独立车间。消失模铸造生产线布局的问题主要把握以下原则:设备布局尽量紧凑。充分利用空间位置。主要设备和各辅助设备尽量缩短连接距离。另可结合物流通道及安全问题考虑设备的布局[3]  。

消失模铸造生产工艺为多套设备形成的大流水生产线。合理的产线布局可以将设备和设备之间连接所产生的部分费用免去,减少项目上不必要的浪费,减少车间物流通道距离,提高生产工作效率,降低生产成本,有效利用资源,甚至极为合理的产线布局有利于生产工艺的充分发挥。(白区中涂料烘干以后进入造型工部下模样的距离、黑区中频炉出铁水后到浇注线上的距离等等)

 

生产工艺

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设备用途

本套设备及工艺是集实型、真空铸造的优点为一体,适用于钢、铁、铝、铜等各种牌号,各种材质不同结构的大、中、小各类铸件,对结构复杂铸件的效果更佳。

1、结构形状不受铸造工艺限制,为产品的设计制造提供了广泛的自由度,生产周期短,生产效率高,不用混砂、下芯、起模、合箱、分型、易于一箱多铸、群铸,实现最优化的设计,避免了因下芯、起模、合箱等因素引起的铸造缺陷和废品

2、铸造尺寸精度高,形状尺寸准确,内外质量好,具有精密铸件的特点,可部分取代熔模精密铸造,减少机械加工余量最高可达60%,工艺出品率可达95%。

3、投资少、上马快、用人少、成本低、设备紧凑、占地面积小、工艺技术易于掌握,便于实现机械自动化生产。

 

生产原理

该法按EPC工艺先制成泡塑模型,涂挂特制涂料,干燥后置于特制砂箱中,填入干砂,三维振动紧实,抽真空状态下浇铸,模型气化消失,金属置换模型,复制出与泡塑模一样的铸件,冷凝后释放真空,从松散的砂中取出铸件,进行下一个循环。[4] 

 

工艺流程

1、制作泡塑气化模具(手工、机械);

2、泡塑气化,模具组合后烘干;

3、泡塑气化模具表面刷、喷耐火涂料后再次烘干(一定干透);

4、将特制砂箱置于三维振实台上;

5、填入底砂(干砂)振实、刮平;

6、将烘干的泡塑气化模具放于底砂上,按工艺要求分成填砂,自动振实一定时间后刮平箱口;

7、用塑料薄膜覆盖砂箱口,放上浇口杯,接负压系统。紧实后进行钢液浇铸,泡塑气化模具消失,金属液取代其位置;

8、铸件冷凝后释放真空并翻箱,取出铸件,进行下一个循环。

 

主要优点

1.铸件尺寸形状精确,重复性好,具有精密铸造的特点;

2.铸件的表面光洁度高;

3.取消了砂芯和制芯工部,根除了由于制芯、下芯造成的铸造缺陷和废品;

4.不合箱、不取模,大大简化了造型工艺,消除了因取模、合箱引起的铸造缺陷和废品;

5.采用无粘结剂、无水分、无任何添加物的干砂造型,根除了由于水分、添加物和粘结剂引起的各种铸造缺陷和废品;

6.大大简化了砂处理系统,型砂可全部重复使用,取消了型砂制备工部和废砂处理工部;

7.落砂极其容易,大大降低了落砂的工作量和劳动强度;

8.铸件无飞边毛刺,使清理打磨工作量减少50%以上;

9.可在理想位置设置合理形状的浇冒口,不受分型、取模等传统因素的制约,减少了铸件的内部缺陷;

10.负压浇注,更有利于液体金属的充型和补缩,提高了铸件的组织致密度;

11.组合浇注,一箱多件,大大提高了铸件的工艺出品率和生产效率;

12.减少了加工裕量,降低了机加工成本;

13.易于实现机械化自动流水线生产,生产线弹性大,可在一条生产线上实现不同合金、不同形状、不同大小铸件的生产;

14.可以取消拔模斜度;

15.使用的金属模具寿命可达10万次以上,降低了模具的维护费用;

16.减少了粉尘、烟尘和噪音污染,大大改善了铸造工人的劳动环境,降低了劳

动强度,以男工为主的行业可以变成以女工为主的行业;

17.简化了工艺操作,对工人的技术熟练程度要求大大降低;

18.零件的形状不受传统的铸造工艺的限制,解放了机械设计工作者,使其根据零件的使用性能,可以自由地设计最理想的铸件形状;

19.可减轻铸件重量;

20.降低了生产成本;

21.简化了工厂设计,固定资产投资可减少30∽40%,占地面积和建筑面积可减少30∽50%,动力消耗可减少10∽20%;

22.消失模铸造工艺应用广泛,不仅适用于铸钢、铸铁,更适用于铸铜、铸铝等;

23.消失模铸造工艺不仅适用于几何形状简单的铸件,更适合于普通铸造难以下手的多开边、多芯子、几何形状复杂的铸件;

24.消失模铸造工艺可以实现微震状态下浇注,促进特殊要求的金相组织的 形成,有利于提高铸件的内在质量;

25.在干砂中组合浇注,脱砂容易,温度同步,因此可以利用余热进行热处理。特别是高锰钢铸件的水刃处理和耐热铸钢件的固溶处理,效果非常理想,能够节约大量能源,缩短了加工周期;

26.利用消失模铸造工艺,可以根据熔化能力,完成任意大小的铸件。

27. 消失模铸造适合群铸,干砂埋型脱砂容易,在某些材质的铸件还可以根据用途进行余热处理。

 

工艺问题

l.一些厂家引进消失模铸工艺不够慎重、不够科学,缺少专业人员对消失模铸造的深入了解、目标产品不明确或缺少产品的技术可行性和经济合理性的充分论证;缺少完整的可行性分析报告,就匆忙立项[5]  。

2.企业领导对上新工艺的期望值很高,企业内部又没有足够的技术人员消化了这一工艺,实践少,不能稳定生产。

3.大部分厂家的消失模铸造工艺还十分粗糙,消失模铸造看似简单,实际要控制的工艺环节大大增加,我们基本上还用初期作抗磨件的简单作法来作更复杂的铸件,模具,浇注系统等委粗糙,没有严格的工艺规程。

4.缺少严格的质保体系,缺少严格的工艺管理。

5.我们的工艺积累还很少,也不够稳定。

6.原辅材料质量不较差,也不够稳定。

7.转让单位的水平不高,给生产单位赞成影响。

8.市场的原因,有些单位,由于市场的激烈变化造成停产,新产品开发能力制约了转产的速度。

 

工艺控制

消失模铸造工艺包括冒口系统设计、浇注温度控制、浇注操作控制、负压控制等。

浇注系统在消失模铸造工艺中具有十分重要的地位,是铸件生产成败的一个关键。由于铸件品种繁多、形状各异,每个铸件的具体生产工艺都有各自的特点,并且千差万别。这些因素都是直接影响到浇注系统设计结果的准确性。

浇注系统设计与传统砂型铸造有一定区别。在浇注系统设计中,应考虑到这种工艺的特殊性,浇注系统各部分截面尺寸与铸件大小、模型簇组合方式以及每箱件数都有关系。

模型簇组合方式可基本反映铸件的特点,以及铸件的补缩形式。由于模型簇的存在,使得金属液浇入后的行为与砂型铸造有很大的不同。在浇注过程中模型气化需要吸收热量,所以消失模铸造的浇注温度应略高于砂型铸造。

设计浇注系统各部分截面尺寸时,应考虑到消失模铸造金属液浇注时由于模型存在而产生的阻力,最小阻力流面积应略大于砂型铸造。

负压是黑色合金消失模铸造的必要措施。负压的作于是增加型砂强度和刚度的重要保证措施,同时也是将模型气化产物排除的主要措施。负压的大小及保持时间与铸件材质和模型簇结构以及涂料有关。

消失模铸造浇注操作最忌讳的是断续浇注,这样容易造成铸件产生冷隔缺陷,即先浇入的金属液温度降低,导致与后浇注的金属液之间产生冷隔。另外,消失模铸造浇注系统多采用封闭式浇注系统,以保持浇注的平稳性。对此,浇口杯的形式与浇注操作是否平稳关系密切。浇注时应保持浇口杯内液面保持稳定,时浇注动压平稳。

 

注意事项

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进行消失模铸造有一定的规范和要求,造型工艺中要注意以下方面:消失模铸造使用的一般是硅砂,要求其二氧化硅量在85%~90%以上。从透气性和耐火度方面考虑,铸钢、铸铁件一般选用粒径0.850~0.300mm的硅砂。先在砂箱底布上一层厚度约100mm的干砂,然后将刷有涂料的EPS模及浇冒口放置在砂箱中央,边填砂边震实,直到干砂离砂箱顶面50mm左右时停止加砂,在干砂上面覆盖塑料薄膜,然后将浇口杯置于直浇口顶端,并在薄膜上撤上一层散砂,以防止浇注时铁水溅落,烧穿薄膜导致漏气塌箱。

 

浇注

在消失模铸造工艺中,整个工艺流程包括七个环节,每个环节对于消失模铸件质量都具有很大的影响作用,当然浇注过程也是整个消失模铸造工艺流程中至关重要的一环,掌握浇注工艺注意事项,严格把控浇注工艺中的每个细节是生产高质量消失模铸件的关键。

消失模铸造的浇注过程是钢液充型,同时泡塑模具汽化消失的过程。整个过程中需要注意的是:(1)浇道自始至终要冲满钢液,如若不满,由于涂料层强度有限,很容易发生型砂塌陷以及进气现象,造成铸件缺陷。(2)浇注钢液时一定要把握住,保证做到稳、准、快。瞬时充满浇口杯,并做到快速不断流,吨钢液在大约一分钟左右。如果同箱铸件的钢液断流会吸进空气,有可能引起塌砂现象或者铸件增多气孔的问题,导致铸件报废。(3)消失模铸造采用负压封闭式,而且必须是在浇口杯以下封闭。钢液进入模塑模具,其开始液化燃烧,并气化消失,钢液前端短距离形成暂时的空腔,所以设计钢液充型的速度和泡塑模型消失的速度大致相同。为防止钢液高温辐射熔化同箱其它模型,浇道适当离铸件模型远一点。立浇道的位置选择整箱铸件最低位置。 浇注时注意调节和控制负压真空度在一定范围内,浇注完毕后保持在一定负压状态下一段时间,负压停止、钢液冷凝后出箱。[6] 

 

防止返喷

消失模铸造中防止返喷的方法

消失模铸造是铸造工艺中的一种,在铸造工艺中会存在种种铸造缺陷,从而导致铸造件的缺陷,消失模铸造也不例外。返喷是消失模铸造中常发生的现象,返喷严重时可能会危及浇注工的人身安全,必须予以重视,为减轻喷现象,可采取如下措施:

第一,泡沫模型密度要小,在保证泡沫表面质量,保证模型强度的前提下,泡沫应做得越轻越好,以减少浇注时的发气量。其二,泡沫模型上涂料前一定要烘干,每批泡沫模型应抽检其烘干过程的重量变化,做出烘烤重量变化曲线图,只有在重量不再发生变化情况下方可上涂料。第三,浇注系统,特别是直浇道和横浇道不应上涂料,这样可以使浇注时产生的气体能快速充分地抽走,而且不上涂料,节省了涂料的消耗。最后,在浇口杯处上面盖一个档板,可把返喷上来的钢水挡住,使其不能飞溅出来,危及现场操作工人。

使用以上的方法可以有效的防止消失模铸造过程中返喷现象,较好的防止铸件的缺陷,提高铸造件的质量,此外它还能提高生产的安全度。

 

影响精度因素

在消失模铸造中,一般情况下,影响铸件尺寸精度的因素是多方面的,比如消失模铸件本身的结构、形状、大小,泡沫塑料质量的影响,涂料涂层的影响,铸造过程中造型、浇注环节的影响等。

在整个消失模铸造流程中,浇注工艺是至关重要的环节之一,浇注系统、浇注速度、浇注温度、浇注工序四个因素是提高铸件质量的关键工序,只有不断改善、不断完善,才能铸造出精度高质量好的铸件。

涂料涂层对于消失模铸件精度也有很大的影响,涂料性能、涂层厚度可影响模样尺寸,从而影响到铸件尺寸精度,因此消失模铸造中,涂料应该具有良好的性能,足够的强度,同时涂料涂挂操作过程应做到合理。

 

缺陷

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皱皮缺陷

皱皮缺陷是由于聚苯乙烯泡沫塑料遇高温金属热解形成大量的碳来不及排出型腔外而保存在磨球上,常出现在金属液最后流到或液流的冷端,一般在磨球的上面。解决途径:

1)发泡磨球模样时选择适宜的材料。低密度的铸造专用泡沫塑料EPS气化快、残留物少。

2)提高浇注温度和浇注速度。将磨球浇注温度提高50%-80%,可加快气化。提高浇注速度可减少热损失。

3)提高真空度。有利于排烟、排气,改善气化条件,使残留物、气化产物迅速逸出。

4)提高铸型透气性。选用粗砂和透气性好的涂料。

 

炭黑缺陷

炭黑直接原因是由于球墨铸铁磨球中的含碳量高造成的,一般磨球的C%=3.3%~3.8%。就会有该缺陷。解决途径:

在浇注和造型条件相同的情况下,工艺上应采用润湿性、透气性良好的涂料,浇注时加大抽气量并使用可发性聚甲基丙烯酸甲脂树脂珠粒EPMMA材料,严格控制模样粘结剂的用量,可有效防止炭黑的形成。

 

夹杂和夹渣

夹杂和夹渣缺陷的造成是因为:

1)球墨铸铁内残余镁量偏高,它提高了球墨铸铁铁液表面氧化膜的生成温度,在较高的温度下就形成了氧化膜,浇注过程中铁液受到二次氧化而形成夹渣。

2)原铁液含硫高,生成的硫化物(MgS、Ce3S4、CeS)多,促使夹杂形成。

3)浇注温度低,不利于夹渣的上浮、清除。

解决途径:

1.保证浇注温度>1300℃,有利于夹杂物聚集上浮,便于清除。

2.在保证球化的前提下,尽量降低残余镁量,降低原铁液硫含量。

3.采用稀土镁合金作球化剂,利用稀土降低铁液氧化膜的结膜温度。

4.浇注时在浇道中加过滤网集渣包。

 

气孔缺陷

①消失模裂解时的发气过程,其气体进入铸件而产生气孔。充型过程中,产生紊流,或顶注、侧注情况下,部分模样被金属液体包围后进行裂解,产生的气体不能从金属中排出,就会产生气孔,此种气孔大而多且伴有炭黑。

防治措施:改进工艺,使浇注充型过程中逐层置换,不出现紊流,提高浇注温度;提高涂层和砂型透气性。

②模样、涂料层干燥不良引起气孔。模样含有水分、涂料干燥不良或发泡剂含量过高,浇注时回产生大量气体极易产生反喷,此种情况下最易产生气孔;若涂层烘干不够,水分含量偏多,此时极易形成侵入性气孔。

防治措施:模样必须干燥;涂层必须干燥。

③模样黏结剂过多引起气孔,模样组合粘结时采用的黏结剂发气量过大,在液体金属浇注充型时,局部产生大量气体,可使金属液在充型过程中翻滚,此时气体又不能及时排出去,铸件就要产生气孔。

防治措施:选用低发气量的模样黏结剂;在保证粘牢前提下,粘结剂用量越少越好。

④浇注时卷入空气形成气孔,消失模铸造浇注过程中,直浇道不能充满,就会卷入空气,这些卷入的空气,若不能及时的排出,铸件就会产生气孔。

防治措施:采用封闭式浇注系统,浇注时,保持交口杯内有一定的金属液,以保证直浇道处于充满状态。

 

粘砂缺陷

铸件粘砂缺陷的产生有两个方面的原因:

a.涂料涂层脱落或者开裂,金属液趁此渗入型砂中,容易形成机械粘砂;当涂料选择和金属液不匹配,而干砂中又存在细小沙粒灰尘时,会形成化学粘砂。b.浇注时负压度大小对金属液流动能力的影响。负压度越大,金属液流动性越好,越容易形成粘砂。

解决途径:

对于消失模铸件粘砂缺陷而言,其一般可在不同情况下出现在铸件的各个部分:在无负压情况下,粘砂多出现在铸件底部或者是侧面,以及铸件热节区和型砂不易紧实区;在负压浇铸时,各面均可出现,尤其是铸件转角处和组串铸件浇注时的过热处。[7] 

 

涂料用途

 

消失模涂料在消失模铸造中的作用

消失模涂料的作用在于支撑和保护泡沫模型、防止液态金属渗入砂子和粘砂、吸收分解产物和让分解气体通过涂层、保持泡沫模型挥发后形成的型腔的完整、并保持液态金属热量不会很快散发。因此消失模涂料的使用可以降低消失模铸件表面粗糙度,确保铸件精度,减少或防止铸件粘砂、砂眼、气孔、金属渗透、冷隔、浇不到、积碳等缺陷。所以消失模涂料应具有足够的耐火度、一定的机械强度、恰当的保温和导热性能、合适的透气性和吸收液体分解产物的能力、光滑的表面、足够的涂刷性能、不与泡沫模型发生化学反应等。

消失模铸造涂料的功能解析

消失模铸造涂料具有防止铸件产生机械粘砂和热化学粘砂、提高泡沫塑料模型的刚度,防止埋型时变形、有助于消失模模样热分解气体的迅速排出等功效,那么消失模铸造涂料为什么汇聚了如此多的功能呢,下面我们将从六个方面来解析。

消失模铸造涂料具有这六大特点(1)高的强度和刚度,防止造型时模样变形和被干砂损伤;(2)高的耐火性能,防止浇注时铸件表面粘砂;(3)优异的透气性,可以快速导出模样气化的产物;(4)较强的附着力,防止生产过程中涂层开裂甚至脱落;(5)良好的涂挂性,使用时能方便的涂覆一定厚度的涂层;(6)良好的烧结及剥离性,即在浇注后形成易于自动剥落的涂料壳,从而获得表面光洁的铸件。

消失模铸造涂料常用的五种耐火材料

随着消失模铸造的日益发展,人们对于消失模铸造涂料也愈发重视。据悉,耐火材料是消失模涂料的骨料成分,耐火材料的品种很多,通常选用以下五种:

A.锆英粉 主要成分是ZrO2、SiO2,即正硅酸锆。它的耐火度高,是目前用于消失模铸造最好的一种抗粘砂材料。浇注铸钢件和大型铸铁件时多采用这种耐火材料,可以减少铸件的清理工作量,获得表面光洁的铸件。

b.石英粉 主要成分是SiO2。由于石英粉在不同的温度条件下具有不同晶型转变,使其发生体积改变,从而降低了它的使用价值。一般用来浇柱中小铸铁和铸铝、铸铜件等有色金属。由于消失模铸造主要用于中小件,所以石英粉应用比较普遍。

c.氧化铝 氧化铝即刚玉粉,主要成分是Al2O3。它也是一种性能优良的耐火材料,可用来浇注铸钢件和大型铸铁件。

d.石墨粉 石墨粉是铸铁生产中广泛作用的耐火材料之一,具有很高的耐火度,但易氧化。它的热膨胀系数很低,一般在50×10-7以内。

e.蓝晶石 蓝晶石耐火度1800度以上 且蓝晶石在高温1100-1450度逐渐转化为莫来石 莫来石1800度仍稳定,其在1810度分解为刚玉。蓝晶石价格相对低廉,是替代刚玉质材料的理想矿物。