消失模铸造工艺及原理
消失模简介
消失模铸造（又称实型铸造）是用泡沫塑料（EPS 、STMMA或EPMMA）高分子材料制作成为与要生产铸造的零件结构、尺寸完全一样的实型模具，经过浸涂耐火涂料（起强化、光洁、透气作用）并烘干后，埋在干石英砂中经三维振动造型，浇铸造型砂箱在负压状态下浇入熔化的金属液，使高分子材料模型受热气化抽出，进而被液体金属取代冷却凝固后形成的一次性成型铸造新工艺生产铸件的新型铸造方法。 对于消失模铸造有多种不同的叫法，国内主要的叫法还有“干砂实型铸造”“负压实型铸造”， 简称EPS 铸造。国外的叫法主要有：lost foam process ( USA ) 、policast process ( Italy ) 等。 与传统铸造技术相比，消失模铸造技术具有无与伦比的优势，被国内外铸造界称为“21世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。 消失模铸造有下列特点：1、铸件质量好，成本低；2、材质不限，大小皆宜；3、精度高、表面光洁、减少清理、节省机加；4、内部缺陷大大减少，铸件组织致密； 5、可实现大规模、大批量生产；6、适用于相同铸件的大批量生产铸造；7、适用于人工操作与自动化流水线生产运行控制；8、生产线的生产状态符合环保技术参数指标要求；8、可以大大改善铸造生产线的工作环境与生产条件、降低劳动强度、减少能源消耗。
消失模铸造工艺简介：
1，泡塑珠粒的选用：
消失模铸造专用的泡沫珠粒有三种。 ①可发性聚苯乙烯树脂珠粒（简称EPS）； ②可发性甲基丙烯酸甲脂与苯乙烯共聚树脂珠粒（简称STMMA）； ③可发性聚甲基丙烯酸甲脂树脂珠粒 （简称EPMMA）。 常用可发性聚苯乙烯树脂珠粒（EPS），用于铸造有色金属、灰铁及一般钢铸。 珠粒特点：半透明珠粒，预发泡倍数40~60，粒径为0.18~0.80亳米（6种尺寸）， 一般选用的原始珠粒的粒径小于或等于铸件的最小壁厚的1/9 ~ 1/10。
2，模型制作：
有两种情况： ◎由泡塑珠粒制作：预发泡——熟化——发泡成型——冷却出模 ①预发泡 EPS珠粒在加入模具前，要先进行预发泡，以使珠粒膨胀到一定尺寸。 预发泡过程决定了模型的密度、尺寸稳定性及精度，是关键环节之一。适用于EPS珠粒予发泡的方法有三种：热水预发泡、蒸汽预发泡和真空预发泡。真空预发泡的珠粒发泡率高，珠粒干燥，应用较多。 ②熟化 经预发泡的EPS珠粒放置在干燥、通风的料仓中一定时间。以便使珠粒泡孔内外界压力平衡，使珠粒具有弹性和再膨胀能力，除去珠粒表面的水分。熟化时间在8~48小时。 ③发泡成型 将预发泡且熟化的EPS珠粒填充到金属模具的型腔内，加热，使珠粒再次膨胀，填满珠粒间的空隙，并使珠粒间相互融合，形成平滑表面，即模型。出模前必须进行冷却，使模型降温至软化温度以下，模型硬化定形后，才能出模。出模后还应有模型干燥及尺寸稳定的时间。设备有蒸缸及自动成形的成型机两种。 ◎由泡塑板材制作：泡塑板材——电阻丝切割——粘结——模型 对简单模型，可利用电阻丝切割装置，将泡塑板材切割成所需的模型。 对复杂模型，首先用电阻丝切割装置，将模型分割成几个部分，然后进行粘，使之成为整体模型。
3，模型组合成簇：
是将自行加工好（或外购）的泡塑模型与浇冒口模型组合粘结在一起，形成模型簇，这种组合有时在涂料前进行，有时在涂层制备后埋箱造型时进行。是消失模（实型）铸造不可缺少的一道工序。 目前使用的粘结材料：橡胶乳液、树脂溶剂和热熔胶及胶带纸。
4，模型涂层：
实型铸造泡塑模型表面必需涂一层一定厚度的涂料，形成铸型内壳。其涂层的作用是为了提高EPS模型的强度和刚度，提高模型表面抗型砂冲刷能力，防止加砂过程中模型表面破损及振动造型及负压定型时模型的变形，确保铸件的尺寸精度。 外购的消失模铸造专用涂料,在涂料搅拌机内加水搅拌,使其得到合适的粘度。搅拌后的涂料放入容器内,用浸、刷、淋和喷的方法将模型组涂覆。一般涂两遍，使涂层厚度为0.5 ~ 2mm。据铸件合金种类、结构形状及尺寸大小不同选定。涂层在40~50℃下烘干。
5，振动造型：
我们介绍常用的一种造型方法（两种方法之一）。 其工序包括如下工序：砂床制备——放置EPS模型——填砂——密封定型 ①砂床制备 将带有抽气室的砂箱放在振动台上，并卡紧。底部放入一定厚度的底砂（一般砂床厚度在50~100mm以上），振动紧实。 型砂为无粘结剂、无填加物、不含水的干石英砂。黑色金属温度高，可选用较粗的砂，铝合金采用较细砂子。型砂经处理后要反复使用。 砂箱为单面开口、设有抽气室或抽气管、起吊或行走机构的砂箱。 ②放置EPS模型 振实后，其上据工艺要求放置EPS模型组，并培砂固定。 ③填砂 加入干砂（几种加砂方法），同时施以振动（X、Y、Z三个方向），时间一般为30~60秒，使型砂充满模型的各个部位，且使型砂的堆积密度增加。 ④密封定型 砂箱表面用塑料薄膜密封，用真空泵将砂箱内抽成一定真空，靠大气压力与铸型内压力之差将砂粒“粘结”在一起，维持铸型浇注过程不崩散，称之为“负压定型。较为常用。
6，浇注置换
EPS模型一般80℃左右软化，420~480℃时分解。分解产物有气体、液体及固体三部分。热分解温度不同，三者含量不同。 实型铸造浇注时，在液体金属的热作用下，EPS模型发生热解气化， 产生大量气体，不断通过涂层型砂，向外排放，在铸型、模型及金属间隙内形成一定气压，液体金属不断地占据EPS模型位置，向前推进，发生液体金属与EPS模型的置换过程。置换的最终结果是形成铸件。 浇注操作过程采用慢——快——慢。并保持连续浇注，防止浇注过程断流。浇后铸型真空维持3~5分钟后停泵。浇注温度比砂型铸造的温度高30~50℃。
7，冷却清理
冷却后，实型铸造落砂最为简单，将砂箱倾斜吊出铸件或直接从砂箱中吊出铸件均可，铸件与干砂自然分离。分离出的干砂处理后重复使用。
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生产实践证明，搅拌器的转速和搅拌时间会影响涂料的涂挂性能和沉淀情况。搅拌器转速高，搅拌时间长，涂料混合越均匀，不易沉淀，涂挂效果也很好。从工艺角度考虑，要求搅拌器的转速≥1380r/ min，搅拌时间>1h。
对于球磨机配制涂料，由于有球磨作用，能使涂料充分混合，达到胶质状态，涂挂的效果更好。其配制工艺是将耐火材料、活化膨润土和少许水先配成膏状涂料（水份占粉料质量的25%～30%）一起加入球磨机，然后再加适量水搅拌成涂料，球磨7~8小时，加入粘结剂和聚醋酸乙烯乳液后再球磨1小时，将涂料倒入或用压缩空气压入涂料桶充分搅拌，并视涂料的透气性能加入一些添加剂。
如果采用钙基膨润土，可加入碳酸钠(占膨润土量的5%)使其转化成钠基膨润土，称为活化处理。
对于高分子粘结剂使用前须预先配制成溶液。如羧甲基纤维素钠(CMC)预先配制成1∶40的水溶液；聚乙烯醇缩西醛(PVB)或酚醛树脂等预先配制成一定比例的乙醇溶液。
用球磨机或碾压机配制涂料，因耐火材料颗粒能被破碎，可选用较粗的粒度；而用搅拌机配制涂料则没有粉碎作用，因此应选用较细粒度的耐火材料。
采用球磨机或碾压机配制水基涂料时较粗的耐火骨料被粉碎形成新生表面而有较大活性，使载体在耐火材料颗粒表面均匀分布，故有较好的稳定性、触变性及高的强度等特性。
纸浆废液涂料是消失模涂料水基涂料的一种，其通常用在中小铸铁件、铝合金铸件的生产中，整体效果良好。在使用过程中需要注意三点：第一，纸浆废液涂料在浸挂后需要撒干石英砂，以防止涂料往下滑落。第二，如果遇到需要涂挂两层以上涂料的情况时，应采取快速干燥措施，否则干燥了的第一层涂料层容易潮解脱落，影响操作进程。第三，由于空气中有一定的湿度，即使干燥后的涂层在空气中放置过久也会吸潮，因此企业要尽量避免涂层在空气中长时间置放。
纸浆废液涂料基本配方见下表：
组分
石英粉 100
纸浆废液 6
膨润土 1.5
无水碳酸钠 5
聚醋酸乙烯乳液 1
水适量
说明：若将其中的耐火材料石英粉换成锆英粉，则可用于铸钢件、厚大铸铁件的使用。
快干涂料的配制
以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或酚醛树脂等作为粘结剂的快干涂料应预先配制成一定比例的乙醇溶液，然后将耐火骨料以及各种添加剂一并加入并充分搅拌。
消失模涂料的性能和结构的关系
对于消失模涂料的性能和组分间的关系已有很多的经验和知识积累，在前面已探讨过。对于涂料的性能和结构的关系的理解则很有限，建立涂料的性能和结构的关系有助于高性能新型涂料的开发和使用，并对消失模铸造工艺控制提供帮助。
早期的研究已触及该方面，Sun等人(1992)已揭示涂层的透气性取决于涂料中颗粒大小及分布、形状、以及气孔的特征，其研究已显示，一种主要由接近圆形的、尺寸较大、大小分布较均匀的氧化铝颗粒构成的涂料比另一种由不规则形状的、尺寸较小、大小分布不均匀的二氧化硅颗粒构成的涂料透气性更高。和Penumadu (2005)的研究表明涂层中“有效气孔”的大小和结构与涂层的透气性紧密相关。Qi等人(2005)曾尝试建立一个关于消失模涂料的结构模型以解释其传热和传质的特征。鉴于其复杂性，对于消失模涂料的性能和结构的关系还有很多的研究工作要做。
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涂料的主要涂敷方法有刷、浸、喷、流等。每种涂敷方法需要不同的涂料性能，而适宜涂敷方法的选择。取决于砂芯(型)形状、大小、批量以及是砂型还是砂芯。根据涂敷工艺方法的不同，若需稀释时，可选用与载体相同类的材料稀释到所需粘度、密度或波美度，且忌涂料过分稀释，以免影响涂料的悬浮性和涂刷性能；使用前应充分搅拌均匀，以便使涂料的性能充分地发挥。
1
刷涂法
要求涂料的类型是触变性流体。刷涂时要求工人有熟练的技术，劳动强大；一般铸件刷一遍即可，厚大件和易粘砂部位可刷两遍。刷涂后，1)醇基涂料立刻点燃，停止时间太长会使载体过分渗入砂型、芯和挥发，造成点燃困难或燃烧不充分。应采取喷灯之类烘烤工具进行烘烤，以免产生气孔缺陷；2)水基涂料应进行充分的烘干，烘干温度及时间根据型、芯的情况而定。
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浸涂法
将砂芯用手工或机械浸没在涂料槽中，经过一定时间从槽内取出，用振动、旋转、摔动或刷子去除多余涂料。该法是最快的施涂方法，大多用于高生产率的铸车间，容易实现机械操作。使用该方法时，最值得注意的两点：一是应掌握好涂料的密度或波美度，二是适当的浸涂时间。
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喷涂法
将涂料通过一定的压力喷出并雾化而施涂的一种方法。该方法施涂速度较快，生产效率高，最好用于形状较简单的砂型和砂芯。但使用醇基涂料时，酒精雾化散入空气的量大，污染环境。
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流涂法
是一种新型快速方法，特别适合在较大砂型和砂芯生产线上的涂料工位进行施涂的要求。
