消失模铸造培训资料PPT.ppt
6.消失模铸造,定义:消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。对于消失模铸造，有多种不同的叫法。,国内主要的叫法有“干砂实型铸造”、“负压实型铸造”，简称EPC铸造。国外的叫法主要有：Lost Foam Process(U.S.A)、Policast Process(Italy)等。,1956年美国人H.F.SHOYER开始了将聚苯乙烯泡沫塑料用于铸造的试验，并获得成功,引起了人们极大的兴趣，1958年以专利的形式公布于众，当时称之为“无型腔铸造”。起初，该法只是用来制造金属雕像等艺术品铸件，以后经过许多实践和探索，1962年西德从美国引进专利，消失模铸造法才开始被开发，并在工业上得到应用。,1964年美国的T.R.SMITH发表了使用无粘结剂干砂造型生产消失模铸件的专利。到了1967年,采用普通粘土砂和自硬砂的消失模铸造法获得了成功,并在许多国家得到了应用,生产了成千上万吨铸件,但无粘结剂干砂实型铸造却没得到发展,仍处于探索阶段。在整个六十年代直至七十年代,消失模铸造法仅限于单件小批生产,典型产品是汽车模具、机器底座、艺术品等。1968年，德国人E.KRYZMOWSKI在砂箱内抽成负压进行浇注,取得了专利，即现在的消失模铸造。,八十年代以前，由于专利的制约，生产中使用无粘结剂干砂消失模铸造受到限制；铸造界与其他产业部门协调不够；由于工艺不当、型砂和涂料不合适以及模型质量不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好，造成了一部分人的等待、观望甚至怀疑的态度，使得消失模铸造法发展缓慢。,1981年以后由于相应专利技术失效，再加上经过几年努力，发泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组合粘结剂质量改善、高质量涂料被研制成功等工艺技术的进步，消失模铸造法得以迅速发展，并很快在生产上得到应用。1982年美国首先公开了世界上第一条生产复杂铝铸件的消失模铸造生产线。至此，消失模铸造作为一种全新的铸造工艺方法被应用于生产。,1979年，由我国著名消失模铸造专家、中国科学院长春光学精密机械研究所研究员黄述哲教授领导的课题组，在中国最早开始了消失模铸造的原理性试验。同年，黄述哲教授在全国铸造工艺学会上发表了“消失模铸造基本特性的研究”论文报告，在国内首次系统阐述了这一方法的特点和规律性。1982年，在光机所工厂建成了一条消失模铸造实验生产线。八十年代后期郑州机械所也开始了消失模铸造的试验性应用研究。九十年代开始以来，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、西安交大等也纷纷加入了消失模铸造的研究。,6.1 消失模铸造工艺,最普遍实用的方法是把涂有耐火材料涂层的模型放入砂箱，模型四周用干砂充填紧实，浇注液态金属，取代泡沫塑料模型，这种铸造工艺被称为：消失模铸造（EPC）、气化模铸造及实型铸造等。美国铸造协会消失模铸造委员会采用了“消失模铸造”作为该工艺的名称。消失模铸造是一项创新的铸造工艺方法，可用于生产有色及黑色金属动力系统的零件，包括：汽缸体、汽缸盖、曲轴、变速箱、进气管、排气管及刹车毂等铸件。,玻璃铝合金检具,汽缸体,消失模铸造（又称实型铸造）是将与铸件尺寸形状相似的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。消失模铸造分为两类：用板材加工成形的气化模铸造和用模具发泡成形的消失模铸造。前者的主要特点是：1）模样不用模具成形，而是采用市售的泡沫板材，用数控加工机床分块制作，然后粘合而成。2）通常采用树脂砂或水玻璃砂作充填砂，也有人采用干砂负压造型。后者的主要特点是，模样在模具中成形和采用负压干砂造型。它主要适用于中、小型铸件的大批生产。通常称这种方法为Lost Foam Casting,简称LFC法。泡沫塑料EPC模采用无粘结剂干砂结合抽真空的铸造法,称为消失模铸造法,也叫EPC 法,干砂负压消失模铸造技术（简称LFC）是一项精确成形的铸造新技术，被铸造界的权威人士称为“代表21世纪的铸造新技术”，“使铸造技术在与其他成形方法和替代材料的竞争中立于不败之地的一张王牌”。,LFC法与传统的粘土砂铸造的主要工艺流程比较如下图：,1、预发泡,模型生产是消失模铸造工艺的第一道工序，复杂铸件如汽缸盖，需要数块泡沫模型分别制作，然后再胶合成一个整体模型。每个分块模型都需要一套模具进行生产，另外在胶合操作中还可能需要一套胎具，用于保持各分块的准确定位，模型的成型工艺分为两步，第一步是将聚苯乙烯珠粒预发到适当密度，一般通过蒸汽快速加热来进行，此阶段称为预发泡。,2、模型成型,经过预发泡的珠粒要先进行稳定化处理，然后再送到成型机的料斗中，通过加料孔进行加料，模具型腔充满预发的珠粒后，开始通入蒸汽，使珠粒软化、膨胀，挤满所有空隙并且粘合成一体，这样就完成了泡沫模型的制造过程，此阶段称为蒸压成型。成型后，在模具的水冷腔内通过大流量水流对模型进行冷却，然后打开模具取出模型，此时模型温度提高且强度较低，所以在脱模和储存期间必须谨慎操作，防止变形及损坏。,美国齿轮箱体铸件、泡沫合肥叉车集团,3、模型簇组合,模型在使用之前，必须存放适当时间使其熟化稳定，典型的模型存放周期多达30天，而对于用设计独特的模具所成型的模型仅需存放2个小时，模型熟化稳定后，可对分块模型进行胶粘结合。分块模型胶合使用热熔胶在自动胶合机上进行。胶合面接缝处应密封牢固，以减少产生铸造缺陷的可能性。,4、模型簇浸涂,为了每箱浇注可生产更多的铸件，有时将许多模型胶接成簇，把模型簇浸入耐火涂料中，然后在大约3060C（86-140F）的空气循环烘炉中干燥23个小时，干燥之后，将模型簇放入砂箱，填入干砂振动紧实，必须使所有模型簇内部孔腔和外围的干砂都得到紧实和支撑。,5、浇注,模型簇在砂箱内通过干砂振动充填坚实后，铸型就可浇注，熔融金属浇入铸型后（浇注温度铸铝约在760C/1400F，铸铁约在1425C/2600F），模型气化被金属所取代形成铸件。下图是消失模工艺的砂箱和浇注示意图。在消失模铸造工艺中，浇注速度比传统空型铸造更为关键。如果浇注过程中断，砂型就可能塌陷造成废品。因此为减少每次浇注的差别，最好使用自动浇注机。,6、落砂清理,浇注之后，铸件在砂箱中凝固和冷却，然后落砂。铸件落砂相当简单，倾翻砂箱铸件就从松散的干砂中掉出。随后将铸件进行自动分离、清理、检查并放到铸件箱中运走。干砂冷却后可重新使用，很少使用其他附加工序，金属废料可在生产中重熔使用。,LFC法的主要特点：1）LFC是一种近无余量、精确成形的工艺；2）容易实现清洁生产；3）为铸件结构设计提供了充分的自由度；4）金属液的流动前沿是热解的消失模产物（气体和液体），它会与金属液发生反映并影响到金属液的充填，如果金属充型过程中热解产物不能顺利排除，就容易引起气孔、皱皮、增碳等缺陷。这就要求工艺师掌握消失模铸造成形原理，正确设计浇注系统，制定合理的工艺方案。5）模具的铸造成本较高，要求有一定的生产批量，否则很难获得好的经济效益。,美国GM Powertrain公司生产2.2L-14缸体，重25kg。采用消失模铸造后，其功率和扭矩提升，噪声和振动下降，重量比砂型铸件减轻6.7kg,综上所述，消失模铸造符合当今铸造技术发展的总趋势有着广阔的前景，与传统铸造技术相比，消失模铸造技术具有与无伦比的优势，被国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术”、“铸造工业的绿色革命”。,1 技术方面 1）模型设计的自由度增大 新工艺有可能进行造型设计，并完全可以从第一阶段就能在模型上增加一些附加功能。例如：柴油预热器有一个特殊功能部件，它可采用消失模铸造工艺进行制造，而不能采用传统铸造方法生产。2）免除了铸件生产中使用的砂芯 3）很多铸件可以不要冒口补缩 4）提高铸件精度 可获得形状结构复杂，可100重复生产高精度铸件，可使铸件壁厚偏差控制在-0.15+0.15mm之间。5）在模型接合面不产生飞边 6）具有减轻铸件重量约1/3的优势 7）减少加工余量 可以减小机加工余量，对某些零件甚至可以不加工。这就大大减少了机加工和机床投资（例如，对于不同情况可以减少一半投资）。8）与传统空腔铸造相比，模具投资下降。9）完全消除了传统的落砂和出芯工序,目前，国内外在柴油机和汽油机发动机缸体的泡沫模型的结构工艺设计上有较大差异，从分片方案到模片的工艺处理均不尽相同。欧美国家在分片方案上多采用自缸盖结合面至油底壳面水平切分(包括“V”形和直列式缸体)的方式，如图1 所示。这种分型方案的优点是有利于实现自动化大批量生产，且胶合线互不干涉，胶合质量有保证；不足之处是胶合线较多且大部分分布在非加工面上，外观的整体美感不及普通砂型铸造件。与之配套的模片工艺处理较大的地方是将曲轴箱沿起模方向进行局部封实和镂空处理，如图2所示。,2 经济方面 1）可整体生产复杂铸件 采用新工艺设计，分块模型可胶合组成整体模型，铸成复杂整体部件，对比原先多个铸件组合装配部件（如柴油预热器）而言，可获益1到10倍。2）减少车间人员 建立消失模铸造工厂，所雇员工数量少于传统铸造工厂，因此应当考虑这一因素。3）铸造工艺灵活 铸造工艺的灵活性非常重要，因为新工艺有可能同时生产在砂箱中变化放置大量类似的或不同的铸件，浇注系统也因此十分灵活。总之，我们可以说，每种优势都与经济利益相一致，同时还改善了工作条件。,3 环境保护 聚苯乙烯和PMMA在燃烧时产生一氧化碳、二氧化碳、水及其他碳氢化合物气体，其含量均低于欧洲允许的标准。干砂可使用天然硅砂，100%反复循环使用，不含有粘结剂。模型使用的涂料是在水中添加粘结剂等辅料组成，不产生污染。,大量生产条件下传统粘土砂型铸造与消失模铸造工艺特点的比较,6.2 消失模铸造辅料,消失模铸造用涂料的基本组成包括耐火填料、载体、悬浮剂、粘结剂和添加剂等5种基本组分，其有别于普通砂型铸造涂料的几个主要性能有强度、透气性、吸着性、涂刷性和不流淌性等。消失模铸造涂料的作用主要有：1)降低铸件表面粗糙度值；2)防止或减少铸件粘砂、砂眼等缺陷；3)提高铸件落砂、清理效率；4)使金属液流动前沿气隙中模样热解的气体和液体产物顺利地通过，排到铸型中去，但又要防止金属液的渗入，这是防止铸件产生气孔、金属渗透和碳缺陷十分重要的条件；5)提高泡沫模样的强度和刚度，防止模样在运输、填砂振动时产生变形和破坏；6)对于铝合金铸件，尤其是薄壁铝合金铸件，有良好的保温绝热作用，以防止由于模样热解吸热使金属流动前沿温度下降过快，避免冷隔和交不到缺陷。,1、涂料,消失模铸造用模片粘合剂可分为4大类：热溶胶、水溶胶、溶剂挥发胶和双组分胶。它们都必须满足以下要求：对泡沫模样午腐蚀作用；软化点适中，快干性能好；粘合强度较好，并有一定的柔软性；分解气化温度低，残留物少。,2、粘合剂,1消失模铸造专用的可发性聚苯乙烯树脂珠粒（EPS）；2可发性甲基丙烯酸甲脂与苯乙烯共聚树脂珠粒（STMMA）；3可发性聚甲基丙烯酸甲脂树脂珠粒（EPMMA）。用户根据铸件的特点和要求来选用需要的品种和规格，以确保获得优质的泡沫塑料模型和消失模铸件。,3、泡沫珠粒,6.3 消失模铸造发展趋势,美国学者C.Bates教授等发表了全球消失模生产技术和市场发展的论文，比较详细地论述了模样制作、涂料、砂子紧实、浇注、充型和模样热解各个环节的成就和发展趋势，许多北美的企业、高校和行业组织联合起来，组成消失模铸造联盟，对该工艺进行进行开发研究，经过不懈的努力，使该工艺得到不断的改善，工艺过程得到更好的控制，也逐渐被更多的铸造界人士所认同，铸造企业和铸件的使用者都从中受益。1999年美国威斯康星大学的一项市场市场调查表明，在未来的6到10年中，消失模工艺的前景一片光明。市场调查表明：在1990年，有6%的铝合金铸件是使用消失模铸造工艺生产的。预计到2007年，将会有29%的铝合金铸件使用该工艺。从1997年起，灰铸铁和球铁方面也有较大增长，目前约有2%的灰铸铁件是由消失模工艺生产的，预计到2009年将达到15%。消失模工艺不断为人们所认识，也为新产品的生产提供了足够的信心。通用（美国）、TEKSID（美国）、CASTI（意大利）、INTERMET（美国）、CITATION FORM（美国）、宝马（德国）都已经引进了消失模铸造工艺。,消失模铸造技术自九十年代开始在我国进入工业化应用，经过十几年的发展，我国的消失模铸造工业具有了一定规模，成为铸造工业的重要组成部分。消失模铸造技术也被国家重点推广而成为改造传统铸造业应用最广泛的高新技术。但总的来说，我国消失模铸造的生产应用水平与发达国家仍然有很大的差距。目前，我国的消失模铸造厂家大大小小有数百家。但大部分的工厂生产能力都不大（与国外动辄数万吨的生产能力相比差距较大）。形成这种状况，除了我国的消失模铸造工业起步较晚之外，还因为：,（一）很难接受技术和工艺的有偿服务，这是我国企业的“通病”，消失模铸造行业也不例外。我国的生产厂家过去在引进消失模铸造时，过分注重硬件设备的引进，而忽视软技术的引进。消失模铸造对于大多数企业来讲，毕竟是新生事物，从接触到理解到应用需要一个过程，是无法一蹉而就的。靠企业自身的技术力量去探索生产技术、产品工艺等，周期较长。所以，厂家在引进消失模铸造工艺时，应当注意对技术和工艺的引进。,（二）我国国产的消失模铸造设备水平能基本满足生产的需要，但提供者对于消失模铸造技术和生产工艺的掌握却差别不一。我们在引进消失模铸造工艺时，应对供应商进行综合评价。（三）我国引进消失模铸造的历史不长，既有理论又有实践的消失模铸造技术人才还不多。因此，技术人才的培养，是我国消失模铸造工业迅速发展的迫切需要。,现在，我国的消失模铸造处于一个蓬勃发展的历史时期，只要我们能够吸取经验教训，并作出不懈的努力，前景将会一片光明。,7.半固态铸造,自1971年美国麻省理工学院的D.B.Spencer和M.C.Flemings发明了一种搅动铸造（stir cast）新工艺，即用旋转双桶机械搅拌法制备出Sr15%Pb流变浆料以来，半固态金属（SSM）铸造工艺技术经历了20余年的研究与发展。搅动铸造制备的合金一般称为非枝晶组织合金或称部分凝固铸造合金（Partially Solidified Casting Alloys）。由于采用该技术的产品具有高质量、高性能和高合金化的特点，因此具有强大的生命力。除军事装备上的应用外，开始主要集中用于自动车的关键部件上，例如，用于汽车轮毂，可提高性能、减轻重量、降低废品率。此后，逐渐在其它领域获得应用，生产高性能和近净成形的部件。半固态金属铸造工艺的成形机械也相继推出。目前已研制生产出从600吨到2000吨的半固态铸造用压铸机，成形件重量可达7kg以上。当前，在美国和欧洲，该项工艺技术的应用较为广泛。半固态金属铸造工艺被认为是21世纪最具发展前途的近净成形和新材料制备技术之一。,7.1 半固态铸造工艺原理,在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达0.5-0.6时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。,7.2 半固态铸造的合金制备,制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激活法（SIMA）、喷射沉积法（Spray）、控制合金浇注温度法等。其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度法和SIMA法，是最具工业应用潜力的方法。,1机械搅拌法机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。Flemings等人用一套由同心带齿内外筒组成的搅拌装置（外筒旋转，内筒静止），成功地制备了锡-铅合金半固态浆液；H.Lehuy等人用搅拌桨制备了铝-铜合金、锌-铝合金和铝-硅合金半固态浆液。后人又对搅拌器进行了改进，采用螺旋式搅拌器制备了ZA-22合金半固态浆液。通过改进，改善了浆液的搅拌效果，强化了型内金属液的整体流动强度，并使金属液产生向下压力，促进浇注，提高了铸锭的力学性能。,2 电磁搅拌法电磁搅拌是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法；另一种是1993年由法国的C.Vives推出的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。,3 应变诱发熔化激活法（SIMA）应变诱发熔化激活法（SIMA）是将常规铸锭经过预变形，如进行挤压、滚压等热加工制成半成品棒料，这时的显微组织具有强烈的拉长形变结构，然后加热到固液两相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组织铸锭。SIMA工艺效果主要取决于较低温度的热加工和重熔两个阶段，或者在两者之间再加一个冷加工阶段，工艺就更易控制。SIMA技术适用于各种高、低熔点的合金系列，尤其对制备较高熔点的非枝晶合金具有独特的优越性。已成功应用于不锈钢、工具钢和铜合金、铝合金系列，获得了晶粒尺寸20um左右的非枝晶组织合金，正成为一种有竞争力的制备半固态成形原材料的方法。但是，它的最大缺点是制备的坯料尺寸较小。,7.3 半固态铸造成形方法,（1）流变铸造（Rheoforming,Rheocast）,触变铸造工艺示意图1 压铸合金 2 连续供给合金液 3 感应加热器 4 冷却器 5 流变铸锭 6 压射室 7 压铸模,在金属液从液相到固相冷却过程中进行强烈搅动，在一定固相分数下，直接将所得到的半固态金属浆液压铸或挤压成形，见图2。如R.Shibata等人曾将用电磁搅拌方法制备的半固态合金浆液直接送入压铸机射室中成形。该方法生产的铝合金铸件的力学性能较挤压铸件高，与半固态触变铸件的性能相当。问题是，半固态金属浆液的保存和输送难度较大，故实际投入应用的不多。,（2）触变铸造（Thixoforming,Thixocast）,将已制备的非枝晶组织锭坯重新加热到固液两相区达到适宜粘度后，进行压铸或挤压成形，如图3所示。,触变铸造工艺示意图1 坯料 2 软度指示计 3 坯料重新加热装置 4 压射室 5 压铸模,美国的EOPCO、HPM Corp.、Prince Machine、THT Presses以及瑞士的Buhler公司、意大利的IDRA USA、Italpresse of America、加拿大的Producer USA、日本的Toshiba Machine Corp和UBE Machinery Services等均已能生产半固态铝合金触变成形专用设备。该方法对坯料的加热、输送易于实现自动化，故是当今半固态铸造的主要工艺方法。,汽车零件,瑞士 BHLER 公司推出的触变压铸设备,几种铸造方法铸件性能比较,半固态压铸工艺的优点可归纳为工艺优势和产品优势。(1)工艺优势1）不需加任何晶粒细化剂即可获得细晶粒组织，消除了传统铸造中的柱状晶和粗大树枝晶。2）成形温度低（如铝合金可降低120以上），可节省能源。3）模具寿命延长。因较低温度的半固态浆料成形时的剪切应力，比传统的枝晶浆料小三个数量级，故充型平稳、热负荷小，热疲劳强度下降。4）减少污染和不安全因素。因作业时摆脱了高温液态金属环境。5）变形阻力小，采用较小的力就可实现均质加工，对难加工材料的成形容易。6）凝固速度加快，生产率提高，工艺周期缩短。7）适于采用计算机辅助设计和制造，提高了生产的自动化程度。(2)产品优势1）铸件质量高。因晶粒细化、组织分布均匀、体收缩减少、热裂倾向下降，基体上消除了缩松倾向，力学性能大幅度提高。2）凝固收缩小，故成形后尺寸精度高，加工余量小，近净成形。3）成形合金范围广。非铁合金有铝、镁、锌、锡、铜、镍基合金；铁基合金有不锈钢、低合金钢等。4）制造金属基复合材料。利用半固态金属的高粘度，可使密度差大、固溶度小的金属制成合金，也可有效地使用不同材料混合，制成新的复合材料。,Al-6Si-2Mg铝合金半固态触变成形压铸,Al-6Si-2Mg铝合金，液相线温度615，固相线温度557，具有优良的触变成形工艺性能。棒坯采用热顶法，电磁搅拌垂直半连续铸造，直径为6070mm；坯料在中频感应设备的线圈中加热，开始快速加热到500，而后慢速加热，芯部达560后，进一步降低加热功率，在芯部达到575后，移到2800KN卧式冷室压铸机上，压铸成汽车发动机上用水泵盖。压铸件微观组织见图7，半固态压铸中，已熔化的-Al 在压铸高速剪切触变成形中，一部分使初生-Al长大，一部分凝固成细小呈球状的次生-Al。共晶组织中Mg2Si比连铸组织中更为细小；由于半固态组织中无气孔，经540，8小时固溶处理后水淬，再经170，6小时人工时效，获得如下力学性能：抗拉强度340MPa,屈服强度310MPa,延伸率3.5%（铸造，2005，54（5）：475-478）。,半固态触变成形压铸Al-6Si-2Mg铝合金水泵盖及其微观组织,
