【文章內(nèi)容簡介】 19 . . 三 研究背景 傳統(tǒng)造型：砂型鑄造（手工造型） 傳統(tǒng)造型工藝流程：制模、配砂、造型、造芯、合型、熔煉、澆注、落砂、 清理和檢驗(yàn)。下圖（ 1）、（ 2）、（ 3）分別為砂型造型的示意圖。 （ 1） （ 2） （ 3） 消失模造型 消失模鑄造工藝與普通鑄造的根本差異在于沒有型腔和分型面。如圖（ 4） 消失模鑄造工藝目前應(yīng)用較為普遍的是無粘結(jié)劑的干石英砂造型法。如圖（ 5） （ a） （ 4） . . （ 6） 圖 （ 5）為 消失模鑄造示意圖 實(shí)型鑄造與砂型鑄造相比所具有的優(yōu)勢 a. 簡化鑄件生產(chǎn)工序，縮短生產(chǎn)周期 b. 降低了鑄件廢品率，提高了鑄件質(zhì)量 c. 實(shí)型鑄造能避免普通砂型鑄造因起模、組芯及合箱等所引起的鑄件尺寸誤差和缺陷，使鑄件尺寸精度提高。 d. 增大了鑄件設(shè)計的自由度，由于模樣沒有分型面，因而很多普通砂型鑄造難以實(shí)現(xiàn)的問題在實(shí)型鑄造時卻容易解決。產(chǎn)品設(shè)計者可根據(jù)總體需要設(shè)計鑄件結(jié)構(gòu)。 了材料利用率 與傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)相比，消失模鑄造技術(shù)具有與無倫比的優(yōu)勢，因此被國內(nèi)外鑄造界譽(yù)為“二十一世紀(jì)的鑄造技術(shù)”和“鑄造工業(yè)的綠色革命”。 1956 年美國人 開始了將聚苯乙烯泡沫塑料用于鑄造的試驗(yàn)，并獲得成功， 1958 年以專利形式公布于眾，稱之為“無型腔鑄造”。開始只是用來制造金屬雕像等藝術(shù)品鑄件， 1962 年西德從美國引進(jìn)專利，消失模鑄造法才開始了工業(yè)應(yīng)用。 1964 年美國的 發(fā)表了使用無粘結(jié)劑干砂造型生產(chǎn)消失模鑄件專利。到了 1967年，采用普通粘土砂和 自硬砂的消失模鑄造法獲得了成功 ,并在許多國家得到了應(yīng)用，生產(chǎn)了成千上萬噸鑄件，但無粘結(jié)劑干砂實(shí)型鑄造卻沒得到發(fā)展，仍處于探索階段。在六十、七十年代，消失模鑄造法僅限于單件小批生產(chǎn)，典型產(chǎn)品是汽車模具、機(jī)器底座、藝術(shù)品等。 1968年，德國人 在砂箱內(nèi)抽成負(fù)壓進(jìn)行澆注，取得了專利，即現(xiàn)在的消失模鑄造。 八十年代以前，由于工藝、型砂和涂料等問題以及模型質(zhì)量不高所導(dǎo)致的實(shí)型鑄件外觀及內(nèi)在質(zhì)量不夠好，使得消失模鑄造法發(fā)展緩慢。 1981 年以后，由于發(fā)泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大進(jìn) 步、模型組合粘結(jié)劑質(zhì)量改善、高質(zhì)量涂料被研制成功等工藝技術(shù)的進(jìn)步，消失模鑄造法得以迅速發(fā)展，并很快在生產(chǎn)上得到應(yīng)用。 1982 年美國首先公開了世界上第一條生產(chǎn)復(fù)雜鋁鑄件的消失模鑄造生產(chǎn)線。至此，消失模鑄造作為一種全新的鑄造工藝方法被應(yīng)用于生產(chǎn)。 1979 年，由我國著名消失模鑄造專家、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員黃述哲教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，在中國最早開始了消失模鑄造的原理性試驗(yàn)。同年，黃述哲教授在全國鑄造工藝學(xué)會上發(fā)表了“消失模鑄造基本特性的研究”論文報告，在國內(nèi)首次系統(tǒng)闡述了. . 這一方法的特點(diǎn)和規(guī)律 性。 消失模鑄造技術(shù)自九十年代開始在我國進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，具有了一定規(guī)模。消失模鑄造技術(shù)也被國家重點(diǎn)推廣而成為改造傳統(tǒng)鑄造業(yè)應(yīng)用最廣泛的高新技術(shù)。 四 消失模鑄造工藝 消失模工藝流程：泡沫塑料珠粒 預(yù)發(fā)泡 模樣成形發(fā)泡 模樣組合（粘接）涂刷涂料 造型（填砂）澆注 落砂 消失模鑄造工藝過程如圖（ 7）、（ 8） （ 7） （ 8） 消失模的制造 消失模鑄造用的氣化模為蜂窩狀閉孔結(jié)構(gòu)，約 10000 個 /cm3 個封閉的泡孔，其孔徑為∮50um，壁厚約 —— um，凈體積僅為致密的聚苯乙烯塑料的 2%左右。 實(shí)型用泡沫塑料的特點(diǎn)及其要求： a. 比重小，氣化速度快，發(fā)氣量和殘留物少。 ，氣化時所需熱量少 ，模樣在制造、 搬運(yùn)、保管和造型的過程中不易損壞和變形。 d. 材料組織盡量細(xì)密、均勻，加工性能好， 制造出來的模樣表面光潔、平整。 e. 泡沫塑料模樣表面易于涂料， 烘干后涂 料層能牢固地粘附在模樣表面上。 f. 來源豐富、價格便宜 （ 9） 泡沫塑料的種類很多，有聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛和聚氨酯泡沫塑料等。試驗(yàn)表明，泡沫聚苯乙烯塑料是實(shí)型鑄造較理想的模制材料。其密度為 —— ，加熱至1000℃時，其發(fā)氣量為 105 cm3/g，氣化后殘留物僅占總重 量的 %左右。而泡沫酚醛塑料在同樣的溫度下的發(fā)氣量為 600 cm3/g，殘留物為 44%。泡沫聚氨酯塑料的發(fā)氣量達(dá)到 730 cm3/g，殘留物 14%。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用泡沫聚苯乙烯塑料制造氣化模。 聚苯乙烯珠粒的制取、預(yù)發(fā)泡、熟化、成型是關(guān)鍵步驟。 圖 （ 9）為氣化模的工藝圖 . . 可發(fā)性聚苯乙烯珠粒的制取 在聚苯乙烯珠粒（透明固體、密度約為 cm3/g）中 加入低沸點(diǎn)的碳?xì)浠衔?，如石油醚、丙烷、丁烷、戊? 和 異丙烷等作為發(fā)泡劑，在加溫加壓的條件下，發(fā) 泡劑將滲 透 到聚苯乙烯分子鏈之間，使聚苯乙烯顆粒膨脹，冷卻后均 勻 分散在珠粒內(nèi)，成為細(xì)小又繁多的發(fā)泡核心。滲透有發(fā)泡 劑 的珠粒，當(dāng)加熱至 80— 100℃時，聚苯乙烯開始軟化，發(fā)泡劑 氣化并產(chǎn)生膨脹力，軟化后的聚苯乙烯珠粒膨脹脹成為具有無 數(shù)的微小細(xì)孔的泡沫塑料，成為可發(fā)性聚苯乙烯珠粒。圖 （ 11） 為可發(fā)性的 聚苯乙烯珠粒。 （ 11） 預(yù)發(fā)泡 將可發(fā)性聚苯乙烯珠粒加熱到 80— 100℃時，達(dá)到其玻璃化溫度， 珠粒開始軟化并具有良好的塑性。由于珠粒中的發(fā)泡劑受熱氣化產(chǎn)生壓 力，使珠粒膨脹，形成互不連通的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。泡孔一形成，蒸汽就向 泡孔內(nèi)滲透，發(fā)泡劑同時也向外逸。由于蒸汽的滲透速度大于發(fā)泡劑的 外逸速度，使泡孔內(nèi)的壓力逐漸增大，泡孔的尺寸進(jìn)一步漲大，直至泡 孔內(nèi)外壁所受的壓力相等。為了保證聚苯乙烯塑料泡孔的完整性，發(fā)泡 劑所產(chǎn)生的壓力和蒸汽壓力不宜過大，通蒸汽的時間也不宜過長。根據(jù) 加熱介質(zhì)的不同，預(yù)發(fā)泡的方法有紅外線、高頻、熱水、蒸汽和真空預(yù) 發(fā)泡等五種。前三種方法預(yù)發(fā)泡的倍數(shù)小，發(fā)泡速度慢，成本高，一般 用于制造密度較大的氣化模。常采用的是熱水和蒸汽預(yù)發(fā)泡方法。 圖 （ 12） （ 12）為 聚苯乙烯珠粒發(fā)泡后的狀態(tài) 熟化 將預(yù)發(fā)泡的聚苯乙烯珠粒在空氣中放置 16—— 24 小時，讓空氣滲透到珠粒的泡孔內(nèi)，使泡孔內(nèi)外的壓力平衡，珠粒變成干燥并有彈性，變形后能恢復(fù)原來的形狀，這個過程叫熟化。用未經(jīng)熟化的珠粒發(fā)泡很難成型為氣化模。 成型 把經(jīng)預(yù)發(fā)泡并熟化處理的泡沫聚苯乙烯珠粒用壓縮空氣吹入金屬壓 型里，加熱使其軟化膨脹，充滿整個壓型，然后降低蒸汽壓力，冷卻后 可獲 得所需的氣化模。圖 （ 13）、（ 14）為成形后的消失模 加熱的方法有熱水成型法、蒸缸成型法、壓機(jī)氣室成型法和高頻加 熱成型法等四種。 （ 13） （ 14） . . 模型組合成簇 將自行加工好（或外購）的泡塑模型與澆冒口模型組合粘結(jié)在一起，形成模型簇，這種組合有時在涂料前進(jìn)行，有時在涂層制備后埋箱造型時進(jìn)行。這是消失模（實(shí)型）鑄造不可缺少的一道工序。 目前使用的粘結(jié)材料：橡膠乳液、樹脂溶劑和熱熔膠及膠帶紙。 模型涂層 消失模鑄造泡塑模型表面必需涂一層一定厚度的涂料，形成鑄型內(nèi)殼。 涂層的作用 涂料在消失模鑄造工藝中具有十分重要的控制作用： ，可防止沖砂、粘砂等缺陷； ，涂層將模樣的熱解產(chǎn)物氣體快速導(dǎo)出，可防止?jié)膊蛔恪饪?、夾渣、增碳等缺陷產(chǎn)生； ，使模樣能經(jīng)受住填砂、緊實(shí)、抽真空等過程中力的作用，避免模樣變形。 對涂料的要求 為了獲得高質(zhì)量的消失模鑄件，消失模鑄造涂料應(yīng)具有如下性能： （模樣受熱汽化生成的氣體容易通過涂層，經(jīng)型砂之間的間隙由真空泵 強(qiáng)行抽走）； （涂料涂掛后能在模樣表面獲得一層厚度均勻的涂層）； （常溫下能經(jīng)受住搬運(yùn)、緊實(shí)時的作用力使涂層不會剝落，高溫下能抵抗金屬液的沖刷作用力）； （涂料層經(jīng)烘干后，在澆注過程中與金屬液作用時產(chǎn)生的氣體量?。? 低溫干燥速度快（低溫烘干時，干燥速度快，不會產(chǎn)生龜裂、結(jié)殼等現(xiàn) 象）。 消失模鑄造的涂料 根據(jù)分散介質(zhì)（溶劑）的不同，消失模鑄造涂料又可分為水基涂料和有機(jī)溶劑快干涂料兩大類。圖 （ 15） 消失模鑄造鑄造涂料 （ 15） . . 表 1 為幾種典型的消失模鑄造水基涂料配方（配方中耐火材料為 100%） 造型 其工序包括如下工序：砂床制備 —— 放置 EPS 模型 —— 填砂 —— 密封定型 砂床制備 將帶有抽氣室的砂箱放在振動臺上，并卡緊。底部放入一定厚度的底砂（一般砂床厚度在 50~100mm 以上），振動緊實(shí)。 型砂為無粘結(jié)劑、無填加物、不含水的干石英砂。黑色金屬溫度高，可選用較粗的砂，鋁合金采用較細(xì)砂子。型砂經(jīng)處理后要反復(fù)使用。 砂箱為單面開口、設(shè)有抽氣室或抽氣管、起吊或行走機(jī)構(gòu)的砂箱。 放置 EPS 模型并填沙 在模樣放入砂箱內(nèi)緊實(shí)之前，砂箱的底部要填入一定厚度的型砂作為放置模樣的砂床（砂床的厚度一般約為 100mm)。然后放入模樣，再邊加砂、邊振 動緊實(shí)，直至填滿砂箱、緊實(shí)完畢。為了避免加砂過程中因砂粒的沖擊使模樣變形，由砂斗向砂箱內(nèi)加砂常采用柔性管加砂、雨淋式加砂兩種方法。前者是