消失模铸造专用泡沫的性能和应用(转载)

铸造小虎

一.前言
进一步提高铸造产品的质量和合格率，降低铸件的生产成本，是每一个消失模铸造企业所追求的目标。而制约消失模铸造良性发展最根本的因素就是消失模模样材料，劣质的白区产品=劣质的黑区产品，这是全世界所有消失模铸造厂家所共知的事实。
经多年的消失模模样材料应用研究，我们发现：由于模具收缩及产品低附加值等原因，众多消失模铸造企业只能用普通的EPS，导致消失模铸件缺陷多发，铸件合格率偏低，生产成本居高不下。
针对现有EPS存在的不足，我们研发生产了STMMA-FD珠粒，以解决现有EPS其分子量过低，强度和刚度不高的问题，减少铸件在铸造时产生的碳缺陷。STMMA-FD珠粒主要应用于灰铁类、铝合金等中低端消失模铸件的生产。经江苏盐城、河北衡水、浙江湖州等公司现场实际试验证明，在预发、成型、模样时效处理、涂料浸涂烘干等操作与EPS工艺完全一样的情况下，使用STMMA-FD珠粒后，模样的尺寸稳定性和强度、铸件的表面光洁度得到了较大的提高，铸件的碳缺陷降低，铸件的合格率提高了6%以上，使铸造企业的经济效益得到了大幅度的提高。
二.STMMA-FD珠粒性能介绍
1.国内外使用模样材料分析
优质的模样材料是生产优质模样的的前提，纵观全世界使用模样材料情况，在STMMA-FD珠粒尚未投入应用之前，消失模铸造常用的模样材料有两大块：EPS和共聚物。其中国外和台湾的EPS为消失模铸造铝合金专用EPS，国内的EPS为可发性聚苯乙烯。而共聚物主要有中国凯斯特（本公司）的STMMA共聚珠粒及日本三菱公司的CLEARPOR共聚物。
众所周知，我国国内目前还没有消失模铸造专用的EPS珠粒，国内消失模铸造企业一般使用EPS和STNNA共聚珠粒，所有使用EPS的厂家所用的都是包装或建筑用的可发性聚苯乙烯。这些EPS的原料来源很杂，有时会有不同性质的原料混在一起（据了解，由于这几年建筑和包装行业对EPS阻燃级的要求，基本上95%的原料均加阻燃剂），致使我们的铸件缺陷多发，铸件的合格率较低，生产成本自然就高。
欧、美、日等国家的消失模工艺铸出的产品要比我们的好得多，其中最主要的原因，是这些国家的有色金属铸造使用EPS专用料，黑色金属消失模铸造均采用共聚物。与国外发达国家相比，我国的消失模铸造技术还有较大的差距。
2.目前国内EPS存在的缺陷
（1）国内目前还没有专用于消失模铸造工艺的聚苯乙烯泡沫（简称EPS），大多数消失模铸造企业都在使用包装用EPS筛余料（下脚料）代替专用料，包装用EPS是通过苯乙烯单体聚合而成，其分子量过低（只有5万左右），导致模样的强度和刚度不够，不适用消失模铸造。
（2）我们知道，有机物中碳原子占整个分子的比例越大，由于有机物不完全燃烧的原因，使其在燃耗过程中，更容易产生黑烟。同理，碳原子含量越高的有机物，在加热分解过程中，越容易产生碳化现象。部分化合物因为其碳原子所占整个分子的比重较大，在进一步的加热过程中，容易碳化。由于在碳化后仍处于高温状态，碳原子活性也较大，因此会进入到铸件中，产生碳缺陷。
因此，当用普通EPS珠粒制作的模样用于消失模铸造中，在浇注时，EPS泡沫先随着温度的升高，其中一部分键能较弱的链段发生断裂，随着温度的持续升高，键能较强的链段也发生断裂，这就形成若干分子量较低的烃类化合物。且在这些烃类化合物中存在一部分还有碳碳双键以及碳碳三键的化合物。EPS模样对钢铸件表面增碳量为0.3~0.5%，在球铁和灰铁浇铸中最为引人注目，它表现为皱纹、冷却结疤、表面凹陷和表面下的夹渣等，使得铸件的力学性能受到很大的影响。国内仍有很多铸造厂家至今不敢上消失模，或上了消失模生产线却不能批量生产，一个最关键的原因，是我国目前还没有完全解决该种缺陷的好方法。
特别是在铸铝时，碳夹杂物成为消失模铸造过程中主要问题，碳夹杂物出现于两股金属流相遇，但还没有浸润互熔而导致“冷隔”。假如铸件是循环加热—冷却的，碳夹杂物还会导致金属疲劳断裂。假如一个铝铸件中存在碳夹杂物缺陷，那么一般情况下，该碳夹杂物缺陷将出现在每一个铸件中。就铸件而言，在某些情况下，当此缺陷不存在于铸件的重要区域时，还不是什么严重的问题。但如果碳夹杂物出现在重要部位，如像发动机缸体这样的铸件，由于其承受高低温循环变化和压力的考验，造成液体在铸件内部渗漏，则将导致极为严重的故障。
3.STMMA-FD珠粒的介绍
针对现有EPS存在的不足，我们研发STMMA-FD珠粒的第一目的，在于更有效的减少铸件在铸造时产生的碳缺陷问题。第二目的，是在于解决现有EPS其分子量过低，强度和刚度不高的问题。
STMMA-FD珠粒是通过在苯乙烯的合成中加入少量甲基丙烯酸甲脂，是一种新型改性的可发性聚苯乙烯颗粒，来提高分子量。同时通过有机溴和甲基丙烯酸甲酯的结合使用下减少碳缺陷问题的产生。有机溴在受热情况下，会产生溴化氢，溴化氢会与碳碳双键和碳碳三键发生加成反应，一方面，发生加成反应后，打破了原有碳碳双键和三键，使得整个分子中碳原子所占的比例下降，而铸件中的碳缺陷主要由于聚合物受热形成的碳碳双键以及碳碳三键的存在而产生，因此可在一定程度上减少了碳化。其次，溴原子的相对分子质量大于氢原子，再结合甲基丙烯酸甲酯聚合出的改性可发性聚苯乙烯共聚颗粒，相比于目前的聚苯乙烯泡沫，其碳元素的比例大大下降，可以有效的通过碳含量的降低来减小碳缺陷的产生。
STMMA-FD珠粒主要应用于灰铁类、铝合金等中低端消失模铸件的生产，与EPS相比有如下优点：
（1）降低了铸件的碳缺陷；
（2）提高了模样强度和尺寸稳定性；
（3）提高了铸件表面光洁度和成品率；
（4）降低了铸件的综合生产成本。
STMMA-FD珠粒的上述优点是由材料的性质决定的，STMMA-FD与EPS的综合性能比较如表1所示：

4.消失模铸造用珠粒规格、粒径范围和发泡倍率
STMMA-FD珠粒规格、粒径范围和发泡倍率见表2。

5.消失模铸造用珠粒含碳量、模样燃烧分解残留物对比
消失模铸造用珠粒含碳量的对比见图1，模样燃烧分解残留物的对比见表3。



STMMA-FD和STMMA共聚珠粒投产以来，已在国内外几百家消失模铸造公司使用，并取得了良好的效果，这对提高我国消失模铸造技术水平和铸件质量作出了应有的贡献。
三、STMMA-FD珠粒应用实例
1.STMMA-FD珠粒试验过程和部分客户应用案例
案例1：江苏盐城某公司之前用普通EPS珠粒生产180㎏球铁变速箱（毛坯重：180kg，最薄尺寸：12mm，最厚尺寸20mm），由于当时对消失模铸造原材料的忽视，铸造出来的铸件出现碳缺陷，冷隔等问题，废品比例15~20%，导致综合成本增加。
由于第一副模具当时是按普通EPS定的尺寸收缩，我们用凯斯特公司的新材料FD珠粒进行了试验，试验过程如下：
选用珠粒规格/粒径：STMMA-FD2#（0.45mm~0.6mm）；
预发密度：19g/L±0.5g/L；
预发、成型、模样时效处理、涂料浸涂烘干和之前工艺完全一致；
模样尺寸收缩对比：模样的尺寸收缩与普通EPS一致，铸件毛坯尺寸一致；
浇注过程对比：QT450-10箱体，浇注温度：1500~1450℃；所有工艺都按照之前工艺执行，浇注速度与EPS一致，浇注过程无反喷现象；
铸件质量对比：使用FD珠粒实验时，其他工艺控制按之前执行，生产出的铸件表面光洁度好，表面碳缺陷基本没有，与普通EPS相比有了很大的提升。
产品批量生产稳定性对比：使用FD珠粒，生产浇注铸件5件，其中4件整体质量很好，有一件表面有少量碳缺陷，但不影响加工。
工艺试验后，后续又进行了小批量和批量生产，批量生产合格率稳定在93%左右，每月用消失模工艺生产相关产品300吨左右。使用STMMA-FD珠粒，使公司铸件产品质量和合格率有了较大的提升。每吨铸件综合成本比用普通EPS降低250元。
案例2：河北衡水某公司之前用市场上普通EPS珠粒生产风机配件—水冷机座（毛坯重：20kg，最薄尺寸：6mm，最厚尺寸20mm），铸造出来的铸件出现铸件表面不平整、冷隔、积碳缺陷等问题，试压渗漏，废品比例10~20%，导致综合成本增加。
由于模具是按普通EPS尺寸收缩开的，我们用凯斯特公司的新材料FD珠粒进行了试验，试验过程如下：
选用珠粒规格/粒径：STMMA-FD3#（0.35mm-0.5mm）；
预发密度：22g/L±0.5g/L；
预发、成型、模样时效处理、涂料浸涂烘干和之前工艺完全一致；
模样尺寸收缩对比：模样的尺寸收缩与普通EPS一致，铸件毛坯尺寸一致；
浇注过程对比：HT250水冷机座，浇注温度：1450℃；所有工艺都按照之前工艺执行，浇注速度与EPS一致，浇注过程无反喷现象；
铸件质量对比：使用FD珠粒实验时，其他工艺控制按之前执行，生产出的铸件外观无皱皮、积碳等缺陷，与普通EPS相比有了很大的提升。
产品批量生产稳定性对比：使用FD珠粒，第一批生产浇注铸件6件，其中5件整体质量很好，试压无渗漏，其中有一件表面有少量碳缺陷，但不影响加工。
工艺试验后，后续有进行了小批量和批量生产，批量生产合格率稳定在95%左右，每月用消失模工艺生产相关产品400吨左右。使用STMMA-FD珠粒，使公司铸件产品质量和合格率有了较大的提升。每吨铸件综合成本比用普通EPS降低200元。
案例3：浙江湖州某公司之前用市场上普通EPS珠粒生产电机壳（型号：160—355毛坯重：10~300kg，最薄尺寸：3mm，最厚尺寸20mm），铸造出来的铸件出现铸件表面不平整、冷隔、积碳缺陷等问题（尤其电机壳散热片出现锯齿状），废品比例10%左右，导致综合成本增加。
我们用FD珠粒进行了试验，试验过程如下：
选用珠粒规格/粒径：STMMA-FD3#（0.35mm-0.5mm）；
预发密度：22-23g/L±0.5g/L；
预发、成型、模样时效处理、涂料浸涂烘干和之前工艺完全一致；
模样尺寸收缩对比：模样的尺寸收缩与普通EPS一致，铸件毛坯尺寸一致；
浇注过程对比：HT200电机壳，浇注温度：1500℃；所有工艺都按照之前工艺执行，浇注速度与EPS一致，浇注过程无反喷现象；
铸件质量对比：使用FD珠粒实验时，其他工艺控制按之前执行，生产出的铸件外观无冷隔、积碳等缺陷，与普通EPS相比有了很大的提升。
产品批量生产稳定性对比：使用FD珠粒，第一批生产浇注铸件100件，其中99件整体质量很好，没有以前出现的散热片锯齿状缺陷，其中有一件铸件进砂导致报废。
工艺试验后，后续又进行了小批量和批量生产，批量生产合格率稳定在97%左右，每月用消失模工艺生产相关产品500吨左右。使用STMMA-FD珠粒，使公司铸件产品质量和合格率有了较大的提升。每吨铸件综合成本比用普通EPS降低200~230元。
2.STMMA-FD珠粒使用前后对比
（1）用普通EPS生产消失模铸件的常见缺陷：
浙江湖州某公司，目前使用普通EPS珠粒生产电机壳，有10%左右的铸件易出现碳缺陷：内腔积碳无法进行加工，和散热片出现锯齿状，影响外观。
江苏盐城某公司，QT450-10材质180kg变速箱箱体易出现碳缺陷，冷隔等问题比例10~15%的废品，综合成本增加。
（2）采用STMMA-FD珠粒后的改善：
浙江湖州某公司，用STMMA-FD珠粒试验了电机壳铸件，使以前使用普通EPS的合格率从90~92%提高到97~98%（即废品率从8~10%降低到了2~3%），合格率提高了6%以上。
江苏盐城某公司：使用STMMA-FD试验了QT450-10材质180kg的箱体，铸件表面光洁度，表面碳缺陷都有有了很大的提升，铸件的合格率从80~85%提高到94%左右（即废品率从15~20%降低到了6%左右），合格率提高了10%以上。
（3）与普通EPS相比，使用STMMA-FD珠粒后的经济效益测算：
STMMA-FD珠粒的价格为1.6万/吨，普通EPS的价格基本在1.2万元/吨左右，最高在1.4万元左右，单从购买模样材料的成本计，则每吨铸件所用消失模模样材料的成本增加6.60~13.20元。
铸件价格为6000元/吨左右，而使用STMMA-FD珠粒后，每吨铸件原材料所增成本按10.00元计，则当铸件的合格率提升1%时，原料成本降低约50元左右。若铸件的合格率有更大的提高，则而后每提高1%，每吨铸件可再降低原料成本60元。
以浙江湖州某公司为例，使用STMMA-FD珠粒后，铸件合格率提高了6%以上，每吨铸件所降低的成本为：
6000元×6%—10.00元=350.80元
江苏盐城某公司使用STMMA-FD珠粒后，铸件合格率提高了10%，则其经济效益更为可观。
（4）根据市场调查，客户对STMMA-FD珠粒下一步的改进要求：
A.STMMA-FD珠粒的粒径范围，尽可能地和市场上多数普通EPS珠粒粒径一致。
B.提供详细的白区制作工艺流程与控制等用户手册。
C.多数客户希望我们在.消失模铸造理念、白区的质量管理体系、消失模铸件质量控制计划、一致性和可追溯性等方面提供指导，帮助。提供各工序标准化文件，包括操作规程，工艺流程。各工序的数据采集和标准制定等。
四.结论
STMMA-FD珠粒主要应用在灰铁类、铝合金等铸件。与EPS相比，具有降低了铸件的碳缺陷、提高了模样强度和尺寸稳定性、提高了铸件表面光洁度和成品率、降低了铸件的综合生产成本等优点。而应用于球铁、中低碳钢、全加工件等要求较高的铸件时，则仍需采用STMMA共聚珠粒。
要想生产出品质上乘的铸件，必须选用先进的工艺设计，用优质的珠粒制作出合格的模样。成功的消失模铸造企业已经真正理解消失模铸造泡沫珠粒对铸件品质的影响，了解使用优质模样材料生产铸件的综合成本，并掌握如何围绕模样材料气化、分解产物中出现的缺陷来进行工艺设计，以较低的成本，制造出优质的铸件产品。