国内外消失模铸造技术的发展

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国内外消失模铸造技术的发展

山东大学   姜青河 教授

一．国内消失模铸造发展情况及主要问题
据中国铸造协会统计，2003年我国逐渐产量达到1987万吨，到2004年我国铸造企业达到2.6万家,铸件产量和铸造企业数量均居世界第一位，确立了我国铸造大国的地位。
消失模铸造技术作为一种先进的铸件成型方法，近年来在世界上得到了迅速的发展。在西方发达国家由于机械化，自动化消失模铸造生产线的陆续建成投产，以及所生产的显著经济和社会效益，使这项技术呈现出强大的生命力。前几年我国消失模铸造技术应用虽然进展缓慢，但是在近五年来得到了快速发展。特别是由于消失模铸造设备投资少、工艺路线短、工序简化、占地面积小、铸件尺寸精度和外观精度高，许多原有的中校铸造企业也越来越多地采用该项技术。但是，有些企业对该技术的认识不足，对出现的问题未加仔细研究分析，在操作中也未能加以重视，导致铸件质量波动，就认为消失模铸造技术不适应自己的情况而放弃。
在选择是否采用消失模铸造工艺的时候，要综合分析产品结构、批量大小、铸件材质、质量要求、投资大小等因素。对于结构不太复杂、批量要求较大的箱体件、管件等，采用消失模铸造工艺是比较成功的。在初次进行消失模铸造试生产时，建议先选择简单铸件，原材料选用优质材料，尽量保证初试成功，增强对这种工艺的信心。等到技术掌握比较熟练后，可以逐步采用国产一般材料，并采用自己设计的工艺。在投产之前，建议企业多了解消失模铸造工艺的特点和基本技术要求，多于消失模铸造专业技术人员沟通，比如参加相应的技术培训，出席相应的专业技术会议、聘请大专院校、科研院所专业技术人员进行技术指导等。
下面从三个方面介绍消失模铸造中应注意的问题：
1. 模样
模样材料通常称为珠粒，消失模铸造采用的珠粒一般分为三种：EPS（聚苯乙烯）、STMMA（共聚树脂）和EPMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）。三者都属于高分子材料。对于低碳钢铸件，模样材料中的碳容易使铸件表面产生积碳现象，导致碳缺陷。其中的EPS（含碳量92%）、STMMA（含碳60～90%）和EPMMA（含碳60%）对铸件碳缺陷的影响程度依次减小。此外，模样密度是其发气量的重要控制参数，上述三种材料的发气量从小到大依次为EPS、STMMA和EPMMA。同时，珠粒尺寸应根据所生产铸件的壁厚进行选择，一般情况下，厚大铸件选用较粗粒径的珠粒，薄壁铸件选用较细粒径的珠粒，使铸件最薄部位保持三个珠粒以上为宜。
珠粒的预发和成形式消失模铸造工艺成功的关键之一。一般情况下，预发珠粒其密度控制在约0.018～0.025g/cm3，其体积约为原珠粒体积的30～40倍。成形模样的密度基本上就是预发珠粒的密度，所以珠粒预发的控制是保证模样质量的关键。
现有的中小铸造企业模样制作有以下几种方式：
（1）用包装EPS板材切割、粘接而成。
（2）自制模具，委托外厂加工。
（3）自制简易的预发成型设备。
采用上述方法制作模样，普遍存在不重视模样密度变化的现象，特别是模样在委托加工时水分不易控制，经常出现浇注时铁水从浇口中反喷或铸件出现冷隔、浇不足等现象。为此在生产过程中应加强对模样密度的检验，增加对模样的烘干时间等方法：EPS珠粒经工艺试验选定后，不能随意改变原料生产厂家；预发时用称量工具控制珠粒密度，改变凭人工经验控制珠粒密度的方法。对于STMMA珠粒和EPMMA珠粒，应当采用相应的预发设备，尽量不使用EPS专用预发机。
2. 涂料
涂料可提高消失模模样的刚度和强度，并使模样与干砂铸型隔离，防止金属液进入铸型产生粘砂及铸型塌陷，同时模样气化后产生的高温分解产物要通过涂料层逸出，所以涂层要有良好的透气性。涂料一般由耐火骨料、粘结剂、悬浮剂和附加物等组成，选择不同的配方和组分，各组成物的比例对涂料性能影响很大。涂料的性能直接关系到铸件的质量。有的企业一味追求低成本，采用质量差的原料配制涂料，最后生产出的铸件废品率高，得不偿失。有些企业对涂料组成的作用不十分清楚，随意改动涂料配方，或由于缺少某组成物时继续配制使用，导致涂料性能大大下降。
对于铸铁件和铸钢件，应根据自己的具体情况加以选择。在涂料配制和混制过程中，应尽量使用合理的骨料级配，使骨料和粘结剂及其他添加剂混合均匀。涂料混制工艺对性能也有较大影响，只进行简单搅拌对保证涂料性能极为不利，采用混碾或球磨可使涂料混制均匀，并充分发挥涂料胶质性能的特点，防止发生骨料沉淀造成不均匀。
除了涂料性能达到要求外，涂敷和烘干工艺对生产也具有一定影响。生产上多采用浸涂，最好是一次完成。也可以分两次涂敷，但应每次涂敷后进行烘干，烘干时注意烘干温度的均匀性和烘干时间，保证涂层干燥彻底并不开裂。有些企业在模样浸涂烘干工序中为了缩短时间，在第一次涂料未干的情况下就进行下一次浸涂，在夏季只采用晾晒方法对涂料进行干燥，导致涂层内部未充分干燥，其中存在着大量水分，浇注时水分分化加剧了铸件气孔缺陷甚至浇注反喷。涂层厚度应根据铸件材质、大小、壁厚、浇注温度和铁水压头的变化进行调整。
3. 铸造工艺
消失模铸造工艺包括浇冒口系统设计、浇注温度控制、浇注操作控制、负压度控制等。浇注系统在消失模铸造工艺中十分重要，是铸件生产成败关键之一。对于不同的铸件结构，可采用底注、侧注或顶注浇注方式。
在浇注过程中模样气化需要吸收热量，所以浇注温度应略高于砂型铸造。对于不同的合金材料，与砂型铸造相比，消失模铸造浇注速度一般控制在高于砂型铸造30～50℃。这样多出的金属液热量可以满足模样气化需要。浇注温度过低铸件容易产生浇不足、冷隔、皱皮等缺陷。浇注温度过高容易产生粘砂等缺陷。
在浇注时，为了排出气体和模样气化残渣，直浇道要有足够的高度使金属液有足够的压头以推动金属液流稳定快速充型，确保铸件表面完整清晰。在实践中有些企业采用原有砂型铸造用的浇口杯，由于尺寸较小，易出现液流不平稳导致铸件报废可改用较大浇口杯，直浇道做成中空减少发气或反喷，增大开始浇注时的压头。
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稳定，使浇注动压头平稳。
二. 国外消失模铸造发展情况
在国外，消失模工艺已经有了五十年的发展历史，但是应用于大规模生产还是在最近的26年。
消失模铸造工业化生产在美国探索了近20年才获得持续稳定的发展，据文献报道，美国2006年消失模铸造的铸铁合金年产量为275000吨，估计到2009年将会达到420000吨，提高近一倍。2006年铝合金消失模铸造产量为180000吨，估计到2009年将达到220000吨。
第一条主要的消失模生产线是通用汽车公司在纽约Massena的工厂，这是一条四方形的辊道运输的生产线。第二条生产线同样是在Massena公司，是一条大型生产线。它组建于1985年，今天仍在生产。正是通用汽车公司的尝试，使得其它的铸造业同行对消失模铸造工艺产生了兴趣。
第三条和第四条生产线分别在福特汽车公司和约翰迪尔公司。它们都不是很成功，过了几年生产线停产并被出售。
通用汽车公司利用独一无二的“土星”项目，再一次站在了发展的前沿。为了应对日本汽车的进口，通用汽车公司设计了全新的汽车。这种汽车的动力系统对于通用公司来说是一项挑战
图1全新的四缸发动机及缸体
（铝合金的缸头和缸盖，铸铁的曲轴的差速器，全部通过消失模铸造工艺完成
   图2 铸铁的曲轴
                     
图3. 铸铁的差速器
幸运的是，通用公司的“土星”取得了巨大的成功，工厂生产了400万辆汽车。同样，没有一部发动机由于铸件缺陷而出现故障。这项工程取得了巨大的成功，通用公司也从中获得了巨大的利益，正是他们使得消失模铸造工艺具有了今天的地位。
当土星开始平稳地运作以后，许多较小的铸造厂家开始纷纷效仿。这些工厂有罗宾逊铸造厂，Citation泡沫铸造厂,Willard工业,Hayes Albion铸造公司, Outboard船舶公司等等。
图4  其他公司生产的典型铸件

消失模铸造工艺在开始的时候发展缓慢，这主要是由于人们对这项工艺的了解很有限，而且缺乏优质的原料。但是经过接下来近十年的发展，消失模铸造已经逐步在全世界的各个国家推广开来。消失模铸在工艺在铝合金方面迅速发展。这主要由于原材料能够达到铝铸件，特别是汽车工业中铸件的技术要求。
现在随着专用设备设计的增强，铸铁件也逐渐发展起来，这归功于新的珠粒，涂料以及大家对消失模铸造工艺的认可。无论如何，当展望消失模铸造工艺的未来时，铝铸件仍然是主流。
图5   拥有专利技术的填砂系统和震实系统
        美国国内消失模市场的迅速发展主要是由于通用汽车公司的投入：在密歇根州的萨基诺市的工厂六条全新的生产线，在俄亥俄州Defiance工厂的4条全新的生产线，和在纽约马塞纳的5条全新生产线。



图6  典型的通用公司生产线
       
Citation Foam 公司采用三条消失模生产线生产铸铁件取得了巨大成功。 Mueller 消防管道和阀体公司的三条生产线同样取得了成功。美国泡沫铸造公司不仅生产优质的铸件，而且现在开始投产制造泡沫模样的工厂。



图7 美国泡沫铸造生产线               

图8  发泡机

欧洲在这项工艺上的水平已经比过去大大提高。宝马公司仍然在生产六缸发动机的缸头，而且将他们的生产线进行了升级以适应今天的标准。英国的斯坦顿仍然拥有世界上最大的消失模生产线，而且在过去的八年中始终全负荷生产。
图9  宝马公司生产线                  
图10 英国消失模生产线
北爱尔兰的Montupet公司正将目光集中于成为主要的发动机制造商。        意大利的Franco Tosi(Casti SpA)公司拥有4条消失模生产线的生产能力，而且拥有世界领先水平的加工工厂。雪铁龙标志集团即将在法国的Charleville建成最新的消失模铸造生产线。他们将在2007年投产，主要生产铝合金缸头，一共有三条生产线。
图11 意大利消失模生产线            
图12 雪铁龙公司最新生产线
亚洲对于消失模铸造的态度与欧洲相比不够积极。但是中国不同，人们对消失模铸造具有浓厚的兴趣。他们的研究机构和大学正在积极研究开发这项技术。十年以前，中国对于消失模铸造可以说一无所知，但是今天完全不同了。根据世界各个工厂的经验，中国开发出一种十分成功的全新的珠粒。
压力消失模铸造——Mercury Marine
在压力消失模铸造中，工艺和传统消失铸造系统类似。完成填砂并进行紧实以后，将砂箱置入一个压力容器中。然后将熔化的金属液浇入浇口，浇注完成后马上盖上容器的盖子，并施加压力。采用这种方法可以有效地降低铸件中的气孔缺陷。
图13  Mercury Marine公司生产的发动机缸体以及自动化车间

消失模铸造工艺在墨西哥、印度、中国等国家应该被大力发展。中国应该继续扩大消失模铸造在世界上的市场份额，他们积极进取，通过各种途径获得商机。同样，大多数的主要美国公司都在从中国订购铸件。
目前唯一的阻力就是：
1. 私有化。
2. 先进的生产线设备以及最新的消失模铸造知识。
一旦这两条被克服，中国的消失模铸造市场将会蓬勃发展起来。
铸造厂家，特别是消失模铸造厂的未来掌握在铸造者自己手中。在过去的26年中，制造厂家对这项工艺投入了相当大的时间，精力和金钱。利用过去26年所获得的知识，利用最新的设备，今天这项工艺已经变得非常完善。铸造者们不应该对消失模铸造采取消极态度。这项工艺并不能适用于所有的铸件，但是它对精密铸件以及大量采用型芯的铸件具有非常大的优势。
下面列出铸造厂家不能顺利采用消失模铸造工艺的主要原因：
        铸造厂家不信任这项工艺。
        铸造厂家没有综合考虑从铸件到成品的所有收益。
        铸造厂家的销售人员没有比较成品的附加值。
        消失模铸造厂家相对较少，铸件采购商不喜欢单一的货源。
        设计人员在设计自由度的灵活上认识不足。
我们认为，消失模铸造未来的发展应该是这样的:
铝铸件继续发展，特别是汽车工业中。消失模铸铁件的市场将会继续增长，我们将会看到来自于重型发动机市场越来越多的关注。例如,安徽全柴动力生产的4缸发动机缸体和 Citation Foam公司研发的八缸发动机缸体。
     
图14 安徽全椒柴油机厂（左）和Citation Foam公司生产的缸体（右）
缸盖有来自马克卡车公司和Mercury 公司的铸件;福特公司4.6L的进气歧管，生产这些铸件时湿型砂铸造无法和消失模铸造相比。还有其他方面的研究，将进一步提高铸件的机械性能。
图15  用消失模铸造方法生产的铸件
消失模铸造对于某些企业来说将是未来的发展之路，这是因为：
        不需要型芯
        砂中不需要添加剂和粘结剂
        更小的占地面积
        更少的人力资源
        更少的保险费用
        更加环保
        设计更加灵活
        更少的机械加工
        更好的工作环境
综合以上这些，消失模铸造将会生产出更多的、成本更低的、性能优良的铸件。因此不管是现在还是将来,它将会为你的公司但来更大的收益。只要充分发挥优势，消失模铸造的前景将会越来越好！