消失模铸造工艺
采取用自硬砂预充填浸过涂料并烘干后的EPS产品泡沫模型之难于振实局部结构与单一干砂分层充填并负压紧实相结合的造型方法，辅之以顶浇顶补顺序凝固的合金液浇注成形工艺取代砂型的底浇顶补均衡凝固，实现了ZG230—450货运列车转向架之承载鞍消失模铸件的样品制作、小批量中试和大批量生产装机应用。在此基础上，探索了每箱14只产品的成形新工艺，取得了良好的效果。与同种产品普通砂型铸件相比，每件承载鞍重量从35.KG减到现在的31.KG，单只组合浇冒口也由原来的14.KG减少到9.KG。
3 消失模铸造工艺生产方案
3.1 立式顶浇顶补单冒口工艺方案
为了消除普通砂型铸造所带来的不利影响，我们开始探索用消失模铸造来组织生产承载鞍产品。即用可膨胀的聚苯乙烯泡沫塑料EPS来做产品泡沫模型、冒口和浇注系统，浸涂涂料并烘干后进行模型簇的组装，用单一的干砂分层振实进行造型，最后在负压的砂箱内部环境下实现一次性浇注成形，即承载鞍产品泡沫模型及其连带的浇注系统泡沫模型一次性使用，随着熔融金属液的浇注而燃烧气化。考虑到承载鞍的产品结构内部型腔上凹的结构较多（如图2和图5所示），若仍采用卧式底浇的造型方式和浇注系统（如图4所示），就容易导致承载鞍内部型腔很难填砂并紧实，从而导致铸件局部塌箱和粘砂缺陷。这主要是由于消失模铸造是实型铸造，直接用产品泡沫模型来造型，无需砂芯。这样一来，承载鞍的内腔只能靠单一干砂填充并紧实来替代砂芯。可是，我们一开始就犯了教条主义的错误，认为只有采取单一干砂填充并紧实来用EPS泡沫模型来造型，才是符合消失模铸造工艺的成形方式。即对于难于填砂紧实的部位，没有考虑可以借用传统的砂型工艺的灵活性进行必要的补充，只是从消失模填砂工艺本身的可操作性上去考虑。于是，我们采用了图6所示立式顶浇顶补单冒口工艺方案。这样做，避免了上述可能产生的铸件局部塌箱和粘砂缺陷。但是这种浇注工艺却带来了大量的气孔缺陷（如图7所示），有些气孔直接出现在铸件的表面，有些气孔则需要在机械加工后才能发现;有的气孔很集中，尺寸可达￠8mm;有的气孔呈椭圆形轮廓的长方形，尺寸可达20×8×12mm而有的则直接以气隔的形貌出现，即在铸件表面呈现凹凸不平的轮廓。铸件的成品率仅有50%左右。
3.2 消失模铸件缺陷特征及其防治措施
针对立式顶浇顶补单冒口工艺易使铸件产生气孔、气隔缺陷的现象，而且气孔、气隔缺陷的形态各异，但分布的区域多集中的出现在承载鞍的弧形内腔表面上。从气孔表面的颜色来看，有严重的氧化倾向，据此我们推断，该气孔的类型应以反应性气孔和浸入性气孔为主体。我们一方面从消失模工艺本身去查找原因，即消失模本身是属于实型铸造工艺的范畴，金属液钢水在浇注过程中需要将承载鞍产品泡沫模型及其连带的浇注系统泡沫模型簇一并熔解、液化并燃烧气化。在此过程中，会伴随有大量的碳化气体产生。而泡沫模型簇的表面有一层涂料壳体，消失模泡沫模型簇浇注时产生的大量气体除部分地通过直浇道逸出铸型外，大量的碳化气体及其液态降解物需要通过涂料壳层排出型外和被吸附在涂料壳层上。如果由于涂料壳层厚度过大或者造型没前有烘干或者烘干后又发生了回潮，都会导致消失模模型在金属液浇注过程中产生的大量气体排出困难和自身也会产生气体，这些气源均可以浸入性气孔的方式留存在铸件表面乃至其内部组织内；另一方面从原来普通砂型铸造工艺的角度进行对比分析。原来运用普通砂型铸造工艺进行承载鞍铸钢件的生产时，采用的是图4和图
5所示的卧式顶浇顶补双冒口浇注工艺。尽管这种传统的工艺方式铸造工艺出品率较低（50%左右），而且劳动强度大，环境污染严重，但成品率较高（90%左右），铸件的气孔气隔现象会有（5%左右），但远没有采用消失模工艺后这样严重（40%左右）。这使得我们重新思考消失模铸造工艺与气孔、气隔缺陷实质上的不同点和实质上的相似之处到底在哪些方面。怎样去有机地集成这两种工艺的长处，弥补各自在成形工艺上的不足，从而达到综合铸造效益最大化。
首先，我们从消失模铸造自身的工艺特点去寻找气孔、气隔缺陷产生的原因并进行性了工艺改进。经过分析，我们认为有两个方面的原因：其一是承载鞍竖立放置后，合金液浇注时的落差增大，合金液与泡沫燃烧后产生的气体接触的行程增大，卷入气体的几率也增大了；其二是承载鞍产品结构呈马鞍状，产品泡沫模型竖立放置后，泡沫模型在高温金属液体的作用下燃烧气化后产生的气体不易顺利排出，从而导致卷气。除此而外，我们也在泡沫模型的成形密度、涂料层的浸涂方式、涂料层的厚度、涂料层的烘干工艺、钢水合金液的浇注温度和铸型造型和浇注时的负压度上进行了工艺调整。需要重点强调的是合金液钢水的浇注温度、承载鞍产品泡沫模型簇涂料层的厚度与造型浇注是铸型内的负压度的大小之间要有一个良性互动的参数相关关系。通常为了防止铸件粘砂缺陷的发生，人们往往考虑到要增加涂料层的厚度，甚至增加涂料层的浸涂次数以达到增加涂料层的厚度的目的。人们总是认为消失模涂料的组成成分里含有有机成分，这些有机物在高温合金液的作用下会烧失而自动生成气体逸出的微观通道，所以同一个泡沫模型簇可以多浸几次涂料，也不会影响涂料层壳体的排气性与对泡沫液化产物的吸附效果。其实不然，前后两次涂层的构成具有较大的随机性，很难确保前后两个涂层上的有机物通道刚好对中，这势必会影响涂料层壳体的排气性与对泡沫液化产物的吸附效果。尽管这样做在一定程度上是解决了铸件的粘砂问题，但带来的是提高合金液的浇注温度（为了让泡沫塑料模型在较厚的涂料层壳体的包裹下能够充分液化和气化）和铸件表面富碳及内部碳夹杂缺陷的几率增大(这主要是由于涂料层壳体的排气性与对泡沫液化产物的吸附效果减小导致的，尽管泡沫塑料模型在较高的合金液浇注温度驱动下燃烧得更加充分一些，但是其生成物难以有效地从铸件本体上排除)，降低了铸件的一次性合格率。造型时的负压度只有在涂料层壳体的排气性与对泡沫液化产物的吸附桩太较好的情况下才能发挥有效的作用。
其次，我们也从传统的普通砂型铸造工艺拥有较高的铸件一次性成品率上去探寻其成形工艺合理性的一面。由于其铸型是承载鞍产品的空腔，并且在铸型的上砂箱的铸型上开设了若干排气道，钢水合金液浇注时，其铸型型腔中的气体易于从铸型上的排气道逸出，从而减少了浸入性气孔产生的几率。而且采取卧式顶浇顶补双冒口浇注系统，有利于实现顺序凝固和补缩，从而减少了析出型气孔和缩松产生的几率。
综上所述，尽管采用消失模铸造工艺改善了职工的作业环境和劳动强度、提高了铸件的尺寸精度和表面粗糙度、减少了机械加工成本和提高了铸件的工艺出品率，但由于铸件的成品率很低，我们决定放弃这种立式顶浇顶补单冒口均衡凝固工艺方式。为了既体现消失模铸造工艺自身的节能环保的优点，又能将传统的普通砂型铸造工艺拥有较高的铸件一次性成品率的优点体现出来，我们就要对这两种铸造工艺进行合理的整合。保留消失模产品泡沫模型簇制作的工序，适当用自硬砂对消失模模型簇造型时难于充填到位的地方进行预充填，然后
采用卧式顶浇顶补双冒口的浇注系统来改良消失模模型簇，收到了良好的效果。
图6 立式顶浇顶补单冒口工艺方案图7 立式顶浇顶补单冒口铸件缺陷
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3.3 卧式顶浇顶补双冒口设计
图8所示卧式顶浇顶补双冒口3D设计是改进后的承载鞍泡沫模型簇组装和浇注工艺方案。卧式摆放产品模型仍采用了普通砂型铸造工艺的形式，只是按照每件承载鞍产品泡沫模型之间在保持了35mm的间隙吃砂量的情况下，每箱摆放了14只是先一次性浇注成形，提高了铸造工艺出品率。所不同的是①浇注系统采用了顶部浇注，直浇道和横浇道的横截面尺寸均为40×35mm，横浇到采用方形结构，其长边均与双冒口的其中一个靠近内测的顶部相粘结，直浇道放在横浇到的一侧端部，这样便于现场操作。实际生产时，浇口杯是单独用耐火材料和钢板壳体打制而成，每个浇口杯可以多次使用；②冒口的尺寸变小了：等体积锥台式双冒口的规格为￠97(上底)-￠55(下底)×110mm（高）；③采用了自硬砂预充填造型工艺，即在承载鞍泡沫模型的内腔上三个圆弧式凹槽及其连带的长方形内凹型腔和两个小锥台式
内凹型腔处在单体时就用自硬砂充填紧实。
实际生产时，我们还采取了以下措施来提高生产效率：直浇道和横浇道泡沫模型、顶冒口泡沫模型和产品泡沫模型分别用不同的方式进行生产。其中直浇道和横浇道泡沫模型采用平面式移动电热丝的方式直接在业已成形的EPS泡沫板材上切割成形；顶冒口泡沫模型也是采用电热丝切割EPS泡沫板材的方式进行生产，只是其形状是锥台，所以要用专用夹具和运动机构来配合电热丝的切割运动；承载鞍产品泡沫模型生产时，采用专用消失模成形模具放在自动化制模机上进行生产，这样可以大批量高精度的实现产品泡沫模型的一致性。用于直浇道、横浇道和顶冒口泡沫模型的EPS泡沫板材在电热丝切割以前须进行时效熟化处理，同样，承载鞍产品泡沫模型在浸涂涂料以前也要进行时效熟化处理。这主要是因为无论是泡沫板材还是产品泡沫模型，它们在模具内接受水蒸汽的加热情况下会因为EPS珠粒的膨胀而融合整体性的板材和产品模型，组成定型板材和产品模型内部的EPS珠粒在刚脱模时其内部呈负压状态。为了让定型板材和产品模型具有足够的强度、弹性和表面粗糙度，我们需要对他们进行时效熟化处理。这样也能让定型板材的电热丝切割断面保持较好的粗糙度。
模型簇的组装及造型是这样安排的：将承载鞍产品泡沫模型与两个顶冒口泡沫模型胶合成一个整体进行涂料的浸涂并烘干处理；将横浇道粘结成整体后整体进行涂料的浸涂并烘干处理；直角到单独进行涂料的浸涂并烘干处理。只是在浸涂涂料以前，要将图8所示的各泡沫模型之间的接口部分先用胶带纸封好（直浇道的下部端口和横浇道端部的上表面中间部位、横浇道的两个侧面的下部表面和位于模型簇内侧的两排顶冒口的上表面），待模型簇的组装时再将胶带纸揭掉，露出泡沫表面，以方便后续模型簇胶合组装。只是在组装以前我们要做以下工作：用配制好的自硬砂紧实地充填承载鞍泡沫模型的内腔上三个圆弧式凹槽及其连带的长方形内凹型腔和两个小锥台式内凹型腔，以确保后续的造型振实能够让型砂紧实地填充产品内部型腔，从而获得健全的铸件。
图8 卧式顶浇顶补双冒口设计图9 卧式顶浇顶补双冒口实物铸件图
图9所示为卧式顶浇顶补双冒口每箱14只实物铸件图。经过近一年的样品制作(从每箱2只开始试验卧式顶浇顶补双冒口消失模工艺、到每箱4只试验卧式顶浇顶补双冒口消失模工艺成功、再到每箱8只试验卧式顶浇顶补双冒口消失模工艺成功，最后到每箱14只试验卧式顶浇顶补双冒口消失模工艺成功)、小批量中试和大批量生产实践，铸件产品的一次性合格率达到95%左右。既弥补了普通砂型铸造的劳动强度大、环境污染大、铸件的机械加工
余量大和铸造工艺出品率低、铸件表面粗糙度较差等不利因素，也完善了立式顶浇顶补单冒口消失模铸造工艺方案所带来的皮下气孔较多和废品率较高等不利因素。真正体现出了绿色成形消失模铸造工艺本身所应该带来的节能降耗和环保的绿色制造理念。
目前该工艺方案的不足之处是：①在产品泡沫模型和浇注系统泡沫模型浸涂涂料工艺环节和模型簇的组装工序上仍以手工和半机械化的方式进行组织生产；②在浇注工序没有设置相关的环保处理措施（尽管EPS泡沫塑料重量较轻，燃烧气化时产生的气体总量较少，但毕竟这些气体还是对环境有害）。为了进一步提高生产效率、进一步降低职工的劳动强度和进一步将泡沫燃烧后产生的气体降解，我们还要在生产环节上的自动化程度上和处理污染气体的危害上继续完善新工艺。
4 结论
消失模铸造工艺与传统的普通砂型铸造工艺之间既具有合金凝固特性方面相近的继承性，又具有造型工艺上的互补性，两者有机地结合可以提高铸造综合应用水平。
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1 铸件的产品结构特征及技术要求
铸钢件承载鞍是货运列车转向架的关键零部件之一，正常工作时，被安装在货车的滚动轴承和转向架侧架的导框之间,起着连接轴承与侧架、定位和传递各种载荷的作用。承载鞍产品的三维设计3D实体模型、实物铸件内腔结构及其各部位的名称分别见图1、图2和图3所示。其中图3中各部位的名称分别为：1一顶面，2一顶面沟槽，3一鞍面沟槽，4—推力挡肩，5一鞍面，6一端面，7一导框挡边，8一导框沟槽，9一导框底面，10一￠210圆台面。我们从图一中可以测得产品的外围轮廓尺寸为：358×206×155mm，从图二中可以测得铸件内腔结构的最高空腔面至导框底面距离为144mm。从整体来看，该产品的外形形如马鞍，内部凹腔有三种形式存在：其一是靠近导框底面的两侧各有一个等同的毛坯面内凹平台
152×22×25mm，其二是两个22mm宽孤立弧形R120 mm毛坯面凹腔，其三是一个带有三层次连续性凹腔内表面(35mm宽孤立弧形R120 mm毛坯面凹腔→长方形毛坯面凹腔→两个锥台型毛坯面凹腔)。铸件的平均壁厚15mm,体积为2190110.mm3。
图1 承载鞍铸钢件零件图2 承载鞍铸钢件实物内腔结构
图3 承载鞍各部位名称分解
承载鞍铸造质量要求：D型承载鞍应用电炉钢制造，铸钢牌号：ZG230-450,铸件的化学成分及热处理后的机械性能须符合GB11352的规定。铸件的外形、尺寸除图中注明的尺寸公差外，其余的非加工尺寸公差按GB/T6414的CTl0级精度制做。铸件内外表面型砂、粘砂、氧化皮、毛刺、多肉等须清除干净。铸件存在如下不影响强度和使用的铸造缺陷可不予焊补:①不超过加工余量的铸造缺陷；②加工后出现的铸造缺陷: 直径不超过5mm，深度不超过3mm，相互及离边缘距离不小于20mm的，在顶面不超过2个，两导框表面各不超过2个(但不得处于导框挡边内侧的根部)。③直径不超过5mm，深度不超过其所在的断面厚度的1/3，相互及离边缘不小于10mm，在鞍面两环带上总数不超过4个。④在整个产品上单个气孔或砂眼等缺陷总数不超过5个。直径不超过1.5mm，深度不超过3mm，面积不超过2cm2的局部表面疏松或蜂窝状气孔。⑤直径不超过1.5mm，深度不超过1.5mm的分散的针孔，其分布面积不大于所在加工表面面积的20％。所有超过以上允许存在的铸造缺陷可清理至纯金属后
进行焊补。焊补须在热处理前进行，焊补金属总重量不得超过0.4kg；在精加工前发现的铸造缺陷，焊补面积不超过3cm2的可不再进行热处理，否则，应进行600～650℃的回火处理。焊补时须使用T42或同等性能的电焊条。
2 传统的普通砂型铸造工艺生产方案
D型承载鞍传统的制造方式是普通的砂型铸造。生产时, 形成产品的外表面形状的铸型（如图4所示）和形成内部表面形状的砂芯（如图5所示）是分开作业的。其中造型外模（如图4所示）又包括三个部分：产品外形型腔成型模、两个冒口成型模和浇注系统成型模。造型时，现将三者按照其相对位置关系放置在造型平板上进行造型。取模时，先将两个名冒口和直浇道从上砂箱的背部取出，再从砂箱的正面将产品模型的外模及其连带的横浇道模型取出，从而形成铸型的上型腔;而砂芯成型可以采取多种方式：黏土砂芯、油砂芯或树脂砂芯。浇注系统则采用底部注入法，这样合金液体冲型比较平稳。一则可以减轻对芯砂的冲击，二则由于合金液自下而上逐层平稳上升，可以减少浇注过程中气体的卷入，可以有效地避免气孔缺陷的产生。如果采用顶浇顶补冒口注入法，则会导致钢水合金液对下箱的砂芯冲刷加剧，进而导致铸件夹砂缺陷的产生。由于传统的砂型铸造一方面其工艺本身工序繁杂，对从业者的铸造技能性依赖性较大，劳动强度大，砂处理粉尘污染严重，从业人员职业危害较大,这就导致了铸造质量很难稳定，而且从业人员队伍也不稳定；另一方面，普通砂型铸造出来的铸件尺寸精度低,所以机械加工余量也就偏大,正常都在5～6mm之间。限于普通砂型造型工艺及砂箱空间大小的双重限制，每次造型浇注的工艺出品率很低（铸造一个承载鞍所需的浇冒口金属材料一般都在14KG左右,也就是说一个承载鞍毛坯包括浇冒口就有35KG左右），仅为60%。这不但增加了铸件本身的原材料消耗与熔炼金属所需的能源总量，也同时加大了后续机械加工的工作量和制造成本。
浇铸工艺：消失模铸造的浇注过程，就是钢液充型，同时泡塑模具气化消失的过程。浇道始终要充满钢液，若不充满，由于涂料层强度有限，极容易发生型砂塌陷以及进气现象，造成铸件缺陷。一般铸件应该控制钢液底浇，有利于钢液平稳充型，模型不容易形成很大的空腔。由于负压真空的吸力和重力作用，钢液充型速度很快，立浇道横截面积不宜太大。
消失模铸造的钢液浇铸与传统砂型铸造的钢液浇铸有所不同：传统砂型铸造采用敞口式，而消失模铸造采用负压封闭式，而且必须是在浇口杯以下封闭。钢液进入模塑模具，其开始液化燃烧，并气化消失，钢液前端短距离形成暂时的空腔，所以设计钢液充型的速度和泡塑模型消失的速度大致相同。为防止钢液高温辐射熔化同箱其它模型，浇道适当离铸件模型远一点。立浇道的位置选择整箱铸件最低位置。浇注时注意调节和控制负压真空度在一定范围内，浇注完毕后保持在一定负压状态下一段时间，负压停止、钢液冷凝后出箱。
注意事项：浇注钢液时要稳、准、快。瞬时充满浇口杯，并且快速不断流，吨钢液在约一分钟左右。如果同箱铸件的钢液断流，会吸进空气，有可能造成塌砂现象或者铸件增多气孔的问题，导致铸件报废
工艺艺流程：1制作泡塑气化白模，组合浇注系统，气化白模表面刷、喷特制耐高温涂料并烘干。2将特制隔层砂箱置于振动工作台上，填入底砂（干砂）振实，刮平，将烘干的气化模放于底砂上，填满干砂，微振适当时间刮平箱口。3用塑料薄膜覆盖，放上浇口杯，接真空系统吸真空，干砂紧固成型后，进行浇注，白模气化消失，金属液取代其位置。4释放真空，待铸件冷凝后翻箱，从松散的干砂中取出铸件，进行下一循环。
技术优点：消失模铸造工艺集实型铸造、V法铸造工艺的优点为一体，适应于铸钢、铸铁、铸铜、铸铝等各种牌号，各种材质，不同结构的大、中、小各类铸件。使用干砂固型，原型原样；铸件尺寸精度高，均匀一致；不下芯，不扣箱，铸件无飞边、毛刺；表面光滑度接近精密铸造，内部结构稳定，排除、降低了砂眼、气空等铸造缺陷。整个生产过程两级环保处理，没有污染。
科学结论：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。
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、负压控制等。由于铸件品种繁多、形状各异，每个铸件的具体生产工艺都有各自的特点，并且千差万别。浇注系统在消失模铸造工艺中具有十分重要的地位，是铸件生产成败的一个关键。因为模型的存在，在浇注过程中模型气化需要吸收热量，所以消失模设备铸造的浇注温度应略高于砂型铸造。