几种铸造工艺在汽车零件上应用研究

第一章概论

1.1课题的来源、背景及意义

现代汽车的发展不仅是朝着品种的多样化方向进行，而更是以汽车的性能为重点，结合人们生活发展的需要，做到价廉、质轻、省油、环保。本课题来源于汽车系电动汽车开发项目，如下图1.1是该次试验所要研究的产品。

图1.1 产品

该产品是铝合金铸件。根据图1.1，可以看出该产品特点是结构紧凑而复杂，并且生产中对该产品的要求是精度高。经分析研究，结合实际情况，我们可采用消失模铸造、精密复合铸造、石膏型铸造对该产品进行研究和探讨。但是这三种方法都是建立在消失模的基础上的。因此，我们需要对消失模技术进行比较系统的认识和了解。

进入八十年代以来，采用干砂消失模铸造法(EPC技术)生产铝合金汽车铸件在欧美得以迅速发展。干砂消失模铸造是一项完全不同于传统湿砂型铸造的全新技术。采用该技术代替传统湿砂型进行生产，具有铸件质量高、生产成本低、结构设计自由度大、易于实现自动化生产、应用范围广等许多优点。该铸造技术可实现铸件的轻量化和精密化，铸件的尺寸精度可达CT6-8级，表面粗糙度Ra6.3-12.5um,与传统砂型铸造相比，可减少加工量10~30%，降低投资成本15~40%，并显著提高生产效率，改善工作环境，实现

清洁生产。该技术是铸造工艺的一个重要发展方向，被誉为二十一世纪的铸造技术[1]。

1.2消失模的国内外现状及其发展

1.2.1国外的发展

1962年美国人M.C.Flemings开始用干砂和EPS模生产铸件[2]。80年代初，干砂消失模铸造专利的失效以及试验研究取得的进展，为这一新工艺的工业应用提供了极好的机遇。福特汽车公司率先在加拿Essex工厂建立了生产100万只铝进气歧管的高度自动化消失模铸造生产线，揭开了这一新技术在先进工业国家飞速发展的序幕。在不改变原设计及结构的前提下，采用干砂消失模铸造法生产的铝进气管铸件比普通砂型铸造法生产的重量轻20%左右，成本约下降20%，而发动机功率可提高4%左右。1990年通用汽车公司在Saturn建成占地面积10万m2年产铸件5.5万吨的新铸造厂，全自动的EPC生产线有三条，其中一线生产319A1四缸体，二线生产两种型号的319A1汽缸盖，三线生产珠光体球铁曲轴和两种型号的传动差动壳体。Fiat和Fata公司在意大利建造了两个车间，用该法专门生产汽车发动机进气管，其中一个车间在生产率为50型/小时的自动线上生产铝进气管，一个铸型可生产四个管件。英国Perry Bar Mefal公司已将金属型浇注法生产铝合金铸件改为气化模铸造法生产。目前，该公司向市场提供发动机进气管、水泵和压气机壳体及其它零件。90年代，德国大众投资2000万美元建造了四缸铝合金缸体生产线。宝马汽车公司建成了年产20万件的六缸铝合金缸盖生产线。日本、荷兰等国也在稳步发展EPC技术，使之在铸造生产中发挥其特有的优势。

可见，EPC技术己经在工业发达国家稳定地发展起来，发达国家投入了相当的人力和财力研究和开发干砂消失模铸造技术，并取得了巨大成功。对于复杂消失模铸件，其公差可达到石膏型铸件的水平。

1.2.2国内的发展

90年代以来，我国消失模铸造技术得到了较大发展。但我国消失模铸造工厂生产铸件的品种基本为铸铁和铸钢件。目前，我国采用消失模铸造正式大批量生产铸铝件的厂

家仅第一汽车厂一家。第一汽车集团轻型发动机厂从美国VULCAN公司引进了制模成套设备及振动台，与国内其它设备配套组成生产线，用于大批量生产CA488发动机铝合金进气管，已于1993年正式投产。当前我国EPC技术水平与工业发达国家相比，无论在零件的品种、复杂程度和铸件质量、在机械化、自动化程度、生产效率方面，或者在基础研究方面，都有着较大的差距。工业发达国家己将先进的气化模铸造工艺应用于铝合金缸体、缸盖、进气歧管、曲轴箱、复合功能部件等。零件复杂程度高、铸件尺寸精度高、表面粗糙度小。而我国目前生产的铸件品种还少，复杂程度和质量比国外还差一个档次。工业发达国家在EPC技术的成套问题上解决得比较好，分工合作，使EPC 技术总体水平迅速提高。

我国EPC技术的成套化工作还比较差，尚停留在单枪匹马、小而全的阶段，新建的一些生产线生产规模及机械化程度比较低，还没有自动化的生产线。在基础研究方面，工业发达国家对于EPC法的几个关键技术(如气化模材料及制模技术、涂料技术、EPC 法充填特性的研究、干砂紧实特性的研究、工艺设计及废品分析)己经作了比较深入的研究，进行了比较长期的技术积累，为工业应用打下了较好的基础。譬如气化模材料及制模技术方面，制定了EPS的标准。研究了气化模的尺寸变化及影响因素，因而能获得比重小、表面光洁、尺寸精确、复杂程度高的气化模。对于EPC法充填特性的研究，不仅限于多触点法等工程测试方法，而且开始进行计算机数值摸拟，深入掌握特定条件下金属充填的规律，并注意它的实际应用，为解决相关的铸造缺陷提供了依据。而我国的EPC基础研究还很薄弱，有待加强这方面的研究。目前，我国对铝合金消失模铸造的某些关键技术尚未掌握，如某厂使用进口EPS原始珠粒，且使用美国Ashland化学公司专用涂料，在实际生产中还是发现当浇注温度较低时铸件成形不良，易产生冷隔和浇不足等铸造缺陷。当前，针孔严重、气密性差，铸件渗漏率甚至高达30%左右，不得不采用浸渗工艺进行补救，从而增加了工艺的复杂性，提高了生产成本。另有一个厂花费4000万元巨资从国外引进了成套设备与工艺技术，至今己经五年尚未投入生产。其中，技术上就是铝铸件气密性的问题未能得到解决，给国家造成了巨大经济损失。

综上所述，我国与发达国家在消失模铸造技术方面存在很大的差距，国外消失模铸造技术对外极为保密，我国尚未完全掌握国外采用干砂消失模铸造生产铝合金铸件的诀窍，以致铸件针孔严重，气密性差。其技术关键主要体现在涂料研究、铝液高温(760-800o C)处理、铸造工艺的优化设计以及各工艺参数的正确选取。因此，有必要结合我国的生产实际围绕减少铝铸件的针孔开展干砂消失模铸造铝合金的研究。

1.3 铝合金消失模铸造研究现状

1.3.1 充型特性

充型特性的研究主要包括铝液流动前沿的流动形态、铝液的流动性、充型速度和影响充型的因素(包括模样材料、涂料、浇注温度、真空度、浇注系统设计等) 三个方面。许多研究者采用各种方法, 如冷淬法、高速摄影法、电极触点法等对不同形状的铝合金铸件的流动形态进行了观察。研究结果表明,铝合金消失模铸造的充型与空腔铸造的充型的流动形态有明显的不同。空腔铸造时,金属液的流动受重力的影响比较大,先从下部充填, 然后逐步向上推进,最后充填部分在顶部。而消失模铸造时,金属液流动前沿的流动形态总是以内浇道为中心呈放射弧状依次向前推进,逐层对泡沫模样进行置换,最后充填的部位为离内浇道最远处。负压的引入可能产生附壁效应,即在负压作用下,金属液先沿铸型壁流动。严重的附壁效应会导致厚壁铸件产生夹杂及气孔缺陷。

S. Shivkumar[3]采用热分析法和高速摄影法研究了铝合金充填条形试样时的流动性,结果表明提高静压头、增加试样尺寸均可提高铝液的流动速度以及流动长度。文献[4]的研究表明,铝液充型前沿热解产物主要为液态,气态产物较少。铝液充型速度主要受模样材料的液态热解产物渗出涂层的速度所控制。施加负压, 提高浇注温度均使流速增加。研究还表明,铝合金消失模铸造充型速度比空腔铸造慢得多的主要原因是EPS 模样热解消耗大量的铝液热量,使铝液充型前沿温度下降, 同时热解产物在铝液与EPS 模样界面上起阻挡作用。而有人却指出,浇注铝合金时存在一个临界温度,在临界温度以下时,液态分解产物较多,提高浇注温度有利于充型速度的提高;而在临界温度以上时,浇注温度的提高促使更多的气体产生,会降低充型速度[5]。

S. Sh ivkumar认为浇注系统性质显著影响着金属液的充填形态; 并指出, 水平浇注时充填速度先快后慢, 而垂直浇注则先慢后快再慢。有的学者认为, 在阶梯式浇注方式中, 若采用实型直浇道, 则金属液从上内浇道开始流入型腔; 而采用空心直浇道,金属液则从下内浇道开始流入型腔。H. S. Lee[6]的研究结果表明, 采用顶注、侧注、底注方式均可, 但底注充型平稳, 有利于气体排放, 应优先选用。

魏尊杰[7]研究了干砂消失模铸造铝液停止流动机理。在试验基础上建立了铝合金液停止流动物理模型, 并建立了铝液停止流动的统一判据。研究表明, 降低聚苯乙烯密度与气化潜热可以减少金属液流端部凝固壳层厚度或固液两相区的宽度, 而降低聚苯乙

烯发气性, 提高涂料层透气性或减少涂料层厚度则可以减少金属液前端的气隙压力, 从而降低金属液充型时的流动阻力, 提高金属液的充型能力。杨军生[4]的研究表明, 当铝液充型前沿达共晶温度时仍有显著的充型能力。认为: 随着铝液的充型,模样的激冷作用使铝液前沿出现凝固壳层, 铝液不断熔化和冲破此壳层而流动。当温度降至共晶温度时, 铝液靠其较大的潜热和较低的固相体仍然流动相当长的一段距离, 只有当前沿的固相率增大到临界固相率时, 流动才停止。

1.3.2 模样热分解、传热传质特性

模样的热分解方式以及生成的气相、液相和固相产物数量取决于金属液的浇注温度, 浇注速度以及聚苯乙烯材料的物理化学性能。文献[8]采用DTA , TGA ,LO I 等技术研究了模样加热过程中的热破坏, 并给出了聚苯乙烯破坏的热谱图。研究表明, 在铝合金液浇注温度范围内(700～800℃) , 模样基本上只分解成蒸汽状的液体馏分和一定量的气体, 燃烧只是有限地进行。

J. Brenner认为聚苯乙烯是以缓慢的裂解方式形成二聚物、三聚物、单体很少。将一定量金属液滴过模样块, 测得模样分解的液相产物比气相产物多一个数量级。进一步研究指出, 在660～900℃范围内, 模样发气量基本没有变化, 约为(205±25)cm3/g。在消失模铸造充型过程中, 金属液与模样、涂料和干砂之间发生传导、对流、辐射等热量传递过程。S.Shivkum r 借助于计算机采用计算的办法计算了充型过程中铝合金的前沿温度。有人把模样消失归纳为一个有潜热的相变过程,确定了热解相变过程的数学模型。上述研究表明铝合金前沿存在较大的温度梯度。干砂消失模铸造的传质现象是指热解产物的型腔中的行为及通过涂层向干砂传输而排出的过程。在铝合金干砂消失模铸造中, 模样的热解产物是气液混合物, 且以液态为主。铝合金干砂消失模铸造时, EPS 热解产物在涂料中的传输是靠液态热解产物的润湿和渗透。有人实测了干砂中不同区域热解产物的灼烧减量。文献[4]对液态热解产物通过涂层向干砂中的传输特性进行了研究, 应用LOI法对铸铝件铸型中的EPS 热分解产物残留量进行了分析, 研究表明, 液态热解产物通过润湿和渗透以及铝液的压力作用能迅速进入涂层及相邻干砂中。当铝液前沿流过后, 涂层及邻近干砂中液态产物受铝液传热的影响进一步热解产生大量苯乙烯单体。通过不断蒸发和凝结传输到离铸件较远的干砂或空气中, 干砂冷到室温后, 在铸件附近区域的干砂内残留的主要是低分子聚苯乙烯及苯乙烯的氧化衍生物。

1.3.3 模样材料、涂料

铝合金干砂消失模铸造普遍采用聚苯乙烯泡沫材料(EPS)。聚苯乙烯模样性能是影响干砂消失模铸造过程的最重要因素之一, 包括聚苯乙烯气化潜热, 发气性及密度。当聚苯乙烯材质一定时, 降低模样密度可以著降低模样气化吸热以及热解产物对合金液充型过程的不利影响, 从而提高合金液的充型能力及铸件质量, 但密度降低, 模样的强度和刚度将下降。一般要求模样密度大于0.018 g/ cm 3, 以保证模样具有足够的强度和刚度抵抗使用过程中的变形及机械破坏。聚苯乙烯珠粒成分, 分子量大及结构是影响聚苯乙烯模样气化潜热与发气性的最本质因素, 不同的模样材质可以具有不同的气化潜热值及发气性能, 而且相差很大。

干砂消失模铸造过程中, 需要在模样表面涂挂一层耐火涂料。涂料对消失模铸造的成败起着关键性作用。涂料层的性状不仅影响模样热解产物的迁移, 而且与铸件表面缺陷、铸件精度乃至铸件内在质量等都密切相关。消失模铸造涂料与一般砂型铸造涂料相比有其独特性, 除了应具有一般砂型铸造涂料所要求的性能外, 消失模涂料尤其要求应有良好的涂挂性、滴淌性、透气性和强度。对于铝合金干砂消失模铸造, 为了提高铝液的充型能力, 涂料应具有良好的保温性能。在国外, 消失模铸造使用的涂料都是专利产品, 如英国Foseco公司研制Styromol系列涂料,具有不同的保温性、透气性和耐火性。一些学者对消失模涂料的性能及其在铸型中的行为进行了研究。上野治已研究了涂层厚度对模样造型时变形量的影响, 认为当涂料层的厚度达到0.3 mm 时即具有足够的强度保证模样的变形在很小的范围内。C. A. Goria认为如果涂料层太厚, 则在铸件表面很容易形成皱皮、光亮层或浇不足等缺陷。福特公司David强调, 消失模铸造涂料要有高的透气性以保证金属液具有较高的充型速度。文献[9]认为涂料透气性对铸件尺寸精度及冶金质量有影响, 涂料透气性影响着热解产物的逸出、金属液的凝固特点以及铸件的显微组织。有人采用浇注试验研究了涂料对铝合金充型过程温度场、充型能力的影响, 并指出当其他条件一定时, 只有当涂料同时具有较高的透气性和保温性时, 才能保证金属液具有较高的充型能力[10]。

1.4 目标及主要工作内容

本文用消失模铸造、精密复合铸造、石膏型铸造这三种方法对产品进行本文用消失模铸造、精密复合铸造、石膏型铸造这三种方法对产品进行研究，以找出一种合适的工艺为目标。其具体工作内容是：利用消失模技术进行模样制作，然后对模样涂敷涂料、造型、完成浇注，最后对所做产品进行质量和工序对比。

第二章模样的制造

模样是消失模铸造成败的关键，没有高质量的模样，绝对不能得到高质量的消失模铸件。与传统的铸造方法相比，消失模模样除了保证有良好的外形尺寸和表面质量外，其内部质量也是影响铸件质量的关键因素。因为消失模的模样与金属液直接作用发生复杂的物理和化学反应。所以对模样的要求是：

（1）模样表面必须光滑，珠粒间融合良好，其形状和尺寸准确地符合模样的要求。

（2）模样内不允许有夹杂物，同时其密度不得超过允许的上限（密度通常为16~25kg/m 3 ），以使热解产物尽量少，保证金属液顺利充填，并且不产生铸造缺陷。

（3）模样必须干燥处理后，才能涂敷涂料，以保证尺寸的稳定性。

（4）模样还必须具有一定的强度和刚度，以保证后处理时不易被损坏。

模样是通过泡沫塑料发泡而成，因此，发泡工艺对模样的质量起绝对作用。

模样的生产工艺流程如图2.1。

图2.1 模样生产流程图

2.1模样材料的选取

目前，在消失模生产实际中，对于不同的铸件其模样材料的选取也各有不同。比较常用的三种珠粒是EPS 、EPMMA 、STMMA 。

从分子结构看，EPS 分子中含有8个碳原子，碳占分子质量的92%；而EPMMA 分子中只含有5个碳原子，碳只占分子质量的60%；因此，热解后EPS 产生的炭渣多，对黑色金属会产生增碳现象，只适应于有色金属。从发气量和发气速率看，EPMMA 比EPS 大得多，其发泡剂含量一般比较高，通常在10%以上[11]，因而在浇注时，EPMMA 模具图 模具

发泡珠粒 预发泡 熟化 成形

模样组合 冷却

出模 干燥 铸件图 零件图 检验

会产生反喷现象。但是EPMMA具有更好的阻隔性，，同时细珠粒的发泡剂含量也能保持不变，因此用EPMMA模样能生产更薄的铸件（壁厚2.0~2.5mm），同时EPMMA的存储期在6个月以上。与这两种珠粒相比，STMMA其性能介于两者之间，弥补了两者的缺点。

由于本课题研究的减速器壳体为铝铸件，其结构比较复杂，壁厚最大处仅7mm，大部分的壁厚只有3mm。这对模样材料的选取提出了更高的要求，综合各方面，选取STMMA作为试验用的模样材料。，在选取珠粒的大小时，根据模样壁厚大小，选取超细料[11]作为预发泡珠粒。

2.2预发泡

预发泡是为了获得密度低、表面光洁、质量优良的泡沫模样，它是可发性珠粒进行成形发泡之前必须进行的变质处理。

进行预发泡最简单的方法是将预发泡珠粒放入90o~100o C的热水中，煮大约3分钟。合格的预发泡珠粒其粒径在0.8~1.2mm之间，时间控制不好，珠粒质量将严重受到影响。当时间不足时，珠粒表面凹凸不平，同时达不到要求的密度；时间太长，表层的珠壁已被发泡剂冲破，就会出现收缩和瘪塌，使成形后模样质量下降。

预发泡后的珠粒含有大量的水分，必须先进行熟化处理后，才能进行成形发泡，否则珠粒易被压扁而影响模样质量。通常的处理方法是将预发泡珠粒置于通风、干燥的房间内48~72小时，然后进行密封处理。

2.3成形发泡

成形发泡可获得尺寸精确、表面光洁度高的模样。

成形发泡的基本过程是：首先将发泡模具进行预热到100o C左右，然后把已预发泡好的珠粒填入模具的型腔内，通入适当的蒸汽即可进行成形发泡。待一定时间后取出模具，用水冷却，最后开模取出泡模模样。

如图2.2为实验用的蒸汽缸。

图2.2 1.进气阀 2.缸盖 3.模具 4.出气阀 5.缸体

其中通蒸气要很好地控制蒸气的压力和通入时间，这也是成形发泡过程中难以控制和把握好的重要工序（特别是本实验用的是手工控制的蒸缸）。如图2.3是成形发泡的压力与时间的关系图。 0.020.040.060.080.100.120.14

1.01.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

t (s )P(Mpa)

t=5E -8.1p r=-0.997 图2.3 压力随温度的变化曲线图

从图2.3中可以看出，获得良好的泡沫模样的关键是控制好成形发泡的时间和压力。时间过短，发泡不充分，会出现未融合的珠粒状断面，使强度降低，容易断裂；时间过长，又会出现过融合的现象，是模样的质量变差，尺寸明显改变。由于本模样是薄壁件，形状是回转体，所以压力的控制不能太随意。从实验中知，压力过小时（0~0.02MPa ），时间再长，也得不到完好的模样。而当压力太高时，往往出现模样一部分已融合好，另一部分未融合好的现象，这主要是因为在模样壁厚一致的情况下，离模具外边缘近的泡模模样吸收热量快。所以使整个模样要达到一致性，其压力也不能太高，一般不超过

0.14MPa。

另外，成形发泡过程还应注意的一些细节问题：

（1）预热一定要充分，否则发泡不充分，表面呈珠粒状，模具中残存的水分会导致模样中的空隙和孔洞，即水损坏。

（2）对手工填料一定要充填紧实。

（3）取模一定要小心，因温度较高，模样的高温蠕变强度承受不住取模时大力敲打。

在实验过程中，我们还遇到值得注意的问题：发泡剂含量是影响成形发泡的一个重要因素，对于时间过长的预发泡珠粒，其残留的发泡剂含量少，导致成形发泡时，模样内部珠粒融合不好，强度低。

如图2.4下为联结好的模样图：

图2.3 模样图

第三章涂料工艺

涂料工艺是消失模铸造和精密复合铸造的重要环节。两种工艺方案使用的涂料各有不同，这主要与它们的铸造原理不一致。消失模半精密铸造其原理与熔模铸造类似。只不过这里取而代之的是用泡沫模样取代压型制造的熔模。当然，利用熔模铸造原理的消失模铸造因其材料发生变化，故其后序工艺与熔模铸造也有不同之处。这在后面详细讨论。

3.1消失模涂料工艺

对于消失模工艺的成败，有人认为，涂料性能占30%。因此，涂料工艺是消失模的关键技术之一 [12]。

消失模铸造涂料应有如下作用：

（1）可以降低铸件表面粗糙度值。

（2）有助于防止或减少铸件粘砂、砂眼等缺陷，因为涂层建立了一道耐火性、热稳定性搞的屏障，将金属液与干砂隔离开来。

（3）有利于提高铸件落砂清理效率。

（4）能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，但又要防止金属液渗入，这是防止铸件产生气孔、金属渗透和碳缺陷十分重要地条件。

（5）能提高泡沫模样地强度和刚度，防止模样在填砂振动时产生变形和破坏，这对提高铸件尺寸精度和成品率至关重要。

（6）对于铝合金铸件，尤其时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液流动前沿温度下降过快，避免冷隔和浇不到缺陷。

3.1.1涂料的配比原则和依据

不同合金种类，其熔化温度、密度差别悬殊。对于铝铸件其浇注温度与钢、铁铸件相差700~850o C，其密度不到后者的1/3，这也决定着涂料的配比有很大差异。钢铁铸

件密度大，浇注时温度高其对涂层的热作用和机械作用远远超过铝合金铸件，因此其涂料强度应更高。由于温度越高，泡沫模样和涂料自身的发气体积越大，因而要求涂料有更高的透气性；否则会引起反喷，气孔等缺陷，而对于铝铸件更注重其绝热性和吸着性。铝合金铸件的涂料配比:铝合金铸件浇注温度低，对耐火填料的耐火度、高温化学稳定性要求不高，但对绝热性却有特殊的要求。因为铝液的热容量小，同时模样热解要吸收大量热量，若冷却过快，容易引起浇不到和冷隔缺陷，对于本实验的铝合金铸件尤其如此，因此常采用保温性能好的硅藻土之类的耐火填料。

由于浇注温度低，密度小，对涂料的强度和透气性要求不高。相反，涂层的透气性还不允许太高，因透气性太高，会导致金属液流速过高，流动不稳定，金属液中容易裹入液态产物。实践证明，铝合金铸件的充型速度以30~50mm/s为佳。

3.1.2 涂料的组成和选用

涂料一般由耐火填料、载体、悬浮剂、粘结剂和添加剂组成。

以下是我们实验用的涂料：

石英砂: 8份5号粉: 1份水:占石英砂的80~100%

3.1.3 涂料的干燥与涂敷

配制：先把石英砂和5号粉干混几分钟，再加水（大部分）搅拌20分钟，剩下的水作为调节用。待混合均匀后，涂刷在模样地表面，一般涂2~3层，厚度大约为1~2mm。然后将模样放置在温度大约50o C的室内3~9小时，或者是将模样放在阳光下曝晒5~6小时。

3.2 精密复合铸造工艺

精密复合铸造是在实型铸造和熔模的基础上发展的复合铸造工艺。该工艺用共聚料STMMA制模，利用熔模的制壳技术在STMMA模上制壳。浇注前将型壳内的STMMA脱出，并焙烧型壳，使型壳具有足够的强度且型壳内不含任何有机物，因而可以避免实型铸造铸件的邹皮和增碳等缺陷，该工艺适应于生产复杂、薄壁、精密的铸件。

当然，制壳和失模是该工艺的关键环节。

3.2.1 型壳制造

这里我们采用之前已做好的STMMA泡沫塑料模，实验选用硅溶胶粘结剂进行制壳（该型壳工艺是东风精密铸造厂所制）。

涂料的配制:表面层涂料用硅溶胶粘结剂，白刚玉粉作耐火材料；过渡层和加固层涂料均用硅熔胶粘结剂，莫来石作耐火材料。一共涂6层料，为了保证涂料的充分干燥，第1层和第2层需在温度25o C，湿度<55的环境中，分别干燥处理7～8小时。这样充分干燥后的硅溶胶就不会产生回熔和溶涨，保证了面层型壳的质量。

3.2.2 失模工艺

与常用消失模涂料相比，该涂料的耐火度足够高，一般可以承受1000o C以上的高温，并且涂层的厚度达到8mm，这更有利于防止在烘烤过程中因模样的形变而影响型壳塌陷或开裂。一般认为，STMMA开始气化的温度在185o C左右，大量气化温度在370o C 左右。我们将制好的模组放在箱式电炉中，使泡沫模样燃烧或气化消失，得到完整型壳。有研究表明[13]，当模样加热到85~90o C时，出现体积膨胀，在130o C时，达到最大值。故在失模开始时，要控制好加热速度，主要目的是除去剩余的发泡剂，提高型壳的低温强度，使型壳不至于在低温时损坏。

试验研究表明，对于5~6层型壳的模样，一般采用随炉升温到600o C，保温60min。

第四章石膏模工艺

4.1 石膏浆料的配制和造型

做好的石膏型需经高温烘烤后才能使用。石膏型因烘烤失水而有收缩,严重时可使铸型开裂而影响型腔的精度,所以,在配制石膏浆料时应加入添加物,如滑石粉和石棉纤维等。

4.1.2 配置

石膏浆料的配制成分:石膏(熟石膏)50%,滑石粉10%,适量的石棉纤维,水约占40%。对于形状复杂的零件,为确保石膏浆料的流动性,水量可适当增加。混制浆料过程:将称好的石膏粉、滑石粉、石棉纤维进行干混,干混均匀后,加水迅速搅拌1～3min(要求浆料搅拌均匀,无团块)。

4.1.3 造型

把组装好的模型簇放在型箱中合适的位置上,将混制好的浆料迅速地灌入型箱中,在浇灌浆料时,为了便于浆料中气体逸出,边浇灌,边轻轻的振动,以便石膏浆料充分与泡沫模样粘合。浇灌后固化15～20min,就可搬动造好的铸型。由于石膏铸型的透气性差,所以在造型过程中,就在浆料即将凝固时,用细针扎若干出气孔,以提高铸型的透气性。

4.2石膏型的烘烤

为了能够得到完整的铸件,浇注前铸型中的泡沫塑料必须烧失完全,以不妨碍金属液充型,所以石膏型的烘烤对铸型的质量极为重要。烘烤的任务是:①脱去石膏型的水分;

②烧掉模样。烘烤温度过高、时间过长将使铸型开裂,移位,失去精度;相反则会使铸型水分过大和存在泡沫模样残留物,使成型困难。

石膏型是在箱式炉中烘烤,可看作是半无限大物体;炉内介质可看作是透热空气。因

t o C

此是一维非稳态导热,其数学表达式为:

22x t

t

??=??ατ

为计算简化,应视型壁结构和组织是均匀的,其

铸型表面温度就急骤上升到tw,在整个不稳定导热过程中,tw 保持不变(τ>0,x=0处,tw=定值)。则上式由数学解析法[14]求得: t=tw+dx

e tw t o ?--ββπ02)

(2 (ax x 2=β)

式中 t---经过时间为τ 后距表面为x 处的温度,℃;

tw---铸形外表面在τ>0时的不变温度(可视为设定的炉内加热温度),℃;

x---至外表面的距离,或外表面至模样界面的距离,m;

a---石膏铸型的导温系数,a=4×10-7(m 2/s);

τ---时间,s 。

烘烤分两个阶段。第一阶段脱去型中绝大部分的水分。已知:x=35×10-3 m,t 0=25℃ ,模样开始气化温度为185℃,若设定炉内温度为280℃(tw=280℃),则根据上式可求出把铸型与模样的界面温度提高到t=185℃所需的时间为10h 。烘烤的第二阶段是烧掉残留的水分和烧掉共聚物模样。根据试验表明,模样在185℃时开始气化。模样在低温下的气化,其形态不是可见的烟雾,而是呈粘稠状物逐渐地萎缩、干枯、消失,可嗅气味,不见其形。温度升高,气化速度加快。但温度过高,石膏失去结晶水过多,会失去强度,型壁产生裂纹。炉内温度定为400℃,即有tw=400℃,t0=185℃。经验告诉我们,型壁温度小于300℃时,很难清除EPS 的液态余渣。要使型壁温度t 达到320℃以上,才能使型腔干净。根据上述积分式,可求出所需的时间为10h 。考虑到共聚物模样是在“密室”中气化,其气化速度远比裸露在炉膛中气化慢得多。所以需要延长保温时间3～4h,故整个烘烤工艺见图

4.1。

τ 时间

图4.1 石膏型烘烤流程图

第五章 铝合金熔炼工艺与浇注

280o C 10小时 400o C 13小时

随着现代工业的发展，为了满足生产和人们生活的需要，铝合金得到广泛地应用。

铸造铝合金因掺入的合金元素不同，其合金种类也是多样化，当然不同的铝合金其用途各有千秋。这里我们对实验用的铝硅合金加以简单介绍。

5.1铝硅合金

在铝硅合金中，硅的含量最高可以达到25%，通常把含硅量在14%以上的称为过共晶铝硅合金，含硅量在10~14%的称为共晶铝合金，含硅量在10%以下的称为亚共晶铝硅合金。因硅含量的不同，三种合金对铸件的铸造性能影响各异。

在实验中我们选用的是含硅量为10%的共晶铝硅合金，其牌号是ZL102。

ZL102的特点和用途：

（1）铸造性能：流动性高，无热裂倾向，线收缩小，气密性高。在铸件的断面厚大处容易产生集中缩孔。吸气倾向大，在生产和实验中，除采用除气精练处理工艺外，还可用压力下结晶的办法来降低铸件针孔率。

（2）机械性能：不能接受热处理强化，机械性能不高。

（3）在熔炼时需进行变质处理。

（4）具有良好的耐腐蚀性。

（5）焊接性能良好，切削加工性能差，表面阳极化处理质量不高。

5.1.1铝合金的熔炼

炉料的组成

1.铝锭

2.硅铝明

3.回炉料

工艺要点：

1.装料顺序：硅铝明和铝锭、回炉料。熔化后进行搅拌。

2.除气精练：除气精练的目的在于自铝液中清除出非金属夹杂物。本实验用的是无毒精练剂，处理温度为700~720o C,将该物品打成块，加入炉内，待反应完毕，立即清除熔渣。

3.变质处理：对于共晶组织的铝硅合金，可以用钠进行变质处理，来细化组织，以改变组织的机械加工性能。

4.熔剂：熔剂用来溶解和吸附铝液中的固态氧化物，当覆盖在铝液表面时，使铝液与炉

气隔开，减少合金的吸气和氧化，实验用的一般是氯化物，如KCl ，CaCl 2等。

熔炼工艺过程如图5.1

图5.1 熔炼工艺图

5.2浇注

浇注速度和浇注温度是影响铸件质量的关键因素。但浇注系统的设计是必不可少的，对于不同的铸造工艺方法，选择合理的浇注系统是浇注成功的前提。如图5.2是组装好的模样图。

图5.2 模样图

由图5.2我们知道，该件是结构复杂的薄壁回转件，要使金属液能够比较完整的进行充填，浇口位置应选如图的位置。其原因是，浇道若在零件底端，待浇注完毕后，去除浇道口，进行加工还会影响到零件表面质量。但浇道在图5.2位置时还可充当冒口，

熔炉预

热 装料熔化 调整化学成分 精练 炉前质量检

验

调温 浇注 熔炉及工具的的准备 炉料的准备 精练剂的准备 变质剂的准备

变质处理

直浇道模样

零件模样

起到补缩作用，并且零件质量不会受到影响。另外使浇道是空心的，这样可以减少浇道的发气量，防止金属液发生反喷，保证金属液从上而下迅速地进入铸型。

将涂料干燥好的消失模模样、已失模的熔模型壳分别埋入专用干砂和普通的湿型砂中。做负压造型的砂箱需进行密封处理，以保证一定的负压度。通常负压度在0～-30KPa 之间。

5.2.1 浇注温度

泡沫模样的热解过程是吸热反应，需要消耗金属液的热量，因此浇注温度要比砂型铸造的高20多度[15]。因此，浇注时温度为700o C。当然，对于三种方法的浇注过程是，先浇注负压造型的，然后浇注石膏型和精密复合型的型腔。

5.2.2 浇注速度

浇注时应尽快充满直浇道，然后稳定浇注速度，直到快浇满时再慢慢收包。浇注速度不能太慢，否则金属液流跟不上泡沫消失和逸出的速度，使其流动前沿气隙变大，而出现铸型坍塌的现象。

第六章铸件质量分析

对铸件产品进行质量分析，有助于我们对比各种铸造方法的优缺点，从而选择一种合适的铸造方法。分析可能产生的缺陷原因，可以帮助我们对工艺方案进行改进。

6.1三种铸造方法对比

6.1.1产品质量对比

三种铸造方法均为半精密铸造，表6.1列出三种铸件的表面质量和尺寸公差。

表6.1 产品质量对比表

比较类别消失模铸造精密复合铸造石膏型铸造砂型铸造

铸件尺寸公差 1.0mm 0.75mm 1.0mm

表面粗糙度Ra6.3μm Ra3.2μm Ra3.2μm Ra12.5μm

6.1.2工艺流程对比

消失模铸造：预发泡——成型发泡——组合——上涂料——干燥——浇注——落砂——清理

精密复合铸造：预发泡——成型发泡——组合——上涂料——型壳焙烧——浇注——落砂——清理

石膏型铸造：预发泡——成型发泡——组合——灌浆——硬化干燥——焙烧——浇注——脱壳处理

上述三种工艺方案，从预发泡到模样的组装完全一样，均采用了消失模的制模工艺，不同的是涂料与烘干两个过程，其干燥时间见表6.2。

表6.2 工序用时对比表

比较类别消失模铸造精密复合铸造石膏型铸造

干燥时间5～6小时20小时10小时

从工艺的生产周期看，消失模铸造生产周期最短，生产效率比较高。

综合实际情况，生产该种零件从表面精度和尺寸要求看，三种情况都符合，但从生产成本比较，消失模铸造方法有明显的优势。