1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院华中科技大学华中科技大学HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY1授课教师：董选普教授 吕书林博士第第4章章 特种铸造特种铸造4.1 4.1 压铸压铸4.2 4.2 熔模精密铸造熔模精密铸造4.3 消失模铸造消失模铸造时代背景 1954年聚苯乙烯泡沫材料实现工业化1958年美国人提出实型铸造专利给铸造带来革命性的观念：造型不再取模！ 4.3 消失模铸造4.3 消失模铸造美国GM Powertrain公司Difiance Casting Plant生产的3.5L卡车铝合金5缸缸体。 美国GM Powertrain公
2、司Difiance Casting Plant生产的3.5L卡车铝合金5缸缸头。 消失模有什么好处？4.3 消失模铸造消失模有什么好处？图为 GM Powertrain公司Difiance Casting Plant（Defiance,Ohio）生产的5缸铝合金缸体 图 为GM Powertrain公司Massena Casting Plant（Massena ，New York）生产的铝合金5缸缸盖 4.3 消失模铸造消失模有什么好处？图 为美国GM Powertrain公司生产的Pontiac2005年AFS评选出十佳铸件 中有两件为消失模铸件。图为美国Mercury Marine（ Fo
3、nd du Lac）公司生产的船用发动机6缸铝合金缸盖德国德国BMWBMW铝合金消失模生产线铝合金消失模生产线4.3 消失模铸造消失模有什么好处？4.3 消失模铸造消失模铸造是21世纪的绿色铸造技术1）造型自由度高，铸件壁厚均匀；2）环境较为友好，减轻劳动强度；3）取代多个砂芯；型砂最易回用；4.3 消失模铸造-主要内容4.3.1 消失模铸造技术原理4.3.2 消失模铸造的关键技术4.3.3 消失模铸造工艺设计4.3.4 消失模艺术铸造实例? ? ?4.3.1 消失模铸造技术原理 消失模铸造又称气化模铸造或实型铸造。它是采用泡沫塑料模样代替普通模样紧实造型，造好铸型后不取出模样、直接浇入金属液
4、，在高温金属液的作用下，模样受热气化、燃烧而消失，金属液取代原来泡沫塑料模样占据的空间位置，冷却凝固后即获得所需的铸件。消失模铸造的工艺过程如下图所示。清洗涂料开箱取件浇组金属2 23 34 45 56 67 78 89 91 1粘结模束浸挂涂料烘干涂料填充干砂振动紧实分离铸件消失模铸造的主要特点：（1）近无余量、精确成形、复杂壁厚均匀；（2）无粘结剂，容易实现清洁生产；（3）无需砂芯，为铸件结构设计提供了充分的自由度；（4）金属液的流动前沿是热解的消失模产物（气体和液体），它会与金属液发生反应并影响到金属液的充填，如果金属充型过程中热解产物不能顺利排除，就容易引起铸件气孔、皱皮、增碳等缺陷；
5、（5）EPS等模样易变形，强度不高；“三长两短”4.3.1 消失模铸造技术原理和特点1）泡沫塑料模样的成形加工及组装（白区技术） 泡沫塑料模样通常采用两种方法：、采用商品泡沫塑料板料切削加工、粘结成型；4.3.2 消失模铸造的关键技术4.3.2 消失模铸造的关键技术1）泡沫塑料模样的成形加工及组装（白区技术） 泡沫塑料模样通常采用两种方法：、采用商品泡沫塑料板料切削加工、粘结成型；举例：数控加工泡沫模样原型 4.3.2 消失模铸造的关键技术1）泡沫塑料模样的成形加工及组装（白区技术） 泡沫塑料模样通常采用两种方法：、采用商品泡沫塑料板料切削加工、粘结成型；举例：数控加工泡沫模样原型 泡沫加工专
6、用刀具1）泡沫塑料模样的成形加工及组装（白区技术） 泡沫塑料模样通常采用两种方法：、商品泡沫塑料珠粒预发后，经模具发泡成型。4.3.2 消失模铸造的关键技术卧式成型机泡塑模具三维设计泡沫模样的三维造型和泡沫模样4.3.2 消失模铸造的关键技术1）泡沫塑料模样的成形加工及组装（白区技术） 泡沫塑料模样通常采用两种方法：商品泡沫塑料珠粒预发后，经模具发泡成型。2）消失模铸造的涂料技术涂料在消失模铸造工艺中的控制作用：1）涂层将金属液与干砂隔离，可防止冲砂、粘砂等缺陷；2）浇注充型时涂层将模样的热解产物气体快速导出，可防止浇不足、气孔、夹渣、增碳等缺陷产生； 3）涂料层可以吸附泡沫模样液体裂解产物，
7、提高铝镁合金的充型能力；4）涂层可提高模样的强度和刚度，使模样能经受住填砂、紧实、抽真空等过程中力的作用，避免模样变形。4.3.2 消失模铸造的关键技术消失模铸造涂料应具有如下性能：1）良好的透气性（模样受热气化生成的气体容易通过涂层，经型砂之间的间隙由真空泵强行抽走）；2）良好的涂挂性（涂料涂挂后能在模样表面获得一层厚度均匀的涂层）；3）足够的强度（常温下能经受住搬运、紧实时的作用力使涂层不会剥落，高温下能抵抗金属液的冲刷作用力）；4）发气量小（涂料层经烘干后，在浇注过程中与金属液作用时产生的气体量小）；5）低温干燥速度快（低温烘干时，干燥速度快，不会产生龟裂、结壳等现象）。2）消失模铸造的
8、涂料技术4.3.2 消失模铸造的关键技术3）、造型、浇注、清理（黑区技术）l（1）消失模铸造用砂 消失模铸造通常采用无粘结剂的石英散砂、陶粒砂来充填、紧实模样，砂粒的平均粒度为AFS2545较常见。粒度过细有碍于浇注时塑胶残留物的逸出；粗砂粒则会造成金属液渗入，使得铸件表面粗糙。砂子粒度分布集中较好，以便保证型砂的高透气性。l（2）雨淋式加砂 在模样放入砂箱内紧实之前，砂箱的底部要填入一定厚度（约100mm）的型砂作为放置模样的砂床。然后放入模样，再边加砂、边振动紧实，直至填满砂箱、紧实完毕。雨淋式加砂均匀、对模样的冲击较小，是生产中常用的方法。4.3.2 消失模铸造的关键技术（3）砂的振动紧
9、实 消失模铸造中干砂的加入、充填和紧实是得到优质铸件的重要工序。砂子的加入速度必须与砂子紧实过程相匹配。振动紧实应在加砂过程中进行，以便使砂子充入模型空腔，并保证砂子达到足够紧实而又不发生变形。 型砂紧实后的浇注通常在真空状态下进行，消失模铸造中的真空抽气系统。 3）、造型、浇注、清理（黑区技术）4.3.2 消失模铸造的关键技术最新的振动紧实台最新的振动紧实台3）、造型、浇注、清理（黑区技术）4.3.2 消失模铸造的关键技术上下左右上下左右 来回晃悠来回晃悠 消失模铸造中的真空抽气系统1-真空泵 2-水浴罐 3-水位计 4-排水阀 5-球阀 6-逆流阀 7-3寸管 8-真空表 9-滤网10-滤
10、砂与分配罐 11-止阀（若干个） 12-进气管（若干个） 13-挡尘罩 14-支托 15-排尘阀（4）浇注-真空下浇注4.3.2 消失模铸造的关键技术减少铸件气孔、夹渣缺陷4.3.2 消失模铸造的关键技术（4）浇注-压力下浇注提高铝合金铸件致密度 消失模铸造工艺示意图1、干砂或旧砂，2、密封塑料薄膜，3、干砂或自硬砂，4、冒口，5、模样，6、抽气室，7、抽气管，8、浇口杯4.3.3 消失模铸造的工艺设计4.3.3 消失模铸造的工艺设计1）、发泡模具的设计产品壁厚的考察；加工量；收缩率；结构优化，防变形或减重；模样分片；粘结负数；方便分片及组装浇道；4.3.3 消失模铸造的工艺设计1）、发泡模具
11、的设计 模样分片 铸件及模样设计A模片B模片C模片D模片“化整为零”4.3.3 消失模铸造的工艺设计1）、发泡模具的设计 铸件及模样设计“化整为零”阀体泡沫模样与分块设计头部分为两块尾部圆环分为四块由7块拼接而成的DN1200泡沫模样。由于模样尺寸特大，法兰外径为1450mm 总高为1800mm。利用其对称性，分为7个模块，也为节省模具制造费用。该设计只需三副模具：半个头部模具、1/4圆环模具和尾部模具。2）、发泡工艺设计4.3.3 消失模铸造的工艺设计珠粒预发泡成形发泡预发泡工艺过程图EPS原料预发泡干 燥EPS预发珠粒 堆积密度600650kg/m3 发泡剂（戊烷）约6%（重量百分比） 预
12、发泡机：圆柱形搅拌桶作用介质：水蒸汽 通过内压力使珠粒膨胀 通过搅拌防止结团通过预发泡温度和预发时间控制堆积密度 流态床干燥热风干燥（2535） 含水量均降至2%以下 堆积密度1530kg/m3含水量1% 不同密度珠粒 发泡剂含量约为4%（重量百分比）成形发泡的工艺过程a）通蒸汽、发泡成形 b）喷水c）出模4.3.3 消失模铸造的工艺设计3）、浇注系统设计 消失模铸造浇注系统的设计必须结合消失模铸造的特点，不仅考虑金属液的流动，而且要考虑到泡沫模样的热分解作用和影响。特殊性如下： 消失模铸造中，高温金属液充型流动过程中要克服汽化泡沫模样而带来的气压阻力，不像在空腔中流动中的水力学流动，因此在传
13、统的砂型铸造（空型）中，浇口大小、数量、位置至关重要，而在消失模铸造中并不是那么重要。 消失模模样（含浇注系统）需要涂挂涂料，需要承受很大的重力。内浇道起到连接模样和浇注系统的作用。当浇口面积很小时，小到实际上很难支持得住涂挂涂料和填砂紧实时的强度，浇注速度才由浇口面积所控制。但实际上，使用的浇口面积（为了支持涂挂涂料和填砂振实时有足够的强度）要大得多，此时，控制浇注速度主要因素就不再是浇口面积，而是取决于涂料的性质。 对于铝合金，低透气性涂料，浇口不再是节流口，控制金属充型速度的是泡沫模样的消失速度和从涂层中逃逸的速度；只有浇口足够小时（即“临界浇口”），浇口才能作为节流口，但实际上这么小的
14、“临界浇口”是无法支持住模组在操作过程中不被损坏。4.3.3 消失模铸造的工艺设计3）、浇注系统设计 和传统砂型铸造工艺一样，消失模铸造浇注系统设计首先要确定内浇道（最小断面尺寸），再按一定比例确定直浇道和横浇道。计算方法有以下两种：1）：以传统砂型工艺为参考，经查表或经验公式计算后，再做适当调整，一般增大1520%（实际要考虑涂挂涂料时承受力的问题）。2）：如水力学计算公式：（cm2 2） 开放式可提高浇注系统和泡沫模样之间的结合强度，保证在浸涂涂料，烘干、搬运以及振动造型操作时模样不会折断。因此推荐的各组元尺寸： ： =1 =1：（：（1.11.3）：（）：（1.21.5）。）。F直：（1
15、）、单件顶注工艺4.3.3 消失模铸造的工艺设计铝合金4缸缸体顶注工艺异型管件的顶注工艺（德国Common公司提供）框架结构件的顶注工艺（德国Common公司提供）（2）、单件底注工艺4.3.3 消失模铸造的工艺设计电机壳体采用底注，分三个内浇道均匀布置进入型腔。齿轮箱体采用底注，分四个内浇道垂直进入4.3.3 消失模铸造的工艺设计（3）、多件串浇底注工艺汽车零件压盖的底注串浇工艺 圆环法兰件一串分8层铸8件，见左图。小支架分三层铸54件件，见上图。金属液从耐火空心直浇道下去，再底返上来，一层一层充填。即平稳又提高了铸件出品率。（4）、 阶梯浇注系统4.3.3 消失模铸造的工艺设计工程车大型齿
16、轮箱体的多个阶梯浇注系统叉车齿轮体铸件采用阶梯侧注日字型浇注系统（4个内浇口，直浇道上半截为空心陶瓷管，防止冲砂缺陷）1956年，美国H.F.Shroyer 先生采用聚苯乙烯材料制作零件原型，将其埋入砂型中，直接浇注铁合金，获得金属铸件。当年他申请Cavityless Casting Mold and Method of Making Same专利，1958年4月15号该专利获得批准。参见图112 H.F.Shroyer 先生的专利原件插图。 Shroyer 先生为实型铸造的发明人。1980年以后，实型铸造演变为消失模铸造。图112 H.F.Shroyer 专利原件插图 1） 早期消失模铸造艺
17、术品1951年苯乙烯专利问世（见图111为德国BASF公司关于苯乙烯的基础专利原件）。1954年美国将发泡的聚苯乙烯作为包装和绝热的新材料。图111德国BASF专利4.3.4 消失模铸造的工艺实例早期消失模铸件青铜天马神像A。用泡沫板材雕刻马身原形B。 组装好的天马神像泡沫原形C。 天马神像铸造D。 青铜天马神像（重150公斤）4.3.4 消失模艺术铸造实例 1） 早期消失模铸造艺术品纪录了消失模铸造骏马的过程泡沫原型、浇冒口系统、上涂料、浇注铝合金以及抛光上色等工艺过程 2）近期消失模艺术铸件4.3.4 消失模艺术铸造实例 2）近期消失模艺术铸件朱铭美术馆（台湾）4.3.4 消失模艺术铸造实例消失模铸造艺术品实例：深圳证卷交易所铜钟南昌冶金建设有限公司提供该铜钟重约 公斤，现悬挂于深圳证卷交易所大厅内4.3.4 消失模艺术铸造实例 2）近期消失模艺术铸件思考题l消失模铸造核心优势在于哪几点？l消失模铸造是不是适合所有的铸造合金？
