消失模铸件的常见缺陷及对策

Defects and Countermeasures of Lost Foam Casting

Bai Yuzhi； Cui Yahui

（①Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi'an 710089，China；②Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China）

摘要：消失模铸造的工艺过程比传统的粘土砂铸造工艺简单得多。它的特点是铸件精度高，消失模铸造是一种近无余量、精确成形的新工艺，由于其本身的工艺特点，容易产生铸钢件增碳、表面皱皮、铸铁件炭黑、粘砂、塌箱、针刺和节瘤等缺陷。这些缺陷使铸件的强度、塑性、韧性及硬度等力学性能下降，表面光洁度下降，对后续的机械加工造成困难，甚至是整个铸件报废。本文对这些缺陷进行了分析并提出了对策。

Abstract: The process of LFC is much simpler than the traditional clay sand casting process. It is characteristic of high precision. This new technology, which is a nearly non-margin and precise forming, tends to produce carbon steel castings, surface wrinkled skin, carbon black, sticky sand, collapses and other defects owing to the technological features of its own. The mechanical properties of casting decrease including strength，plastic, toughness and hardness of casting and the surface finish decrease too. All these defects make the subsequent machining difficult, or even scrap the whole cast. In this paper, these defects are analyzed and countermeasures are proposed.

关键词：消失模铸造 缺陷 对策

Key words: Lost Foam Casting；defects；countermeasures

中图分类号：TG249 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）21-0037-02

1消失模铸造

消失模铸造是把涂有耐火材料涂层的泡沫塑料模样放入砂箱，模样四周用干砂充填紧实，浇注时高温金属液使其热解“消失”，并占据泡沫塑料模所推出的空间而最终获得铸件的铸造工艺[1]。这种工艺是美国的H.F.Shroyer于1958年发明的。最初所用的模样是采用聚苯乙烯（EPS）板材加工制成，用粘土沙造型生产艺术品铸件。采用这种方法，造型后泡沫塑料模样不必取出，而是在浇注液态金属后燃烧、分解而“让出”空间充满金属液，形成铸件。经过几十年的发展，先后出现了用磁力场作为“粘结剂”、用被磁化的铁丸代替硅砂作为造型材料的“磁性铸造”，用无粘结剂干砂作为造型材料的“实型铸造”，后由日本的Nagano于1971年发明了“V法铸造”，它是用无粘结剂的干砂作为造型材料，用抽真空的方法固定砂型，其优点是避免了干砂的坍塌，有利于浇注过程中模样分解物的排出。

消失模铸造的工艺过程比传统的粘土砂铸造工艺简单得多。它的特点是：铸件精度高，消失模铸造是一种近无余量、精确成形的新工艺，该工艺无需取模、无分型面、无砂芯，因而铸件没有飞边、毛刺和拔模斜度，并减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差；设计灵活，为铸件结构设计提供了充分的自由度。原先分为几个零件装配而成的结构，可以通过由几个泡沫塑料模片粘合后铸造而成。原先需要加工形成的孔、洞可以不用砂芯而直接铸造出来，大大节约了机械加工和制芯成本；型砂中无化学粘结剂，低温下泡沫塑料对环境完全无害，浇铸时它排放的有机物很少，而且排放时间短地点集中，便于集中收集处理；降低投资和生产成本，砂回收系统大大简化，模具寿命长，比传统模具损耗小，生产模样和铸件可以实现自动化。

消失模铸造技术在国外得到了迅速的发展，目前已经进入了技术成熟期。我国近年来也有了长足的进步，但从总体上看还处于技术革新阶段[2]。铸件产品形状简单，品种单一。铸件受到诸多缺陷的困扰，废品率高居不下，经济效益远没有得到体现。

2消失模铸件的常见缺陷

消失模铸件的质量比传统砂型铸件的表面光洁度、尺寸精度以及内部质量好，没有一般砂型铸造中常出现的夹砂、涨箱、错箱以及偏芯等缺陷。但消失模铸造由于其本身的工艺特点，会使泡沫塑料模样在气化、分解、产物扩散中伴随着金属由液态注入到结晶、凝固、冷却的整个过程，使铸件产生缺陷，这些缺陷对铸件质量有很重要的影响。

在整个消失模铸造工艺的过程中，包括白模的成型及整个浇注过程，产生了一系列的物理化学变化，在这些变化、反应过程中均可能产生缺陷，针对产生的铸件缺陷，本文探讨对这些缺陷起关键作用的因素及对策。

2.1 铸钢件增碳消失模铸造铸钢件的增碳缺陷是最常见的一种缺陷,碳缺陷的表现形式与模样的分解特性及其热分解产物有关，包括铸件的表面增碳、铸件的体积增碳、铸件的局部增碳和铸件的表面脱碳。

铸钢件增碳增氢严重影响铸件力学性能，如断面收缩率、伸长率降低，塑性和韧性较差；逐渐表面增碳后硬度增加，给后续的机械加工带来困难，并使铸件焊接性能下降。

防止增碳缺陷的对策：①对于模样尽量选用合适的材料。尽量采用EPMMA或ETMMA共聚物模样材料。②尽可能提高涂料的透气性。在保证不粘砂缺陷的条件下应尽可能减少涂层厚度、增大耐火材料的粒度。③尽量减少模样的用料。应尽量选用低密度的材料和空心的模样结构，这样可以减少模样分解产物的析出量，降低碳的浓度[3]。对于箱体类铸件一般选择模样密度为20～22kg/m3为最佳。④浇注时提高真空度。涂料的透气性与浇注时的真空度密切相关，在保证不粘砂的情况下，应尽量提高浇注是的真空度。采用这种方法，对防止铸钢件的渗碳非常有效。

2.2 铸铁件的表面皱皮对于铸铁件来说，表面皱皮是最常见的缺陷。因为游离碳不容易渗入铸件表层，而是沉积在铸件和铸型的表面。这些高温碳局部堆积太多，引起铸件表面粗糙，这就是皱皮缺陷。从外观上看，皱皮缺陷分为；波纹状皱皮、滴瘤状皱皮、冷隔状皱皮和夹渣状皱皮。防止表面皱皮缺陷的对策：在整个浇注过程中，泡沫塑料的熔融和燃烧越少，泡沫塑料高温分解产物就越少，产生皱皮的机会就会越少。以下措施可消除此类缺陷。①选择适宜的铸造用泡沫塑料。应尽量使用低密度的铸造专用泡沫塑料模型材料[3]，例如STMMA共聚材料，这种材料残渣少、烟雾少、气化速度快，从而有利于改善铸件的质量。②提高浇注温度和浇注速度。为了有足够温度来气化白模而不影响充型，铸铁件的浇注温度比砂型铸造法提高20～80℃，铸钢件提高10～40℃，有色合金提高20～50℃。浇注温度不足以起皱皮，过高则又引发粘砂。③提高抽气量和真空度。提高浇注真空度有利于排烟气，从而改善泡沫塑料的气化条件，有利于金属液迅速充满铸型，促使残留物和气体排出。④根据泡沫塑料在型内气化的特点选择合适的浇注系统。浇注方式可选用底注、阶梯浇注、顶注、雨淋式。不管选用哪一种方式，一定要确保金属液流动平稳、迅速。⑤提高铸型的透气性。提高透气性可选用粗砂，提高浇注时的抽气量和真空度。

2.3 铸铁件炭黑消失模铸造铸铁件的碳黑缺陷是最常见的一种缺陷，表现为在铸铁件侧面或顶面（有时在内剖面上）出现黑色的夹杂缺陷。碳缺陷导致的废品占比例最大，在铸铁上表现尤为突出。

碳缺陷的危害：严重影响组织致密性，液压件和管类铸件受压将会造成渗漏；对受力铸件来说，受循环冷热作用时，将会导致金属断裂；严重影响加工性能，降低刀具寿命；严重影响铸件表面质量[4]。

防止碳黑缺陷的对策：与防止表面皱皮的方法相似，需要采用较低密度的模样材料，较高的浇注温度以及较高的涂料的透气性，之外还需要注意：

设置集渣冒口[3]：通过生产实践或模拟，在铸件容易出现碳缺陷的部位安放一个小尺寸冒口，使铁液充型时处于铁水充型前沿含有液态残留物的液体上浮到集渣冒口，从而保证铸件上部不再出现碳缺陷。

3消失模铸件的其它缺陷

3.1 粘砂及其对策消失模铸件的粘砂缺陷一般为机械粘砂，造成铸件表面粘结型砂而不易清理，严重时造成零件报废。对于这种缺陷，应合理调整涂料组分，特别是粘结剂和悬浮剂组分，提高涂料的抗激烈开裂的性能，提高涂料的强度。

3.2 塌箱及其对策塌箱是指浇注过程中的铸型塌箱，金属液不能够从直浇道进入型腔，造成浇注失败。在浇注大平面铸件、内腔封闭或半封闭的铸件时容易出现塌箱缺陷。要避免塌箱，应尽量避免金属喷溅，为防止密封塑料薄膜被喷溅金属烧失，可在上面覆盖一层干砂或造型砂；其次，合理控制浇注速度，提高砂箱内的真空度，浇注大件时，应采用底注式浇注系统浇注；另外，采用硅砂作型砂，增大摩擦系数，提高抗剪强度。

3.3 节瘤及其防治措施节瘤是在光洁的铸件表面上出现个别形状不规则的突出部分，形似瘤子的一种铸造缺陷。因型砂特别是铁丸与铸件熔焊一体，清理不掉，造成铸件报废。预防这类缺陷，需提高铸型的紧实度和均匀性，使型砂紧紧包裹在模样周围，另外应注意铸件本身的结构，如果不合理则需要修改，避免存在填砂不到的死角。

3.4 针刺及其对策针刺是指在铸件表面产生象米粒大小的凸起状缺陷。这种缺陷会降低铸件的表面光洁度。要消除针刺，首先要综合考虑真空度和浇注温度，其次，采用细颗粒的耐火材料配置涂料、用细颗粒的型砂造型。

3.5 夹杂状冷隔及防治措施夹杂状冷隔出现在铸件最后被填充的部位，呈豆腐渣状。预防措施：改进浇注系统，采用阶梯浇口；在铸件最后被填充的地方设置集渣冒口，使最先进入铸型的金属液排入冒口，既可以排渣，又提高此处金属液充型温度。

4结束语

消失模铸造的整个工艺过程中的，每个环节都有产生缺陷的因素，预防这些缺陷的措施关键在于如下几个环节：有白模（泡沫塑料）材料的质量，涂料的透气性，干啥的种类和成分，真空稳压系统，浇注系统，LFC铸件产生缺陷，除上述这些主要影响因素外，在生产线中如砂箱结构、气室、吸气口布置与铸件结构、合金种类等不匹配也会造成缺陷，总之，务必全方位从严管理，才能稳定地获得合格的消失模铸件。

参考文献:

[1]黄天佑,黄乃瑜,吕志刚.消失模铸造技术[M].北京:机械工业出版社，2004，4：3-9.

[2]刘子利.消失模铸造技术新进展.铸造[J].2006，11:1118-1120.

[3]杨增平.消失模铸造中模样密度对变速箱质量的影响机械管理开发 2010，6.

[4]朱春熙，邱晓嘉，韩静.消失模铸件的皱皮缺陷研究[J].洛阳工业高等专科学校学报.2006，3，（1）：16-17.

[5]章舟，唐锁云，厉三于，李京隆.消失模铸造缺陷的影响因素及防止措施[J].现代铸铁,2006，4：92-94.