气化模铸造技术

　　1.气化模-负压铸造技术(EPC-V法)

　　EPC-V法铸造技术的关键为制造优质气化模，配制涂挂性和透气性好的涂料和负压工艺等。

　　(l)优质气化模制造 气化模在EPC-V法中占有极其重要的地位，其质量优劣直接影响铸件的质量。

　　目前用于制造气化模的材料主要是聚苯乙烯珠粒(EPS)，要求密度和粒度尽可能小，密度为0.015～0.025g/cm3，珠粒直径参考值见表1。对于不同的铸造合金，由于浇注温度不同，对EPS模型的密度要求也有差异详见表2。成模发泡时在型腔内要建立一定的负压，以利EPS珠粒均匀充满，获得表面光洁、密度均匀的泡沫塑料模型。

　　表 1 铸件壁厚与 EPS 珠粒直径关系

铸件壁厚 /mm	EPS 原珠直径 /mm	预发泡后珠粒直径 /mm
3 ～ 4	0.3 ～ 0.4	0.9 ～ 1.2
4 ～ 5	0.4 ～ 0.5	1.2 ～ 1.5
＞ 5	0.5 ～ 0.6	1.5 ～ 2.5

　　表 2 不同铸造合金用 EPS 模型密度参考值

铸造合金	浇注温度 / ℃	EPS 模型密度 /(kg/m3)
铝合金	700 ～ 780	24 ～ 25.6
铜合金	1030 ～ 126	20 ～ 21.6
灰铸铁	1370 ～ 1450	≤ 20
钢	1590 ～ 1650	≤ 17.6

　　(2)耐火涂料

　　涂料必须具有良好的涂挂性、透气性和强度。由于涂料涂在EPS模样表面，在施涂方法上采用浸涂和淋涂，因此EPC-V法铸造要求涂料在模样上均匀流布附着并保持足够的厚度，模组从涂料槽中取出后又要求粘度较快增长。具有这种性能的涂料必须是有一定屈服点值(7～12Pa)和较小触变性的假塑性流体，才能使涂料具有良好的涂挂性。涂料一般以水作载体，分别以铝矾土、石英粉、刚玉粉、诰英粉等与不同种类粘结剂如聚乙烯酸(PVA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚醋酸乙烯乳液(PAL)、粘土、硅溶胶等配制而成。以PVA、CMC、PAL等作粘结剂的水基涂料具有触变性，采用膨润土和CMC配合作用或用<10μm的细粉来调节涂料的流变性。

　　由于EPS模型的发气量大，按EPS模壁厚不同发气量波动于5～40cm3/g之间，所有这些气体都必须通过涂料层排出，因此涂料层必须具有良好的透气性和强度，这是获得合格铸件的关键。提高涂料透气性的主要途径：选用粒度较粗0.1～0.075mm(150～200目)颗粒较集中的耐火骨料、选用多孔的轻质材料作骨料、采用薄层涂料及微波干燥法均可改善涂料的透气性。

　　(3)无粘结剂干砂造型

　　该造型法最重要的是要求铸型具有良好的透气性、足够的紧实度。填砂造型时一般选用单筛砂，其粒度推荐值见表3，砂粒呈圆形或多角形的型砂，还必须经振动紧实，以获得均匀和足够的堆积密度。对于形状简单的部件，一维振动已足够;对有深腔和凹槽多的复杂零件，要采用三维振动造型来紧实型砂。造型时选择适当的振动强度。振动加速度在1.5～2.5g范围内效果最好。

　　表 3 型砂粒度推荐值

浇注合金型砂粒度 /mm	负压造型	常压造型
铸钢、铸铁件	0.355 ～ 0.28(50 ～ 60 目 )	—
铸铝件	0.355 ～ 0.28(50 ～ 60 目 )	0.355 ～ 0.154(50 ～ 100 目 )
铸铜件	0.154 ～ 0.1(100 ～ 150 目 )	0.355 ～ 0.154(50 ～ 100 目 )

　　(4)铸型负压度的控制

　　该法浇注及冷却期间，铸型必须保持一定的负压度，其作用为：固定松散的干砂，保持铸型有足够的强度、消除浇注时EPS分解产物对铸件、填砂及环境的污染、控制金属液的充填。

　　正确选择真空泵的功率和排气量是保证EPC-V法铸型维持适当负压度的前提条件。真空泵的动力消耗可按下式计算：

　　W=Kn(V1+βmQ)

　　式中 W——水环式真空泵电动机功率(kw);

　　K——动力系数， K≈2～6(kw/m3);

　　n——砂箱个数;

　　V1——单个砂箱的体积(m3);

　　β——安全系数(取β=3～10);

　　m——每个砂箱内的EPS模型质量(kg);

　　Q——EPS发气量(浇注钢铁时，取 Q=0.5～1.0m3/kg)。

　　在实际生产中一般都是依据真空罐上的真空表调节负压度，为了保证铸型有足够的稳定性，要正确选择初始负压度，初始负压度低于0.02MPa时铸型强度不够，极容易出现金属喷溅现象，若高于0.05MPa时又容易产生渗透粘砂缺陷，一般铸型负压度控制在0.025～0.05MPa范围内，浇注薄壁小件可取低值。

　　2.气化模-精铸-负压复合铸造技术(EPC-CS法)

　　该工艺的突出特点是用气化模来代替蜡模，因此制造优质气化模及超薄陶瓷型壳是EPC-CS法复合铸造的关键，其次是振动紧实负压工艺。

　　(1)优质气化模的制造

　　该法气化模用的原材料为聚苯乙烯珠粒(EPS)，但与EPC-V法用的EPS珠粒不同，为获优质气化模要采用高密度、粒径小而均匀的EPS珠粒，其粒径为0.25～0.5mm，密度为 0.l～0. 3g/cm3。

　　气化模的成形包括：设计与加工气化模用模具，聚苯乙烯珠粒的预发、干燥熟化、气化模的蒸气成形工艺。EPS珠粒的预发采用热水预发工艺，将EPS珠粒放入连续式预发泡机中，加入适量的分散剂，为避免珠料预发时粘结，要严格控制预发温度和时间，使预发后EPS珠粒的密度为0.059/cm3左右。此密度的预发珠粒具有较高的膨胀能力，成形后可得到表面光洁、尺寸精确的气化模。可发性EPS珠粒最佳热水预发工艺见表4。预发后的可发性 EPS珠粒要在空气中放置一段时间，让空气渗透到珠粒的泡孔内，使珠粒变得干燥而有弹性，这个过程为熟化。预发后的EPS珠粒含水量很高，必须进行干燥，干燥熟化工艺见表5。干燥熟化时，为加快速度可以吹风，风速以不使EPC珠粒沸腾为限。

　　表 4 热水预发工艺

预发温度 / ℃	100 ～ 102
热水预发时间 /min	2 ～ 3
加料量 / 水量	＜ 6
分散加入量 / 水量	＞ 0.03

　　表 5 干燥熟化工艺

干燥熟化温度 / ℃	50
干燥熟化时间 /h	＞ 12
干燥后 EPS 珠粒含水量①（ % ）	＜ 1

　　气化模成形应用最广、使用效果最好的是蒸汽成形法。该法是用过热水蒸气作热载体，将装满顿发的可发性EPS珠粒的母型(型壁装有排气筛的铝等轻合金模具)放入蒸汽室，通入过热蒸汽，热蒸汽通过排气筛进入母型内加热珠粒，使其发泡并保持到EPS珠粒再发泡终了为止。气化模蒸汽成形工艺见表6。

　　表 6 蒸汽成形工艺

喷料压力 /MPa	成形压力 /MPa	模具预热时间 /s	成形时间 /s
0.34 ～ 0.44	0.098 ～ 0.147	10 ～ 15	10 ～ 30

　　(2)超薄陶瓷型壳

　　EPC-CS法复合铸造用超薄陶瓷型壳厚一般为3～4mm，因此型壳必须具有足够的强度，为此选硅溶胶作为粘结剂，锆英粉、铝矾土粉作为涂料的填料，莫来石砂作为撒砂材料。采用如下精铸制壳工艺制取超薄陶瓷型壳。

　　1)严格控制涂料的质量，涂料按组元配制后，采用“L”型涂料搅拌机低速长时间搅拌，使粘结剂与填料充分润湿。面层涂料粘度：(30±1)s，加固层涂料粘度：(15±2)s。

　　2)制壳工艺：根据铸件大小，型壳可挂3～4层，制壳工艺参数详见表7，最后型壳再挂一遍涂料，干燥后待用。

　　表 7 制壳工艺参数

层次	面层 ( 一、二层 )	加固层 ( 三、四层 )
撒砂粒度 /mm( 目 )	0.45/0.22(40/70 目 )	2.0/0.9(10/20 目 )
干燥时间 /h	4 ～ 6	2 ～ 4
环境温度 / ℃	18 ～ 20	18 ～ 20
相对温度 (%)	40 ～ 60	40 ～ 60

　　3)失模、型壳焙烧工艺：型壳在高温焙烧前要将气化模从型壳中融出，为此将模组放人带托盘的低温干燥箱中进行加热，使气化模变成融熔流体从型腔中脱出，较好的失模温度为50～90℃，保温30～40min。

　　将失模后的超薄陶瓷型壳放入高温炉中焙烧，在1000～1050℃下保温lh，出炉用于浇注。由此不难看出，EPC-CS法复合铸造在浇注前将气化模熔失，再进高温炉焙烧，因此在型壳中没有残存碳，可用于浇注任何合金铸件，同时解决了气化模燃烧时产生的烟雾，减轻环境污染。

　　(3)振动紧实及负压工艺

　　将焙烧后的陶瓷型壳放人振动台上的砂箱中，填入0.9mm/0.45mm(20目/40目)或2.0mm/0.9mm(10目/20目)的型砂，通过振动紧实和负压物理过程，使型砂得到紧实，保证型壳具有足够的抗变形、抗开裂能力，防止型壳因热冲击及合金凝固收缩应力作用产生破裂、跑火等现象。型砂振动紧实以共振状态下紧实效果为最好，三维振动紧实效果优于二维、一维振动紧实效果。一维振动参数选择合适仍能满足生产要求，而且设备投资少，操作简便。一维振动紧实型砂的最佳工艺参数如下：频率为50Hz左右，振幅为0.lmm左右，加速度为1～1.5g左右，振动时间根据铸件复杂程度确定。

　　在铸件浇注和冷却过程中必须实施负压，有利于型腔中气体的排除和金属液的充填，提高铸件表面质量。适宜的真空度为0.03MPa左右，浇注后消除负压，将铸件从型砂中取出，除掉超薄陶瓷型壳，获得优质铸件。