氣化模鑄造技術

　　1.氣化模-負壓鑄造技術(EPC-V法)

　　EPC-V法鑄造技術的關鍵為制造優質氣化模，配制涂掛性和透氣性好的涂料和負壓工藝等。

　　(l)優質氣化模制造 氣化模在EPC-V法中占有極其重要的地位，其質量優劣直接影響鑄件的質量。

　　目前用于制造氣化模的材料主要是聚苯乙烯珠粒(EPS)，要求密度和粒度盡可能小，密度為0.015～0.025g/cm3，珠粒直徑參考值見表1。對于不同的鑄造合金，由于澆注溫度不同，對EPS模型的密度要求也有差異詳見表2。成模發泡時在型腔內要建立一定的負壓，以利EPS珠粒均勻充滿，獲得表面光潔、密度均勻的泡沫塑料模型。

　　表 1 鑄件壁厚與 EPS 珠粒直徑關系

鑄件壁厚 /mm	EPS 原珠直徑 /mm	預發泡后珠粒直徑 /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 不同鑄造合金用 EPS 模型密度參考值

鑄造合金	澆注溫度 / ℃	EPS 模型密度 /(kg/m3)
鋁合金	700 ～ 780	24 ～ 25.6
銅合金	1030 ～ 126	20 ～ 21.6
灰鑄鐵	1370 ～ 1450	≤ 20
鋼	1590 ～ 1650	≤ 17.6

　　(2)耐火涂料

　　涂料必須具有良好的涂掛性、透氣性和強度。由于涂料涂在EPS模樣表面，在施涂方法上采用浸涂和淋涂，因此EPC-V法鑄造要求涂料在模樣上均勻流布附著并保持足夠的厚度，模組從涂料槽中取出后又要求粘度較快增長。具有這種性能的涂料必須是有一定屈服點值(7～12Pa)和較小觸變性的假塑性流體，才能使涂料具有良好的涂掛性。涂料一般以水作載體，分別以鋁礬土、石英粉、剛玉粉、誥英粉等與不同種類粘結劑如聚乙烯酸(PVA)、羧甲基纖維素(CMC)、聚醋酸乙烯乳液(PAL)、粘土、硅溶膠等配制而成。以PVA、CMC、PAL等作粘結劑的水基涂料具有觸變性，采用膨潤土和CMC配合作用或用<10μm的細粉來調節涂料的流變性。

　　由于EPS模型的發氣量大，按EPS模壁厚不同發氣量波動于5～40cm3/g之間，所有這些氣體都必須通過涂料層排出，因此涂料層必須具有良好的透氣性和強度，這是獲得合格鑄件的關鍵。提高涂料透氣性的主要途徑：選用粒度較粗0.1～0.075mm(150～200目)顆粒較集中的耐火骨料、選用多孔的輕質材料作骨料、采用薄層涂料及微波干燥法均可改善涂料的透氣性。

　　(3)無粘結劑干砂造型

　　該造型法最重要的是要求鑄型具有良好的透氣性、足夠的緊實度。填砂造型時一般選用單篩砂，其粒度推薦值見表3，砂粒呈圓形或多角形的型砂，還必須經振動緊實，以獲得均勻和足夠的堆積密度。對于形狀簡單的部件，一維振動已足夠;對有深腔和凹槽多的復雜零件，要采用三維振動造型來緊實型砂。造型時選擇適當的振動強度。振動加速度在1.5～2.5g范圍內效果最好。

　　表 3 型砂粒度推薦值

澆注合金型砂粒度 /mm	負壓造型	常壓造型
鑄鋼、鑄鐵件	0.355 ～ 0.28(50 ～ 60 目 )	—
鑄鋁件	0.355 ～ 0.28(50 ～ 60 目 )	0.355 ～ 0.154(50 ～ 100 目 )
鑄銅件	0.154 ～ 0.1(100 ～ 150 目 )	0.355 ～ 0.154(50 ～ 100 目 )

　　(4)鑄型負壓度的控制

　　該法澆注及冷卻期間，鑄型必須保持一定的負壓度，其作用為：固定松散的干砂，保持鑄型有足夠的強度、消除澆注時EPS分解產物對鑄件、填砂及環境的污染、控制金屬液的充填。

　　正確選擇真空泵的功率和排氣量是保證EPC-V法鑄型維持適當負壓度的前提條件。真空泵的動力消耗可按下式計算：

　　W=Kn(V1+βmQ)

　　式中 W——水環式真空泵電動機功率(kw);

　　K——動力系數， K≈2～6(kw/m3);

　　n——砂箱個數;

　　V1——單個砂箱的體積(m3);

　　β——安全系數(取β=3～10);

　　m——每個砂箱內的EPS模型質量(kg);

　　Q——EPS發氣量(澆注鋼鐵時，取 Q=0.5～1.0m3/kg)。

　　在實際生產中一般都是依據真空罐上的真空表調節負壓度，為了保證鑄型有足夠的穩定性，要正確選擇初始負壓度，初始負壓度低于0.02MPa時鑄型強度不夠，極容易出現金屬噴濺現象，若高于0.05MPa時又容易產生滲透粘砂缺陷，一般鑄型負壓度控制在0.025～0.05MPa范圍內，澆注薄壁小件可取低值。

　　2.氣化模-精鑄-負壓復合鑄造技術(EPC-CS法)

　　該工藝的突出特點是用氣化模來代替蠟模，因此制造優質氣化模及超薄陶瓷型殼是EPC-CS法復合鑄造的關鍵，其次是振動緊實負壓工藝。

　　(1)優質氣化模的制造

　　該法氣化模用的原材料為聚苯乙烯珠粒(EPS)，但與EPC-V法用的EPS珠粒不同，為獲優質氣化模要采用高密度、粒徑小而均勻的EPS珠粒，其粒徑為0.25～0.5mm，密度為 0.l～0. 3g/cm3。

　　氣化模的成形包括：設計與加工氣化模用模具，聚苯乙烯珠粒的預發、干燥熟化、氣化模的蒸氣成形工藝。EPS珠粒的預發采用熱水預發工藝，將EPS珠粒放入連續式預發泡機中，加入適量的分散劑，為避免珠料預發時粘結，要嚴格控制預發溫度和時間，使預發后EPS珠粒的密度為0.059/cm3左右。此密度的預發珠粒具有較高的膨脹能力，成形后可得到表面光潔、尺寸精確的氣化模。可發性EPS珠粒最佳熱水預發工藝見表4。預發后的可發性 EPS珠粒要在空氣中放置一段時間，讓空氣滲透到珠粒的泡孔內，使珠粒變得干燥而有彈性，這個過程為熟化。預發后的EPS珠粒含水量很高，必須進行干燥，干燥熟化工藝見表5。干燥熟化時，為加快速度可以吹風，風速以不使EPC珠粒沸騰為限。

　　表 4 熱水預發工藝

預發溫度 / ℃	100 ～ 102
熱水預發時間 /min	2 ～ 3
加料量 / 水量	＜ 6
分散加入量 / 水量	＞ 0.03

　　表 5 干燥熟化工藝

干燥熟化溫度 / ℃	50
干燥熟化時間 /h	＞ 12
干燥后 EPS 珠粒含水量①（ % ）	＜ 1

　　氣化模成形應用最廣、使用效果最好的是蒸汽成形法。該法是用過熱水蒸氣作熱載體，將裝滿頓發的可發性EPS珠粒的母型(型壁裝有排氣篩的鋁等輕合金模具)放入蒸汽室，通入過熱蒸汽，熱蒸汽通過排氣篩進入母型內加熱珠粒，使其發泡并保持到EPS珠粒再發泡終了為止。氣化模蒸汽成形工藝見表6。

　　表 6 蒸汽成形工藝

噴料壓力 /MPa	成形壓力 /MPa	模具預熱時間 /s	成形時間 /s
0.34 ～ 0.44	0.098 ～ 0.147	10 ～ 15	10 ～ 30

　　(2)超薄陶瓷型殼

　　EPC-CS法復合鑄造用超薄陶瓷型殼厚一般為3～4mm，因此型殼必須具有足夠的強度，為此選硅溶膠作為粘結劑，鋯英粉、鋁礬土粉作為涂料的填料，莫來石砂作為撒砂材料。采用如下精鑄制殼工藝制取超薄陶瓷型殼。

　　1)嚴格控制涂料的質量，涂料按組元配制后，采用“L”型涂料攪拌機低速長時間攪拌，使粘結劑與填料充分潤濕。面層涂料粘度：(30±1)s，加固層涂料粘度：(15±2)s。

　　2)制殼工藝：根據鑄件大小，型殼可掛3～4層，制殼工藝參數詳見表7，最后型殼再掛一遍涂料，干燥后待用。

　　表 7 制殼工藝參數

層次	面層 ( 一、二層 )	加固層 ( 三、四層 )
撒砂粒度 /mm( 目 )	0.45/0.22(40/70 目 )	2.0/0.9(10/20 目 )
干燥時間 /h	4 ～ 6	2 ～ 4
環境溫度 / ℃	18 ～ 20	18 ～ 20
相對溫度 (%)	40 ～ 60	40 ～ 60

　　3)失模、型殼焙燒工藝：型殼在高溫焙燒前要將氣化模從型殼中融出，為此將模組放人帶托盤的低溫干燥箱中進行加熱，使氣化模變成融熔流體從型腔中脫出，較好的失模溫度為50～90℃，保溫30～40min。

　　將失模后的超薄陶瓷型殼放入高溫爐中焙燒，在1000～1050℃下保溫lh，出爐用于澆注。由此不難看出，EPC-CS法復合鑄造在澆注前將氣化模熔失，再進高溫爐焙燒，因此在型殼中沒有殘存碳，可用于澆注任何合金鑄件，同時解決了氣化模燃燒時產生的煙霧，減輕環境污染。

　　(3)振動緊實及負壓工藝

　　將焙燒后的陶瓷型殼放人振動臺上的砂箱中，填入0.9mm/0.45mm(20目/40目)或2.0mm/0.9mm(10目/20目)的型砂，通過振動緊實和負壓物理過程，使型砂得到緊實，保證型殼具有足夠的抗變形、抗開裂能力，防止型殼因熱沖擊及合金凝固收縮應力作用產生破裂、跑火等現象。型砂振動緊實以共振狀態下緊實效果為最好，三維振動緊實效果優于二維、一維振動緊實效果。一維振動參數選擇合適仍能滿足生產要求，而且設備投資少，操作簡便。一維振動緊實型砂的最佳工藝參數如下：頻率為50Hz左右，振幅為0.lmm左右，加速度為1～1.5g左右，振動時間根據鑄件復雜程度確定。

　　在鑄件澆注和冷卻過程中必須實施負壓，有利于型腔中氣體的排除和金屬液的充填，提高鑄件表面質量。適宜的真空度為0.03MPa左右，澆注后消除負壓，將鑄件從型砂中取出，除掉超薄陶瓷型殼，獲得優質鑄件。