消失模铸造工艺

李润生

（中天创展球铁有限公司 佛山顺德 528313）

一 消失模铸造概述

在我国已有几千年历史的传统铸造，主要用来生产机械零件的毛坯件，尽管发展到现

在，也出现了许多新的方法，但是目前生产上应用最普遍的仍然是发展较早的砂型铸造。

手工砂型铸造通常又被称之为翻砂。它必须借助于铸模（用木材或金属制成），才能将型砂制成的需形状的铸型，但是这类用木材或金属制成的模样，必须在浇注前从铸型中取出，否则就无法浇注。因此，这种工艺显得特别复杂，工序多、劳动强度大、生产周期长、成本高，而且铸件精度不够理想，表面较粗糙，加工余量大，甚至对于某些复杂的零件还无法实现活块整体铸造，这就成了砂型铸造的致命弱点。

为了改善砂型铸造的状况，人们作了不少努力，近代高速粘土湿砂射压造型和静压造型的应用，呋喃树脂自硬砂，有机酯硬化和微波加热水玻璃砂的应用，达到砂型铸造的先进水平。但是对于那些单件小批量、形状较为复杂的大中型铸件、大批量生产的复杂铸件如何来实现“高效、优质、清洁、低成本、高精度、”的生产要求，成了铸造工作者急待解决的重大课题。在消失模铸造法出现之后，这个问题得到了解决。消失模铸造是一种近无余量、精确成型的铸造方法，被铸造界的权威人士称为“21世纪的铸造工艺”和“最值得推广的绿色铸造工程”。

消失模铸造与传统的粘土砂铸造的主要工艺流程比较如下图：

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消失模实型铸造法、干砂负压铸造法分别代表了消失模铸造发展的两个阶段，也是当前世界各地广泛使用的、已相互的两种铸造方法。

实型铸造法（FM法）：就是用泡沫聚苯乙烯模代替铸模进行造型，其方法主要是用化学自硬砂造型，模样不取出呈实体铸型，浇入金属液，模样气化，而得到理想铸件的一种铸造方法。该法的工艺过程是将泡沫塑料制成的模样，置入砂箱内填入造型材料后夯实，模样不取出构成一个没有型腔的实体铸型，当金属液浇入铸型时，泡沫塑料模在高温金属液的作用下迅速气化、燃烧而消失，金属液取代了原来泡沫塑料模样所占据的位置，冷却凝固成与模样形状相同的实型铸件。目前用化学自硬砂作为填充材料的实型法适用于生产单件中大型铸件。以下是呋喃树脂砂FM法主要工艺流程：

泡塑模成形 树脂砂混制 浇冒系统设计 泡塑模上涂料 烘干 铸件清理 落砂 浇注 铸型硬化 填砂紧实 退火 干砂负压铸造法（EPC法）：干砂负压铸造法是将真空密封造型法与实型铸造进行工艺嫁接而形成的一种新的铸造方法，因而它保留了真空密封造型法和实型铸造的主要优点，克服了它们各自的缺点和局限性。这不仅是实型铸造技术的新突破，更是实型铸造法的新发展。在干砂填充成型法基础上，采用负压浇注，不仅利用砂箱内外压差使干砂紧实，还保证了泡塑模在真空下气化，这样所产生的气体量大大减少，产生的气体也能及时和有效地排放。由于金属液被浇注进入真空状态下的型腔，因此铸件表面精度很高，同时简化了造型操作，无须混砂工序，铸件容易落砂清理，极少粉尘污染，减少了气孔以及根除了由粘结剂等添加物引起的铸造缺陷。该方法已成为消失模铸造的最重要方法。EPC法工艺流程如下：

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生产工序的减少和操作内容的简化，为消失模铸造提高生产率、减轻劳动强度创造了有利条件。并且由于铸件近无余量净成型，清砂极为简便，从而大大减小了铸件重量，最大限度地排除了粉尘污染，因此又成为铸造行业节能减排的先进工艺技术之一。

以上两种铸造方法虽然造型方法或造型材料不同，但其本质特征是相同的，即采用泡沫塑料模取代了原来的空型腔呈实体的铸型，并且在浇注过程中泡塑模样是随金属液的推移而逐渐地被气化消失，模样和金属液同时存在，使铸型始终保持呈实体的状态，直至浇注完毕，模样完全被金属液所取代。因而在许多铸造工艺和技术要求上基本都是一致的，例如塑料模制造、涂料等。但不同之处是：FM法1）模样不用模具成形，而是采用市售的泡沫板材，用数控加工机床分块制作，然后粘合而成。2）通常采用树脂自硬砂或水玻璃自硬砂作充填砂；而EPC法1）模样在模具中发泡成形。2）用干砂填充砂箱。3）用真空泵抽负压成实体铸型。

另外，也有部分国内文献称以上铸造方法为气化模铸造、无型腔铸造等。实际上，泡沫塑料模在浇注过程中并非都是气化过程。在浇注过程中，泡沫塑料的变化包括软化、熔融、气化和燃烧等一系列物理化学现象，在很多情况下，气化过程并不是主要的（如实型铸造）。同样，对很多复杂铸件（如柴油机缸体）也很难做到无型腔，因此，气化模铸造、无型腔铸造的称呼是欠妥的。为避免混乱，美国铸造协会称之为消失模铸造，并作为该工艺的名称。

二 消失模铸造工艺特点

（一） 实型铸造法

用化学自硬砂填充放入泡塑模的砂箱，放模填砂紧实是造型操作的要点。因为泡塑模质轻易变形，放入砂箱时要垫住中间悬空部位，一层一层地先四周后中间填砂，死角凹位

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要填到位并插实。对不易填实的内孔、窄槽，插入相等尺寸的芯柱或芯块紧固。一般泡塑模全部放在下型，填好砂硬化后放上上砂箱，接入冒口，浇口等形成上型。无需取出模样，就可等待浇注。

涂料选用专用商品系列涂料，要求透气性、涂挂性，强度要高。涂层厚度铸件厚壁处可涂厚一些，以铸件表面不产生粘砂为合适，可以用手工刷涂或喷淋涂等方式。泡塑模上涂料后在约55℃以下的气氛中烘干4~8小时。

浇注系统可采用顶注、侧注、底注或多层浇口的方式，浇道用陶瓷管组合驳接或直接用泡沫材料组成。根据铸件的结构和工作面选择浇口位置十分重要，设置不当会引起缩孔、粘砂、气孔、碳黑及皱皮等缺陷。由于浇注时泡沫燃烧汽化产生大量黑浓烟污染环境，因此不推荐用明冒口和散气片，最好采用暗冒口以及提高透气性的方法排气。合理设计浇冒系统可大大消除由泡沫不完全汽化引起的残留碳和缩孔、疏松等常见铸造缺陷。

1. 工艺技术指标

消失模实型铸造是一项近净成型铸造工艺，与普通砂型铸造相比，铸铁件表面粗糙度降低1~2个等级，达到Ra ≤12.5μm；机械加工余量减少30~60%，最多为1.5至2.5mm，对某些零件甚至可以不加工；铸件尺寸精度达到CT 7~9，铸件壁厚偏差能够控制在-0.15~+0.15mm之间。铸件重量减轻10~20%；金属利用率（加工后成品重量/铸造毛坯重量）可达94~97%，降低了能耗。插入小芯可铸出φ3—5mm小孔，直径大于6mm的浅盲孔可直接铸出。所以，消失模实型铸造是很值得推广的半精密铸造模具制造方法。

2. 铸造实例

覆盖件的成形过程分若干工序完成，如汽车前围外板就经过落料、拉伸、修边冲孔、冲窗口整形、翻边翻口工序，需要多套模具或组合模具。目前汽车覆盖件冲模及家电产品外壳冲压成形模需求量十分巨大，而消失模近净成型铸造方法可解决供不应求的瓶颈问题，它大大降低了生产成本，缩短制作周期，减少模具的后续机械加工量。以下生产铸铁汽车及五金冲压模具的若干实例，材质有高强度灰铸铁，合金铸铁和球墨铸铁以及特种合金高性能球铁，重量5吨以上，目前最重可达15吨。

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图1. 拉伸模EPS泡塑模样 图3. 下模座模样上涂料 图5. 汽车拉伸凸模铸件 图7. 已精加工的汽车覆盖件冲模

图2. 冲压模EPS泡塑模样 图4. 模架模样上涂料 图6. 汽车拉伸凹模铸件 图8. 已装配的五金覆盖件拉伸凹模 5

模具一般是单件生产，所以消失模实型铸造已成为模具制造的首选工艺，具有很大的经济性和快捷性。首先是泡沫材料成型，可用预发泡模腔蒸压成型或数控加工方法获得。第二，铸出的模具坯料精确接近使用模具的尺寸，只需少量加工即达到最终尺寸和表面光洁度。第三，可适用于铜、铝合金、高强度灰铸铁、普通球铁和特种球铁、普通碳钢及合金钢材料。行家认为，采用消失模法生产球铁模具取代合金钢模具是中大型模具制造的发展趋势，尤其是在汽车覆盖件冲模和家电外壳冲压成型模上的应用。 （二） 干砂负压铸造法

干砂负压铸造综合了几种精密铸造工艺的优点，并克服、弥补了它们各自的不足。例如，干砂负压消失模铸造利用了真空密封造型法中用真空手段使松散流动的型料紧固成铸型的造型原理，且去除了该法中仍然用木模或金属模造型脱模、下芯、合箱等操作；同时又吸收了实型铸造和磁型铸造工艺中用泡沫塑料气化模实体埋型，不起模就直接进行浇注的优点，而克服了实型铸造中型料需加粘结剂、需捣实、型料回收困难，打箱清理费劲的缺点，也克服了磁型铸造中铸件尺寸受磁极间距大小的缺点。 此法的主要工艺过程如下： (1)装箱

将砂箱置于三维振动台上，首先调整振动台的振幅和激振力，在泡塑模上填入干砂进行振实，直到紧实度符合振实要求，铺上塑料薄膜，安好浇口杯围好压紧砂待用。 (2)负压浇注

负压的目的：①为造型紧实铸型；②将泡塑模在高温下生成的气体逸出铸型；③有利于金属液的充填。

方法：金属液入浇包前先在砂箱上接入真空稳压系统负压5～8 min，负压表开至0．08～0．09 MPa，直到0．08 MPa以上才开始浇注。金属液浇注入砂箱后负压表稳定在0．05—0．06 MPa。浇注完成继续负压8～15min(分箱内工件大小)，可在8—15 min后，揭开箱表的砂和薄膜，继续抽冷风5—10 min，冷却箱内铸件。

由于砂型铸造仍是我国普遍存在的铸造方法，以其为比较对象会发现干砂负压消失模铸造有非常多的优越性。概括而言，具有以下几个共同的工艺优点：

1.简化工序，缩短生产周期，提高生产效率

由于模样是整体的，基本上不用型芯，省去了型芯盒和芯骨制备以及芯砂配制的工序；操作上又省去了取模、修型和配箱等许多工序，因而缩短了生产周期，提高了生产效率。特别对单件、形状复杂的铸件，效果更显著。按目前的生产水平统计，提高造型效率2～5

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倍，同时也省去了旧砂再生回用系统，其生产效率的提高和生产周期的缩短是普通砂型铸造所无法比拟的。

2.减轻劳动强度，改善造型工、清砂工的操作环境，改善了作业条件

造型省去了脱模、修型和合箱等工序，减轻了劳动强度和改善了操作条件。而且该法在浇注时产生的废气可通过密闭管道排放到车间外以便进行净化处理，这样大大改善了生产现场的环境,由于去除负压后就流去松散干砂，避免清砂时粉尘飞扬，实现了绿色铸造。

3.提高了铸件的尺寸精度

干砂负压消失模铸造同样因模样不必从铸型中取出，没有分型面，又省去了配箱、组芯等工序，避免了在普通铸造中因起模和配箱所导致的尺寸偏差，因而提高了铸件的尺寸精度，减少了机加工量。据报导，干砂负压消失模铸造工艺的尺寸精度超过了湿型工艺和树脂砂工艺的精度（接近精密铸造）。例如，通常孔需要加工制出而用消失模铸造工艺可直接铸出直径大于6mm的孔，孔径的重复精度相当好，误差一般在0.2%以内。

干砂负压消失模铸造的铸件表面质量和金属型铸造的铸件质量非常接近，表面光滑，比砂型铸造的铸件表面粗糙度Ra值低，可达3.2～12.5µm；铸件尺寸在铸造过程中只有很小变化，发泡成型机生产的模样尺寸几乎无变化。铸件的尺寸精度比传统砂型铸造提高2～3级别；铸件尺寸公差很小（见表1-1），加工余量最多为1.5～2mm，可以大大减少机械加工的费用，和传统砂型铸造方法相比，可以减少40%～50%的机械加工时间，因此降低了能源损耗。

4.增大了零件的设计自由度

为铸件结构设计提供了充分的自由度。干砂负压消失模铸造方法没有分型和必须取模的铸造工艺，减少了铸造工艺性要求，使铸件设计受到的减少。泡塑模样不需芯子的优点，可使设计都精确地铸出复杂内腔，甚至多内腔的铸件，铸件壁也可以是曲面式变截面的。

表1-1 干砂负压消失模铸造的铸件尺寸公差 铸件尺寸/mm 公差/mm <25 ±0.17 25～80 ±0.25 80～125 ±0.30 125～175 ±0.43 175～250 ±0.003(每1mm) >250 ±0.002(每1mm) 5.铸件质量好、废品率低

造型后，铸型是一个整体的，没有分型面、不需取模，也不必考虑脱模斜度，所以杜

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绝了铸件的错箱和表面的飞边、毛刺等疵病。同时，还避免了像普通砂型铸造因造型操作不慎遗漏在铸型内的残砂所导致的砂眼缺陷。在设计铸件时可不考虑飞边、芯破裂、芯座和出砂问题。对铸件生产者来说没必要提供专用制芯、混砂、下芯、清砂工具，不会产生破芯、坏芯以及使用芯子形成的气孔或其他问题，内腔不用粘性砂还可减少铸件清理量，没有芯座、芯撑、芯骨、飞边等减少了铸件最后清理量。有资料介绍说清理工序估计可减少费用80%。

6.冒口设计方便，金属液利用率高

在砂型铸造中很难设置的球形暗冒口在消失模中可以很方便地安置在任何位置；同时，由于容易在砂箱中将塑料模串联起来实行群铸，因而，大大节约浇注系统中的液态金属。

7.工艺技术容易掌握，生产管理方便

干砂负压消失模铸造简化了模样制作工艺，简化了造型操作和工艺装备，使工艺技术容易掌握和普及。同时，使用单一型料，不用对造型材料进行日常性能检查；也不存在模样的保管和大批砂箱的堆放问题，因而车间的生产管理工作大大简化。

8.投资少，见效快

由于生产工序少，各道工序操作简便，使工艺装备的品种和数量大为减少。干砂负压消失模铸造不用庞大的砂处理设备，用振动工作台代替了各种类型的造型设备，造型材料可以完全回收使用，因此，投资少。因本法工艺简单、技术易掌握，对于不十分复杂的铸件，一般制模工和造型工均可方便地制得。就制模和造型操作来说，不仅可以不增添设备，还可省去不少工装和刀具。仅举制模操作为例，通常只需在原有的木工机械（车床、铣床等）上更换刀具就可切削泡沫塑料。因而，采用本法可以因陋就简地迅速投入生产；尤其对于制造试制产品、维修和急需铸件，其收效更快。

据有关资料显示：到现在为止用干砂负压消失模浇注过的最大铸件为：铸铁件5t; 铸钢件2t; 铸铝件110kg。从方便操作和现有工艺水平考虑，干砂负压消失模铸造以浇注2t以下，壁厚大于4mm的铸件为宜。

所以，首先要从经济效益角度考虑对铸件生产批量的适用性，模具的制造成本较高，每浇注一个铸件就要消耗一个泡沫塑料模样，因此也存在一个生产的最佳批量问题。

以下是发动机缸体缸盖干砂负压消失模铸造的典型工艺：

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图9.整模与镶嵌缸套工艺 图10.水平分型与竖直分型相结合工艺

图11.发动机缸盖泡沫模型分型方案 干砂负压消失模铸造的其它应用实例：

图 13. 某减速器壳泡沫模样

图12.发动机缸盖浇注工艺方案 图 14. 某减速器壳铸件簇

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图 15. 某铸管泡沫模样 图 16. 各种球铁铸管件

如果要保证消失模铸造产品的质量好，使用优质的铸造专用泡沫珠粒是关键的一个环节。用包装用泡沫来制造产品的泡塑模型，会因为其发气量，增碳量等不定因素大大影响了铸件产品质量。现在随着消失模铸造业在国内的迅速蓬勃发展，随之而来原辅材料也要求越来越专业化。

1.消失模铸造用专用泡沫珠粒的常规专用名称：

1)消失模铸造专用的可发性聚苯乙烯树脂珠粒（简称EPS）； 2)可发性甲基丙烯酸甲脂与苯乙烯共聚树脂珠粒（简称STMMA）； 3)可发性聚甲基丙烯酸甲脂树脂珠粒 {简称EPMMA）。

用户根据铸件的特点和要求来选用需要的品种和规格，以确保获得优质的泡沫塑料模

型和消失模铸件。

2.消失模铸造用专用泡沫珠粒产品的适用范围

品种 适 用 范 围 EPS 有色金属（铝、铜等）、灰铁及一般钢铸件 STMMA 灰铁、球铁、低碳钢、合金钢铸件 EPMMA 球铁、可锻铸铁、低碳钢、合金钢、不锈钢铸件等 消失模铸造泡沫塑料模型生产过程中如下：

原始珠粒 → 预发泡 → 干燥、熟化 → 成型发泡 → 发泡塑料模

三．消失模铸造的存在问题

消失模铸造由于其近净精确成形，清洁环保，高效生产的特点已得到越来越广泛的应用，在铸造生产中已经占有重要的地位，也是铸造行业实现节能减排的有效途径之一。但消失模工艺也有一定的缺点，填砂紧实或振动紧实时模样会发生变形，从而导致铸件变形。最困难的问题是，铝合金铸件的冷隔和针孔缺陷以及球墨铸件的积碳、皱皮缺陷和低碳钢件的渗碳缺陷等等，这些问题是由金属液中模样热解残留物造成的，或是由此而显著加重的。在黑色金属消失模铸件中粘砂也是一个重要的问题，这是由于振动紧实不当或凹陷部位没有填实引起的。

特别是球墨铸铁消失模铸造存在的典型皱皮和碳夹杂缺陷一直是球铁生产的拦路虎。我国消失模球铁的生产起步较晚，和灰铁或其它金属相比，其生产难度大大增加，一般消失模企业往往套用灰铁的生产经验生产球墨铸铁，结果往往失败。原因在于球墨铸铁性质

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和灰铁迥异，球铁是糊状凝固，灰铁是层状凝固，以及球铁由于球化处理后铁水含渣较多。

图17. 某减速器壳皱皮缺陷 图18. 某管接头碳夹杂缺陷

汽车产业的高速发展拉动了汽车覆盖件模具的高速发展，估计年均增长率接近20%。由于汽车工业和家电是广东省的支柱产业，推出新产品和产品改型的速度非常快，而消失模铸造在生产占球铁市场份额最大的汽车零部件、汽车模具、五金冲压模具及管件中有独特的优势，消失模工艺的另一更大优势是制造那些用普通砂型难以铸造的复杂铸件及大批量铸件，例如套筒类、管道配件、螺旋桨、水泵叶轮、壳体、发动机缸体、缸盖、进气歧管等。于是我国消失模铸造的生产虽然前景广阔，市场很大，但是质量问题仍然不少。尤其是球铁类铸件积碳和皱皮缺陷,一直是消失模铸造汽车模具大规模工业应用和发展的障碍，攻克这一难关，进一步提高球铁铸件表面质量是铸造工作者的新的研究课题，只要广大铸造工作者深入研究与试验，从泡沫材料、涂料、浇注系统及工艺方法诸多方面进行分析改进，力求铸件精度与表面光洁度有突破性提高，以满足国内外汽车、家电及其它行业中高档与高精尖模具和生产大批量复杂铸件的庞大市场需求。

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图19. 呋喃树脂自硬砂消失模实型铸造填砂造型

图20. 5000吨/年的铸铁件干砂负压消失模铸造生产线

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