消失模鑄造國內(nèi)專利技術綜述

周靜　劉嬌姣　毛秀

摘要：消失模鑄造技術是一種先進的精密鑄造技術，本文對國內(nèi)消失模鑄造技術發(fā)展路線進行了分析研究，另外，分析了防止消失模鑄造過程中增碳問題的一些方法。

關鍵詞：消失模；鑄造；發(fā)明；專利

引言

消失模鑄造技術是一種近無余量、精確成型的新技術，它是采用泡沫塑料制成與零件結(jié)構(gòu)和尺寸完全一樣的實型模樣，經(jīng)浸涂耐火粘結(jié)涂料，烘干后進行干砂造型，振動緊實，然后澆入金屬液使模樣受熱氣化消失，從而得到與模樣形狀一致的金屬零件的精密鑄造方法。與其他鑄造工藝相比，消失模鑄造基本上不用型芯，簡化了工序，縮短了生產(chǎn)周期，不用脫模、修型和合箱等，減輕了勞動強度，改善了操作條件，沒有分型面，提高了鑄件的尺寸精度，減少了機加工量。

1.消失模鑄造工藝發(fā)展

目前，廣泛應用的負壓消失模鑄造是把涂有耐火材料涂層的泡沫塑料模樣放入砂箱，模樣四周用干砂充填緊實，然后在砂箱上鋪上塑料薄膜密封，通過真空泵抽氣使鑄型內(nèi)外因壓力差而使型砂緊實，澆注時高溫金屬液使其熱解“消失”，并占據(jù)泡沫塑料模所推出的空間而最終獲得鑄件，如圖1所示。

在發(fā)展過程中，逐漸出現(xiàn)了消失模鑄造壓力凝固技術、空殼消失模鑄造技術、反重力消失模鑄造技術、振動消失模技術、真空負壓吸注消失模鑄造技術等不同的消失模鑄造形式。

1.1消失模鑄造壓力凝固技術

1990年法國皮奇尼鋁公司、皮奇尼鉛公司（申請?zhí)枺篊N90108175、CN90108176、CN90108707）就加壓凝固消失模鑄造技術申請了發(fā)明專利。其技術方案為，當金屬全部充滿型腔，且大部分氣化物已經(jīng)排出時，給鑄型施加一個增加速率的壓力，由于穿過型砂時載荷的損失，在熔融金屬和型砂交界面上會迅速暫時形成過壓，然后進行減壓，再保持壓力恒定不變，直至完全凝固，可以用于鋁合金消失模鑄造。

2008年華中科技大學的樊自田等對鋁合金或鎂合金消失模鑄造加壓凝固方法及裝置進行了專利申請（申請?zhí)枺篊N200810197390），其是在澆入合金溶液后，對砂箱進行密封，向砂箱通入壓力為0.1MPa-1.2MPa的壓縮氣體，充氣速率0.002MPa/s-0.1MPa/s、壓力保持時間為0.3min-30min，金屬液在氣壓下凝固，加壓凝固的裝置如下圖2所示。

在凝固的熔融鋁合金金屬液上施加一定的壓力，能夠減少針孔，提高鑄件密度，改善鑄件力學性能，消失模鑄造中鋁鎂合金金屬液凝固散熱慢，熱梯度小，凝固時間長，容易析出形成針孔，產(chǎn)生縮孔、縮松，壓力凝固技術能消除鋁合金或鎂合金消失模鑄件的這些缺陷，能夠提高鑄件質(zhì)量，改善機械性能，擴大鋁合金或鎂合金消失模鑄造的應用。

1.2空殼消失模鑄造技術

空殼消失模鑄造技術是在澆注金屬前先將泡塑模型進行去除。1994年秦升益（申請?zhí)枺篊N94108041）采用濕態(tài)覆膜砂填箱充實，隨后將其放入烘箱內(nèi)加熱烘烤，泡沫塑料受熱氣化，濕態(tài)覆膜砂受熱固化形成堅硬的熱固性殼體，即殼狀鑄型，再將金屬液澆入其內(nèi)，形成所需鑄件。該方法鑄件尺寸精度高，表面光潔，環(huán)境污染小，殼型可以長期存放。

2003年魏靖奇（申請?zhí)枺篊N200310103188.4）、2008年安徽應流鑄業(yè)有限公司（申請?zhí)枺篊N200810007693.1）、2010年桃江新興管件有限公司（申請?zhí)枺篊N201010160650.4）在將消失模上涂料后，將消失模放入窯內(nèi)進行焙燒，制得高強度模殼，再澆入金屬，進行鑄造。

2009年侯馬市模范機械制造有限公司（申請?zhí)枺篊N200810147464.X，CN200910075632.3）、2009年寧波通達精密鑄造有限公司（申請?zhí)枺篊N200910095699）、2010年姚會元（申請?zhí)枺篊N201010224603.1）、2012邯鄲慧橋復合材料科技有限公司（申請?zhí)枺篊N201210283983）等申請了一種消失?？諝ぞ荑T造方法，如圖3所示，其為用噴燈或氧氣，將EPS模型燒掉，或用感

應加熱氣化EPS模型，留下空殼后立即進行澆注。

2011年大連交通大學（申請?zhí)枺篊N201110325864）、2013年岳陽凱達精鑄制造有限公司（申請?zhí)枺篊N201310184202）申請了一種綠色消失模鑄造工藝，其為澆注之前采用加熱法消泡縮容去除發(fā)泡模，不讓發(fā)泡模在澆注過程中氣化消失，而是讓它消泡縮容，以便回收利用，不排放污染氣體，從而達到綠色環(huán)保的目的。

2011年長沙楚順置業(yè)有限責任公司提出（申請?zhí)枺篊N201110133492），不燒掉消失模泡塑模樣，而是采用分型面，如圖4所示，在放入泡塑模樣，填入砂成型后，開箱，將模樣取出，該方法不會產(chǎn)生大量有害氣體和熔渣，提高了鑄件的內(nèi)外表面的質(zhì)量。

空殼消失模鑄造技術在澆注前脫去了泡沫模樣，可以解決普通消失模鑄造氣孔、夾雜等缺陷，還可以防止產(chǎn)生碳缺陷，減少了鑄件表面的碳含量，避免鑄造過程中增碳的技術障礙。

1.3反重力消失模技術

2002年華中科技大學樊自田等（申請?zhí)枺篊N02115638）、2013年青島五洋鑄機有限公司（申請?zhí)枺篊N201310492881）申請了一種反重力消失模鑄造技術，反重力鑄造是一種利用壓力差反重力地澆注液態(tài)金屬的方法，如圖5所示。將熔化精煉后的鎂、鋁合金金屬液，送入澆注爐內(nèi)保溫待澆，澆注爐內(nèi)通入可控壓力的惰性氣體，在其壓力作用下使鎂、鋁合金金屬液由砂箱底部進入，將消失模鑄造模樣氣化，冷卻凝固后形成鎂、鋁合金鑄件。

反重力消失模鑄造技術，液態(tài)合金在可控的壓力下進行補縮凝固，提高了合金的充型能力，合金鑄件的組織細密。

1.4振動消失模鑄造技術

2007年華中科技大學樊自田等人公開了一種振動消失模鑄造技術（申請?zhí)枺篊N200710168429），2010年劉玉滿同樣對振動消失模鑄造進行了專利申請（申請?zhí)枺篊N201010241721.3、CN201110356451.5），在液態(tài)金屬澆注步驟前、液態(tài)金屬澆注步驟過程中及其凝固期間、或者液態(tài)金屬澆注步驟后的凝固期間，采用振動電機振動的機械振動臺，或者采用電磁振動或偏心振動的振動臺，對裝有泡沫模樣和散砂的砂箱實施振動，如圖6所示。

振動消失模鑄造技術，邊振動邊進行澆注，其適合于鋁合金、鎂合金、銅合金等有色金屬零件的消失模鑄造，也適合于鑄鐵、鑄鋼等黑色金屬零件的消失模鑄造。采用該鑄造方法可以細化消失模鑄造鑄件組織，能使其在凝固過程晶粒細化，氣體充分排除，并使其晶界問的夾雜物碎化且彌散均勻分布，從而全面強化了鑄件機械性能。

1.5真空負壓吸注消失模鑄造技術

2009年顏鳳娟（申請?zhí)枺篊N200910182706）、2010年常州市博海鑄件制造有限公司申請了（申請?zhí)枺篊N201010186667）一種真空負壓消失模的吸注方法及裝置，如圖7所示。裝模填砂后，開啟控制裝置以及負壓裝置，將吸注管的吸入端埋入澆注液中，持續(xù)對型腔及吸注管抽真空，容器內(nèi)的金屬溶液以一定的流速通過控制裝置導入到澆道系統(tǒng)中，澆道系統(tǒng)及鑄件模樣受金屬溶液熱量汽化形成型腔，金屬溶液充滿型腔冷卻后形成鑄件。

采用本發(fā)明的方法能夠以穩(wěn)定的吸注速度進行吸注，并且在吸注過程中可以避免金屬溶液與空氣進行接觸，防止了金屬熔液氧化，提高鑄件的品質(zhì)質(zhì)量。液態(tài)下的鎂、鋁合金與空氣接觸時極易氧化、吸氣，易在鑄件中形成大量的氧化雜物和氣孔，本方法適合消失模鑄造鎂、鋁合金。

1.6其他消失模鑄造技術

消失模離心鑄造技術。2001年北京仁創(chuàng)科技有限公司（申請?zhí)枺篊N01136608.7），2009年望城縣日明特種鑄造廠（申請?zhí)枺篊N200910044717.5）公開了一種將消失模鑄造技術與離心鑄造技術結(jié)合起來的消失模離心鑄造工藝。采用消失模離心鑄造，生產(chǎn)的鑄件無氣孔、疏松，尺寸精度和強度高，并且能夠適應各種不同形狀鑄件的要求。

圖7真空負壓吸注消失模技術

2.避免增碳的方法

消失模鑄造過程中，由于有消失模泡塑模樣的熱解產(chǎn)物，熔融金屬液會吸收塑料模型在氣化的過程中產(chǎn)生的碳，容易造成最終鑄件中的碳水平上升，因此消失模鑄造的鑄件上容易產(chǎn)生增碳現(xiàn)象或形成碳殘余，來自塑料模型的碳進入金屬中后可能導致鑄件的性能下降，因此，如何將碳殘余減少到最少一直是消失模鑄造工藝的巨大挑戰(zhàn)。如前述所述，空殼消失模鑄造技術能有效的控制消失模鑄造過程中的增碳問題，另外，還有一些其他避免增碳的方法。

2004年黃剛（申請?zhí)枺篊N200410081316）申請了一種克服汽車曲軸箱鑄件水道油道粘砂和碳黑缺陷的方法，其通過選用硅砂作為型砂，粒度為40-70號篩孔，型砂粒度的選擇兼顧既能防止粘砂缺陷產(chǎn)生，又保證良好的透氣性能，可以防止生熱解夾雜物缺陷產(chǎn)生。

2005年蔣斌沅（申請?zhí)枺篊N200510032256）通過改型減量、排氣減壓和合理地設置澆注系統(tǒng)，來減少實型鑄造中的碳的產(chǎn)生，改善碳的排出，來達到減少實型鑄造中殘余碳和碳鋼鑄件產(chǎn)生增碳現(xiàn)象的問題。

2008年滄州宏豐精密鑄造有限公司（申請?zhí)枺篊N200810152356）通過采用氬氧爐將奧氏體不銹鋼熔煉鋼水含碳量降至0.015%以下，再應用消失模鑄造技術，來減少增碳。

2012年徐州鵬舉金魚草工藝品有限公司（申請?zhí)枺篊N201210390023）公開了一種消除消失模鑄鐵件碳黑缺陷的裝置，通過將聚苯乙烯發(fā)泡材料制作楔形排氣集渣體，排氣集渣體圓周面為漸變形曲面，曲面最細的部位在鑄鐵件的邊沿處，利于毛刺清理。在漸變形曲面上粘接涂料涂層，排氣集渣體安裝在鑄件最后凝固的部位，或者鑄件結(jié)構(gòu)較復雜、最容易阻礙殘留物上浮的部位，澆鑄時排氣集渣體受熱溶化形成的空間及時引導泡沫塑料模具氣化后的大量氣體排出，達到消除碳缺陷的目的。

2014年遵義金業(yè)機械鑄造有限公司（CN201410323708）公開了一種消失模生產(chǎn)低碳鑄件工藝方法，在澆鑄過程中提前在500-550攝氏度溫度下氣化消失模，在消失模表面噴涂水溶性硅酸鹽，水溶性硅酸鹽涂層內(nèi)表面能有效吸收消失模氣化過程中的二氧化碳并對涂層起到硬化的作用，從而有效防止消失模在氣化過程中產(chǎn)生的二氧化碳進入鑄件。

2014年通用電氣公司（申請?zhí)枺篊N201310098984）通過涂覆于所述泡沫模型上的耐火涂層，該耐火涂層包含可對所述泡沫模型的氣化反應起催化作用的催化劑，催化劑能引發(fā)或加速泡塑模型的氣化，而減少碳殘余的形成，來實現(xiàn)防止鑄件增碳的目的。

2014年山西模范機械制造有限公司（申請?zhí)枺篊N201410435845）通過在EPS或EPMMA料中拌入4-6%過氧化鈣粉，將拌好過氧化鈣粉的珠粒攪扮均勻，進行發(fā)泡后制得泡塑模樣，來達到除碳的目的。

3總結(jié)

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在消失模鑄造工藝改進上作了眾多的研究和分析，出現(xiàn)了消失模鑄造壓力凝固技術、真空負壓吸注消失模鑄造技術等形式多樣的消失模鑄造方法，也提出了多種解決消失模過程中增碳的問題的方法，目前，我國已經(jīng)發(fā)展為消失模鑄造生產(chǎn)的大國，但是，目前我國消失模鑄造技術也存在著一些問題，未來將需要加速消失模鑄造技術在鋁鎂合金等輕金屬方面的應用，進一步提高消失模鑄件的性能。