先进的铸造方法

第十一节　先进的铸造方法

传统的铸造方法是采用砂型铸造，这种铸造方法粉尘大，危害工人的身体健康。铸造工作者经过不断地努力，研究出不少先进的铸造方法。如：实型铸造、真空密封造型法、实型真空铸造（即FV法）、磁型铸造等。

一、实型铸造

实型铸造（即FM法）是一种新型的砂型铸造方法。它是用聚苯乙烯泡沫塑料制成与铸件形状相同的模样（加放尺寸收缩量）和浇注系统进行造型，造型过程中无需分型、起模、下芯、合箱，仅仅进行紧砂过程即可，造型过程大大简化。浇注时，泡沫塑料模样受到高温金属液的热作用迅速汽化、烧失，模样空间位置被金属液取代，冷却后便形成所需形状的铸件。其工艺过程见图2-95所示。

在制造泡沫塑料模样时，因发泡不良或成型加工不佳，将会使模样表面粗糙和产生孔洞，若不修补将导致铸件表面出现不光和多肉的现象。因此，需要在模样表面涂一层特殊涂料来填补这类表面缺陷。

1．填补模样表面缺陷的涂料配方

（1）硝化纤维素涂料是较好的填补涂料，其配方见表2-5。

图2-95　实型铸造的工艺过程示意图

（a）泡沫塑料模样（b）造型（c）浇注（d）铸件

表2-5　硝化纤维素涂料配方

（2）硬脂酸、石蜡填补表面涂料配方。

溶质：硬脂酸40%，石蜡10%；

溶剂：工业酒精43%，苯7%。

配制方法：首先将硬脂酸（熔点57℃）与石蜡（熔点56℃）混合加热，待熔解后缓慢加入配制好的溶剂内，边加边搅拌成乳白色糊状便可使用。配好涂料，隔几日后有些干燥成粉状，再加入一些酒精或配制的溶剂后仍可继续使用。

2．防止铸件机械或化学粘砂的耐火涂料

泡沫塑料实型表面必须涂刷一层耐火材料。在浇注金属液的过程中，涂料层处于金属液与型砂之间。首先，涂层可以防止金属液渗入砂粒间隙中形成机械粘砂，也可以防止因型砂耐火度低，使金属液与型砂发生熔融现象而形成铸件的化学粘砂。其次，泡沫塑料模样在烧失过程中所产生的气体主要通过涂料层排入型砂乃至铸型外。再次，涂料层还可以提高泡沫塑料模样的强度和刚度，使其在填砂、舂砂过程中不易翘曲变形，这样就可保证铸件的尺寸精度。

实型铸造涂料比普通砂型铸造涂料在强度、耐火度、热稳定性、涂覆性、快干性、透气性等方面有较高的要求，涂料的配方一般根据铸件质量要求和生产条件，通过实验验证后确定。

实型铸造大中型铸件的模样宜采用醇基快干涂料。在施工过程中可每隔30～50min涂刷一遍，以达到涂层厚度的要求，然后自然干燥6～8h就可用于造型。大件模样采用刷涂，小件采用浸涂，小的孔洞凹坑淋涂。涂层厚度：小件0.5～1.0mm，中小件1～2mm，对于型砂难以紧实的凹坑、孔洞、转角处，局部需加厚涂层至2.5～4.0mm，可有效地防止不易紧实的部位产生粘砂。

（1）铸钢件、铸铁件和球铁件的泡沫塑料模样用快干涂料配方分别见表2-6、表2-7。

表2-6　铸钢用锆英砂醇基快干涂料

表2-7　铸铁、球铁用石墨粉醇基快干涂料

（2）机床铸铁件的泡沫塑料模样用快干涂料配方见表2-8。

表2-8　铸铁件醇基快干涂料

注：一般刷涂料两次，均为自然干燥。第一层完全干燥后才可刷第二层，为了增加涂料强度和防止干燥过程中产生裂纹，在涂层表面撒上干砂，涂层总厚度为1～2mm。

二、真空密封造型

真空密封造型法又称负压造型法，简称V法。这是一种全新的物理造型法，它是依靠铸型内部和大气压差将干散的砂粒紧固在一起，保持一定的形状，得到具有一定强度的铸型。

V法造型的基本过程如图2-96所示。把模型放在一块中空的托板上，模型上开有大量的通气孔（图2-96(a)）；用加热器软化薄膜（图2-96(b)）；把软化的薄膜盖在模型上，通过通气孔的负压作用使薄膜紧贴于模型上（图2-96(c)）；把特制的砂箱放在盖有薄膜的模型上（图2-96(d)）；用干砂充满砂箱，轻微振动，使砂粒间紧实（图2-96(e)）；开好浇口杯，刮平铸型上表面，用塑料薄膜放在直浇口上，并在砂箱顶面放上薄膜以封闭砂箱（图2-96(g)）；合箱（图2-96(h)）及浇注，砂型的薄膜逐渐消失，但铸型并不溃散，仍能保持原形，直到浇注完毕；铸件凝固后，砂箱通大气，砂型失去“结合力”，自由流动的砂粒流出，可获得一个无机械粘砂的清洁铸件（图2-96(i)）。

图2-96　真空密封造型工艺过程简易示图

箭头方向表示抽真空或与大气相通

V法造型可以省去混砂、舂砂等工序，大大地减少落砂清理工作量，减轻了劳动强度，改善了劳动条件，降低了成本。

V法造型的工艺特点如下。

(1)砂箱。V法造型所用的砂箱结构比较特殊且复杂，它要将真空设备产生的真空传送到造型材料中，从铸型中抽出空气使铸型“硬化”，并使铸型从模型上脱出。

砂箱结构根据抽气方法不同可分为侧吸式（从砂箱四周壁抽出）、背吸式（从砂箱背面抽气）及管吸式（在砂箱中焊上蛇皮管抽气）。背吸式砂箱为双层结构，上部有四根φ5mm的小孔，孔距25mm，为防砂粒被吸走，外加两层筛网。管吸式砂箱结构与普通砂箱相似，在内侧焊上φ16mm×700mm的蛇皮管，使用很方便。小型背吸式及管吸式砂箱如图2-97所示。

图2-97　V法造型用的砂箱结构

（a）背吸式砂箱（b）管吸式砂箱

（2）模样。为使薄膜能密封地附在模样上，需将模样做成中空，并在模样表面上开抽气孔，以便需要时抽成负压。V法做型起模方便，模样无需拔模斜度。模样的材料无特殊要求，强度、硬度稍低的材料也能使用。

（3）密封薄膜。对薄膜要求只需便宜，容易成型，燃烧时发气量小且对人体无害。通常采用EVA薄膜（乙烯—醋酸乙烯共聚物），这种薄膜在伸长时方向性小，成型性好。薄膜厚度为0.02～0.1mm，以0.05～0.075mm为宜。对于上下砂箱平面密封用薄膜的要求较低，只要能起到密封作用即可。

为了提高薄膜的成型性，已研究出橡胶质高伸长率的薄膜。

浇注大型铸件时，为强化砂型密封薄膜的作用，弥补浇注时薄膜造成的漏气，可在薄膜上刷一层涂料。用于浇注铸铁件和非铁合金铸件一般采用快干涂料（锆砂粉75%+石墨粉25%+酒精适量），刷上涂料也提高了铸件表面质量。

（1）型砂。为了获得表面光洁的铸件，砂粒以细为宜。可选10组（100/200）砂作面砂，15组（70/140）砂作为背砂。砂子使用时其温度应≤40℃。

（2）浇注系统。一般采用开放式浇口，以底注为稳妥，使合金液平稳快速充满铸型，防止冲刷型壁，且要保证整个浇注过程中，未充满的型腔始终连通大气。因此，应在浇注位置最高点的型腔部位设通气口。

（3）真空度。真空泵宜选用抽气量比较大，真空度一般能达到0.66661×10⁵Pa（500mmHg）就足够了。

目前，V法造型已在世界各国试用，可用来浇不同批量的各种合金铸件，最大铸钢件已做到12t，浴盆是V法造型的典型产品之一，异型管、铜合金水龙头、各种阀体等都适合用V法生产。

三、实型真空铸造

实型真空铸造即FV法铸造。FV法是传统砂型铸造的巨大变革，被誉为20世纪最有发展前途的铸造技术。FV法就是将较小的可发性聚苯乙烯（EPS）珠粒，加入到预先制造好的模具中，直接发泡成型而获得铸件的模样，然后用干散型砂加入到砂箱中经过振动，抽真空制造铸型，在真空状态下浇注金属液，使金属液代替模样而形成铸件，直到金属液凝固后，解除真空，型砂自行散落，而获得铸件的方法。FV法具体工艺过程如图2-98所示。

这里仅介绍泡沫塑料实型的制造以及涂刷塑料实型的耐火涂料。

1.泡沫塑料实型的制造

制造泡沫塑料实型的方法有两种，即机械加工和发泡成型。

机械加工方法，材料利用率低，制造费时，又需要熟练的技术工人，只适合大件、单件或小量生产。

所谓发泡成型法，是将预发泡后的聚苯乙烯珠粒填入预备好的金属模中加热发泡成型。用这种方法制得的泡沫塑料实型尺寸准确，表面光洁，材料利用率高，操作方便。但因模具制造周期长，成本高，适用于批量铸件生产。

FV法每生产一个铸件，就需要一个泡沫塑料实型，所以制模样的效率要高，生产规模也需适应批量生产的要求。下面详细介绍发泡成型法。

（1）制造发泡成型的原料。目前，可发性聚苯乙烯简称EPS珠粒，是FV法应用最广泛的制模材料。EPS是含92%C和8%H芳香族C-H化合物的高分子聚合物，它在常温下比较稳定，高温时，分子链产生断裂分解机制。

在选用EPS珠粒时，通常要考虑外观、粒径、表观密度、挥发物含量、苯乙烯单体含量、软化点、自燃性以及密封条件下的适用期等。

粒径是EPS的重要指标。粒径的选用需考虑合适的发泡倍数、制品的大小及壁厚。生产实践表明，EPS珠粒的原料直径以取铸件壁厚的1/10为宜。如果选用粒径过大的珠粒，则珠粒预发泡膨胀后的直径过大，填充成型模时铸件壁厚横断面不能排列3个以上预发珠粒，则在成型后的实型表面颗粒间不会融合得很平滑，难以得到平整无凹坑的实型表面质量。

（2）EPA珠粒的预发泡。预发泡的方法有热水预发泡、蒸气预发泡和真空预发泡三种。

1）热水预发泡。将EPS珠粒撒入90～95℃的热水中，不断地搅拌和加热，珠粒因受热膨胀而预发泡。预发泡时间一般为1～10min。热水预发泡的颗粒比较均匀，但含水量高，干燥处理复杂。

2）蒸气预发泡。蒸气预发泡是利用蒸气对EPS珠粒进行加热。蒸气预发泡的设备比较简单。批量生产时，常采用间歇式预发机。珠粒由顶盖上的加料口加入发泡机内，蒸气由进气口进入下盖，并通过下栅板均匀吹入机内，珠粒在蒸气的作用下发泡。搅拌棒不断地搅拌，防止预发珠粒互相粘结。发泡结束后，打开下栅板上侧的出料口门，搅棒继续搅拌并从顶部吹嘴吹入压缩空气，将珠粒排出机外。

3）真空预发泡。真空预发机也为间歇式。其特点是：缩短生产时间，可制得高发泡倍率的珠粒，内部孔径致密，密度梯度小，特别适用于微细珠粒的发泡。

真空预发机是筒状搅拌器，可以抽成真空的结构。内用聚四氟乙烯涂覆，外包以蒸气加热夹套，装有自动循环控制系统。

珠粒以自重从顶部进入容器中，筒壁夹套通入蒸气将珠粒加热到超过玻璃化温度，边加热边搅拌促使珠粒发泡，随即抽真空，并控制在-4.5～-6.5kPa范围的低真空。由于珠粒内外产生压力差，迫使珠粒进一步膨胀到所要求的低密度。然后，用一定量的水作冷却剂引入搅拌器中，使发泡珠粒冷却，并使泡孔表面在尚未收缩时固化。解除真空，预发珠粒借压缩空气助推卸出。

（3）EPS珠粒直径与相应的发泡倍率。从获得泡沫塑料实型的低密度以减少浇注时产生的气体量出发，应适当提高EPS珠粒的发泡倍率。所谓发泡倍率系指一定质量的EPS珠粒预发泡后的堆积体积与预发前的堆积体积之比。发泡倍率与珠粒直径影响成型后的模样密度。为得到合适的实型模样密度（0.017～0.025g/cm³），珠粒预发后的发泡倍数应为40～60倍，即预发后的粒径为预发前的3～3.3倍。若按铸件材质选择发泡倍率，铸铁、铸钢宜取50～60倍，铸铝宜取40～50倍。

（4）泡沫塑料实型的发泡成型。填满预发珠粒的金属成型模受热时，珠粒将二次发泡膨胀，由于模壁的限制，膨胀珠粒相互粘结在一起，并填满全部珠粒间空隙，形成内部为封闭蜂窝状结构，外形为一个整体的模样，经冷却定型后从发泡成型模具中取出，即得所需的泡沫塑料实型。

按照加热方式的不同，发泡成型方法有热水发泡成型、高频加热成型、蒸锅发泡成型和压机气室成型等。

1）热水发泡成型。将填满预发珠粒的成型模具放入热水中停留一定的时间，借助热水的热量使珠粒膨胀融结而制成模样。

热水成型法简单易行，但成型模具的温度不均，不能确保壁厚大于50mm模样中间部分的珠粒充分发泡和融结在一起。

2）高频加热成型。预发珠粒表面要粘附一层盐的水溶液（总量为5g/dm³），将珠粒装入成型模具内后再放入高频电场中。由于高频感应，珠粒被加热二次发泡成型。珠粒表面粘附的水分，很容易从成型模具的通气孔蒸发出去，而得到干燥的模样。

3）蒸锅发泡成型。蒸锅发泡成型是将装满预发珠粒的成型模具放入封闭的成型蒸锅内，通入过热蒸气经模具壁上的通气孔进入模腔内，使珠粒再膨胀发泡；然后从蒸锅内取出成型模具，经冷却定型后即可脱模取出泡沫塑料实型。

4）压机气室发泡成型。简称压机气室成型。该法的全部工艺过程在一固定工位中完成。金属模具的两半模分别装在附有机械或液压合模装置压机的上下或左右压板上，其中一块压板是可动的，另一块则是固定的。合模后，装填预发珠粒于该带有气室的金属发泡模具内，随后通入过热蒸气，经气室通过模具上的气孔进入模具内，使珠粒第二次发泡。停汽后，由同样通道通入冷却水，使模具和泡沫塑料模样冷却定型，即可开模取出泡沫塑料实型。

2．实型模样的耐火涂料

FV法铸造，造型材料是干砂，实型模样被液体金属置换时，热分解生成的大量气体要通过干砂的空隙排出铸型外，但干砂空隙却很易被液体金属渗入而形成机械粘砂。为了防止产生机械粘砂，实型模样表面必须涂一层耐火材料的涂料。它既可防止粘砂，又能提高实型模样的刚度，防止变形。

实型模样的耐火涂料主要由耐火填料、分散介质、粘结剂、悬浮剂及添加剂组成。

1）耐火填料。不同铸件材质，使用的耐火填料不同。如铸钢常用石英粉、棕刚玉粉、熟铝矾土粉；铸铁常用石英粉、鳞片石墨、土状石墨、滑石粉；铸铝常用滑石粉、土状石墨等。

2）粘结剂。常用的粘结剂大致分为无机和有机两大类。

无机粘结剂如膨润土、水玻璃、硅溶胶、磷酸盐、硫酸盐等。

有机粘结剂如糖浆、低浆残液、水溶或醇溶树脂、聚醋酸乙烯乳液（乳白胶）等。

3）悬浮稳定剂。悬浮稳定剂是使涂料具有悬浮稳定性和适当流变性能的材料。

水基涂料悬浮稳定剂主要有钠基膨润土或活化膨润土。与甲基纤维素钠合用效果更好。

醇基涂料悬浮稳定剂常用的有乙烯缩丁醛（PVB）、有机改性膨润土、钠基膨润土和锂基膨润土等。

4）分散介质。水基涂料用水作分散介质，一般用普通自来水。醇基涂料分散介质常用酒精。

5）添加剂。为防止涂料中的有机物腐坏变质，可添加少量防腐剂；为改善涂料的润湿性，消除涂料制备过程产生的气泡，加少量消泡剂；为增加涂料的渗入深度，添加少量渗透剂等。

四、磁型铸造

1．磁型铸造基本原理、特点及应用范围

磁型铸造的基本原理为：用可发性聚苯乙烯珠粒，经发泡制成泡沫塑料模（汽化模），在气化模上涂上耐火涂料，放入磁丸砂箱中并填上磁丸（铁丸或钢丸），经轻微震实，马蹄形铁芯上绕有线圈（图2-99），通电产生磁场，将装有汽化模和磁丸的砂箱置于磁场内，磁丸即被磁化而形成具有一定强度和良好透气性的磁型。当液态合金浇入磁型时，高温金属将磁型中的泡沫塑料模逐渐气化燃失，由液态合金占据了泡沫塑料模的位置，待合金液冷凝后切断电流，磁场消失，磁丸随之松散，即可取出铸件。

图2-99　磁型铸造原理图

1-铁芯　2-线圈　3-磁型砂箱　4-气化模　5-铁丸

磁型铸造的特点是用磁丸取代型砂，用磁力代替粘结剂的粘结力，故不用砂土作造型材料，无硅尘危害；磁丸不需处理就可复用，设备简单，占地面积小；造型、清理方便，减轻了劳动强度；造型不用起模，铸件的尺寸精度高，加工余量小，成本低；磁型透气性和退让性好，可避免产生一些铸造缺陷。

但磁型铸造也有局限性，例如磁型铸造不适于铸造厚大复杂件，常用来铸造厚度在40mm以下，大批量生产的中小型铸铁、铸钢及非铁合金铸件。磁型铸造浇注时，泡沫塑料模汽化烧失放出大量黑烟气，造成空气污染；在浇注铁碳合金铸件时易形成夹渣黑皮缺陷，对铸钢件有增碳现象。

2．磁型铸造工艺特点

（1）磁丸选择。通常以铁丸或钢丸为最佳，铁丸直径为0.2～1.2mm。因铁丸烧结点约为950℃，易粘结在铸件表面，所以聚苯乙烯汽化模必须涂上一层高质量的耐火涂料。

（2）汽化模制造。汽化模用可发性聚苯乙烯珠粒经发泡后制成。发泡成型的工艺过程是：首先筛分珠粒，然后将筛分后的珠粒进行一次预发泡。预发泡是在蒸缸内用蒸气进行预发，预发温度为80～105℃，在0.1×10⁵～0.4×10⁵Pa压力下保持几十秒钟。珠粒预发后要在空气中存储一段时间，以便消除珠内的真空，增加珠粒弹性，这叫熟化。将熟化后的预发珠粒装入模具中（相似于熔模压型）并送入蒸缸内，通过蒸气加温加压，使预发后的珠粒进一步膨胀，粘合形成整体的泡沫塑料模。取模后在40～60℃的暖室中烘干，蒸发水分，固定尺寸和形状。

对于单件和小批量生产的铸件，泡沫塑料模也可用机械加工的方法，使用聚苯乙烯泡沫塑料板，像做木模一样加工制成若干部分，然后用聚醋酸乙烯乳液粘合剂组装成整体模型。

（3）涂料。汽化模表面必须涂挂一层高性能涂料。主要为防粘砂和提高汽化模的刚度。

涂料主要由耐火材料、溶剂、悬浮剂和粘结剂所组成。

在生产中，铸钢件用耐火材料以锆砂粉最好，使用羧基纤维素加膨润土做悬浮剂，用适量的聚醋酸乙烯乳液（白胶）作粘结剂，可形成稳定的类似冻胶状的悬浮液涂料。溶剂可用汽油、酒精，但成本高，且易燃易爆，一般常用水作溶剂。铸钢件用涂料见表2-9。

（4）铸件浇注位置及浇注系统。磁型铸造时，铸件在型中浇注位置的选择除应考虑排渣补缩外，还必须重视排气。大多数采用倾斜浇注位置，铸件的主要平面与直浇道呈30°～60°斜角。图2-100为10.5kg重的电动机后盖斜浇位置示意图，一箱浇4件，铸件大平面与直浇道倾斜45°角。

表2-9　磁型铸造钢铸件所用涂料的配比及性能

注：CMC水解液为羧基纤维素按1∶40溶解于水，充分搅拌，静止24h可使用。

图2-100　电动机后盖斜浇位置示意图

1-铸件　2-冒口　3-浇注系统

浇注系统一般采用底注引入法，有利于排渣排气，且浇注平稳，但对合金液浇注温度要求较高。对于重量小、壁薄、形状复杂、表面积大的铸件，采用侧注法为好。图2-101和图2-102为底注和侧注法示意图。内浇道一般都开设在铸件的薄壁处，浇道长度愈短愈好。

图2-101　增强座铸件一箱两件的底注示意图

1-铸件　2-浇注系统

图2-102　弯管件一箱四件侧注法示意图

1-铸件　2-浇注系统　3-冒口

磁型铸造设置冒口，主要用来溢储含有塑料模烧失残余物和沉积碳的金属，以消除夹渣缺陷。对于壁厚均匀重量不大的小件，一般可以不设冒口；对于壁厚不均匀，重量较大，质量要求较高的铸件，仍需设冒口，其体积可比砂型铸造同样件用冒口小30%～60%。

磁型铸造的浇注采用“一点，二看，三猛，四不准”的浇注方法。“一点”即为点燃浇道，“二看”即看黑烟刚冒完就迅速“猛灌”，“不准”浇注中断或细流慢浇。

本章小结

本章重点论述了造型工艺知识、手工造型技术、砂芯制造技术、机器造型技术。对先进的铸造方法作一般的论述。

读了本章内容后，就能掌握砂型铸造生产铸件的方法，就能针对不同材质、不同生产批量的铸件，确定其铸造方法，达到用最经济的方法生产合格铸件的目的。

本章主要内容如下：

造型工艺知识。论述砂型铸造工艺规程以及造型操作要领，并用实例加以说明。

手工造型方法按砂箱造型、刮板造型、地坑造型三大类论述。

砂箱造型分为整模造型、分模造型、控砂造型、假箱造型、多箱造型、泥芯造型、漏模造型、劈模造型、劈箱造型、组芯造型。

刮板造型论述小型旋转刮板的结构和安装、校正以及刮板的造型方法。

地坑造型论述地坑造型的砂床制备和具体的造型方法。

对砂芯，论述了砂芯的制造、排气、修理以及砂型和砂芯的烘干工艺及操作方法。

先进的铸造方法论述了当前最有发展的最新的铸造方法。如：实型铸造、真空密封造型、实型真空铸造、磁型铸造。