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        淮安市萬盛達包裝有限公司

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        消失模高品質鑄件決定因素,從泡沫珠粒選擇等五個方面一一解析

        發布日期:2021/03/23

          保證消失模鑄造產品的質量好,選擇優質的消失模鑄造專用泡沫珠粒是關鍵的一個環節。用包裝用泡沫來制造產品的泡塑模型,會因為其發氣量,增碳量等不定因素大大影響了鑄件產品質量?,F在隨著消失模鑄造業在國內的迅速蓬勃發展,隨之而來原輔材料也要求越來越專業化。

          一、消失模鑄造用專用泡沫珠粒的常規專用名稱:

          (1)消失模鑄造專用的可發性聚苯乙烯樹脂珠粒(簡稱EPS);

          (2)可發性甲基丙烯酸甲脂與苯乙烯共聚樹脂珠粒(簡稱STMMA);

          (3)可發性聚甲基丙烯酸甲脂樹脂珠粒(簡稱EPMMA)。

          用戶根據鑄件的特點和要求選用需要的品種和規格,以確保獲得優質的泡沫塑料模型和消失模鑄件。

          原始珠粒的選擇:首先根據鑄件材質及對鑄件的質量要求選擇珠粒的品種,再根據鑄件的壁厚選擇珠粒的規格。在預發泡時,40~50倍的發泡倍率,珠粒直徑將是原始珠粒的3倍左右。為了得到良好的模樣表面狀態,在成型時,模樣最小壁厚部位要在最小壁厚方向排列3顆珠粒。這樣,所選擇的最大原始珠粒直徑(mm )=鑄件最小壁厚(mm)×l/3×1/3。例如,要得到5mm最小壁厚的鑄件,就需要直徑為0.55mm以下的原始珠粒作模樣材料。但有時對薄壁件,尤其是灰鑄鐵件,其珠粒直徑要更小一點。而對厚壁件,珠粒的充填不成問題,模樣也有一定的強度,適當選用大的珠粒,也能得到理想的鑄件表面。原始珠粒的預發泡:消失模鑄造用的預發泡機一般采用間歇式預發泡機。間歇式預發泡機有間歇式蒸汽預發泡機和真空預發泡機兩種。間歇式蒸汽預發泡機預發泡工藝參數:EPS預發溫度100~105℃;STMMA預發溫度105~115℃;EPMMA預發溫度120~130℃。預發泡時,蒸汽進入不宜過于集中,壓力和流量不能過大,以免造成結塊,發泡不均勻,甚至部分珠粒過度預發泡而破裂。發泡時珠粒與水蒸氣接觸,預發泡珠粒含水量的質量分數高達10%左右,因此卸料后必須經過干燥處理。

          真空預發泡機的加熱介質(蒸汽或油)不直接接觸珠粒,珠粒的發泡是真空和加熱的雙重作用而使發泡劑加速氣化溢出的結果。因此,預熱溫度和時間、真空度的大小和抽真空的時間是影響預發泡珠粒質量優劣的關鍵因素。一般真空度設定為0.06~0.08MPa,抽真空20~30s,預熱時間1~3min,最好2Min以內,預熱溫度由夾層蒸汽壓控制。

          二、泡塑模樣外部和內在質量要求:

          (1)模樣表面粗糙度低,珠粒間融合良好,沒有明顯的突起與凹陷,無過融、無傷損、無油污,其形狀和尺寸符合模樣圖要求。

          (2)模樣在確保強度前提下密度要低而且各部位密度均勻,以使熱解產物盡量少,保證金屬液順利充填,且不產生鑄造缺陷;模樣內不允許有夾雜物。

          (3)模樣在涂敷涂料前,必須進行干燥處理,減少水分并使尺寸穩定。

          (4)模樣在滿足上述要求的同時,還要具有一定的強度和剛度,以保證在粘結、涂敷涂料、干燥、搬運、填砂裝箱等操作過程中不被損壞或變形。

          預發珠粒的干燥、熟化處理:一般真空預發泡機不僅珠粒預發倍數高,珠粒粒徑均勻而且預發的珠粒是干燥的。若采用加壓式蒸汽預發泡機,預發泡后的珠粒含水率高,需用進行干燥處理,干燥風溫為25℃~35℃,使珠粒含水率降到2%以下。經預發泡后的珠粒內部呈減壓狀態,通常要存放一定時間使其干燥熟化,讓其穩定。EPS的熟化時間如表2所示。

          EPMMA和STMMA預發泡珠粒的熟化時間比上述EPS的熟化時間要短些,最佳的熟化溫度為20~25℃。

          三、模樣的制作工藝:無論采用哪一種珠粒制模,其制模工藝流程都是相同的。其工藝過程如下:原始珠粒的選擇 → 預發泡 → 珠粒的干燥、熟化處理 → 發泡成型 → 模樣的熟化→模樣組合。

          根據試驗可知,用EPS模樣主要缺點是容易引起鑄鐵件表面產生光亮碳缺陷和使鑄鋼件表面增碳,而采用EPMMA模樣對解決增碳、皺皮、黑渣等缺陷非常有效。但是,EPMMA的發氣量大,約是EPS的1.5倍。STMMA是苯乙烯和甲基丙烯酸甲醋的共聚物,其共聚物兼有前兩者的優點。還可調節共聚物的組成,生產不同性能的泡沫塑料,以滿足不同鑄造場合的需要。根據原料的性能和鑄件的不同,選擇模樣原料的原則如下:

         ?、賹τ谠鎏紱]有要求的鋁、銅、灰鑄鐵件和中碳鋼以上的鑄鋼件,可采用EPS珠粒;而表面增碳要求較高的低碳鋼鑄件最好采用STMMA,對表面要求特高的少數合金鋼鑄件可選用EPMMA。

         ?、谛阅芤筝^高的球鐵件對卷入的碳黑夾渣比較敏感,可能會引起鑄件產生裂紋,所以模樣的原料也選用STMMA。此外,對于表面要求光潔的薄壁鑄件,必須采用最細的珠粒,最優的發泡率,采用STMMA。

         ?、鄹鶕拥谋诤襁x擇珠粒的大小。壁厚越薄,要求珠粒徑越小。一般來說原始珠粒不應大于鑄件最小壁厚的1/10。

          發泡成型:發泡成型的目的就是在于將一次預發的松散珠粒填入到一定形狀和尺寸的模具中,再次加熱進行二次發泡,形成與模具形狀和尺寸一致的整體模樣。批量生產的模樣,通常都采用成型機成型。其發泡成型工藝過程:

         ?、兕A熱。模具安裝好后,將它預熱到100℃,保證模具是熱態和干燥的。

         ?、谔盍?。一般使用料槍進行射料,填充足夠的泡沫珠粒。

         ?、弁ㄕ羝?。一般通入0.1~0.15MPa的水蒸汽。為了保證成型質量,正向通氣后,再逆向通氣一次,然后正逆同時通氣,使型腔內蒸汽不流動。這樣可以獲得發泡均勻、表面光潔、密度輕的發泡模樣。通蒸汽的時間由試驗測定。

         ?、芾鋮s。一般采用噴水冷卻的方法將模具冷卻到40~50℃。

         ?、蓓敵?。對于自動或半自動成形機,有機械頂桿取模法和真空吸盤取模法兩種常用方法。

          四、模樣的熟化與穩定化干燥

          對發泡成型后的模樣要進行干燥和存放一段時間使其穩定化,叫做模樣的干燥、熟化,簡稱模樣熟化處理。熟化分自然熟化和烘房(烘房溫度一般控制在45~60℃)中熟化(強制熟化)。模型在干燥和熟化過程中要收縮,一般EPS模樣的收縮率為0.4%~0.7%;EPMMA模樣和STMMA模樣的收縮率為0.2%~0.4%。熟化時間與模樣材料、模樣壁厚、熟化條件(溫度、濕度、通風)等因素有關。由于模樣在成型過程要與水蒸氣和水接觸,剛脫模的模樣含有很多水分。造成模樣含水量的因素很多,主要是發泡成型、加熱給蒸汽壓力、通蒸汽時間及冷卻時給水時間等,一般情況下剛剛脫模的模樣含水量在6%-8%左右,這樣的模樣是絕對不能直接拿去上涂料的。很直觀低說模樣熟化就是消除水分和穩定線收縮率,這就是進行熟化處理的目的。等模樣經過熟化干燥以后,其線收縮基本穩定了,才允許進行下道工序作業。為了保證消失模鑄件質量,模樣在黏結和組裝前以模樣壁厚不同和干燥條件不同而異,一定要依據情況進行時間不定的干燥,才能使模樣中的水分含量降到1%以下,才能使其線收縮穩定在0.45%左右。要根據實際的具體情況而定。一般EPS模樣強制熟化4~6天,EPMMA和STMMA模樣熟化5~7天。筆者到過許多地方,聽到說“自然干燥2、3天”這樣極端不科學的工藝概念,我們并不反對在條件允許時進行自然干燥,但其效果取決于環境溫度和濕度,一年四季的溫度和濕度差別很大,而且我們這么大的地域差別同樣很大,在長三角那里的梅雨季節濕度很大,如果只控制溫度,根本干燥不到、熟化不好。所以,對所謂“自然熟化”不能一概而論,要遵循科學規律具體問題具體分析,具體對待,用科學的工藝原則去處理可變的因素。為了提高生產效率,縮短模樣熟化干燥處理周期,根據自身生產條件可以制定合理的強制干燥時間,這樣才能達到節能和提高生產效率以及烘房利用率的目的。如果控制手段好把模樣放置在(600±50)℃的烘房中強制干燥6-12h。厚大件取上限,薄小件取下限,烘房濕度應<40%??梢杂脤Ρ饶雍娓汕昂蠛至縼泶_定,生產單位普遍采用“試片”來測定模樣干燥程度方法,只能是個參考。有條件單位應健全檢測手段。

          模樣的組合與粘結:較復雜的泡沫模樣如不能在一副模具內成型,需要進行分片處理,各片單獨用模具成型,人們習慣把它叫模樣片;然后用粘結的方法,將多個泡沫模樣片組合成整體泡沫模樣。對于簡單泡沫模樣的小批量的生產,采用手工方式粘結;而對于復雜模片的大批量生產,采用自動粘合機生產,用粘合模具來保證粘合精度。

          復雜的模型通常是用分片泡沫模樣組合起來的。兩片泡沫模片對接時,粘結面上的黏膠總有一定的厚度,一般取0.1~0.3mm。對于壁厚較薄的泡沫模片可適當增加對接處的厚度。要求模樣組裝用黏結劑氣化迅速、無殘留物。在粘合模樣及澆注系統時黏結劑的用量必須薄而均勻,過多的黏結劑可能導致模樣氣化不完全,因其未氣化徹底留的殘渣同樣影響鑄件質量。消失模鑄造澆注系統的材料泡沫塑料要選對用對,我們的主張是澆注系統用料最好和成型的模樣白件用料一致。就筆者所知許多消失模鑄造企業沒有壓制澆注系統用泡沫塑料板材的專用成型機,而是到建材市場上購買泡沫塑料成型板,然后拉回去再按澆注系統尺寸的要求切割。不但說強度和珠粒不符合要求,殊不知建筑用和鑄造用的材質要求就不同。其中有一個企業他們把澆注系統用泡沫塑料用料改變后夾渣減少了40%左右,那就是原先用的建材上的泡沫塑料板由于珠粒粒度大而且壓制不好,珠粒間隙刷涂時料鉆進去了,澆注時這些耐火涂料就隨金屬液進入了鑄件。除此之外,嚴格要求粘結的操作工要把澆注系統各個部分組合時粘接牢固,這樣才能預防浸刷涂料時、操作工搬動時、澆注系統產生裂紋導致鉆進涂料,才有可能減少夾渣缺陷和最大限度地從進渣源頭杜絕夾渣或夾砂缺陷

          所以,在能粘牢固的基礎上涂刷的黏結劑是愈少愈好。這是獲得完美的消失模鑄造生產的鑄件的基礎工作之一。

          五、模樣涂敷涂料后的烘干與固化

          涂料涂掛以后需要進行烘干與固化,以確保涂層獲得足夠的強度與透氣性。涂料的固化和干燥根據使用的設備不同,可分為自然干燥和加熱干燥兩種。加熱干燥依據采用的加熱燃料分為電熱鼓風干燥、熱蒸氣加熱干燥、燃煤直接加熱干燥等多種干燥室加熱干燥方式。

          通常,消失模鑄造用涂料均可任其自然干燥。它的干燥速度主要取決于涂料的溶劑和氣候條件。醇溶性耐火涂料可在30~60min內自然干燥,水溶性耐火涂料一般需8~12h才能干燥固化。

          為了加快用于大型模樣的水溶性涂料的干燥速度,生產上的簡便方法是將刷有涂料的模樣放在陽光下或60℃以下的烘房內加速干燥。對于成批生產的小模樣,較多的是應用烘箱與烘干室,在50~60℃鼓風加熱4~12h以加快涂層的干燥固化。

          常用干燥設備與設施:

         ?、匐娂訜岣稍?,電加熱干燥采用電熱鼓風烘箱進行,溫度控制利用浮點式溫度繼電器控制,烘干室大小根據要烘干模樣的尺寸、結構進行設計。

         ?、谌济杭訜岣稍?,燃煤加熱干燥是目前成本最低的加熱干燥方法,干燥時采用熱管技術,使煤燃燒形成的高溫氣體通過熱管排出,不進入烘干室,熱管將熱量幅射進烘干室,并通過傳導、對流的方式將熱量散發至整個烘干室,溫度采用控制煤的燃燒速度對方法控制,溫度測量可采用數顯溫度計測量。

         ?、壅魵饧訜岣稍?,對于有條件的單位,可采用蒸氣加熱的方式進行加熱。

          涂料烘干應注意的細節:

         ?、俸娓蛇^程應注意模樣的合理放置和支撐,防止模樣變形。

         ?、谀油苛媳仨毢娓赏?。

         ?、鄹稍锖蟮哪討胖迷跐穸容^小的地方,防止吸潮和潮解。

          為了縮短烘干時間,烘爐應裝有空氣除濕系統。烘烤時空氣濕度及流動狀態與烘干時間和溫度同等重要。模樣達到干燥狀態重量穩定,但是烘干時間必須通過實驗確定。熟化處理與干燥:熟化定形與干燥包括自然熟化和烘房(一般為40℃~60℃)中熟化(強制熟化)。模型經過熟化干燥要收縮,EPS模樣收縮率為0.4%~0.8%。影響熟化的主要因素:熟化溫度、熟化時間及熟化方式。最合適的自然熟化溫度為20~25℃,最佳自然熟化時間為4天左右。生產中為了縮短模樣熟化處理的時間,通常將模樣放置入50~60℃的烘干室中強制干燥12~18 h。

          干砂負壓(EPC法)鑄造黑色金屬的充型過程就是金屬液的充填與泡塑模樣的氣化消失的過程。實際上這些氣態產物,在金屬液流動的前沿與未熔化或氣化的泡塑模樣之間形成空隙,在金屬液體壓頭作用下,熱解產物透過涂料層從金屬液前沿間隙中排出,降低間隙的反壓力,從而使金屬液進一步充填型腔。泡塑模樣熱解氣態產物在鑄型材料中的凝聚改變了鑄型的熱物性參數和舊砂的使用性能,從而影響到鑄件的成型過程;向鑄型材料中傳輸的熱解產物的多少,決定了聚集在型腔內的熱解產物的數量。

          黑色金屬消失模鑄造中,耐火涂料涂層的透氣性成為很主要的性能指標。當涂層的透氣性低時,由于泡塑模樣存在著中心低邊緣高的密度梯度,金屬液在氣態分解物的反作用下,流動前沿呈現前凸的形狀,從而將氣化分解產物推向兩側面的涂層,在負壓作用中及時排出型腔。相反,采用過高透氣性的涂料充型金屬液的前沿容易出現紊流。尤其對于低密度模樣,有時候出現凹陷形狀,沿著涂層型壁快速流動的金屬液先于分解產物全部排出型腔之前而覆蓋涂層,就有可能封閉逸出通道,這個時候澆注的鑄件易產生皺皮、炭黑或氣孔等缺陷。所以,研究泡塑模樣熱解產物在鑄型中傳質與凝聚的過程是非常重要的。

          澆注系統設計與澆注工藝同樣對消除消失模鑄件缺陷有影響。采用底注式澆注系統時,鑄件的上表面很容易產生增碳缺陷;采用頂注式澆注系統,鐵水流容易紊亂,將熱解產物易夾入金屬液中造成內部增碳或氣孔。所以,對于高度不大的小件宜采用頂注;對于高度較大的中大件適宜采用階梯或底注方式,最后在金屬液最后到達部位設置排渣冒口。為了減少鑄件增碳,除了設計好澆注系統之外,還得控制好澆注工藝,依據鑄件確定合適澆注溫度,澆注速度不宜太快,過快了會增加增碳量,盡可能使其與模樣氣體熱解產物排出速度同步,高溫金屬液與模樣熱解產物接觸的時間是越短越好,使模樣盡快氣化,并將氣化產物排出型外或盡可能把殘留渣排至冒口和集渣口里。澆注結束后,根據鑄件壁厚及表面積大小規定合適的負壓及冷卻時間,避免鑄件長時間在高溫下繼續增碳的傾向。

          總而言之,消失模鑄造的氣化模樣熱解產物與鑄件缺陷有非常密切的關系;消失模鑄造泡塑模樣氣化的程度直接關系到鑄件質量。要想防止消失模鑄件缺陷的產生,就得學習并弄懂消失模鑄造成形原理,從這一原理出發合理選擇各個工序的工藝參數及所使用的材料,才能提高鑄造的成品率和鑄件質量。


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