消失模鑄造工藝在液壓支架鑄件上的探索與實踐

王國東

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

0 引言

我公司是國內生產煤礦液壓支架主要廠家之一，每年生產的液壓支架上配套的零部件約3500 t～4000 t 為鑄件，主要為煤礦液壓支架用柱窩、連接頭、導軌、齒條等。這類鑄件，多采用砂型鑄造生產工藝進行生產，其產品表面粗糙，尺寸精度不高，機械加工量偏大。為滿足對鑄件表面質量、尺寸精度等不斷提高的要求，探索將消失模鑄造工藝在液壓支架鑄件生產上進行應用，并開展了驗證性實驗，取得了一定的成果。

1 消失模工藝介紹

消失模鑄造技術是用泡沫塑料（EPS、STMMA 或EPMMA）制作成與鑄件結構、形狀完全一樣的模樣，經浸涂耐火涂料烘干硬化后，放入特制砂箱中，干砂埋型，經二維或三維振實，在負壓下澆注熔融金屬液體，泡沫塑料遇高溫金屬液體燃燒并氣化，復制出與泡沫模樣同形的鑄件。該工藝由美國人斯洛耶洛于1956 年試驗成功，1958 年以專利的形式公布于世，1961 年開始工業化應用。近年來，消失模鑄造技術日趨成熟。國內采用消失模鑄造的廠家越來越多，消失模鑄件的產量在鑄件總產量的比重也越來越大。

消失模鑄造比起砂型鑄造優勢明顯。具有成本低、質量高、工藝設計靈活、受鑄件結構復雜程度影響小的特點。該工藝一件一模，模樣無分型面和型芯，無飛邊毛刺，沒有拔模斜度，鑄件整體鑄出，可實現批量自動化生產。生產工序簡化，干砂造型，不用黏結劑，避免了由于型砂水分對鑄件造成的缺陷影響。澆冒口便于切割，清理工作量低，減輕工人勞動強度，大大提高生產效率。鑄件尺寸精度可達到CT5～CT7，表面粗糙度能夠達到Ra=6.3μm～12.5μm。鑄件加工余量可控制在1.5mm～2mm，提高加工效率。消失模鑄造屬于環境友好型鑄造工藝，對環境污染小，生產環境粉塵少，容易實現清潔生產，用砂量少，廢砂及鑄造垃圾處理量小，造型用干砂回用率可達95%以上。消失模鑄造工藝的噪聲、CO 氣體排放明顯減少，避免了硅粉塵對工人的職業健康危害。

該工藝改變了傳統的鑄件成型思路，被鑄造界人士稱為“21 世紀的鑄造技術”、“鑄造工業的綠色革命”，在制造業迅猛發展及對環保的要求日益嚴格的形勢下，消失模鑄造技術越來越顯示出明顯的優勢和生命力[1]。

2 技術工藝準備

柱窩是液壓支架主要受力件，材質為ZG27SiMn 或ZG25MnTiB。須進行調質和機加后使用。不易加工的部位，須鑄成型。為改善鑄件表面質量及尺寸精度，采用消失模工藝進行試驗。實驗前進行了大量調研工作，制定了詳細實驗方案。

2.1 消失模工藝實驗鑄鋼件的選擇

實驗選用的鑄件為液壓支架用柱窩，材質為ZG27SiMn，表面質量和尺寸精度要求較高。對不易加工的部位，要求鑄成型。如圖1 所示。

圖1 實驗用鑄件

2.2 設備準備

一套節能型真空穩壓系統，2BE—303；一臺調頻氣囊懸浮震實臺，TQSW；PLC 調頻控制器（配合震實臺使用）；4個真空負壓砂箱；一臺滾筒式涂料研磨機；二臺（平面、垂直各一臺）泡沫切割工作臺；二臺調壓器；一間烘干房。

2.3 原材料準備

泡沫板（EPS 板材）、寶珠砂、涂料（購買輔料自配）、泡沫黏結膠、電阻絲等。

2.4 工藝準備及要求

對鑄件結構進行分析，設計澆冒口位置及大小，制定嚴格的工藝操作方法及相應的技術措施，滿足消失模生產試驗要求，確保鑄件尺寸符合圖紙尺寸要求，要求鑄件表面光潔。

3 實驗過程

3.1 泡沫模型的制作

泡沫塑料的質量優劣直接影響澆注過程中模樣氣化速度及裂解產物形態。高質量的泡沫塑料含碳量低，分子量大，在同等泡沫強度下模樣密度更低。

柱窩在生產中批量較小，本次為工藝試驗，不適合模具發泡成型，選擇手工制模的工藝方法制作模型。按照鑄件圖紙的設計要求，泡沫型必須滿足圖紙的尺寸公差，保證尺寸精度。在進行結構分析之后，確定了模型分塊制作，多塊黏結的方案。復雜部位采用模樣切割，柱窩球窩部位制作專用切割工裝，采用熱電阻絲中心定位，繞中心不停留旋轉的切割方法成型。模型縮尺為2.5%，冒口刀檢面加工余量為2mm，圖紙要求刀檢范圍加工余量為1mm。按照鑄件的截面形狀、尺寸，用草紙板制作泡沫下料樣板。樣板固定在泡沫上作為下料依據，用電熱絲沿樣板作為導向切割泡沫下料。在垂直切割下料臺上切割圓弧形狀時，泡沫高度不超過300mm，以防止電熱絲受力變形后，在行走過程中“吃肉”，而影響模樣尺寸。下料后模塊經過表面打磨、修整，進行黏結組模。組模時，用冷膠黏接，為減少黏結劑發氣量，在保證黏接質量的前提下做到盡可能少用膠，以保證鑄件質量。

3.2 涂料的配制、涂刷與烘干

實驗所用涂料為消失模鑄造用水基涂料，由某公司提供原輔材料及涂料配方，自行配制。

3.2.1 涂料成分

耐火骨料為石英粉料、黏結劑為BY 黏結劑及白乳膠、溶劑為水、輔料為FM6 級羧甲基纖維素納、鈉基膨潤土、無水碳酸鈉等。

3.2.2 配制方案

羧甲基纖維素鈉提前4h 用水浸泡，稀釋成糊狀。鈉基膨潤土與無水碳酸鈉用水稀釋。BY 黏結劑和骨料放入研磨機前先攪勻。白乳膠用水稀釋后加入滾筒式研磨機研磨8h～10h，靜置30min。

3.2.3 涂料性能要求

優質的涂料應具備良好的透氣性、涂掛性和抗黏砂型，并且具有一定的強度。要求涂料在使用過程中能夠保持持久懸浮不沉淀，與泡沫模型有較好的附著力，且有一定的流平性。干燥后不開裂、不易返潮。

實驗選擇石英粉料作為耐火骨料，干燥后具有較好的強度，并能夠提高涂層的透氣性，對鑄件質量有利。BY 黏結劑及白乳膠為有機黏結劑，能夠保證涂料的涂掛性和透氣性，并保持良好的綜合強度。

3.2.4 涂料的涂刷與烘干

上涂料過程中，由于鑄件形狀不規則，涂層厚度相對不均勻。采用流涂和刷涂相結合的方式，保證涂層的均勻性。

泡沫模樣上涂料并徹底烘干是防止鑄件黏砂、提高模型強度防止變形的主要措施。泡沫模型在涂刷涂料后，重量顯著增加。為防止其變形，在二遍涂料涂刷后模樣翻轉放置，可有效防止其變形，提高涂層均勻性。工藝要求涂刷三遍涂料，涂層平均厚度控制在1.5mm～2.5mm。涂料烘干時，烘干室溫度恒定45℃，烘干時間總計28h。

3.3 埋箱造型

按鑄件尺寸大小，設計砂箱尺寸1.5m×1.2m×1.2m。能夠適合鑄件規格尺寸，實驗鑄件可實現2 件/箱。選用6mm鋼板焊制，起重部位輔加強板，目的是減輕砂箱自重。箱底和四周采用槽鋼加固。箱體設計為四角氣室和四周氣室相通，箱體一側底部位置放置2 個抽氣管。在護板與側板之間加一層200 目不銹鋼網，防止型砂吸入氣室。

確定澆注位置是消失模埋箱工藝的首要任務。消失模澆注位置與埋箱時泡沫模型在砂箱中的位置一致。為保證鋼水平穩充型，有效防止塌箱，選擇澆注位置時，應避免較大平面處于水平位置。為有利于干砂填充模型，將較大平面與垂直方向傾斜15°。對局部不便填砂的位置，采取人工輔助緊實等措施，以防止產生積瘤、漲箱等缺陷。

埋箱干砂采用粒度為20～40 目圓形顆粒的寶珠砂。寶珠砂具有較高的透氣性和良好的流動填充型性。適合復雜大中型鑄鋼件的造型要求。消失模干砂埋箱造型與傳統濕砂造型工藝相比，過程簡單、省力，縮短生產周期。埋箱時，首先埋入底砂，刮平砂面后進行三維震實。消失模鑄造要求造型時型砂能緊實地充滿模型空間，因此振實系統是關鍵設備之一。影響振實效果因素包括型砂、加砂裝置、砂箱、振實臺以及控制系統[4]。放入模型后，調整模型位置，填砂固定模型，震實→填砂→震實，循環操作，堅持勤震短震原則，直至干砂充滿砂箱。每次震實時間1min，正反轉各30s。震實完成后，用塑料薄膜覆蓋整個砂面，露出澆冒口位置。薄膜上面再鋪較薄一層干砂，形成砂箱的封閉系統，保證澆注時抽真空的真空度。

3.4 真空系統和鑄件澆注

鑄件澆注時，控制砂箱內部真空度十分重要。本次試驗使用節能型真空穩壓系統2BE—303，穩壓罐Φ1.5m×3m，抽氣速度45m3/min，真空度30 kPa～100 kPa。使用大排量真空泵、大容積穩壓罐，有利于穩定負壓，防止澆注過程中砂型潰散塌箱。鑄件澆注時，鑄件澆注位置、鋼水包、澆口方式、鋼水溫度、泡沫密度、真空度等都對鋼水的充型以及鑄件質量造成很大影響。根據柱窩的外觀形狀、尺寸大小等，實驗確立了澆冒合一的明澆式澆注系統。由于采用電弧爐冶煉、漏包澆注。為減少漏包澆注時的鋼水壓力，專門設計了一澆一流入兩室式澆口杯。此澆口杯容積較大，能夠減少漏包澆注時鋼水壓力，同時避免鋼水飛濺。澆口杯流入口與模型澆口連接處采用耐火泥封閉。澆注過程澆口杯內始終存有鋼水，保證砂箱內負壓，避免澆口杯的吸氣。鋼水溫度控制在1590℃～1610℃，初始真空度控制在0.07MPa～0.075MPa，澆注穩定后真空度下降到0.06MPa～0.065MPa，澆注無塌箱，實驗鑄件澆注滿足要求，鑄件成型效果較好。

4 實驗結果

4.1 鑄件表面質量

鑄件外觀質量良好（見圖2）。鑄件落砂后，涂料層呈成片狀脫落，只有少量涂料層黏在鑄件不規則部位，須人工清理。柱窩兩耳間有局部黏砂現象。去除冒口后，作為澆口一側的冒口（澆冒合一）根部無縮孔，另一側冒口根部又很小集中縮孔。氣割槍割開后，縮孔深度5mm～10mm。對鑄件進行噴丸處理，鑄件表面光潔，無變形、漲箱等缺陷。

圖2 消失模鑄造鑄件與砂型鑄造鑄件對比圖

4.2 鑄件尺寸及質量

鑄件尺寸及質量與原有砂箱鑄造比較，消失模鑄件尺寸精確，滿足圖紙要求。鑄件加工量較砂型鑄造明顯減小。鑄件毛重較砂型鑄造減輕。分別見表1、表2。

表1 鑄件尺寸比較

表2 鑄件質量比較

4.3 缺陷分析及解決措施

作為澆口一側的冒口（澆冒合一）根部無縮孔，另一側冒口根部有很小集中縮孔和氣孔。

原因分析：冒口設計偏小，澆注系統采用明澆式，有縮孔一側冒口冷卻較快，導致補縮不完全；模樣黏合劑過多引起氣孔模樣黏結劑發氣量大，易使氣體卷入鋼液形成氣孔。

解決措施：可增大冒口設計，適當降低工藝出品率；澆注完成后，在冒口處覆蓋保溫劑。

球窩處有渣眼，耳間局部黏砂。

原因分析：漏包澆注，鋼水沖力大。耳間涂料層有脫落，造成黏砂。被沖掉的涂料層混入鋼水后，聚集在球窩側面頂端凸臺處造成渣眼；澆口杯為水玻璃石英砂制作，也會存在沖砂，將石英砂沖入鋼水中，形成砂眼缺陷；對涂料的參數和混碾工藝理解不深，涂料的強度和透氣性對鑄件質量有一定影響。

解決措施：可改善澆注條件，使用更合適消失模鑄造工藝的茶壺包澆注。改進涂料的混制工藝，改善強度和透氣性。

5 結論

實驗結果證明消失模鑄造工藝能夠得到充型完整、表面光潔、尺寸精度較高的液壓支架用鑄鋼件柱窩。

消失模鑄件與砂型鑄件比較，消失模鑄件表面光潔，尺寸精確，無變形，澆注系統簡單，加工量小，可近成型鑄造。

采用手工切割泡沫、組模等方式制作模型，生產效率低，由于人為因素，鑄件尺寸精度難以精確一致。最好采用模具發泡成型或數控雕刻等先進成型方式。