绿色铸造的典型工艺方法及其关键技术

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1、 绿色铸造的典型工艺方法及其关键技术 绿色铸造的典型工艺方法及其关键技术 樊自田、吴志超、董选普、叶升平、黄乃瑜 （华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430027） ） 【摘 要】绿色铸造、清洁生产是 21 世纪铸造技术、材料及装备发展的趋势。本文介绍了最可能实现绿色铸造生产的两种典型铸造工艺方法：无粘结剂的消失模铸造和有粘结剂的水玻璃砂型铸造。重点阐述它们的工艺原理、应用特点及关键技术，并就目前这两种工艺方法的应用中存在问题及其发展方向进行讨论。 【关键词】绿色铸造工艺、环境保护、消失模铸造、水玻璃砂型铸造 能源消耗和环境污染给中国经济的可持续发展带来了巨大的压力，

2、 中国国家发展的 “十一五”规划，将节能减排、绿色制造和循环经济作为国家社会和经济发展的重点1。面向 21 世纪的铸造技术将朝着绿色铸造工艺方法和材料装备的方向发展。 砂型铸造是铸造工艺的主要方法， 它占整个铸件产量的 80%90%。由造型材料带来的固体污染、 粉尘污染及空气污染最为严重， 实现砂型铸造的绿色清洁生产是实现绿色铸造的关键24。为此，应尽量采用环境友好的无机粘结剂或少粘结剂的铸造工艺， 这对改善铸造条件、 解决旧砂的再生回用问题大有益处， 对环境的压力也将大大减小。 在目前涉及的砂型铸造的各种方法中， 采用无粘结剂散砂造型的消失模铸造和采用无机粘结剂的水玻璃砂型铸造， 是最可能实

3、现绿色铸造生产的工艺方法。 无粘结剂的消失模铸造被誉为“21 世纪的铸造新技术” 、 “铸造中的绿色工程”等， 水玻璃砂被国内外的许多专家称为最有可能实现绿色铸造生产的型砂，它们在 21 世纪将有广阔的应用前景。 1 消失模铸造工艺 1 消失模铸造工艺 消失模铸造又称实型铸造， 是采用与所需铸件形状、 尺寸完全相同的泡沫塑料模代替铸模进行造型， 模样不取出呈实体铸型， 浇入金属液汽化并取代泡沫模样后形成理想的铸件（如图 1所示） 。自上世纪六十年代消失模铸造技术问世以来， 消失模铸造技术应用经过快速成长、 已进入成熟期（如图 2 所示） ，在工业中（尤其是汽车行业）获得了广泛的应用45。 图

4、1 消失模铸造的模样及铸件 1.1 消失模铸造的主要特点 5 消失模铸造的主要特点包括： .属近无余量、精确成形的工艺。消失模铸件尺寸精度和表面粗糙度接近熔模精密铸造水平。 由于充填砂采用干砂， 铸件废品率显著下降，铸件质量显著提高。 .容易实现清洁生产。室温下的泡沫模样材料对环境无害， 浇注后燃烧产物经净化后对环境无公害，旧砂回用率在 95%以上。工人劳动强度大大降低，劳动环境显著改善。 . 更大的铸件结构设计自由度。 原由多个零件加工组装的构件， 采用消失模铸造可以通过20分片制模然后粘合的办法整体铸出，无需砂芯，铸件孔、洞可以直接铸出。 图 2 消失模铸造技术的应用趋势 .金属液流动前沿

5、的热解产物，易与金属液发生反应并影响金属液的充填过程。 充型过程中的热解产物如不能顺利排除， 易产生气孔、 皱皮、增碳等缺陷。正确的设计浇注系统，合理的制定工艺方案十分重要。 .泡沫模样的成形模具的制造成本及精度较高，适合大批量铸件的生产。 1.2 消失模铸造关键技术57 消失模铸造的关键技术包括： 泡沫模样材料及成形技术、 涂料及涂敷技术、 干砂及振动紧实技术、 工艺设计及浇注控制技术、 废气净化处理技术等6。 （1）泡沫模样材料及成形技术 模样是消失模铸造成败的关键， 消失模模样要满足如下性能要求： .成形性能好，模样表面光滑，没有明显凸起和凹陷， 珠粒间融合良好， 形状和尺寸准确地符合模

6、样图的要求； .模样内不允许有夹杂物，密度不得超过允许的上限（密度通常为 1625kgm3） ，以使热解产物尽量少， 保证金属液顺利充填， 且不产生铸造缺陷； .模样在涂敷涂料前，必须经干燥处理，减少水分并使尺寸稳定； .模样应具有一定的强度和刚度，以保证在取模、干燥、粘合、运输和涂敷涂料、填砂、装箱等操作过程中不被损坏或变形。 （2）涂料及涂敷技术 涂料配制及涂敷干燥是获得优质铸件的重要环节。消失模铸造涂料应满足如下要求： .在泡沫塑料模样上有很好的涂挂性； .消失模铸件表面粗糙度与涂料层厚度是否均匀、 涂层表面是否光滑等直接相关， 因此要求涂料有较好的流动性； .消失模铸造涂料还应有足够的

7、强度、很好的透气性及耐高温性能。 （3）干砂及振动紧实技术 消失模铸造的造型紧实是获得良好铸件的重要工序。 如果控制不当， 就不可避免地产生废品或其他缺陷，必须遵守一定的操作规程： .干砂一般选择石英砂，其粒度分布应相对集中，粒径范围根据铸件大小和壁厚选择； .模型簇在砂箱中的方位应有利于干砂的充填和紧实， 尽量避免模型上的凹陷部位和盲孔朝向底部，产生不能紧实或紧实不均缺陷； .干砂充填建议采用雨淋式加砂，有利于干砂的均匀加入，避免对模型造成冲刷和撞击；为了防止在振动过程中模样变形， 振动紧实时宜21采用高频低振幅的微振方式； 为了实现均匀紧实和充分紧实，应采用三维变频微振。 （4）其它关键技

8、术 消失模铸造其它重要关键技术还包括： 工艺设计及浇注控制技术、废气净化处理技术。 .由于泡沫模样的存在及影响，消失模铸造工艺设计及浇注控制， 与传统空型铸造比较具有显著区别。消失模铸造的浇注温度要求更高、浇注速度较慢、 浇注系统尺寸较大， 浇注过程中真空度的大小对浇注也有较大影响。 工艺设计及浇注控制技术， 应保证生产优质铸件， 获得明显的经济效益，有利于保护环境和便于操作。 .废气净化处理技术是实现消失模铸造绿色清洁生产的关键之一。 消失模铸造废气主要成份为：苯、甲苯、聚乙烯、甲烷、乙烷等有机气体。将有机废气转化成 CO2和 H2O 等无害分子排放是大规模消失模铸造生产的基本条件。 1.3

9、 消失模铸造技术的应用状况、 存在的问题及发展方向45,8 近年来， 我国的消失模铸造技术研发取得了长足的进步， 实际应用处于高速发展期。 铸铁件的消失模铸造生产技术在我国已基本成熟， 铸钢件 （除低碳钢件的渗碳缺陷控制外） 的消失模铸造技术在我国也基本掌握。 铝合金的消失模铸造， 在美国等铸造发达国家已可用于生产发动机缸体缸盖等复杂铸件； 但在我国，铝合金消失模铸件受到一些缺陷的困扰， 废品率居高不下， 铝合金铸件的生产还比较少； 引进和自行制造的铝合金消失模铸造生产线还未发挥应有的效益8。 镁合金消失模铸造技术， 国内外目前都处于研究开发阶段。 初步的研究结果表明， 镁合金非常适合消失模铸

10、造工艺， 因为镁合金消失模铸造具有如下独特优点： 浇注时， 泡沫模样的分解产物主要是烃类(烷烃、烯烃等)、苯类和苯乙烯等气雾物质， 它们对充型成形时极易氧化的液态镁合金具有自然的保护作用；采用干砂负压造型，避免了镁合金液与型砂中水分的接触和由此而引起的铸件缺陷； 与目前普遍采用的镁合金压铸工艺相比较， 其投资成本大为降低， 干砂良好的退让性大大减轻了镁合金铸件凝固收缩时的热裂倾向； 金属液较慢和平稳的充型速度避免了气体的卷入， 使铸件可经热处理进一步提高其机械性能。 铝（镁）合金消失模铸造技术的难点是： .充型浇注时，泡沫模样的热解气化将吸收大量的热量， 造成合金流动前沿温度下降， 过度冷却易

11、形成冷隔、 皮下气孔等铸件缺陷。 因此，足够的浇注温度和浇注速度对获得优质铝镁消失模铸件至关重要，尤其是薄壁铝铸件。 .浇注温度高达 800 ，此高温下，铝合金的吸（氢）气性强，易使铸件产生（氢）针孔（铸件的致密性差） ，必须加强高温铝液的除气精炼等处理； 镁合金的氧化燃烧严重， 必须加强防氧化保护。 这也是我国铝镁合金消失模铸造技术目前未过关的主要困难。 .铝镁合金较好的浇注温度应是在 750左右， 为此需要低温气化的泡沫模样材料。 但泡沫模样材料的研究方面我国进行的研究工作较少。 国外研究报导表明， 在泡沫珠粒材料中加入某些溴化物， 可以降低泡沫模样的气化温度 （即降低浇注温度） 。 为了

12、克服铝镁合金消失模铸造中充型浇注、氧化燃烧、 氢针孔等困难， 提高消失模铸造零件的性能， 目前正在研究开发如下几种特种消失模铸造技术，具有较大意义： .真空低压消失模铸造技术9。它将真空消失模铸造与低压铸造有机地结合起来，特点是： 综合了低压铸造与真空消失模铸造的技术优势， 在可控的气压下完成充型， 大大提高了合金的铸造充型能力；与压铸相比，设备投资小、铸件成本低、 铸件可热处理强化； 而与砂型铸造相22比，铸件的精度高、表面粗糙度小、生产率高、性能好； 直浇口成为补缩短通道， 浇注温度的损失小，液态合金在可控的压力下进行补缩凝固，合金铸件的浇注系统简单有效、 成品率高、 组织致密； 真空低压

13、消失模铸造的浇注温度低， 适合于多种有色合金。 .消失模铸造压力凝固技术10。它是消失模铸造与压力凝固结晶的结合。 其原理是在带砂箱的压力灌中， 浇注金属液使泡沫塑料气化消失后，迅速密封压力灌，并通入一定压力的气体，使金属液在压力下凝固结晶成型的铸造方法。 这种铸造技术的特点是能够显著减少铸件中的缩松、气孔等铸造缺陷，提高铸件致密度，改善铸件力学性能。 加压凝固可大幅提高冒口的补缩能力， 使铸件内部缩松得到改善； 加压凝固还会使氢析出需更高的内压力才能形核形成气泡， 抑制针孔的形成，增加气体在固相合金中的溶解度，使析出的气泡减少。 .振动消失模铸造技术11。在消失模铸造过程中施加一定频率和振幅

14、的振动， 使铸件在振动场的作用下凝固。 由于消失模铸造凝固过程中对金属溶液施加了一定时间振动， 振动力使液相与固相间产生相对运动， 而使枝晶破碎， 增加液相内结晶核心， 使铸件最终凝固组织细化、 补缩提高， 力学性能改善。 该技术可利用消失模铸造中现成的紧实振动台， 通过振动电机产生的机械振动， 使金属液在动力激励下生核， 达到细化组织的目的，是一种操作简便、成本低廉、无环境污染的特种消失模铸造新方法。 2 水玻璃砂型铸造 在目前被广泛应用的粘土砂、 水玻璃砂和树脂砂等三大砂型铸造中， 水玻璃砂型铸造环境最为友好， 被专家们认为是最有可能实现绿色清洁生产的铸造型砂种类及工艺。 我国 90%以上

15、的铸钢件生产采用水玻璃砂工艺，根据硬化方式及所采用的硬化剂的不同，水玻璃砂的分类为 CO2硬化水玻璃砂、有机酯硬化水玻璃砂、加热硬化水玻璃砂等12。目前，应用最多是 CO2硬化水玻璃砂和有机酯硬化水玻璃砂。 2.1 水玻璃砂的特点水玻璃砂型铸造， 与易产生黑色污染、 灰尘污染的粘土砂型铸造 （组份中含有煤粉等粉尘物质）相比，具有型砂流动性好、易紧实、劳动强度低，操作简便、能耗低、劳动条件好，型（芯）尺寸精度高、 铸件质量好、 铸件缺陷少等许多优点； 与易产生化学污染的树脂砂 （其中含有甲醛等有机挥发物组份）比较，又有成本低，生产现场无毒无味、 劳动条件好等优势。 不同种类的水玻璃砂具有不同的特

16、点1213。 .普通 CO2水玻璃砂。水玻璃加入量多（68%） ，虽具易紧实、操作简单、型砂强度高等优点， 但旧砂的溃散性差、 旧砂再生回用困难，已落后于时代要求，成了被改造的对象。 .酯硬化水玻璃砂。通过采用高质量的纯净改性水玻璃及原砂， 水玻璃的加入量可降低至2.03.0%生产， 水玻璃砂的溃散性及其旧砂的可再生性大大改善。 目前， 有机酯硬化水玻璃砂工艺已成为我国各类工厂进行铸钢件生产技术改造时重要选择型砂种类，有普遍推广应用之趋势， 较好的酯硬化水玻璃砂工艺应用厂家已可实现旧砂的完全再生回用。 .微波加热水玻璃砂14。被认为是最有可能实现绿色铸造的水玻璃砂型铸造工艺。 它具有水玻璃加入量低、强度高、硬化速度快、节能高效、易于控制、清洁卫生等许多优点。微波加热水玻璃砂硬化原理是： 微波以体积方式加热水玻璃砂， 微波能量使水玻璃中的水分子和硅酸盐分子剧烈振荡， 各部分的水玻璃砂同时升温， 升温速度均匀，脱水充分，水分迁移由里向外，且各深度层