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【摘 要】铝合金因其良好的物理性能已然成为汽车制造、航空航天以及电子产业所需零件的首选材料,消失模铸造技术凭借良好的经济效益以及铸件良好的性能成为“21世纪的新型铸造技术”.工业的发展促进了铝合金消失模铸造技术发展,使其成为铸造技术发展不可忽视的一部分.文中主要介绍了铝合金消失模铸造技术的模样材料、涂料工艺、成型工艺和数值模拟等方面的研究现状以及应用现状,并对其进行展望. 【期刊名称】《铸造设备与工艺》
【年(卷),期】2016(000)006
【总页数】7页(P57-62,66)
【关键词】铝合金;消失模铸造;模样材料
【作 者】刘雪萍;谭建波
【作者单位】河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄050018;河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄050018;河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄050018;河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄050018热电堆
【正文语种】中 文
【中图分类】TG249
消失模铸造（又称实型铸造）是将尺寸形状与铸件相似的泡沫塑料模型组成模型簇，然后涂刷涂料并烘干，接着埋在无粘结剂的干石英砂中振动紧实，最后在负压下浇注，模型气化，液体金属占据模型位置，待其凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。消失模铸造技术也是21世纪的新型铸造技术，更是被称为“铸造中的绿工程”[1]。铝合金是一种密度低，强度较高，塑性好的材料，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。其性能与优质钢相近或者更好，可加工成多种型材。因此，随着现代工业对于铸件轻量化、精准化的要求，铝合金消失模铸造技术受到各国的企业以及科研人员的关注。美国、德国和意大利等发达的国家经过较长时间的技术积累，在铝合金消失模铸造技术方面的使用已经比较成熟[2]。而我国消失模铸造铝合金的技术处于发展期，生产消失模铝合金铸件的企业也比较少[3]。
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在消失模铸造工艺过程中模样气化不必分模、没有分型面和砂芯，使得铸件没有飞边、毛刺缺陷，也不需要进行拔模斜度的设计，故铸件尺寸上的误差减少。然而，相比于砂型铸造和金属型铸造，铝合金消失模铸造时所需要的熔炼和浇注温度都是比较高的，而且铝合金本身密度小，因此铸件中易产生针气孔、渣孔、浇不足等铸造缺陷。各国学者从模样材料、涂料工艺、成型工艺和数值模拟以及其他方面进行研究，并取得了一定的成就。
自从1958年，美国的H.F.s h r o y e r发明的可发性泡沫塑料模样用来制造金属铸件的技术以来，国外消失模铸造技术迅速发展，无论是在黑金属还是在有金属领域都取得了很大的成就[4]。中国也在20世纪60年代开始对实型铸造进行开发与研究，几乎与国外同时起步[4]。随着实型铸造的发展，到80年代已初具规模，而此时消失模铸造也在登上了中国舞台。经过几十年数多科研工作者的研发，逐渐形成了具有中国特的消失模铸造技术[4]。
近年来消失模铸造技术在国内的发展势态良好，发展成果也是可喜的。清华大学、华中科技大学等高等院校为消失模铸造行业的发展做出了突出贡献。其应用的前景是非常大的，然而，我国的铝合金消失模铸造技术还是与国外的发展水平存在着一定的差距。
1.1 模样材料的研究现状
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消失模铸造浇注前，由于白模生产工艺的不同，导致白模的收缩程度不同，从而使得铸件在尺寸上出现偏差，甚至会导致铸件报废。在浇注时，高温的金属液会使得模样分解产生大量的有害物质，会严重恶化生产环境危害工人健康，分解产物也会残留在铸件的表面产生皱纹、粗糙以及内部夹渣等铸造缺陷。因此，模样材料的性能是影响铸件质量好坏的关键因素之一。也就有越来越多的科研人员开始研究模样材料。
Griffith W D[5]采用A319铝合金对普通EPS和溴化EPS成形的白模进行模样分解实验，结果发现，随着温度的升高，EPS分子的降解量逐渐减少，当达到105℃时，降解的聚苯乙烯润湿渗透性较低处的涂层；当EPS分子量较低至13 000时，液态产物可以通过涂层中气孔排出。而经过溴化处理使得EPS的原始的分子量降低，进而可以在更低的温度下形成低分子量的液态产物，要比没有溴化的EPS更加容易排出。王建玲[6]研究了铝合金发动机四缸体消失模铸造技术白区的生产工艺过程中发泡模具白区的珠粒选择、预发泡、熟化、成型、模样粘结组装等的因素，制定了合理的铝合金发动机四缸体消失模铸造白区工艺流程，获得了质量较高的泡沫模样。Sun Y[7]认为铝合金的浇注温度较低，在充型时只有液相的聚苯乙烯产生。而J Brenne[8]则推测聚苯乙烯分解速度较慢，最终分解为二聚物、三聚物以及部分的单体。模样分解的气相产物量比液相产物量少一个数量级。合金温度在66
0℃～900℃时，模样发气量约为（205±25）c m3·g-1[4].
胡仙林等人[9]，以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯为原料，过氧化二苯甲酰为引发剂，碱式碳酸镁和聚乙烯醇作为符合分散剂，甲基丙烯酸为助发泡功能单体，通过悬浮聚合的方法制备了预发性共聚物珠粒，采用气发泡方法制备了苯乙烯/甲基丙烯酸甲酯共聚物气化模材料，并探索其合成的最佳条件。采用扫描电子显微镜和热重分析法对其微观结构与热降解行为进行表征与分析，并研究其热氧化降解动力学。此外，还对聚合物珠粒的发泡倍率及微观结构、单体残留量、料灼烧残留量进行测定。
Saghi S等人[10]，采用玻璃覆盖模具和视频记录系统研究了浇注系统和金属液流动形式对消失模铸造过程的影响。不同于传统的铸造工艺，浇注系统的类型对消失模铸造充型能力影响不大，对模样厚度的影响是较大的。填充能力受传热和传质的影响，同时随着模样厚度的增加流量增加。
1.2 涂料工艺的研究现状
消失模铸造的涂料需要涂挂在泡沫塑料模样的表面而非铸型或砂芯表面。这就要求消失模
铸造涂料具有防止铸件粘砂、提高泡沫塑料模型的刚度、防止变形以及有助于模样热分解气体排除的作用。因此，消失模铸造时金属液的充型以及之后铸件的质量在很大程度上受到涂料的影响。同时，由于铝合金容易产生针气孔、夹渣等铸造缺陷，这就使得对涂料的要求更加严格。关于消失模铸造铝合金的涂料，国内外的科研人员做了一些研究，并提出了一些观点。
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吴国华认为[11～12]，在铝合金消失模铸造过程中采用保温涂料可以提高铝合金液的充型速度，但是会降低最终铝合金铸件的密度，激冷涂料的作用与之相反。若要求提高消失模铸造铝合金液的充型速度，同时需要减少针孔缺陷时，可使用低透气性的保温涂料，但要保证涂层的厚度不能太大。在研究各工艺参数对消失模铸造铝合金铸件密度的影响时，发现无论是涂层厚度的增加还是模样厚度增加，最终都会使得铸件密度下降、针孔缺陷增加。太原科技大学的李泽文[13]在研究工艺因素对消失模铝合金铸造气孔的影响时，也发现在允许范围内尽量减小涂层厚度，有利于气孔数目的减少。哈尔滨工业大学的魏尊杰认为[14]，涂料透气性的下降会减小合金液充型的速度，导热率增加会降低合金充型时前沿的温度，这些都会使得充型能力显著下降。但是，涂料较高的透气性不能补偿较高导热率对合金充型带来的不良影响；同样，涂料的较低导热率也不能补偿较差透气性对合金充型
带来的不良影响。在小范围内提高浇注温度不能有效补偿涂料性能不良对合金充型的影响。因此，涂料具有良好的透气性和较低的导热率是合金液充型良好的保证。
Karimian M等人[15]，采用消失模铸造获得铝硅铜合金阶梯式铸件（如图1阶梯式铸件所示）。主要研究的是涂层厚度对合金铸造缺陷和气孔率以及共晶硅间距的影响。结果表明：增加浆料粘度或浸渍时间增加了涂层的厚度，对铸件整体性和微观结构特征有明显的影响。采用较薄的涂层可以产生更多的毛孔有利于气体的逸出进而提高充型，获得精细的微观组织，提高铸件质量，减小缩孔率，使得共晶硅间距更加精细。
王广太等人[16]，以滑石粉和硅藻土为耐火骨料，选钠基膨润土和CMC为复合悬浮剂，硅溶胶和PAM为复合粘结剂。通过对不同配比下涂料性能的研究以及实际生产的验证，最终确定：当耐火骨料中的滑石粉和硅藻土的比为7：3，而钠基膨润土、PAM、CMC、硅溶胶质量分数占耐火骨料的6%、0.5%、3%和9%时，涂料具有良好的综合性能。用其生产出的铸件表面质量好、无粘砂和浇不足现象，并且在取件时涂料呈片状脱落，易于清理。
1.3 成型工艺的研究现状
消失模铸造铸件成型过程实际上就是在负压条件下金属液将砂型中的模样置换并振动凝固的过程。而在这一过程中负压度大小、浇注温度、振动参数以及型砂性能等因素都会对最终铸件的质量产生影响。吸引了许多科研人员对成型工艺进行研究。
李增民等人[17]，在研究铝合金消失模铸造金属液充型时机械振动操作对铸件力学性能的影响时，发现：在机械振动的作用下，在一定程度上不仅可以细化晶粒、还可以提高抗拉强度和提升充型能力。当振幅一定时，随振动频率的增大铸件的力学性能增加，晶粒得到细化，最终到达最优值。冯清梅等人[18]，研究了振动方向、振幅大小以及振动频率对Al Si9M g组织及性能的影响。结果表明：在合金凝固时施加振动可以细化金相组织及改善力学性能。当施加一维垂直振动，其振幅为0.11 mm、振动频率为36 H z时，比普通铸造的抗拉强度、布氏硬度、伸长率都有所提高。段利君[19]在研究振动方式对Z L101消失模铸件组织和力学性能的影响时，发现：机械振动后合金组织细化；垂直振动时，晶粒尺寸最小，气孔率低，抗拉强度大；Z L101垂直振动后，不同厚度处的组织也存在较大差别，厚度越大，振动细化越显著。
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