第二章 液态金属精密成形技术与悝论

2.1 液态金属成形的范畴及概述 2.2 消失模精密铸造技术 2.5 半固态铸造成形原理与技术 2.6 压力铸造技术 2.7 反重力铸造技术 2.8 熔模精密铸造

2.1 液态金属成形嘚范畴及概述

? 砂型铸造 ? 特种铸造 ? 消失模铸造浇注温度

? 金属液态成形即铸造成形即熔炼金属，制造铸 型并将熔融金属浇入铸型，凝固后獲得具有一 定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成型方法

以石英砂为原砂，以黏结剂作为黏结材料将原 砂粘成铸型根据所用黏结剂的鈈同，砂型又可 分为黏土砂型、树脂砂型、水玻璃砂型三大类 钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造 方法获得。由于砂型铸造所鼡的造型材料价廉易 得铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生 产和大量生产均能适应长期以来，一直是铸造 生产中的基本工艺
包括精密熔模铸造、压力铸造、金属型铸造、 离心铸造、反重力铸造（低压铸造、差压铸造） 等。 特种铸造大多数采用金属铸型铸型精喥高、 表面粗糙度低、透气性差、冷却速度快。特种铸 造的零件尺寸精度高表面粗糙度更低，但制造 成本也更高
介于砂型铸造与特种鑄造之 间的铸造方法，采用无黏结剂的 砂粒作为填充又采用金属模具 发泡成形泡沫塑料模样，浇注及 生产过程与砂型铸造过程相似 其鑄件的精度和表面质量又与特 种铸造相似。 常见的铸造工艺方法原理及 特点见表2-1.

2.2 消失模铸造浇注温度技术

? ? ? ? ? ? ? ? 消失模铸造浇注温度的工艺过程忣特点 消失模铸造浇注温度成形理论基础 消失模铸造浇注温度的充型特征及界面作用 消失模铸造浇注温度的关键技术 散砂的振动紧实原理 消失模铸造浇注温度的工艺参数及其铸件的缺陷防治 典型消失模铸造浇注温度车间布置举例 铝镁合金消失模铸造浇注温度新技术
? 消失模铸慥浇注温度最先由美国人H. F.Shroyer于1956年 首先试验成功成功浇注了艺术品青铜飞马(150 kg)和球磨铸铁钟架(3. 6 t)， 1958年4月15日以专 利(美国专利号: 830343)形式公布于众1961年 在媄国的底特律举行的“国际铸造学术会”上介 绍了这项新工艺，引起了铸造工作者的极大兴趣
? 1982年福特汽车公司在Essex工厂建成的一套年产2. 5万 呮铝合金进气管的消失模铸造浇注温度中间试验装置获得成功，紧 接着于1984年耗资1 100万美元建立了年产100万只铝合 金进气管的高度自动化生产线揭开了消失模铸造浇注温度技术在 先进工业国家飞速发展的序幕。 ? 1991年意大利菲亚特公司在都灵建成当时欧洲规模最大 的消失模铸造浇紸温度车间为4 400 m2，年产铸铁件5 000 t~15 000 t 60~120(型/h)，自动化程度非常高全车间仅22 人。

kg产品设计中集成了通气 系统、曲轴箱、油/空气分离器、复杂的水套系统和弯曲 的回油管路全部铸出，大大减少了钻孔加工和螺栓装配 提高了燃油效率，减少了噪音震动和污染降低了成本。

? 我国科学院咣电所在国内首先进行了消失模铸造浇注温度 研究于1977年成功浇注了一批铸件。
? 近年我国消失模铸造浇注温度生产发展迅速， 2003年我 国消夨模铸件生产总产量约120 000余t约是 1991年的350倍. ? 但总体上看，我国消失模铸造浇注温度规模小产量低， 机械化、自动化程度等方面与先进工业国镓还有 较大的差距

? 一、消失模铸造浇注温度的工艺过程及特点

消失模铸造浇注温度（expendable pattern casting，EPC；lost foam casting LFC）――用泡沫塑料高分子材料制作成 为与要苼产铸造的零件结构、尺寸完全一样的实型模具， 经过浸涂耐火涂料（起强化、光洁、透气作用）并烘干后 埋在干石英砂中经三维振动慥型，浇铸造型砂箱在负压状 态下浇入熔化的金属液使高分子材料模型受热气化抽出， 进而被液体金属取代冷却凝固后形成的一次性成型铸造新 工艺又称汽化模铸造，或者实型铸造

? 泡沫样材料：EPS （聚苯乙烯）、 EPMMA（聚甲基丙烯 酸甲酯）、STMMA （共聚物，EPS与 MMA的共聚物）等 ? 常鼡EPS，用于铸造 有色金属、灰铁及一 般钢铁 ? 泡沫样的获得方法： 模具发泡成形、泡沫 板材的加工成形。

? 消失模铸造浇注温度过程：制造模樣、模样组合、涂料及 其干燥、填砂及紧实、浇注、取出铸件等工序

? 与砂型铸造相比，消失模铸造浇注温度方法的特点如下：

? 铸件尺寸精度高表面粗糙度低。 ? 增大了铸件结构设计的自由度

? 简化了铸件生产工序，提高了生产效率易实现清洁生产。

? 减少了材料消耗降低了铸件成本。 因此消失模铸造浇注温度是一种近无余量的液态金属精确成 形技术，被认为是“21世纪的新型铸造技术”被广泛应 用与鑄铁、铸钢、铸铝等工业生产。

? 二、 消失模铸造浇注温度成形理论基础

? 消失模铸造浇注温度典型特点：泡沫模样留在铸型内泡沫 模样在金属液作用下发生软化，熔融、汽化产生 “液相-气相-固相”的物理化学变化。 ? 如：EPS模型一般80℃左右软化420~480℃时分

解。热分解温度不同彡者含量不同。

? 金属液流动前沿存在复杂的物理化学反应及传热现象： ? 在液态金属的前沿气隙中，存在着高温液态金属与涂料层、 干砂、未汽化的泡沫模样之间的传导、对流和辐射等热量 传递； ? 消失模铸造浇注温度的热解产物（液态或气态）与金属液、涂料、 干砂间存在著物理化学反应发生质量传递； ? 由于气隙中气压升高以及模样热解吸热反应使金属液流动 前沿温度不断降低，对金属液的流动产生动量傳递

? 由于消失模铸造浇注温度过程中金属液与泡沫模样汽化产物产生相 互作用，因此不能采用砂型铸造过程原理解释消失模铸 造过程，消失模铸造浇注温度缺陷也与普通砂型铸造缺陷不同 （1）消失模铸造浇注温度充型时气体间隙压力 消失模铸造浇注温度正常充型时，洳忽略金属液的流动阻力 则液态金属与泡沫模样间的气隙压力近似等于液态金属在 该处的静压。 （2）消失模的浇注温度 消失模铸造浇注溫度需汽化泡沫模样后充型因此，需更高的 浇注温度通常情况，消失模的浇注温度比砂型铸造浇注 温度高30～50℃

（3）消失模铸造浇注溫度的合理浇注速度 生产出合格铸件需保证汽化模汽化后产物顺利排出型 腔。合理的充型速度推导公式为式（2-19） 合理浇注速度随静压头、真空度、气隙厚度、气隙周 边长度、透气性的增加而增加，随着涂层厚度、模样密度、 液态金属的浇注温度的增加而减小

（4）铸型坍塌缺陷形成机理

模样四周散砂的紧实力不高或者紧实力不均匀时，消 失模铸造中的铸型易产生坍塌缺陷坍塌与真空度、砂型 深度、金属液高度等因素有关。

? 三、消失模铸造浇注温度的充型特征及界面作用

1、充型过程及裂解产物 消失模铸造浇注温度通常采用散砂紧实其工藝过程为：加入 一层底砂后，将覆有涂料的泡沫模样放入砂箱内边加砂 边振动紧实直至砂箱的顶部；然后用塑料薄膜覆盖砂箱上 口，以確保铸型呈密封状态；再将浇口杯放置在直浇口上 方使铸型呈密封状态。为防止浇注时溅出的金属液烫坏 塑料薄膜而使铸型内的真空度丅降通常在密封薄膜的上 面撒上一层干砂。浇注时开启真空泵抽真空，使铸型紧 实

? 金属液与泡沫塑料模样间存 在气相、液相，离液態金属 越近、温度越高、气体分子 质量越小 ? 且浇注温度不同，金属液流 动前沿气隙中热解气体成分 有较大不同（表2-2） ? 浇注温度高，发氣量大反 之亦然。

? 浇注温度低金属液流动前沿主要是液态的EPS。 浇注温度高金属液流动前沿主要是高温气体产 物。 ? 浇注温度高小分孓气体产物越多、发气量越大， 液态产物越低

? 高温气体产物能否顺利通过涂层是控制金属液充 型流动的主要因素。研究表明随着负压喥和涂 料层透气性的增加，有利于热解产物更快排出 因此发气量减少。

? 2、 热解产物对铸件质量的影响

① 对铸钢件的影响 铸钢件浇注温度較高（1550℃以上）热解产物汽化 和裂解充分，产生大量碳粉形成与钢液成分的浓度梯度， 高温下碳原子和金属晶格都很活泼碳粉将向鑄件表面渗 透，使表面增碳 钢水的原始含碳量越低，增碳量越严重 铸件的增碳造成其塑性较低；硬度增高，造成加工困 难；且由于增碳的不均匀性使得铸件力学性能波动较大。

② 对铸铁件的影响 铸铁件浇注温度较高（1350℃以上）热解产物汽化 和裂解充分，产生大量碳粉但铸铁本身含碳量较高，因 此铸铁件不表现为增碳缺陷；但易形成波纹状的皱皮缺陷 除形成皱皮缺陷外，热解产物还易于在铸件中形成黑 色的碳夹杂缺陷 ③ 对铸铝件的影响 铸铝件浇注温度较低（750℃左右），金属液流动前 沿接触的热解产物温度约500 ℃正好是EPS汽化分解區， 所以浇注铝件时不产生黑烟雾而是白色雾状气体，不形 成铸铁铸钢件的增碳、皱皮缺陷由于分解产物的还原气 氛，使铝件表面失詓原有的银白色光泽且易形成冷隔、 皮下气孔等缺陷。

? 3、 消失模铸造浇注温度的充型及凝固特点 ? ① 充型特征 先填满底

层然后 液面逐渐 仩升

呈放射弧形逐 层向前推进， 最后充满离内 浇道最远处

? ②影响充型的主要因素 ? 模样材料：低密度的泡沫模样发气量小充型速度快。 ? 涂料：透气性越好充型速度快。 ? 金属液静压头：充型速度随金属液静压头的增大而提高 ? 浇注温度：浇注温度越高、充型速度加快，消失模铸造浇注温度的 浇注温度比普通砂型铸造的浇注温度高30～50℃

? 负压度：金属液在空型中的充型速度比消失模铸型大3倍， 而采用负压可以顯著提高消失模铸型金属液的充型速度 但必须注意，过低的负压度会造成附壁效应引起气孔、 表面碳缺陷及粘砂缺陷。

? 4、凝固及组织特点

? 铸件缩孔倾向小 ? 铸件形成应力和热裂倾向小。 ? 与金属型相比负压消失模铸件组织稍粗。

? 5、消除消失模铸造浇注温度组织不利因素措施

? 采用急冷造型材料加快铸件冷却速度； ? 通过调整铸件化学成分和优化变质处理可以抵消冷却凝固 速度慢带来的不利影响。

? 四、 消失模铸造浇注温度的关键技术

根据工艺特点消失模铸造浇注温度可分为三部分： ? 白区：泡沫塑料模样的成形加工及组装； ? 黑区：造型、浇紸、清理及型砂处理部分； ? 黄区：涂料的制备及模样上涂料、烘干。 消失模关键技术包括： ? 制造泡沫模样材料及模具技术 ? 涂料技术 ? 多维振動紧实技术

1.消失模铸造浇注温度的白区技术

泡沫塑料模样制造方 法： ? 采用商品泡沫塑料板料 切削加工、粘结成形为 铸件模样 ? 商品泡沫塑料珠粒预发 后经模具发泡成形为铸 件模样

? 复杂模样需要分片成形，再组装成整体模样

? 泡沫塑料模样的材料种类及性能（密度、强度、 发氣量）对消失模铸件的质量具有重大影响。 ? 理想的泡沫塑料模样材料应具有如下性能：

? ? ? ? 成形性好、密度小、刚性高、具有一定的强度； 较恏的机械加工性能加工时不易脱珠粒、加工表面光洁； 汽化温度较低，受热作用分解汽化速度快； 被液态金属热作用生成的残留物少、發气量小且对人体 无害等。

铸件易产生冷 隔、皱皮和增 碳等缺陷

目前较好的泡沫 塑料模样材料

易产生模样变 形和浇注时金 属液返喷现象

? 模料的发泡成型控制是消失模铸造浇注温度的关键工艺之一。 ? 为确保模样尺寸和形状的稳定制成的模样应孔径均匀、 结构致密、加工性能好。因而应根据铸件的特点及要求 控制模样的密度及发泡程度。 ? 加快高精度、高效制模机和粘合机等专用的新型设备的研 制开发工莋并实现国产化和系列化。加强成型模具的设 计制造及成型工艺的研究工作采用快速制造技术和并行 环境下计算机模拟仿真，缩短模具的生产时间实现铸件 的快捷生产。

? 2. 消失模铸造浇注温度的涂料技术

消失模铸造浇注温度工艺过程中涂料具有重要的控制 作用：
? 涂层將金属液与干砂隔离，可防止冲砂、粘砂等缺陷
? 涂层可以提高模样的刚度、强度，使模样能经受住填砂、 紧实、抽真空等过程中力的作鼡避免模样变形，防止铸 型塌陷 ? 浇注充型时，涂层将模样的热解气体快速导出可防止浇 不足、气孔、夹渣、增碳等缺陷。

为获得高質量的消失模铸件涂料应具备的性 能：

① 涂料应具有足够高的强度。常温下能经受住搬运、紧实时 的作用力使涂层不会脱落高温下能經受住金属液的冲刷 作用力。涂料中对强度影响最大的是粘结剂中的有机粘结 剂 ② 涂料应该具备优良的透气性。模样在浇注过程中产生嘚热 解产物要及时地通过涂层排出对透气性影响最大的是耐 火材料的颗粒大小及粘结剂的加入量，应根据铸件的材质 和其结构特点综匼考虑强度和透气性。

③ 涂料须对模样润湿性好有良好的涂挂性，能精确地复 制出复杂模样的表面和尺寸涂挂时能得到完整均匀和 足夠厚度的涂层，涂料应有良好的滴淌性 ④ 涂料的发气量要小。涂料层经过烘干后在浇注过程中 与金属液产生作用时发气量要小。

⑤ 低溫干燥速度快低温烘干时，干燥速度快不产生龟 裂、结壳等现象。 涂料的研究开发应针对不同的铸件材质、模样材料 实现多品种、系列化。

? 消失模铸造浇注温度涂料主要由耐火材料、分散介质、黏 结剂、悬浮剂及改善某些特殊性能的附加物组成 ? 根据分散介质（溶剂）的不同，可分为水基涂料 和有机溶剂快干涂料

3. 消失模铸造浇注温度的黑区技术 主要包括加砂、造型、浇注、清理及型砂处理等部分。 1）消失模铸造浇注温度用砂

通常采用无黏结剂的石英散砂来填充、紧实模样砂 粒的平均晶粒度一般为AFS25~45。粒度过细不利于浇 注时塑胶残留物的溢出，而粗砂粒则会造成金属液渗入 导致铸件表面粗糙。

另外砂子粒度分布集中较好，以保证砂型的高透气 性

2）雨淋式加砂 砂粒通过砂箱上方的筛网或多管孔雨淋式加入。该方 式加砂均匀对模样冲击小，是生产中常用的方式 3）型砂的振动紧实 消失模铸造浇紸温度中干砂的加入、填充和紧实是得到优质铸 件的重要工序。 砂子的加入速度必须与砂子的紧实过程匹配消失模 铸造中型砂的紧实一般采用振动紧实方式，紧实不足会导 致浇注时铸型壁塌陷、胀大、粘砂和金属液渗入而过度 紧实振动会使模样变形。 振动紧实应在加砂過程中进行以便使砂子充入模型 束内部空腔，并保证砂子足够紧实而又不发生变形

根据振动维数不同，消失模铸造浇注温度振动紧实囼的振动 模式分为一维振动、二维振动和三维振动三种振动台的 作用是使原砂充满模样内外，并达到一定的紧实度又不能 损坏模型 三維振动的填充和紧实效果最好；二维振动当模样放 置和振动参数选定合理的情况下也能获得满意的紧实效果。 但二维和三维振动台控制比較复杂且成本高。生产中以 一维振动居多常见的紧实台见图2-19。 影响振动紧实效果的主要参数包括振动加速度、振幅 和频率、振动时间等振动加速度一般为1～2g范围内。 激振力相同条件下振幅越小、振动频率越高，填充和紧 实效果越好振动时间一般控制在30～60s。

型砂紧實后的浇注通常在抽真空下进行

抽真空的作用： ? 将砂箱内砂粒间的空气抽走，使密封的砂箱内部处于负压 状态因此砂箱内部与外部产苼一定的差压。在此差压作 用下砂箱内松散流动的干砂粒可变成紧实坚硬的铸型， 具有足够高的抵抗液态金属作用的压缩强度和剪切强喥 ? 可以强化金属液浇注时泡沫塑料模汽化后气体的排出效果， 避免或减少铸件的气孔、夹渣等缺陷

真空度是消失模铸造浇注温度重要嘚工艺参数。通常使用范 围为-0.02～-0.08MPa

通常，砂温的温度不高于40～50℃ 对于规模较大的流水生产的消失模铸造浇注温度车间， 型砂的冷却是消夨模铸造浇注温度正常的关键型砂的冷 却设备是消失模铸造浇注温度车间砂处理系统的主要设备。

冷却设备主要有：振动沸腾冷却设备、振动提 升冷却设备、砂温调节器等

? 五、散砂的振动紧实原理 采用无黏结剂的硅砂来填充模型，采用振动方式实现 紧实 1）原砂振动填充紧实原理 原砂是又许多砂粒组成的松散堆积体，自由状态下砂 粒的联系以接触为主干砂紧实的实质是通过振动作用而 使砂箱内的砂粒產生微运动，砂粒获得冲量后克服四周 遇到的摩擦力，产生相互滑移及重新排列最终引起砂体 的流动变形及紧实。

2）紧实过程：加砂填充阶段、填充紧实阶段及紧实阶段 ① 加砂填充阶段：此阶段振动台还未开始振动，砂粒自由 落至水平孔口后由于水平侧压应力的作鼡，在进砂口 处以自然堆积角向水平孔内填充至一定长度 ② 填充紧实阶段：此阶段振动台开始振动，由于振动力的 作用砂粒间的间隙減小，原砂在填充期间得到初步紧 实砂粒受到的摩擦力加大。 ③ 紧实阶段：此阶段砂粒受到阻力较大砂粒间的间隙进 一步减小，砂粒嘚到进一步紧实

通常，加大振动加速度和振动频率可增加水平孔内原 砂的紧实度

消失模的振动紧实应采用高频振动电机进行 三维微振緊实（振幅0.5～1.5mm，振动时间3～ 4min）才能完成砂粒的填充和紧实过程。 三维紧实原理：三个方向上单维振动的不同叠 加

4）原砂振动填充紧实嘚影响因素

紧实率――振动前后砂粒的体积比来表征砂粒的相对 紧实率。 影响因素如下： ① 振动维数：研究表明垂直方向的振动是提高幹砂紧实 率的主要因素。
② 振动时间：振动初始40s内紧实度变化很快40～60s变 化很小，60s以后基本不变

③ 原砂种类：多角形砂的紧实率振动紧實后变化较大。

④ 振动加速度：研究表明加速度在1.44～2.62g之间，获 得的平均紧实率较高

⑤ 振动频率：振动电机的振动频率对于紧实率有一萣的影 响。当振动频率大于50Hz后紧实率的变化不太大。

控制两台电动机的转向可以实现振动台不同 的振动紧实模型，因此在实际生产中應用广泛

? 6）对振动紧实台的性能要求

振动台的作用是使原砂充满模样内外，并达到 一定的紧实度又不能损坏模型振击力过大，可 能对泡沫模样冲击较大模样变形甚至断裂；而 过小可能使浇注时产生渗漏、夹砂等缺陷问题。

振动紧实台设备应满足以下要求： ① 高效振动填充和紧实型砂，但不损害泡沫模样通常 采用高频率、低振幅的振动。 ② 振动台具有不同的振动模式结构复杂的零件可以考虑 二维戓者三维振动。 ③ 振动台具有足够的弹性支承能力 ④ 振动台的振动电机要有足够的振动力，以达到所要求的 振动幅度和振动加速度 ⑤ 匼适的振动台面尺寸。振动台面上要有砂箱的定位、加 紧装置 ⑥ 振动台要有足够的强度、刚度和抗振动疲劳能力。 ⑦ 振动台工作平稳、噪声小

? 7）振动紧实效果的检验

检验紧实效果的方法通常有紧实率法、 应力法、拔出抗力法、通气能力法。

? 六、消失模铸造浇注温度的工藝参数及其铸件的缺陷防治

1、浇注系统特征及其工艺参数
? 常采用封闭式浇注系统 浇注系统各单元截面积比例一般为： 黑色金属：F直：F横：F內=（1.6～2.2）：（1.2～ 1.25）：1 有色金属：F直：F横：F内=（1.8～2.7）：（1.2～ 1.30）：1 浇注系统最小截面积通常由经验确定 ? 常采用底注式浇注系统 底注式浇注系統的金属液流动充型平稳、不易氧化、 也无激溅、有利于排气浮渣等，符合消失模的工业特点
由于浇注系统尺寸通常比砂型铸造浇注系統尺寸大， 因此金属液与汽化模之间的气隙太大充型浇注速度太慢， 可能造成塌箱
消失模铸造浇注温度的浇注温度比砂型铸造浇注温喥高30～ 50℃。 一般铸钢1600 ±40 ℃，铸铁件1400 ±40 ℃铸铝 750 ±40 ℃。

2. 消失模常见缺陷及其防治措施

① ? ? 增碳 铸件的表面乃至整个截面的含碳量明显高于钢液的原始含碳量造成 铸件加工性能恶化而报废的现象。 产生原因：泡沫模样受热汽化产生大量的液相聚苯乙烯、气相苯乙烯、 苯及小分孓气体等沉积于涂层界面的固相碳和液相产物是铸件在浇 注和凝固过程中引起铸件增碳的主要原因。 防治措施： 采用增碳程度较轻的泡沫模样材料（用PMMA代替EPS)； 降低模样的密度； 提高浇注温度缩短浇注时间，使铁水有充分热量将模样汽化； 合理控制负压度负压缺氧，模樣不易燃烧发气量降低，且气体残 留能及时通过干砂型抽出；
皱皮是金属中夹进的氧化膜对铸铁件来说，皱皮是常见缺陷游 离的碳鈈易渗入铸件表层，而是沉积在铸件和铸型表面这些高温 碳局部堆积过多，引起铸件表面粗糙形成皱皮。 产生原因：液流的冷端部位残留液相由于表面张力收缩形成皱皮； 金属液与铸型间的残留固相碳形成皱皮。
根据铸件材质、种类、大小形状及型砂特点选择适宜嘚模样； 提高浇注温度和浇注速度；
选择适宜的浇注系统； 提高铸型透气性。
气孔和夹渣存在于铸件上部或死角处的表皮下只有经过机械加工 后才能看到。该缺陷出现在非重要加工面时可进行补焊若出现在 重要加工面，铸件报废 产生原因：①模样气化后生成大量气体囷一定残渣，这是气孔和夹 杂的主要来源；②浇注系统或内浇道结构不合理容易使气体和残 渣裹在铁水中，形成气孔和夹渣；③浇注温喥低不能使气体和残 渣充分排出也易产生气体和夹渣。

? 防治措施： ①采用底注式浇注系统使铁水的充型方向与气化气体和残 渣的上升方向一致，减少铁水裹挟气体和残渣的机会; ②提高浇注温度浇注后期适当放慢浇注速度，使气体和残 渣有充足时间排出砂箱或上升到铸件顶部; ③合理填砂造型控制模样浇注时的发气量，提高涂层透气 性提高真空系统抽气能力，使气体及时排出; ④在铸件的最高处或死角處设置集渣冒口; ⑤制作模样时加大模型顶部的加工余量，用金属切削的方 法消除气孔和夹渣

粘砂 产生原因：①浇注温度过高，实践证奣适当的提高浇注 温度有利于改善铸件表面质量对于浇不足和表面皱皮 也大有改善，但浇注温度太高就会出现粘砂；②型砂充 填紧实度鈈够比如振实设备不理想、涂料透气性太高 或涂层太薄等。 防治措施： ①合理控制真空度和浇注温度在保证浇注顺利进行的 前提下，盡量降低真空度和浇注温度以抑制高温金属 液的穿透能力; ②应该分批加砂，改善振实设备适当增加涂层厚度， 提高涂层耐火度等

塌箱 塌箱是指浇注过程中铸型塌陷，金属液不能从直浇道进入型腔无法浇 注。 产生原因：主要是由于浇注时砂箱内真空度急剧下降而使干砂流动的可 能性增加同时，热解产物的形成使局部砂型中气压升高升高到超过 气隙中的压力时，干砂就会向气隙中流动而造成铸型塌箱 防治措施 ①合理掌握浇注速度，保证浇口杯始终被金属液充满浇注中不断流； ②提高砂箱内初始真空度或采用大抽气量真空泵； ③矽砂摩擦因数大，密度小采用硅砂作型砂有利于提高剪切强度； ④浇注大件时，应采取底注式浇注系统抑制模样发气量，同时使气化 哃时进行从浇注开始就在气隙内建立一定压力。

⑥ 冷隔 ? 铸件最后被填充的地方外表面常常出现类似豆腐渣状的缺陷，称作 夹杂状冷隔 ? 产生原因 EPC分解气化吸热降低金属液温度，金属液温度越低除本身粘度 大外，模样气化也不完全于是气化气体、残渣和金属液裹在一起， 在铸件最后填充的地方形成夹渣状冷隔缺陷 ? 防治措施

①改进浇注系统，采用阶梯浇道提高金属液在高度方向上的充型温 度;增加内澆道数量，提高金属液在横截面上的充型温度;

②采用密度较小的模样; ③在铸件最后被填充的地方设置集渣冒口使最先进入铸型的金属液 排入冒口，既可排渣又可提高该处金属液充型温度

变形 铸件变形是在上涂料、型砂紧实等操作时由于模样变形 所致。 防治措施： 提高泡沫塑料模样的强度 改进铸件的结构及刚度 均匀地上涂料和型砂紧实等

? 七、消失模铸造浇注温度生产线

? 八、铝镁合金消失模铸造浇注温度噺技术 1、铝合金消失模铸造浇注温度技术

（1）铸造主要特征及难点 ? 液态铝合金的荣华温度较低，模样汽化吸收热量造成合金流动前沿 温喥下降，易过度冷却形成冷隔、皮下气孔等缺陷。 ? 铝合金消失模铸造浇注温度的浇注温度一般需800℃以上 ? 较好的浇注温度为750℃。需采用適合铝合金的低温汽化的泡沫模样 材料 ? 浇注过程中模样的汽化产物主要是CO、H2等还原性气体，形成白色 雾状气体不形成增碳或皱皮缺陷，但使铝件失去银白色光泽

? 热解产物对铝件的成分及组织性能影响很小。

（2）铝合金铸造关键技术 ? 铝合金高温熔体处理技术 浇注前需对高温铝合金熔体进行充分精炼及除气且精炼及除气 后的铝液应及时浇注。

? 适合铝合金消失模铸造浇注温度的泡沫模样材料技术

国外开发叻一种低温汽化的泡沫模样材料降低了铝合金消失模 铸造的浇注温度，减少高温铝液的吸气性和氧化性

? 适合铝合金消失模铸造浇注温喥的涂料技术

透气好、强度高、涂层薄而均匀

2、镁合金消失模铸造浇注温度技术

研究表明，镁合金的特点非常适合消失模铸造浇注温度工藝镁合金的消失模铸 造具有如下独特的优点： ? ①镁合金在浇注温度下，泡沫模样的分解产物主要是烃类(烷烃、烯烃等)、苯 类和苯乙烯等氣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; ②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;

③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 好的退让性大大减弱了镁合金铸件凝固收縮时的热裂倾向;

④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。 以上优点使得镁合金消失模铸造浇注温度工艺具有很大的优越性和广阔的应用前景

? 由于液态镁合金的热容量小(同体积熔融镁的热容 量仅为铝的70%)、流动性和充型能仂较差，在重 力下实施镁合金的消失模铸造浇注温度很容易产生浇不 足、冷隔等缺陷。因此镁合金消失模铸造浇注温度时通 常需要很高的浇注温度(大于800℃);而浇注温度过 高，不仅会增加能源消耗还会提高液态镁合金 的氧化、吸气的程度，故过高的浇注温度对铸造 高质量嘚铸件是不利的

? 华中科技大学将反重力的低压铸造与真空消失模 铸造有机地结合起来，应用于镁合金的液态精密 成形开发出了一种新嘚镁合金真空低压消失模 铸造方法及其设备。 ? 该新型铸造方法的显著特点是：金属液在真空和 气压的双重作用下浇注充型液态镁合金的充型 能力较重力消失模铸造浇注温度大为提高，可以容易地克 服镁合金消失模铸造浇注温度中常见的浇不足、冷隔等缺 陷且不需太高的澆注温度，因而是铸造高精度、 薄壁复杂镁合金铸件的一种好的方法

? (1)真空低压消失模铸造浇注温度，具有低压铸造与真空消失模铸造浇紸温度 的综合技术优势使得镁合金消失模铸造浇注温度在可控的气压下 完成充型过程，大大提高了镁合金的铸造充型能力；整个 充型冷卻过程中液态镁合金不与空气接触，且泡沫模样 的热解产物对镁合金铸件成形时的自然保护作用消除了 液态镁合金浇注充形时的氧化燃烧现象，可铸造出光整、 优质、结构复杂的镁合金铸件因此，镁合金反重力真空 消失模铸造浇注温度新工艺是一种非常适合镁合金液态成形特点 的新的精密铸造工艺。

? (2)与压铸工艺相比它具有设备投资小、铸件成本低、铸 件内在质量好(铸件可进行热处理强化)等优点;而與砂型铸 造相比，它又有铸件的精度高、表面粗糙度低、生产率高 的优势同时可较好解决液态镁合金成形时易氧化燃烧的 问题。 ? (3)采用反偅力的真空低压消失模铸造浇注温度时直浇口即为补缩 短通道，液态镁合金在可控的压力下进行补缩凝固镁合 金铸件的浇注系统小、荿品率高。

2.5 半固态铸造成形原理与技术

? 半固态铸造成型的原理及特点
? 半固态铸造关键技术 ? 半固态金属成形新技术
? 半固态成形是针对固、液態共存的半熔化或半凝 固金属进行成形加工的工艺方法的总称
? 目前，半固态成形方法大致可分为半固态轧制、 半固态挤压、半固态锻造、半固态压铸（包括流 变铸造和触变铸造）等几种主要工艺类型

半固态锻造是将加热到半固态的坯料，在锻模中进行 以压缩变形为主的模锻以获得所需形状、性能制品的加工 方法半固态锻造可以成形变形抗力较大的高固相率的半 固态材料，并达到一般锻造难以达到的复雜形状而且， 可以用于制造用普通锻造难以成形的许多超合金有可能 用半固态锻造技术制造出特殊材料的耐热零件。

到现在为止利鼡半固态锻造已经进行了各种铝合金、 铜合金、铸铁、高碳钢、甚至高速钢等材料的锻造加工试 验，进行了联轴节、齿轮等机械零件制造嘚研究

半固态挤压的加工工步和热挤压加工的情况 基本相同，即用加热炉将坯料加热到半固态然 后放入挤压模腔，用凸模施加压力通过凹模口 挤出所需制品。半固态的坯料在挤压模腔内处于 密闭状态流动变形的自由度低，内部的固相成 分、液相成分不易单独流动除挤压开始时若干 液相成分有先行流出的倾向外，在进入正常挤压 状态后两者一起从模口挤出，在长度方向上得 到稳定均一的制品

半凅态挤压和其它半固态成形方法相比，研究 得最多的是各种铝合金和铜合金的棒、线、管、 型材等制品制品的内部组织及机械性能容易淛 造均一，也容易操作今后应用的前景十分广阔， 是难加工材料、粒子强化金属基复合材料、纤维 强化金属基复合材料成形加工的不可缺少的技术
具有球状晶的金属合金材料加热到处于半固 态时，仅有保持其固体形状不被破坏的强度变 形抗力很低，这种性质对轧制成形有利现在开 发的一种半固态轧制工艺是在轧机的入口处设置 加热炉，将被轧制材料加热到所要求的半固态后 送入轧辊间轧制的方法。 对象主要是板材的轧制成形
? 4. 半固态压铸 半固态压铸主要有两种工艺，分别被称为流变铸造和 触变铸造普通压铸工艺有一个缺点是液態金属射出时空 气卷进制品中形成气泡，在半固态压铸时通过控制半固 态金属的粘度和固相率，进行调整可以抑制气泡的产生， 因此適合于加工易产生气泡、普通压铸工艺难以成形的制 品 并可以经热处理提高性能，从而有可能应用到重要 零件上并可以制造锻造难以形成的复杂形状的制品。

半固态成形与其它成形方法的关系

一般说来在液相线以上的金属成形方法为铸造类成 形，固相线以下的成形方法为锻造类成形按成形温度排 序，其各种成形方法排列方式见下图 ? 其中，液态模锻也是一种模锻和铸造结合的加工方法它 借用了模鍛的模具结构和成形设备与工艺，成形过程中金 属也有一定程度的塑性变形制品的组织结构和力学性能 也比普通铸件要高，但它还是一種液态金属的成形过程 ? 超塑性锻造在成形温度接近开始熔化的温度(0.9Ts)进行， 并在变形过程中一直保持高温度状态但其变形温度始终 在固楿线以下，完全属于固态领域的成形
? 可以说，在半固态成形技术出现之前成形温度 范围或者在液相线上，或者在固相线以下还没 有樾过液相线或固相线在固、液相共存区对金属 合金进行加工的成形方法。
? 从温度范围上来看半固态成形可以说填补了固 相线和液相线之間没有成形加工方法的空白。
? 半固态成形方法和其它成形方法的关系见下图
? 可以看出，半固态成形也是在借鉴别的相关成形 方法的基础仩发展形成的象流变铸造和触变铸 造就借用了压铸的工艺方法和模具结构，半固态 锻造的工艺和模具与普通热模锻相近半固态挤 压和半固态轧制则是在金属压力加工中的热轧和 热挤工艺上产生的。
? 半固态成形的技术优点：
? 1)材料在半固态变形抗力显著降低可以以较小的仂加工 较大型零件，加工机械设备可以小型化简单化，因此可 以减少设备投资节约能源； ? 2)材料在半固态流动性，变形性好即使很复雜的零件也 可以用很少的工步成形，这一点和普通锻造相比是一个显 著的优势并且，半固态成形可以更方便地制造出接近最 终形状(Near Net Shape)的制品缩短了加工周期，提高 了材料利用率有利于节能节材；

综合了凝固 加工和塑性 加工的长处

? 3)半固态金属合金的温度较液态金属低，成形模具工作温 度低于普通压铸对模具及设备热冲击小，有利于改善模 具工作条件提高模具寿命，从而降低生产成本； ? 4)半固态成形制品結构微细析出物均一分散，没有普通 铸件中存在的粗大枝晶可改善材料的力学性能，防止内 部缺陷制品整体性能提高； ? 5)利用半固态漿体的高粘性，容易均一地掺入非金属材料 和比重差大的金属制造新的复合材料和新成分的合金， 为新材料的研制提供了一条新路

21世紀最有前途的材料成形加工方法

? 一、半固态铸造成型的原理及特点

20世纪70年代美国麻省理工学院的M. C. Flemings在 一篇论文中报道，金属材料在凝固过程Φ加强烈的搅拌 可以打碎金属凝固形成的枝晶网络结构，形成近球状的组 织得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相 组分嘚固－液（固相组分一般为50％）混合浆料，此时半 固态金属具有优良的流变性和触变性易于用常规加工技 术如压铸、挤压、模锻等实现荿形。采用这种既非液态又 非完全固态的金属浆料加工成形的方法称为金属的半固 态成形技术。

? 根据工艺流程的不同半固态压铸成形鈳分为流变铸造和 触变铸造。 ? 流变铸造(Rheocasting)是将液相到固相冷却过程中的金属 液进行强烈搅动在一定的固相分数下将半固态金属浆料 压铸或擠出成形，又称“一步法” ? 触变铸造(Thixocasting)是将经搅拌凝固的具有球状晶的 材料凝固后， 制得具有半固态组织的锭坯然后切成所 需长度，再加热到半固态状然后再压铸或挤压成形，又 称“二步法”

工艺简单、 能耗更低。 但半固态浆 料的获取、 保持及输送 困难

目前应用主 要為触变铸 造 成本高，二 次加热能耗 大工艺过

瑞士 B?HLER 公司推出的触变压铸设备

? 对于金属材料，半固态是其从液态向固态转变或 从固态向液態转变的中间状态尤其对于结晶温 度区间宽的合金，半固态阶段较长 ? 金属材料在液态、固态、半固态三个阶段均表现 出不同的物理特性，利用这些特征发展形成了 液态的铸造、半固态的流变成形和触变成形，固 态的塑性成形等多种金属热加工成形方法

? 半固态金属的內部特征

固液共存， 晶粒边界存 在金属液态

半固态金属的金属学和力学特点：

① 固液共存因此两者界面融化、凝固不断发生，产生活 跃嘚扩散现象因此，溶质元素的局部浓度不断变化；

② 由于晶间或固相粒子间夹有液相成分固相粒子间几乎 没有结合力，宏观流动变形忼力低；

③ 随着固相分数的降低呈现黏性流体特性，在微小外力 作用下即可很容易变形流动； ④ 当固相分数在极限值（约75%）以下时浆料可以进行 搅拌，并很容易混入异种材料的粉末、纤维等实现难 加工材料的成形；

⑤ 由于固相粒子间几乎没有结合力，在特定部位虽容噫分 离但因液相成分的存在，又可很容易地将分离部位连 接形成一体特别是液相成分很活跃，不仅半固态金属 间的结合而且与一般凅态金属材料也容易形成很好结 合； ⑥ 当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动情况 通常，存在液相成分现行流动的倾向性和鈳能性 ⑦ 上述现象主要是在中间固相分数范围或低加工速度情况 下显著，在固相分数很高或者很低或加工速度特别高的 情况下很难发生

? 流变成形生产的半固态金属零件，具有非枝晶、 近似球形的显微组织结构

主要原因：在强烈搅拌下凝固结晶，造成枝晶之间互相 磨损、剪切、液体对晶粒的剧烈冲刷这样，枝晶壁被 打断形成了更多细小晶粒，其自身结构逐渐向蔷薇形 演化随着温度的降低，最终这種蔷薇形结构演化成更 简单的球形结构

球形结构的 形成依赖于 足够的冷却 速度和足够 高的剪切速

几种铸造方法铸件性能比较

传统成形件與半固态成形件重量对比

? 二、半固态金属铸造关键技术

? 流变成形关键技术：主要包括半固态浆料制备、 流变铸造成形。 ? 触变成形关键技术：半固态坯料制备、二次加热、 触变成形

机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。 Flemings等人采用一套由同心带齿内外筒组成的 搅拌装置（外筒旋转内筒静止），制备Sn-Pb 合金半固态浆液；H. Lehuy等人用搅拌法制备了 Pb-Cu合金、Al-Si合金和Zn-Al合金半固态浆液 目前研究的热点是改进搅拌器以改善浆液的搅拌 效果。如采用螺旋式搅拌器制备半固态浆液强 化了筒内金属液的整体流动强度，并使金属液产 生向下压力促进浇注进而提高坯料的力学性能。

②磁搅拌法（MHD-Magneto Hydro Dynamic） 磁搅拌法是利用旋转磁场在金属液中产生感应电流 金属液在洛伦磁力的作用下产生运动，从而达箌搅拌金属 液的目的显然产生旋转磁场的流变装置是关键技术。 ③应变诱发熔化激活法（SIMA法） 该法是将常规铸锭经过挤压、滚压等预变形工艺制成 具有强裂拉长形变结构显微组织棒料然后加热到固液两 相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的粒状颗粒 随后快速冷获得非枝晶组织坯料。

④浇注温度控制法 东南大学和日本的Arest研究所以及东北大学发现通 过控制合金的浇注温度，初生枝晶可转变为球狀组织该 方法的特点是不需要加入任何合金元素也不需要搅拌。 ⑤超声波处理法 在液态合金中加细化剂并进行超声波处理后获得半 固態铸锭的方法，超声细化的机理认为一是超声波的气 蚀作用促形核，二是枝晶的枝杆破碎后成为新晶粒的形核 核心

⑥剪切-冷却-滚动法，SCR（Shearing-Cooling-Rolling） 制备装置由一旋转的剪切/冷却滚筒固定在支撑架 上的弯曲模块和一个出料导板组成。滚筒和导板的间隙可 调温度亦可调。该工藝方法适用于大批量生产 ⑦化学晶粒细化法 用化学晶粒细化法与特殊的凝固条件结合，制备了 半固态镁合金AZ91细晶粒铸锭此种合金对钢等高熔点 合金细化作用不很明显。 ? 在今天最有工业应用价值的工艺是电磁搅拌和SIMA工 艺。SIMA工艺用于生产尺寸在几厘米以下的材料 MHD 则可生產更大尺寸的材料。

? 三、半固态金属成形新技术

可分为两种方式： ? 1） 直接把熔化的金属液而不是处理后的半固态浆液冷却 至适宜的温度並辅以一定的工艺条件压射进入型腔后成 形；――流变注射成形 ? 2） 将小块状枝晶合金送入螺旋推进系统，合金被加热推 进、压射进入模具型腔后成形――触变注射成形

? 美国康奈尔大学的K. K. Wang教授等人研制出镁合金注射 成形装置，将半固态浆料从特制的料管加入经适当冷却、 剪切后压射进入型腔。 ? 美国威斯康辛的触变成形发展中心曾采用加热、推进和 注射进行镁合金的半固态成形。 ? 注射成形设备包括螺旋推進系统和半固态合金加热源

? 目前实际应用较多的为镁合金，不同于触变、流变成形 注射成形是在推进和压射过程中改善合金组织形态。

? 触变注射成形工艺的优点：成形温度低（比镁合 金压铸温度低100度低、成形时不需气体保护、 制件的气孔率低、制件的尺寸精度高 ? 触变紸射成形工艺的缺点：所用原材料为粒料或 者细块料，原材料成本高且由于半固态金属工 作温度高，设备内螺杆及内衬等构件材料的使鼡 寿命短高温下构件材料的耐磨耐蚀性能存在问 题。

? 流变注射成形工艺的原理：依赖液态金属重力从 融化及保温炉中进入搅拌筒体在單螺旋的搅拌 作用下冷却至半固态，积累至一定量的半固态金 属液后由注射装置注射成形。成形时需气体保 护

? 流变注射成形工艺的缺點：设备构造材料的性能 要求高，要求在高温下具有良好的耐磨耐蚀性能 且设备的生产循环也存在问题，且必须垂直安装

? 2. 低温铸造成形

低温连铸就是控制金属液的过热度在0℃左右; 并在铸型下方进行强制冷却的铸造方法。试验表 明随着过热温度的减小，等轴晶区扩大當过 热度接近0℃时，由于可能导致线材连轧时发生破 断的中心偏析及柱状晶组织消失线材质量得到 提高。 因此低温铸造成形工艺具有┅定工业应用 价值。

? 3. 薄带连铸成形

属于流变成形范畴由于采用高速旋转搅拌和快速冷 却相结合方式，成形后的制件组织细小、均匀 Flemings曾鼡Sn-15%Pb进行带材连铸试验研究，研 究表明带材组织形态与轧辊的压力、固相率、流变剪切 速度以及连铸速度有关。 相比其他成形方式成形後的带材制品晶粒大小分布 均匀、细小，而且塑性有较大提高

? 4. 流变复合成形

属于流变成形范畴，它是在合金材料的固液区 施加旋转搅拌并投入非金属微粒或纤维;制造高 均匀性的金属基复合材料制品的成形方法。传统 金属基复合材料制作工艺是采用机械混合、烧结 和熔浸等方法与此相比，流变复合成形成本低; 制件组织均匀且机械性能有一定的提高
? 目前，半固态成形技术在国外已经获得了广泛的工程应鼡 国外从20世纪70年代研究起步，到90年代已实现大规模 工业化生产发展速度非常迅猛。 ? 其主要原因是他们的国家和企业投入都非常巨大，从而 为新技术的研发提供了坚实的基础和强大的推动力 ? 国内的研究起步较晚以及受经费限制目前所掌握的技术在 总体上离工业应用还囿一定的差距，水平还仅处于向工业 生产转化阶段
? 国内与国外的差距主要表现在如下几个方面： ? （1）技术方面，半固态坯料制备技术在洎动化控制、稳 定性与可靠性方面尚不能满足大工业生产的需求；二次加 热设备尚不能完全满足压铸生产高节奏的要求；半固态压 铸及模鍛还有待在工业应用中进一步完善； ? （2）经费投入方面国家与企业的投入都还有限，并且 比较分散不能满足向工业化生产转化所需的資金。

半固态加工技术的应用现状