新型模樣材料推動(dòng)EPC技術(shù)發(fā)展

1、新型模樣材料推動(dòng) EPC 技術(shù)發(fā)展唐鎖云 韓曉紅 陸國(guó)華 唐書明（杭州凱斯特化工有限公司，杭州 311106）（一） EPC 技術(shù)的發(fā)展需要新的模樣材料 什么是消失模鑄造？簡(jiǎn)單說就是采用易汽化的泡沫塑料作模樣進(jìn)行造型生產(chǎn) 鑄件的一種鑄造工藝。因此模樣材料的性能就成為影響鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因 為模樣不僅決定鑄件的形狀、尺寸，而且參與澆注過程中一系列物理化學(xué)變化。 EPS 是消失模鑄造最早采用的模樣材料，雖然它有易成型加工，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。但是EPS模樣材料最大的缺點(diǎn)是在大于 9000c的澆注溫度下熱解產(chǎn)生大量的碳渣 殘存在于模樣消失后的型腔內(nèi)。對(duì)于鋁合金鑄件易出現(xiàn)表面皺皮、重疊缺陷，對(duì) 于鑄鐵件

2、易形成表面亮碳及內(nèi)部夾渣缺陷。特別是球鐵件，由于球鐵中碳量是飽 和的， EPS 分解產(chǎn)生的熱解碳不能被鐵水吸收，容易形成亮碳（片狀碳）夾渣， 這對(duì)于那些要求承受動(dòng)態(tài)（交變）應(yīng)力的鑄件容易引起潛在的破壞的危險(xiǎn)。對(duì)于 鋼鑄件主要是表面增碳、 夾渣等嚴(yán)重影響鑄件的組織和性能的缺陷。 為了克服 EPS 模樣材料的缺點(diǎn)，美國(guó)、日本等國(guó)從 80 年代開始研究新一代模樣材料。作為新一 代模樣材料，人們期望達(dá)到如下要求：（1）樹脂的性能：保存期長(zhǎng)，珠粒直徑小，模樣剛性好，發(fā)氣量低，危險(xiǎn)性小；（2）造型時(shí)的性能：造型周期短，尺寸穩(wěn)定性好；（3）鑄造性能：不形成碳黑缺陷，碳質(zhì)附著少。美國(guó) DOW 化學(xué)公司研制成功

3、可發(fā)性聚甲基丙烯酸甲酯即 EPMMA 珠粒， 美國(guó) GM 公司的中央汽車開發(fā)研究所做了大量試驗(yàn)， 確認(rèn) EPMMA 不僅對(duì)鑄鐵件 特別有用，消除了碳黑缺陷。而且也澆鑄成功低碳鋼、不銹鋼鑄件。對(duì)于這種合 金，來自模樣裂解產(chǎn)生的碳易被熔融的鋼水粘附，用EPS模樣使鋼水的含碳量增 加 0.1%-0.3%（ 甚至更高 ）。而采用 EPMMA 模樣，增碳量低于 0.05%, 于是 EPMMA 模樣給鋼鑄件質(zhì)量帶來了好處。但是 EPMMA 模樣的成型溫度較高，發(fā)氣量也大，在密度較低時(shí)，其剛性 尚不如EPS,而且價(jià)格昂貴等，為模樣制造和澆注工藝帶來一定困難。BASF與三菱合作推出牌號(hào)為“ CLEARPOR

4、”的共聚樹脂?！癈LEARPOR ”共聚樹脂雖然 性能優(yōu)良,但價(jià)格仍然昂貴（是 StMMA 的 3-4 倍）,使一般鑄造廠難以承受。我國(guó)是一個(gè)鑄造大國(guó), 雖然消失模鑄造在我國(guó)起步較早, 但長(zhǎng)期來我國(guó)消失 模技術(shù)和產(chǎn)品與國(guó)外相比差距很大。為了改變我國(guó)模樣材料的研究和生產(chǎn)落后面 貌,推動(dòng)我國(guó)消失模鑄造技術(shù)的發(fā)展和提高消失模鑄件質(zhì)量。我們先后開發(fā)成功 EPMMA 及 STMMA 共聚系列專用模樣材料, 其中“可發(fā)性共聚樹脂及制備方法” 獲中國(guó)及美國(guó)發(fā)明專利,使我們國(guó)家有了自己自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)技術(shù),改變了 模樣材料專用料依靠進(jìn)口的局面。目前 STMMA 樹脂株粒不僅在國(guó)內(nèi)許多消失模 鑄造廠應(yīng)用,取得

5、了良好的效果,而且已經(jīng)出口美國(guó)、印度、伊朗等國(guó)家,并在 歐洲及美國(guó)召開的一些鑄造年會(huì)上展示上了 STMMA 共聚珠粒與模樣,引起了極 大的關(guān)注。STMMA 是專門用于消失模鑄造的模樣材料的可發(fā)性共聚樹脂珠粒,它的鑄 造性能基本與EPMMA相同，但發(fā)氣量較低。且與 EPS相比有如下優(yōu)點(diǎn)：1, 降低了鑄件的碳缺陷； 2,降低了煙碳； 3,提高了鑄件表面光潔度和 成品率； 4,降低了鑄件的綜合生產(chǎn)成本。共聚樹脂的上述優(yōu)點(diǎn)是由材料的性質(zhì)決定的。 STMMA與EPS的綜合性能比 較如表 1 所示。表1 STMMA 與EPS的綜合性能比較項(xiàng)目單位EPSSTMMA組成C8H8n(C5H8O2)x(C8H8)

6、ym碳含量%9269.6Tfr75-8085-95分解熱j/g-912-863初始?xì)饣瘻囟萺275-300268終了氣化溫度r460-500400-450發(fā)氣量（900 r）ml/g600900鑄造性能澆注溫度（灰鐵、箱體類）r1460-15001420-1450模樣分解殘留物多少鑄鋼件表面增碳率%0.1-0.3V 0.1模樣質(zhì)量易形成碳渣缺陷/碳質(zhì)附著多不易形成缺陷/碳附著少模樣收縮率*%0.3-0.50.1-0.2鑄件成品率/（鑄鐵加工件）%低、V 80高、 90*模樣的收縮率與多種因素有關(guān)，主要有:1. 揮發(fā)分含量高，收縮率大；2. 模樣密度高，收縮率??；3. 粒徑小，收縮率大；4. 干

7、燥溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，收縮率大等。EPS模樣收縮率大，尺寸穩(wěn)定性差。StMMA模樣的收縮率小，尺寸穩(wěn) 定性好。因此，設(shè)計(jì)模具時(shí)要特別注意。從兩種模樣材料的性能對(duì)比中可知：（1）EPS的軟化溫度Tf比STMMA低，Tf是設(shè)定珠粒預(yù)發(fā)和成型溫度的主要依據(jù)，EPS的預(yù)發(fā)溫度低，發(fā)泡是在常壓下進(jìn)行；STMMA預(yù)發(fā)溫度一般高于EPS 5-10C,且發(fā)泡筒內(nèi)壓力要控制在 0.03-0.045MPa。（2） 模樣材料在高溫下要裂解成低聚物和低分子化合物，EPS的分解熱高于 STMMA 。其氣化溫度特別是最終氣化溫度要高于 STMMA 40-50C。這是由于EPS比STMMA 難分解，其分解熱比 STMMA 高5

8、0J/g。（3）EPS 主要由含苯環(huán)的鏈節(jié)組成，不僅碳含量高，且苯環(huán)熱穩(wěn)定性好。 在高溫（900C）、缺氧時(shí)，首先生成焦油狀粘稠液體，進(jìn)而裂解成碳 和氫，而 STMMA 組成中主要是丙烯酸酯基鏈節(jié)，在高溫下是拉鏈?zhǔn)?分解，易生成低分子液體和氣體通過涂層和砂箱被抽出，且組成中含 有兩個(gè)氧原子要帶走兩個(gè)碳，進(jìn)一步減少了碳的來源，這就是為什么 采用 STMMA 模樣材料，鑄件不易生成碳缺陷和鋼鑄件表面增碳量低， 且表面光潔度好的主要理論依據(jù)。STMMA 共聚樹脂投產(chǎn)以來，已在國(guó)內(nèi)外近百家廠使用，對(duì)提高我國(guó) EPC 技 術(shù)水平和鑄件質(zhì)量取得了良好的效果。（二） StMMA 模樣材料推動(dòng)了 EPC 技術(shù)

9、發(fā)展1、 各種球鐵件美國(guó) Muller 公司是世界上著名的生產(chǎn)伐門的企業(yè)， 用砂型鑄造生產(chǎn)伐體己有 30 多年歷史。改用消失模工藝后開始采用 EPS 模樣，最大的技術(shù)難題是碳缺陷。自 2003 年開始用我公司的 StMMA 模樣材料后，消除了困擾他們的碳缺陷問題，使 EPC 工藝取得成功。 目前 4-16英寸的灰鐵和球鐵伐體全部采用 StMMA 模樣材料 生產(chǎn)，成品率高達(dá) 96-97% 。對(duì)球鐵件，我國(guó)大多數(shù)廠原來都是用 EPS 模樣，近年來許多廠改用 STMMA 模樣，極大地減少了鑄件的碳夾渣缺陷，降低了澆注溫度，提高了鑄件表面光潔 度，從而提高了鑄件成品率。目前采用 StMMA 生產(chǎn)工程機(jī)

10、械和汽車另配件的企 業(yè)主要有：山西華恩、寶雞瑞泰爾、金洹億、隨州盛星、十堰知名實(shí)業(yè)、飛遠(yuǎn)、 江西分宜、新鄉(xiāng)鼎宏等數(shù)十家。遼寧朝陽某廠原來用 EPS 珠粒生產(chǎn)出口管件的成 品率，特別是一次打壓合格率不到 50% （有時(shí)V 30% ）,改用STMMA后一次打 壓合格提高到 95%以上。營(yíng)口金鵬管業(yè)等用 StMMA 模樣材生產(chǎn)球鐵管件也取得了很好效果。高郵精誠生產(chǎn)火車上用的缸套（直徑380 長(zhǎng) 600，內(nèi)外全加工），原來用EPS,屢試屢敗。后采用StMMA獲得成功，成品率達(dá)到95%。南京天成、 巢湖華通等用 StMMA 生產(chǎn)球鐵閥體、閥蓋等 . 取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。2、各種耐熱合金鑄鐵件采用 EP

11、S 模樣生產(chǎn)耐熱合金鑄鐵容易產(chǎn)生的主要缺陷是表面粗糙、內(nèi)部夾渣 和氣孔缺陷, 改用 STMMA 模樣后,克服了上述缺陷, 產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命提高, 提高了企業(yè)的知名度,使企業(yè)贏得了市場(chǎng),經(jīng)濟(jì)效益顯著。最突出的是馬鞍山博 望地區(qū)有海天重工、華達(dá)、安工等一批企業(yè)巳形成產(chǎn)業(yè)群。3、各種鑄鋼件采用 EPS 模樣生產(chǎn)鑄鋼件容易出現(xiàn)表面增碳及內(nèi)部夾渣、氣孔等缺陷,特別 是含碳量低于 0.30%的鋼件。由于鑄件表面增碳嚴(yán)重,使鑄件的力學(xué)性能和加工 性能變壞。 采用 STMMA 模樣材料, 可克服上述鑄造缺陷, 特別是表面增碳缺陷, 并大大提高鑄件表面光潔度。如：無錫某實(shí)型鑄造廠采用 STMMA 模樣材料生產(chǎn)

12、 各種出口鑄鋼（包括合金鋼）件,鑄件質(zhì)量深受國(guó)外用戶歡迎。貴陽機(jī)車車輛廠 和安順某鑄造廠采用 STMMA 模樣材料,生產(chǎn)含碳量為 0.25%的鐵路配件,解決 了鋼鑄件的表面增碳問題,并通過鐵路部門的質(zhì)量檢測(cè)、驗(yàn)收。馬鞍山海天用 STMMA 模樣材料生產(chǎn)合金鋼鑄件效果也很好,該廠正在不斷擴(kuò)大高附加值的鑄 件（重點(diǎn)是出口）生產(chǎn)。興化精鋼用 StMMA 模樣生產(chǎn)耐熱合金鋼,經(jīng)測(cè)試各項(xiàng) 性能指標(biāo)合格,其中碳含量由原來 0.321%增加到 0.325-0.341%,符合要求。現(xiàn)在 采用 STMMA 模樣材料生產(chǎn)鋼鑄件（包括低碳鋼鑄件）的廠越來越多。特別值得 關(guān)注的是江蘇某集團(tuán)公司用 STMMA 模樣生產(chǎn)

13、不銹鋼（ ZG0Cr18Ni9 ）鋼管接頭 （233mm x 736mm）獲得成功，經(jīng)檢測(cè)、爐內(nèi)鋼水 C=0039%,在鑄件上、中、下三 點(diǎn)取樣，碳含量分別為 C=0043%（上），C=055%（中），C=0059%（下），產(chǎn)品經(jīng)用 戶檢測(cè)、驗(yàn)收質(zhì)量合格，投入批量生產(chǎn)，取得了十分可喜的經(jīng)濟(jì)效益。這為我國(guó) 消失模鑄造采用 STMMA 模樣材料生產(chǎn)高附加值的低碳鋼和不銹鋼鑄件進(jìn)行了成 功的嘗試。4、灰鐵件用 EPS 模樣材料生產(chǎn) ,灰鐵件容易出現(xiàn)的缺陷是內(nèi)部氣孔、碳夾渣和表面粗 糙。這對(duì)于那些鑄件表面質(zhì)量要求較高和要求防滲漏或耐壓件，采用 STMMA 模 樣材料可以消除這些缺陷。 例如安徽全椒某廠

14、用 STMMA 模樣生產(chǎn)缸體、缸蓋（單 缸體和多缸體） 成品率達(dá) 95% 以上，取得了滿意的效果。 河南神龍泵業(yè)用 StMMA 代替 EPS 生產(chǎn)泵體和葉輪獲得成功后 , 現(xiàn)各種型號(hào)的水泵全部采用消失模工藝生 產(chǎn) , 并正在開發(fā)其他產(chǎn)品。我國(guó)消失模鑄件產(chǎn)量中，各種箱體、殼體類產(chǎn)品占有很大比重。但目前大部 分采用 EPS 模樣材料，絕大多數(shù)都出現(xiàn)鑄件表面粘砂嚴(yán)重，清理工作量大，并造 成環(huán)境污染等。產(chǎn)生這些問題的根本原因從兩種模樣材料性能對(duì)比中可知， EPS 最終裂解溫度比StMMA高50C左右，即澆注溫度大多在 1480C 1500C在這 樣高的溫度下澆注容易出現(xiàn)表面粘砂和灰鐵白口化 , 硬度高

15、，加工困難。 但如果低 于1480C澆注，則易使EPS模樣熱解不完全出現(xiàn)嚴(yán)重的碳夾渣、氣孔，甚至澆不 足或重皮等。用 StMMA 代 EPS 至少有以下優(yōu)點(diǎn) : （1）降低澆注溫度，防止表面 粘砂，減少清理工作量；（2）提高鑄件成品率至少 3-5% ；（3）節(jié)能和延長(zhǎng)爐襯壽 命等。因此，用 StMMA 代 EPS 不僅可提高鑄件質(zhì)量 , 改善車間環(huán)境 , 而且降低了 鑄件的綜合成本。福建龍工在進(jìn)口兩萬噸生產(chǎn)線上，全部采用 StMMA 模樣材料 生產(chǎn)各種箱體取得了良好的效果，其中最為突出的是鑄件表面光潔，大大減少了 清理工作量，車間環(huán)境整潔。特別是對(duì)于一些壁薄、防滲漏和要求表面光潔的箱 體、殼體

16、，采用 StMMA 更具優(yōu)越性，這些正在被國(guó)內(nèi)一些企業(yè)所認(rèn)識(shí)。5、銅合金和鋁合金鑄件采用 EPS 模樣材料生產(chǎn)銅合金件容易出現(xiàn)的問題是鑄件表面粗糙和皮下氣 孔；對(duì)于鋁合金鑄件主要是表面皺皮、重疊缺陷。廈門某廠和南京航天大學(xué)等采 用 STMMA 模樣澆注銅合金鑄件克服了 EPS 模樣材料的鑄造缺陷； 山東三信匯豐 用 StMMA 模樣材料澆注鋁合金缸體、缸蓋，降低了鋁合金的澆注溫度，提高了 充型效果，減少了鑄缺陷。因此 STMMA 模樣材料在銅、鋁合金鑄造方面也是很 有作為的。（三）StMMA模樣材料提高了消失模鑄造經(jīng)濟(jì)效益有人說，StMMA好是好，但比EPS貴，鑄件成本高，實(shí)際上是一種誤解。我

17、們知道 EPC 是一近似無余量的精密成型鑄造技術(shù)， 鑄件的質(zhì)量、 加工成 本（包括清理）、成品率和環(huán)境效益等都對(duì) EPC 工藝的綜合經(jīng)濟(jì)效益有直接影響。 下面對(duì)兩種材料對(duì)鑄件成本的影響。1、 有可比性的一類鑄件 所謂有可比性，就是兩種材料都能用，但對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和效益的影響不同。例如鑄鐵件和中碳鋼件等。灰鐵件：對(duì)加件如缸體缸蓋等，成品率可提高 20-30% ，甚至更高。對(duì)箱體 類，用 StMMA 比 EPS 成品率可提高 5-10% ；澆注溫度低 40-500c; 鑄件清理工 作量大大減輕 ， 鑄件表面質(zhì)量好，硬度低，節(jié)省加工工時(shí)等 。球鐵件：近年來工程機(jī)械及汽車配件的球鐵件用 StMMA 的逐年增多。因 為用EPS生產(chǎn)，產(chǎn)品的安全性能存在很大風(fēng)險(xiǎn)。我國(guó)用 EPC 工藝生產(chǎn)球鐵管件的企業(yè)很多，除少數(shù)企業(yè)外，大多生產(chǎn)出口 產(chǎn)品時(shí)用StMMA,國(guó)內(nèi)銷售，基本上用EPS。其結(jié)果是一次打壓合格率低，須 要經(jīng)過一次或多次修補(bǔ)來提高合格率。這不僅增加產(chǎn)品成