新型模樣材料推動EPC技術(shù)發(fā)展

1、新型模樣材料推動EPC技術(shù)發(fā)展唐鎖云 韓曉紅 陸國華 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？簡單說就是采用易汽化的泡沫塑料作模樣進行造型生產(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，價格低的優(yōu)點。但是EPS模樣材料最大的缺點是在大于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)。對于鋁合金鑄件易出現(xiàn)表面皺皮、重疊缺陷，對于鑄鐵件易形成表面亮碳及內(nèi)部夾渣

2、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，這對于那些要求承受動態(tài)（交變）應(yīng)力的鑄件容易引起潛在的破壞的危險。對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，美國、日本等國從80年代開始研究新一代模樣材料。作為新一代模樣材料，人們期望達到如下要求：（1） 樹脂的性能：保存期長，珠粒直徑小，模樣剛性好，發(fā)氣量低，危險性小；（2） 造型時的性能：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DOW化學(xué)公司研制成功可發(fā)性聚甲基丙烯酸甲酯即EPMMA珠粒，美國G

3、M公司的中央汽車開發(fā)研究所做了大量試驗，確認(rèn)EPMMA不僅對鑄鐵件特別有用，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，其剛性尚不如EPS，而且價格昂貴等，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為“CLEARPOR”的共聚樹脂?！癈LEARPOR”共聚樹脂雖然性能優(yōu)良，但價格仍然昂貴（是StMMA的3-4倍）

4、，使一般鑄造廠難以承受。我國是一個鑄造大國，雖然消失模鑄造在我國起步較早，但長期來我國消失模技術(shù)和產(chǎn)品與國外相比差距很大。為了改變我國模樣材料的研究和生產(chǎn)落后面貌，推動我國消失模鑄造技術(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”獲中國及美國發(fā)明專利，使我們國家有了自己自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)技術(shù)，改變了模樣材料專用料依靠進口的局面。目前STMMA樹脂株粒不僅在國內(nèi)許多消失模鑄造廠應(yīng)用，取得了良好的效果，而且已經(jīng)出口美國、印度、伊朗等國家，并在歐洲及美國召開的一些鑄造年會上展示上了STMMA共聚珠粒與模樣，引起了極大的關(guān)注。

5、 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：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 項目 單位 EPS STMMA 組成 C8H8n (C5H8O2)x(C8H8)ym 碳含量 % 92 69.6Tf 75-80 85-95分解熱 j/g -912 -863 初始氣化溫度 275-300268 終了氣化溫度 460

6、-500 400-450 發(fā)氣量(900) ml/g 600 900 鑄造性能 澆注溫度(灰鐵、箱體類) 1460-1500 1420-1450 模樣分解殘留物 多 少 鑄鋼件表面增碳率 % 0.1-0.3 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*% 0.3-0.5 0.1-0.2 鑄件成品率/(鑄鐵加工件) % 低、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干燥溫度高,時間長，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

7、。因此，設(shè)計模具時要特別注意。從兩種模樣材料的性能對比中可知：（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)泡是在常壓下進行；STMMA預(yù)發(fā)溫度一般高于EPS 5-10，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 40-50。這是由于EPS比STMMA難分解，其分解熱比STMMA高50J/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（900）、缺氧時，首先生成焦油狀

8、粘稠液體，進而裂解成碳和氫，而STMMA組成中主要是丙烯酸酯基鏈節(jié)，在高溫下是拉鏈?zhǔn)椒纸?，易生成低分子液體和氣體通過涂層和砂箱被抽出，且組成中含有兩個氧原子要帶走兩個碳，進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，已在國內(nèi)外近百家廠使用，對提高我國EPC技術(shù)水平和鑄件質(zhì)量取得了良好的效果。（二）StMMA模樣材料推動了EPC技術(shù)發(fā)展1、 各種球鐵件 美國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

9、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96-97%。對球鐵件，我國大多數(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、十堰知名實業(yè)、飛遠、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30%）

10、，改用STMMA后一次打壓合格提高到95%以上。營口金鵬管業(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)濟效益。2、 各種耐熱合金鑄鐵件采用EPS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，經(jīng)濟效益顯著。最突出的是馬鞍山博望地區(qū)有海天重工、華達、安工等一批企業(yè)巳形成產(chǎn)

11、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：無錫某實型鑄造廠采用STMMA模樣材料生產(chǎn)各種出口鑄鋼（包括合金鋼）件，鑄件質(zhì)量深受國外用戶歡迎。貴陽機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、驗收。馬鞍山海天用STMMA模樣材料生產(chǎn)合金鋼鑄件效果也很好，該廠正在不斷擴大高附加值的鑄件

12、（重點是出口）生產(chǎn)。興化精鋼用StMMA模樣生產(chǎn)耐熱合金鋼，經(jīng)測試各項性能指標(biāo)合格，其中碳含量由原來0.321%增加到0.325-0.341%，符合要求?，F(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)注的是江蘇某集團公司用STMMA模樣生產(chǎn)不銹鋼（ZG0Cr18Ni9）鋼管接頭(233mm×736mm)獲得成功，經(jīng)檢測、爐內(nèi)鋼水C=0.039%,在鑄件上、中、下三點取樣，碳含量分別為C=0.043%(上)，C=0.55%(中)，C=0.059%(下)，產(chǎn)品經(jīng)用戶檢測、驗收質(zhì)量合格，投入批量生產(chǎn)，取得了十分可喜的經(jīng)濟效益。這為我國消失模鑄造采用STMMA

13、模樣材料生產(chǎn)高附加值的低碳鋼和不銹鋼鑄件進行了成功的嘗試。 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。例如安徽全椒某廠用STMMA模樣生產(chǎn)缸體、缸蓋（單缸體和多缸體）成品率達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

14、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比中可知，EPS最終裂解溫度比StMMA高50左右，即澆注溫度大多在14801500 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，加工困難。但如果低于1480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: （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。福建龍工在進口兩萬噸生產(chǎn)線上，全部采用StMMA模樣材料

15、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。特別是對于一些壁薄、防滲漏和要求表面光潔的箱體、殼體，采用StMMA更具優(yōu)越性，這些正在被國內(nèi)一些企業(yè)所認(rèn)識。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）S

16、tMMA模樣材料提高了消失模鑄造經(jīng)濟效益有人說，StMMA好是好, 但比EPS貴，鑄件成本高，實際上是一種誤解。 我們知道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EPC工藝的綜合經(jīng)濟效益有直接影響。下面對兩種材料對鑄件成本的影響。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：對加件如缸體缸蓋等，成品率可提高20-30%，甚至更高。對箱體類，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)省加工工時等 。 球鐵件：近年來工程機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。 我國用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)品時用StMMA, 國內(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)過一次或多次修補來提高合格率。這不僅增加產(chǎn)品成本，