STMMA-FD消失模鑄造專用樹脂的性能和應(yīng)用

1、STMMA-FD消失模鑄造專用樹脂的性能和應(yīng)用浙江凱斯特新材料有限公司ZHEJIANG CASTCHEM NEW MATERIAL CO.,LTDSTMMA-FD消失模鑄造專用樹脂的性能和應(yīng)用一、前 言我國的消失模鑄造生產(chǎn)，在近幾年有了飛速地發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)和鑄件質(zhì)量不斷提高，鑄件品種從結(jié)構(gòu)簡單的耐磨件和灰鐵件，到目前批量生產(chǎn)的工程機(jī)械配件，汽車配件，需要試壓的管泵閥類產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缸體、缸蓋、水冷系列產(chǎn)品和鑄件材質(zhì)要求較高的球鐵、低碳鋼、鋁合金等產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量都有了長足的發(fā)展。主要體現(xiàn)為原輔材料的專業(yè)化，設(shè)備和模具的匹配化，工藝技術(shù)和現(xiàn)場管理的系統(tǒng)化。進(jìn)一步提高鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量和

2、合格率，降低鑄件的生產(chǎn)成本，是每一個消失模鑄造企業(yè)所追求的目標(biāo)。而制約消失模鑄造良性發(fā)展最根本的因素就是消失模模樣材料，劣質(zhì)的白區(qū)產(chǎn)品 = 劣質(zhì)的黑區(qū)產(chǎn)品，這是全世界所有消失模鑄造廠家所共知的事實。杭州凱斯特化工有限公司一直致力于新型消失模模樣材料的研究。是新一代消失模鑄造模樣專用料STMMA共聚樹脂中國專利和美國專利的擁有單位，也是消失模鑄造模樣材料STMMA可發(fā)性共聚樹脂國家標(biāo)準(zhǔn)的唯一起草單位。十五年來，STMMA共聚樹脂已在美國通用公司、德國寶馬汽車公司、安徽全柴動力股份公司及國內(nèi)外許多企業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用，并已批量出口歐美和韓國、伊朗等國，為世界消失模鑄造技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。最近，杭

3、州凱斯特化工有限公司在衢州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)投資建造了的浙江凱斯特新材料有限公司，專業(yè)從事用于消失模鑄造的泡沫塑料模樣材料等產(chǎn)品的生產(chǎn)，是凱斯特公司消失模模樣材料的生產(chǎn)基地。經(jīng)多年的消失模模樣材料應(yīng)用研究，我們發(fā)現(xiàn)：由于模具收縮及產(chǎn)品低附加值等原因，眾多消失模鑄造企業(yè)只能用普通的EPS，導(dǎo)致消失模鑄件缺陷多發(fā)，鑄件合格率偏低，生產(chǎn)成本居高不下。針對現(xiàn)有EPS存在的不足，我們研發(fā)生產(chǎn)了STMMA-FD珠粒，以解決現(xiàn)有EPS其分子量過低，強(qiáng)度和剛度不高的問題，減少鑄件在鑄造時產(chǎn)生的碳缺陷。STMMA-FD珠粒主要應(yīng)用于灰鐵類、鋁合金等中低端消失模鑄件的生產(chǎn)。經(jīng)江蘇鹽城、河北衡水、浙江湖州等公司現(xiàn)場

4、實際試驗證明，在預(yù)發(fā)、成型、模樣時效處理、涂料浸涂烘干等操作與EPS工藝完全一樣的情況下，使用STMMA-FD珠粒后，模樣的尺寸穩(wěn)定性和強(qiáng)度、鑄件的表面光潔度得到了較大的提高，鑄件的碳缺陷降低，鑄件的合格率提高了6%以上，使鑄造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益得到了大幅度的提高。二、STMMA-FD珠粒性能介紹1. 國內(nèi)外使用模樣材料分析優(yōu)質(zhì)的模樣材料是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)模樣的的前提，縱觀全世界使用模樣材料情況，在STMMA-FD珠粒尚未投入應(yīng)用之前，消失模鑄造常用的模樣材料有兩大塊：EPS和共聚物。其中國外和臺灣的EPS為消失模鑄造鋁合金專用EPS，國內(nèi)的EPS為可發(fā)性聚苯乙烯。而共聚物主要有中國凱斯特（本公司）的ST

5、MMA共聚珠粒及日本三菱公司的CLEARPOR共聚物。眾所周知，我國國內(nèi)目前還沒有消失模鑄造專用的EPS珠粒，國內(nèi)消失模鑄造企業(yè)一般使用EPS和STNNA共聚珠粒，所有使用EPS的廠家所用的都是包裝或建筑用的可發(fā)性聚苯乙烯。這些EPS的原料來源很雜，有時會有不同性質(zhì)的原料混在一起（據(jù)了解，由于這幾年建筑和包裝行業(yè)對EPS阻燃級的要求，基本上95%的原料均加阻燃劑），致使我們的鑄件缺陷多發(fā)，鑄件的合格率較低，生產(chǎn)成本自然就高。歐、美、日等國家的消失模工藝鑄出的產(chǎn)品要比我們的好得多，其中最主要的原因，是這些國家的有色金屬鑄造使用EPS專用料，黑色金屬消失模鑄造均采用共聚物。與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國

6、的消失模鑄造技術(shù)還有較大的差距。2. 目前國內(nèi)EPS存在的缺陷（1）國內(nèi)目前還沒有專用于消失模鑄造工藝的聚苯乙烯泡沫（簡稱EPS），大多數(shù)消失模鑄造企業(yè)都在使用包裝用EPS篩余料（下腳料）代替專用料，包裝用EPS是通過苯乙烯單體聚合而成，其分子量過低（只有5萬左右），導(dǎo)致模樣的強(qiáng)度和剛度不夠，不適用消失模鑄造。（2）我們知道，有機(jī)物中碳原子占整個分子的比例越大，由于有機(jī)物不完全燃燒的原因，使其在燃耗過程中，更容易產(chǎn)生黑煙。同理，碳原子含量越高的有機(jī)物，在加熱分解過程中，越容易產(chǎn)生碳化現(xiàn)象。部分化合物因為其碳原子所占整個分子的比重較大，在進(jìn)一步的加熱過程中，容易碳化。由于在碳化后仍處于高溫狀態(tài)，

7、碳原子活性也較大，因此會進(jìn)入到鑄件中，產(chǎn)生碳缺陷。因此，當(dāng)用普通EPS珠粒制作的模樣用于消失模鑄造中，在澆注時，EPS泡沫先隨著溫度的升高，其中一部分鍵能較弱的鏈段發(fā)生斷裂，隨著溫度的持續(xù)升高，鍵能較強(qiáng)的鏈段也發(fā)生斷裂，這就形成若干分子量較低的烴類化合物。且在這些烴類化合物中存在一部分還有碳碳雙鍵以及碳碳三鍵的化合物。EPS模樣對鋼鑄件表面增碳量為0.30.5%，在球鐵和灰鐵澆鑄中最為引人注目，它表現(xiàn)為皺紋、冷卻結(jié)疤、表面凹陷和表面下的夾渣等，使得鑄件的力學(xué)性能受到很大的影響。國內(nèi)仍有很多鑄造廠家至今不敢上消失模，或上了消失模生產(chǎn)線卻不能批量生產(chǎn)，一個最關(guān)鍵的原因，是我國目前還沒有完全解決該種

8、缺陷的好方法。特別是在鑄鋁時，碳夾雜物成為消失模鑄造過程中主要問題，碳夾雜物出現(xiàn)于兩股金屬流相遇，但還沒有浸潤互熔而導(dǎo)致“冷隔”。假如鑄件是循環(huán)加熱冷卻的，碳夾雜物還會導(dǎo)致金屬疲勞斷裂。假如一個鋁鑄件中存在碳夾雜物缺陷，那么一般情況下，該碳夾雜物缺陷將出現(xiàn)在每一個鑄件中。就鑄件而言，在某些情況下，當(dāng)此缺陷不存在于鑄件的重要區(qū)域時，還不是什么嚴(yán)重的問題。但如果碳夾雜物出現(xiàn)在重要部位，如像發(fā)動機(jī)缸體這樣的鑄件，由于其承受高低溫循環(huán)變化和壓力的考驗，造成液體在鑄件內(nèi)部滲漏，則將導(dǎo)致極為嚴(yán)重的故障。3. STMMA-FD珠粒的介紹針對現(xiàn)有EPS存在的不足，我們研發(fā)STMMA-FD珠粒的第一目的，在于更

9、有效的減少鑄件在鑄造時產(chǎn)生的碳缺陷問題。第二目的，是在于解決現(xiàn)有EPS其分子量過低，強(qiáng)度和剛度不高的問題。STMMA-FD珠粒是通過在苯乙烯的合成中加入少量甲基丙烯酸甲脂，是一種新型改性的可發(fā)性聚苯乙烯顆粒，來提高分子量。同時通過有機(jī)溴和甲基丙烯酸甲酯的結(jié)合使用下減少碳缺陷問題的產(chǎn)生。有機(jī)溴在受熱情況下，會產(chǎn)生溴化氫，溴化氫會與碳碳雙鍵和碳碳三鍵發(fā)生加成反應(yīng)，一方面，發(fā)生加成反應(yīng)后，打破了原有碳碳雙鍵和三鍵，使得整個分子中碳原子所占的比例下降，而鑄件中的碳缺陷主要由于聚合物受熱形成的碳碳雙鍵以及碳碳三鍵的存在而產(chǎn)生，因此可在一定程度上減少了碳化。其次，溴原子的相對分子質(zhì)量大于氫原子，再結(jié)合甲基

10、丙烯酸甲酯聚合出的改性可發(fā)性聚苯乙烯共聚顆粒，相比于目前的聚苯乙烯泡沫，其碳元素的比例大大下降，可以有效的通過碳含量的降低來減小碳缺陷的產(chǎn)生。STMMA-FD珠粒主要應(yīng)用于灰鐵類、鋁合金等中低端消失模鑄件的生產(chǎn)，與EPS相比有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）降低了鑄件的碳缺陷；（2）提高了模樣強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性；（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。STMMA-FD珠粒的上述優(yōu)點(diǎn)是由材料的性質(zhì)決定的，STMMA-FD與EPS的綜合性能比較如表1所示：表1 STMMA-FD與EPS的綜合性能比較項目單位EPSSTMMA-FD組成C8H8n碳含量%9282Tf808585分解熱- 91

11、2- 900發(fā)氣量（900）ml/g600700澆注溫度（灰鐵箱體類）1500146014801450模樣分解殘留物多少模樣質(zhì)量粒徑范圍大，模樣密度階梯大珠粒均勻，模樣一致性好模樣收縮率%0.30.50.20.4鑄件成品率（箱體、電機(jī)殼）%低8092%高93%4. 消失模鑄造用珠粒規(guī)格、粒徑范圍和發(fā)泡倍率STMMA-FD珠粒規(guī)格、粒徑范圍和發(fā)泡倍率見表2。表2 STMMA-FD珠粒規(guī)格、粒徑范圍和發(fā)泡倍率（150802批號）珠粒規(guī)格珠粒粒徑范圍倍率公司實際檢測STMMA-FD特殊規(guī)格0.9-1.25mm40倍6885STMMA-FD10.6-0.9mm40倍6583STMMA-FD20.45-

12、0.6mm40倍6480STMMA-FD30.35-0.45mm40倍6380STMMA-FD40.25-0.35mm40倍5. 消失模鑄造用珠粒含碳量、模樣燃燒分解殘留物對比消失模鑄造用珠粒含碳量的對比見圖1，模樣燃燒分解殘留物的對比見表3。表3 模樣燃燒分解殘留物的對比珠粒名稱模樣重（g）殘留物重（g）殘留物百分比（%）模樣密度（g/l）普通EPS3.372.2265.921STMMA-FD3.371.0330.619STMMA3.370.154.4520STMMA-FD和STMMA共聚珠粒投產(chǎn)以來，已在國內(nèi)外幾百家消失模鑄造公司使用，并取得了良好的效果，這對提高我國消失模鑄造技術(shù)水平和鑄

13、件質(zhì)量作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。三、STMMA-FD珠粒應(yīng)用實例1. STMMA-FD珠粒試驗過程和部分客戶應(yīng)用案例案例1：江蘇鹽城某公司之前用普通EPS珠粒生產(chǎn)180球鐵變速箱（毛坯重：180kg，最薄尺寸：12mm，最厚尺寸20mm），由于當(dāng)時對消失模鑄造原材料的忽視，鑄造出來的鑄件出現(xiàn)碳缺陷，冷隔等問題，廢品比例1520%，導(dǎo)致綜合成本增加。由于第一副模具當(dāng)時是按普通EPS定的尺寸收縮，我們用凱斯特公司的新材料FD珠粒進(jìn)行了試驗，試驗過程如下：選用珠粒規(guī)格/粒徑：STMMA-FD 2#（0.45mm0.6mm）；預(yù)發(fā)密度：19g/L0.5g/L；預(yù)發(fā)、成型、模樣時效處理、涂料浸涂烘干和之前工藝完

14、全一致；模樣尺寸收縮對比：模樣的尺寸收縮與普通EPS一致，鑄件毛坯尺寸一致；澆注過程對比：QT450-10箱體，澆注溫度：15001450；所有工藝都按照之前工藝執(zhí)行，澆注速度與EPS一致，澆注過程無反噴現(xiàn)象；鑄件質(zhì)量對比：使用FD珠粒實驗時，其他工藝控制按之前執(zhí)行，生產(chǎn)出的鑄件表面光潔度好，表面碳缺陷基本沒有，與普通EPS相比有了很大的提升。產(chǎn)品批量生產(chǎn)穩(wěn)定性對比：使用FD珠粒，生產(chǎn)澆注鑄件5件，其中4件整體質(zhì)量很好，有一件表面有少量碳缺陷，但不影響加工。工藝試驗后，后續(xù)又進(jìn)行了小批量和批量生產(chǎn)，批量生產(chǎn)合格率穩(wěn)定在93%左右，每月用消失模工藝生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品300噸左右。使用STMMA-FD珠

15、粒，使公司鑄件產(chǎn)品質(zhì)量和合格率有了較大的提升。每噸鑄件綜合成本比用普通EPS降低250元。案例2：河北衡水某公司之前用市場上普通EPS珠粒生產(chǎn)風(fēng)機(jī)配件水冷機(jī)座（毛坯重：20kg，最薄尺寸：6mm，最厚尺寸20mm），鑄造出來的鑄件出現(xiàn)鑄件表面不平整、冷隔、積碳缺陷等問題，試壓滲漏，廢品比例1020%，導(dǎo)致綜合成本增加。由于模具是按普通EPS尺寸收縮開的，我們用凱斯特公司的新材料FD珠粒進(jìn)行了試驗，試驗過程如下：選用珠粒規(guī)格/粒徑：STMMA-FD 3#（0.35mm-0.5mm）；預(yù)發(fā)密度：22g/L0.5g/L；預(yù)發(fā)、成型、模樣時效處理、涂料浸涂烘干和之前工藝完全一致；模樣尺寸收縮對比：模樣

16、的尺寸收縮與普通EPS一致，鑄件毛坯尺寸一致；澆注過程對比：HT250水冷機(jī)座，澆注溫度：1450；所有工藝都按照之前工藝執(zhí)行，澆注速度與EPS一致，澆注過程無反噴現(xiàn)象；鑄件質(zhì)量對比：使用FD珠粒實驗時，其他工藝控制按之前執(zhí)行，生產(chǎn)出的鑄件外觀無皺皮、積碳等缺陷，與普通EPS相比有了很大的提升。產(chǎn)品批量生產(chǎn)穩(wěn)定性對比：使用FD珠粒，第一批生產(chǎn)澆注鑄件6件，其中5件整體質(zhì)量很好，試壓無滲漏，其中有一件表面有少量碳缺陷，但不影響加工。工藝試驗后，后續(xù)有進(jìn)行了小批量和批量生產(chǎn)，批量生產(chǎn)合格率穩(wěn)定在95%左右，每月用消失模工藝生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品400噸左右。使用STMMA-FD珠粒，使公司鑄件產(chǎn)品質(zhì)量和合格

17、率有了較大的提升。每噸鑄件綜合成本比用普通EPS降低200元。案例3：浙江湖州某公司之前用市場上普通EPS珠粒生產(chǎn)電機(jī)殼（型號：160355 毛坯重：10300kg，最薄尺寸：3mm，最厚尺寸20mm），鑄造出來的鑄件出現(xiàn)鑄件表面不平整、冷隔、積碳缺陷等問題（尤其電機(jī)殼散熱片出現(xiàn)鋸齒狀），廢品比例10%左右，導(dǎo)致綜合成本增加。我們用凱斯特公司的新材料FD珠粒進(jìn)行了試驗，試驗過程如下：選用珠粒規(guī)格/粒徑：STMMA-FD 3#（0.35mm-0.5mm）；預(yù)發(fā)密度：22-23g/L0.5g/L；預(yù)發(fā)、成型、模樣時效處理、涂料浸涂烘干和之前工藝完全一致；模樣尺寸收縮對比：模樣的尺寸收縮與普通EPS

18、一致，鑄件毛坯尺寸一致；澆注過程對比：HT200電機(jī)殼，澆注溫度：1500；所有工藝都按照之前工藝執(zhí)行，澆注速度與EPS一致，澆注過程無反噴現(xiàn)象；鑄件質(zhì)量對比：使用FD珠粒實驗時，其他工藝控制按之前執(zhí)行，生產(chǎn)出的鑄件外觀無冷隔、積碳等缺陷，與普通EPS相比有了很大的提升。產(chǎn)品批量生產(chǎn)穩(wěn)定性對比：使用FD珠粒，第一批生產(chǎn)澆注鑄件100件，其中99件整體質(zhì)量很好，沒有以前出現(xiàn)的散熱片鋸齒狀缺陷，其中有一件鑄件進(jìn)砂導(dǎo)致報廢。工藝試驗后，后續(xù)又進(jìn)行了小批量和批量生產(chǎn)，批量生產(chǎn)合格率穩(wěn)定在97%左右，每月用消失模工藝生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品500噸左右。使用STMMA-FD珠粒，使公司鑄件產(chǎn)品質(zhì)量和合格率有了較大的

19、提升。每噸鑄件綜合成本比用普通EPS降低200230元。2. STMMA-FD珠粒使用前后對比（1）用普通EPS生產(chǎn)消失模鑄件的常見缺陷：浙江湖州某公司，目前使用普通EPS珠粒生產(chǎn)電機(jī)殼，有10%左右的鑄件易出現(xiàn)碳缺陷：內(nèi)腔積碳無法進(jìn)行加工，和散熱片出現(xiàn)鋸齒狀，影響外觀。江蘇鹽城某公司，QT450-10材質(zhì)180kg變速箱箱體易出現(xiàn)碳缺陷，冷隔等問題比例1015%的廢品，綜合成本增加。（2）采用STMMA-FD珠粒后的改善：浙江湖州某公司，用STMMA-FD珠粒試驗了電機(jī)殼鑄件，使以前使用普通EPS的合格率從9092%提高到9798%（即廢品率從810%降低到了23%），合格率提高了6%以上。

20、江蘇鹽城某公司：使用STMMA-FD試驗了QT450-10材質(zhì)180kg的箱體，鑄件表面光潔度，表面碳缺陷都有有了很大的提升，鑄件的合格率從8085%提高到94%左右（即廢品率從1520%降低到了6%左右），合格率提高了10%以上。（3）與普通EPS相比，使用STMMA-FD珠粒后的經(jīng)濟(jì)效益測算：STMMA-FD珠粒的價格為1.6萬/噸，普通EPS的價格基本在1.2萬元/噸左右，最高在1.4萬元左右，單從購買模樣材料的成本計，則每噸鑄件所用消失模模樣材料的成本增加6.6013.20元。鑄件價格為6000元/噸左右，而使用STMMA-FD珠粒后，每噸鑄件原材料所增成本按10.00元計，則當(dāng)鑄件的合格率提升1%時，原料成本降低約50元左右。若鑄件的