袁軍平,王 昶,馬春宇,陳紹興（廣州番禺職業(yè)技術學院珠寶學院,廣州 511483)

首飾石膏型熔模鑄造工藝概述

袁軍平,王 昶,馬春宇,陳紹興（廣州番禺職業(yè)技術學院珠寶學院,廣州 511483)

金屬首飾大部分采用鑄造成型,本文從制作蠟模、種蠟樹、制作鑄型、熔煉澆注、鑄件清理等幾個主要工序介紹了首飾石膏型鑄造的基本工藝過程,并對當前廣泛應用的首飾鑄造設備、工藝等進行了簡單分析。

首飾；石膏型鑄造

首飾石膏型熔模鑄造是由失蠟鑄造工藝發(fā)展提煉的,期間有兩個主要的發(fā)展：一個是1935年發(fā)明了彈性硫化橡膠模型；另一個是在20世紀中期,將牙科行業(yè)中長期使用的失模鑄造方法成功地用于首飾生產(chǎn)。從那時起,熔模鑄造方法在首飾制作行業(yè)得到了廣泛應用,且隨著橡膠及合成樹脂、電子設備工業(yè)的發(fā)展,首飾鑄造的設備和工藝水平得以不斷提高,使熔模鑄造成為首飾制作的主要方法,目前大約有超過60%的金、銀、銅首飾通過熔模鑄造方法制作。典型的首飾熔模鑄造工藝流程如下：

制作蠟?！N蠟樹—鑄型制作（混制鑄粉漿料、抽真空、灌注漿料、抽真空、脫蠟、焙燒）—熔煉澆注（合金預處理、熔煉、澆注）—鑄件清理（去除鑄粉、浸酸、切割澆注系統(tǒng)）

1 制作蠟模

1.1 注蠟機

由于首飾品比較精細,制作蠟模時,需要借助注蠟機的壓力將蠟液注入膠模型腔內(nèi)。注蠟機的種類較多,有普通氣壓注蠟機、真空注蠟機和數(shù)碼式自動注蠟機等。氣壓注蠟機沒有抽真空功能,直接利用氣壓將蠟液壓注入膠模,一般采用普通溫控器,價格較低廉,對生產(chǎn)技術要求不高的產(chǎn)品可大批量生產(chǎn),但是蠟模的質(zhì)量相對難保證。真空注蠟機是在注蠟前先對膠模抽真空,由于蠟模在真空狀態(tài)下進行注蠟,使充填性優(yōu)化,比較細薄的蠟模也容易注出；但是真空注蠟機的自動化程度相對低些,要用手拿住膠模對準蠟嘴,用腳踩動踏板才能注蠟,這樣在大批量生產(chǎn)時可能會因夾緊壓力不一致而引起重量波動問題。數(shù)碼式自動注蠟機在真空注蠟機的基礎上,大大提高了自動化程度,注蠟參數(shù)可以任意組合設定儲存,溫度控制準,注蠟效果完美,穩(wěn)定性好。

1.2 蠟模制作

將蠟料放入蠟缸內(nèi),蠟料必須保持清潔,調(diào)整蠟缸和蠟嘴溫度到要求溫度。

注蠟之前,首先應該打開膠模,檢查膠模的完好性和清潔性。在膠模比較細小復雜的位置噴灑脫模劑（也可撒上少量滑石粉）,以利于取出蠟模。

注蠟時,開動真空泵,檢查蠟的溫度是否在70～75℃之間,這樣的溫度能夠保證蠟液的流動性。注蠟機蠟缸內(nèi)的壓力是由外接氣泵提供的,蠟樣平面較多、形狀簡單的用0.05～0.08MPa氣壓,蠟樣壁較薄、鑲石位多及空隙位窄細的用0.1～0.2MPa。注蠟時間根據(jù)工件大小而定,大件蠟樣約4s,細件蠟樣約2s。根據(jù)膠模內(nèi)蠟件復雜程度調(diào)好注蠟時間和氣壓,然后均勻夾緊膠模進行注蠟操作。蠟件在膠模內(nèi)冷卻1min左右即可取出。取模時要注意手法,避免蠟件折斷和變形。

1.3 修整蠟模

蠟模取出后仔細檢查,如果出現(xiàn)缺邊、斷爪、變形、嚴重飛邊或多個氣泡等問題,這樣的蠟模就屬于廢品。如果是一些很細小的缺陷,則應該進行蠟模的修整。對于飛邊、夾痕、花頭不清晰、花頭搭邊等缺陷可以用手術刀片修光；對于砂眼、斷爪可以用焊蠟器進行焊補；小孔不通的可以用焊針穿透；對于蠟模的變形可以在40～50℃的熱水中進行校正。

2 種蠟樹

所謂種蠟樹就是將制作好的蠟模按照一定的順序,用焊蠟器沿圓周方向依次分層地焊接在一根蠟棒上,最終得到一棵形狀酷似大樹的蠟樹。

種蠟樹的基本要求是,蠟模要排列有序,關鍵是蠟模之間不能接觸,至少要留2mm的間隙,要在保持足夠大間隙的基礎上,能夠盡量多地將蠟模焊在蠟樹上,蠟樹與石膏筒壁之間最少要留5mm的間隙,蠟樹與鋼盅底要保持10mm左右的距離,以此確定蠟樹的大小和高度。

3 鑄型制作

3.1 鑄型材料

不同首飾金屬的熔點有高低之分,相應地鑄型采用的材料也不一樣。常規(guī)的首飾用金、銀、銅合金,熔點一般低于1100℃，因此普遍采用石膏鑄型。它有以下優(yōu)點：

（1）復印性好。石膏析晶的同時發(fā)生膨脹,能盈滿模型的微小細部,紋飾清晰、立體感強。

（2）潰散性好。對于細薄復雜的飾品,可以方便去除殘余鑄粉而不損傷鑄件。

（3）操作方便,易于掌握。

石膏鑄粉由耐火材料、粘結(jié)劑和添加劑等組成。耐火材料采用石英和方石英,能抵御高溫下分解,粘結(jié)劑采用半水石膏,將耐火材料固定形成鑄型,添加劑用來控制粘結(jié)材料何時凝結(jié),并形成不同的鑄粉性能。

3.2 鑄型制作設備

在鑄型制作過程中,會借助一些典型的機器設備,常用的設備有簡易攪粉機、抽真空機和真空自動開粉機等。簡易攪粉機在攪粉過程中容易使?jié){料卷入氣體,對石膏鑄型性能產(chǎn)生影響。上世紀90年代后出現(xiàn)了真空自動攪粉機,它集攪拌器和真空密封裝置于一身,可以實現(xiàn)從攪拌鑄粉開始直到灌漿成型的整個過程都處于真空狀態(tài)下進行,有效減少了氣泡的出現(xiàn),使產(chǎn)品的光潔度更好,且操作簡單省時。

3.3 開粉灌漿

由于蠟樹上產(chǎn)生靜電時易吸附灰塵,在灌漿前可以將其浸入到表面活性劑或稀釋的洗滌液中,再用蒸餾水洗靜后干燥。在開粉灌漿的過程中應注意適當控制石膏漿料凝結(jié)時間,凝結(jié)過快時氣體來不及排除,過慢時粉料又容易在漿料中沉降,在局部改變了固液比,使首飾上下面粗糙度不一致。凝結(jié)時間既取決于鑄粉的性能,又與開粉操作、水粉比有很大關系。

首先用干凈的鑄筒,用透明膠紙緊貼筒壁圍一圈,防止?jié){料從筒壁上的孔里漏出,將蠟樹套入鑄筒內(nèi),橡膠底與鑄筒緊貼,使蠟樹穩(wěn)固在鑄筒中央。根據(jù)鑄杯的容量計算所需鑄粉的重量,鑄粉與水按規(guī)定比例稱量,手工或放入攪拌機內(nèi)均勻攪拌2～3min,將攪拌好的鑄粉漿在抽真空機內(nèi)抽真空1～2min,再將抽真空后的鑄粉漿均勻地注入鑄杯中,然后抽真空2～3min,同時不斷振動鑄杯,以防止氣泡附在蠟模上。鑄型完成灌漿抽真空操作后,應靜置1.5～2h,使石膏型充分凝固硬化。

3.4 鑄型脫蠟

當漿料凝固后,可以用兩種不同的方法除蠟：蒸汽脫蠟或在焙燒爐內(nèi)干燥脫蠟。

（1）蒸汽脫蠟

蒸汽脫蠟時可以更有效地除蠟,也有利于環(huán)保。注意水的沸騰不能太劇烈,并要控制蒸汽脫蠟的時間,否則濺起的水會進入鑄型中,損害鑄型表面。另外在蠟鑲鑄造中,采用蒸汽脫蠟時,也可能會沖淡鑄粉中的硼酸保護劑而導致寶石發(fā)朦變色等問題。

（2）烘烤脫蠟

烘烤脫蠟是直接利用焙燒爐加熱鑄型,將蠟料融化流出鑄型外的方法。由于蠟料的沸點較低,采用這種方法時,如果蠟液發(fā)生激烈的沸騰會損壞鑄型表面,或者蠟液排出不暢時會滲入到鑄型的表層,都會惡化鑄件的表面質(zhì)量,因此,要注意控制脫蠟階段的加熱溫度和速度,并設置相應的保溫平臺。

3.5 鑄型焙燒

焙燒的目的是使石膏鑄型的水分、殘留蠟徹底去除,獲得所需的高溫強度和鑄型透氣性能,并滿足澆注時對鑄型溫度的要求。石膏鑄型的最終性能在很大程度上受到焙燒制度、焙燒設備的影響。

（1）焙燒爐

首飾行業(yè)用的石膏焙燒爐一般都采用電阻爐,也有一些采用燃油爐,不管何種爐子,都要求爐內(nèi)溫度分布盡量均勻。通常焙燒爐都帶有控溫裝置,而且要能實現(xiàn)分段控溫。典型的電阻焙燒爐可以實行四段或八段程序溫度控制,這種爐子一般采用三面加熱,也有一些采用四面加熱,但是爐內(nèi)溫度分布不夠均勻,焙燒時也不易調(diào)整爐內(nèi)氣氛。圍繞使爐內(nèi)溫度分布均勻、消除蠟的殘留物、自動化控制等目標,近年來開發(fā)了一些先進的焙燒爐,旋轉(zhuǎn)爐就是其中一種,它采用爐床回轉(zhuǎn)方式,四面加熱,熱度均勻穩(wěn)定,石膏型能均勻受熱,特別適合蠟鑲鑄造工藝要求。

（2）焙燒工藝

由于鑄型在焙燒過程中會產(chǎn)生一系列物理化學變化,鑄型焙燒前須制定合適的焙燒制度,使鑄型經(jīng)焙燒后潔白光順。按照焙燒制度設置高溫爐的自控加熱時間、溫度,鑄型在最高溫度焙燒3～4h,將所有殘留碳燒失后,需要將鑄型溫度降低到某個溫度,以免鑄型溫度過高導致鑄件產(chǎn)生縮松、氣孔等缺陷。但是由于首飾件一般比較精細,成型不易,為保證完整充型,基本上不采用冷型澆注,否則鑄件表面易產(chǎn)生粗糙、輪廓不清等問題。一般根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)和鑄造量的多少,澆注時鑄型溫度為 480～650℃。

4 熔煉與澆注

4.1 合金預處理

首飾鑄件的效果與首飾合金狀況有非常密切的關系,直接將純金屬和中間合金融合澆注時,容易產(chǎn)生成分不均勻、損耗嚴重、孔洞缺陷等問題。因此,一般要對首飾合金進行預處理,將各種純金屬、合金料先熔化澆注成珠粒,或鑄成鑄錠,再根據(jù)需要的重量進行配料。

4.2 合金熔煉

首飾合金常用的熔煉方式有火槍熔煉和感應熔煉兩大類。

（1）火槍熔煉

采用火槍熔煉澆注飾品是比較傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法,使用的工具設備較簡單,先利用火焰將金屬熔化,再利用簡易的澆注設備進行手工澆注?；饦屓蹮挷捎玫娜紵龤怏w有煤氣－氧氣、天然氣－氧氣等,一般不使用氧氣乙炔,因為其溫度太高,金屬損耗大,難控制。

火槍熔煉一般采用粘土坩鍋,熔煉前,先仔細檢查坩鍋的質(zhì)量,內(nèi)壁要有光滑致密的釉質(zhì)層,無殘留的渣滓。準備造渣用的助熔劑,一般使用無水硼砂。先將坩鍋預熱后,將銅粒投入到坩鍋內(nèi),調(diào)節(jié)火焰強度和性質(zhì)至適合,銅料接近熔化時,在液面上撒少量硼砂,用玻璃棒將金屬液輕輕攪拌均勻,溫度達到要求澆溫時即可取出鑄型進行澆注。

（2）感應熔煉

感應熔煉具有熔煉效率高、元素燒損少、控制和調(diào)整金屬液成分及溫度方便準確、操作維護簡便等優(yōu)點,在首飾鑄造行業(yè)得到了廣泛的應用。由于首飾品一般比較精細,一次熔煉量少,因此首飾合金熔煉中較多采用高頻感應熔煉,熔煉量較多時,有時也采用中頻感應熔煉。

熔煉時氣氛控制對金屬液質(zhì)量影響很大,一般有真空熔煉、惰性氣體保護熔煉、還原性火焰保護熔煉幾種方式。真空熔煉有利于冶金質(zhì)量,但是對銅合金,特別是含鋅較高的黃銅合金而言,是不適合采用的,因為真空會加劇鋅的揮發(fā),金屬損耗嚴重,成分波動大,而且熔煉煙氣容易將真空系統(tǒng)損壞。因此,在感應熔煉銅合金時,要獲得優(yōu)良的冶金質(zhì)量,一般采用氬氣、氮氣等惰性氣體,或者采用還原性火焰,將金屬液面隔離保護。

4.3 澆注

由于首飾件都是比較精細的產(chǎn)品,澆注過程中很快發(fā)生凝固而喪失流動性,因此常規(guī)的重力澆注難于保證成型,必須引入一定的外力,促使金屬液迅速充填型腔,獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件。按照借助外力的方式可分為離心澆注和靜力澆注兩大類,按照澆注的自動化程度可分為手工澆注和鑄造機自動澆注兩類。

4.3.1 手工澆注

手工澆注一般與火槍熔煉或感應熔煉配合進行,金屬液熔煉造渣精煉完畢后,將溫度調(diào)整到澆注溫度范圍,然后從焙燒爐中取出鑄型準備澆注。根據(jù)使用的設備類型,手工澆注主要有離心澆注和負壓吸鑄兩類。

（1）手工離心澆注

這種澆注方式利用氧氣-煤氣來熔化金屬,或利用感應爐熔煉金屬,然后手工將金屬液倒入坩堝中,石膏鑄型平放裝入旋轉(zhuǎn)臂的模座內(nèi),啟動轉(zhuǎn)臂,金屬液在離心力的作用下進入鑄型型腔,完成澆注過程。操作過程中影響質(zhì)量的因素較多,適合澆注細小飾品,例如鏈節(jié)、耳釘?shù)取?/p>

（2）手工負壓澆注

手工負壓澆注是最簡單的負壓澆注方式,利用的設備是真空吸鑄機,不帶加熱熔煉裝置,因此需要與火槍或熔金爐配合使用。金屬液熔煉完畢,將鑄型澆口窩向上豎立放在抽真空腔上,開啟抽真空裝置,將金屬液澆注進去。它操作比較簡單,生產(chǎn)效率較高,在中小廠得到了較廣泛的應用。由于是在大氣下澆注,金屬液存在二次氧化吸氣的問題,整個澆注過程是由操作者控制的,包括澆注溫度、澆注速度、壓頭高度、液面熔渣的處理等,因此人為影響質(zhì)量的因素較多。這種方式適合澆注大中件飾品,如男戒、吊墜、手鐲等。

4.3.2 鑄造機自動澆注

隨著首飾產(chǎn)品的質(zhì)量要求日益提高以及首飾行業(yè)的科技進步,自動鑄造機稱為首飾失蠟鑄造中非常重要的設備,是保證產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要基礎。根據(jù)所采用的外力形式,常用的首飾鑄造機主要有離心鑄造機和靜力鑄造機兩大類。

（1）離心鑄造

針對傳統(tǒng)的簡易離心澆注機的缺點,現(xiàn)代離心鑄造機集感應加熱和離心澆注于一體,在驅(qū)動技術和編程方面取得了很大進步,改進了編程能力和過程自動化控制。比如,鑄型中心軸和轉(zhuǎn)臂的角度設計成可變的,它作為轉(zhuǎn)速的一個函數(shù),能夠從90°變化到0°,這樣就綜合考慮了離心力和切向慣性力在驅(qū)使金屬液流出坩堝和流入鑄型的作用,這種裝置有助于改善金屬流的均衡,防止金屬液優(yōu)先沿著逆旋轉(zhuǎn)方向的澆道壁流入。在鑄型底部加設抽氣裝置,方便型腔內(nèi)的氣體順利排出,改善充型能力并配備測溫裝置,減少人為判斷誤差。

（2)真空鑄造

真空鑄造機的型號特別多,如日本的Yasui、意大利的Italimpianti、美國的Neutec等,都是業(yè)內(nèi)比較推崇的知名品牌。不同公司生產(chǎn)的鑄造機也各有特點,但一般都是由感應加熱、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成,在結(jié)構(gòu)上一般采用直立式,上部為感應熔煉室,下部為真空鑄造室,采用底注式澆注方式,坩堝底部有孔,熔煉時用耐火柱塞桿塞住,澆注時提起塞桿,金屬液就澆入型腔。一般在柱塞桿內(nèi)安設了測溫熱電偶,它可比較準確地反映金屬液的溫度,也有將熱電偶安放在坩堝壁測量溫度的,但測量的溫度不能直接反映金屬液的溫度,只能作為參考。自動真空鑄造機一般在真空狀態(tài)下或惰性氣氛中熔煉和鑄造金屬,因此有效減少了金屬氧化吸氣的可能,廣泛采用電腦編程控制,自動化程度較高,鑄造產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定,孔洞缺陷減少,成為眾多廠家比較推崇的設備,廣泛用于金、銀、銅等金屬真空鑄造,有些機型還附帶了?；b置,可制備顆粒狀中間合金。

5 鑄件清理

（1）炸石膏 鑄型澆注后,根據(jù)鑄造材料的性質(zhì)放置一段時間,然后將鑄型淬入水中,進行炸石膏的操作,將金屬工件從鑄型中取出,并沖去工件上粘附的鑄粉。

（2）沖水 利用高壓沖水機將工件表面殘留的鑄粉基本沖洗干凈。用水槍沖洗工件時,因水槍壓力大,要注意防止操作不慎而引起工件變形。當工件比較厚大時,也可以用噴砂機對工件進行噴砂處理,噴砂不僅有利于清除表面殘留的型殼,也可以利用砂粒的沖擊力提高工件表面的密實度。

（3）浸酸 沖洗后的工件一般呈黑色,把沖洗后的鑄件放入氫氟酸、硫酸或鹽酸的水溶液浸泡,將鑄件各部位的殘余鑄粉、鑄件表面的氧化夾雜徹底除去。

（4）切割澆注系統(tǒng) 清除鑄粉后的工件仍處在樹狀形態(tài),需將澆注系統(tǒng)切除,分類、分品種,為下道工序做好生產(chǎn)準備工作。

6 結(jié)語

首飾鑄造是一個涉及多工序的復雜工藝過程,影響因素眾多。要獲得優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的首飾鑄件,提高生產(chǎn)效率,需要密切注意和嚴格監(jiān)控每個工序環(huán)節(jié)的操作過程。

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Summarization of Plaster Casting Technology for Headgears

YUAN JunPing，WANG Chang，MA ChunYu，CHEN ShaoXing
（Jewelry College Guangzhou Fanyu Professional Technology Institute，Guangzhou 511483，Guangdong China）

Basic technology of metallic headgears plaster casting has been introduced including the main processes such as wax pattern forming，wax pattern string assembly，plaster mold forming，melting and pouring，castings cleaning with brief analysis on polular foundry equipment and technologies in use for headgears.

Headgears；Plaster casting

TG249.5;

A；

1006－9658（2011）03－4

2011－01－29

2011－010

袁軍平（1969-）,男,教授級高級工程師,在讀博士生,主要從事金屬材料及加工工藝研究