首饰石膏型熔模铸造工艺概述

袁军平,王 昶,马春宇,陈绍兴（广州番禺职业技术学院珠宝学院,广州 511483)

首饰石膏型熔模铸造工艺概述

袁军平,王 昶,马春宇,陈绍兴（广州番禺职业技术学院珠宝学院,广州 511483)

金属首饰大部分采用铸造成型,本文从制作蜡模、种蜡树、制作铸型、熔炼浇注、铸件清理等几个主要工序介绍了首饰石膏型铸造的基本工艺过程,并对当前广泛应用的首饰铸造设备、工艺等进行了简单分析。

首饰；石膏型铸造

首饰石膏型熔模铸造是由失蜡铸造工艺发展提炼的,期间有两个主要的发展：一个是1935年发明了弹性硫化橡胶模型；另一个是在20世纪中期,将牙科行业中长期使用的失模铸造方法成功地用于首饰生产。从那时起,熔模铸造方法在首饰制作行业得到了广泛应用,且随着橡胶及合成树脂、电子设备工业的发展,首饰铸造的设备和工艺水平得以不断提高,使熔模铸造成为首饰制作的主要方法,目前大约有超过60%的金、银、铜首饰通过熔模铸造方法制作。典型的首饰熔模铸造工艺流程如下：

制作蜡模—种蜡树—铸型制作（混制铸粉浆料、抽真空、灌注浆料、抽真空、脱蜡、焙烧）—熔炼浇注（合金预处理、熔炼、浇注）—铸件清理（去除铸粉、浸酸、切割浇注系统）

1 制作蜡模

1.1 注蜡机

由于首饰品比较精细,制作蜡模时,需要借助注蜡机的压力将蜡液注入胶模型腔内。注蜡机的种类较多,有普通气压注蜡机、真空注蜡机和数码式自动注蜡机等。气压注蜡机没有抽真空功能,直接利用气压将蜡液压注入胶模,一般采用普通温控器,价格较低廉,对生产技术要求不高的产品可大批量生产,但是蜡模的质量相对难保证。真空注蜡机是在注蜡前先对胶模抽真空,由于蜡模在真空状态下进行注蜡,使充填性优化,比较细薄的蜡模也容易注出；但是真空注蜡机的自动化程度相对低些,要用手拿住胶模对准蜡嘴,用脚踩动踏板才能注蜡,这样在大批量生产时可能会因夹紧压力不一致而引起重量波动问题。数码式自动注蜡机在真空注蜡机的基础上,大大提高了自动化程度,注蜡参数可以任意组合设定储存,温度控制准,注蜡效果完美,稳定性好。

1.2 蜡模制作

将蜡料放入蜡缸内,蜡料必须保持清洁,调整蜡缸和蜡嘴温度到要求温度。

注蜡之前,首先应该打开胶模,检查胶模的完好性和清洁性。在胶模比较细小复杂的位置喷洒脱模剂（也可撒上少量滑石粉）,以利于取出蜡模。

注蜡时,开动真空泵,检查蜡的温度是否在70～75℃之间,这样的温度能够保证蜡液的流动性。注蜡机蜡缸内的压力是由外接气泵提供的,蜡样平面较多、形状简单的用0.05～0.08MPa气压,蜡样壁较薄、镶石位多及空隙位窄细的用0.1～0.2MPa。注蜡时间根据工件大小而定,大件蜡样约4s,细件蜡样约2s。根据胶模内蜡件复杂程度调好注蜡时间和气压,然后均匀夹紧胶模进行注蜡操作。蜡件在胶模内冷却1min左右即可取出。取模时要注意手法,避免蜡件折断和变形。

1.3 修整蜡模

蜡模取出后仔细检查,如果出现缺边、断爪、变形、严重飞边或多个气泡等问题,这样的蜡模就属于废品。如果是一些很细小的缺陷,则应该进行蜡模的修整。对于飞边、夹痕、花头不清晰、花头搭边等缺陷可以用手术刀片修光；对于砂眼、断爪可以用焊蜡器进行焊补；小孔不通的可以用焊针穿透；对于蜡模的变形可以在40～50℃的热水中进行校正。

2 种蜡树

所谓种蜡树就是将制作好的蜡模按照一定的顺序,用焊蜡器沿圆周方向依次分层地焊接在一根蜡棒上,最终得到一棵形状酷似大树的蜡树。

种蜡树的基本要求是,蜡模要排列有序,关键是蜡模之间不能接触,至少要留2mm的间隙,要在保持足够大间隙的基础上,能够尽量多地将蜡模焊在蜡树上,蜡树与石膏筒壁之间最少要留5mm的间隙,蜡树与钢盅底要保持10mm左右的距离,以此确定蜡树的大小和高度。

3 铸型制作

3.1 铸型材料

不同首饰金属的熔点有高低之分,相应地铸型采用的材料也不一样。常规的首饰用金、银、铜合金,熔点一般低于1100℃，因此普遍采用石膏铸型。它有以下优点：

（1）复印性好。石膏析晶的同时发生膨胀,能盈满模型的微小细部,纹饰清晰、立体感强。

（2）溃散性好。对于细薄复杂的饰品,可以方便去除残余铸粉而不损伤铸件。

（3）操作方便,易于掌握。

石膏铸粉由耐火材料、粘结剂和添加剂等组成。耐火材料采用石英和方石英,能抵御高温下分解,粘结剂采用半水石膏,将耐火材料固定形成铸型,添加剂用来控制粘结材料何时凝结,并形成不同的铸粉性能。

3.2 铸型制作设备

在铸型制作过程中,会借助一些典型的机器设备,常用的设备有简易搅粉机、抽真空机和真空自动开粉机等。简易搅粉机在搅粉过程中容易使浆料卷入气体,对石膏铸型性能产生影响。上世纪90年代后出现了真空自动搅粉机,它集搅拌器和真空密封装置于一身,可以实现从搅拌铸粉开始直到灌浆成型的整个过程都处于真空状态下进行,有效减少了气泡的出现,使产品的光洁度更好,且操作简单省时。

3.3 开粉灌浆

由于蜡树上产生静电时易吸附灰尘,在灌浆前可以将其浸入到表面活性剂或稀释的洗涤液中,再用蒸馏水洗静后干燥。在开粉灌浆的过程中应注意适当控制石膏浆料凝结时间,凝结过快时气体来不及排除,过慢时粉料又容易在浆料中沉降,在局部改变了固液比,使首饰上下面粗糙度不一致。凝结时间既取决于铸粉的性能,又与开粉操作、水粉比有很大关系。

首先用干净的铸筒,用透明胶纸紧贴筒壁围一圈,防止浆料从筒壁上的孔里漏出,将蜡树套入铸筒内,橡胶底与铸筒紧贴,使蜡树稳固在铸筒中央。根据铸杯的容量计算所需铸粉的重量,铸粉与水按规定比例称量,手工或放入搅拌机内均匀搅拌2～3min,将搅拌好的铸粉浆在抽真空机内抽真空1～2min,再将抽真空后的铸粉浆均匀地注入铸杯中,然后抽真空2～3min,同时不断振动铸杯,以防止气泡附在蜡模上。铸型完成灌浆抽真空操作后,应静置1.5～2h,使石膏型充分凝固硬化。

3.4 铸型脱蜡

当浆料凝固后,可以用两种不同的方法除蜡：蒸汽脱蜡或在焙烧炉内干燥脱蜡。

（1）蒸汽脱蜡

蒸汽脱蜡时可以更有效地除蜡,也有利于环保。注意水的沸腾不能太剧烈,并要控制蒸汽脱蜡的时间,否则溅起的水会进入铸型中,损害铸型表面。另外在蜡镶铸造中,采用蒸汽脱蜡时,也可能会冲淡铸粉中的硼酸保护剂而导致宝石发朦变色等问题。

（2）烘烤脱蜡

烘烤脱蜡是直接利用焙烧炉加热铸型,将蜡料融化流出铸型外的方法。由于蜡料的沸点较低,采用这种方法时,如果蜡液发生激烈的沸腾会损坏铸型表面,或者蜡液排出不畅时会渗入到铸型的表层,都会恶化铸件的表面质量,因此,要注意控制脱蜡阶段的加热温度和速度,并设置相应的保温平台。

3.5 铸型焙烧

焙烧的目的是使石膏铸型的水分、残留蜡彻底去除,获得所需的高温强度和铸型透气性能,并满足浇注时对铸型温度的要求。石膏铸型的最终性能在很大程度上受到焙烧制度、焙烧设备的影响。

（1）焙烧炉

首饰行业用的石膏焙烧炉一般都采用电阻炉,也有一些采用燃油炉,不管何种炉子,都要求炉内温度分布尽量均匀。通常焙烧炉都带有控温装置,而且要能实现分段控温。典型的电阻焙烧炉可以实行四段或八段程序温度控制,这种炉子一般采用三面加热,也有一些采用四面加热,但是炉内温度分布不够均匀,焙烧时也不易调整炉内气氛。围绕使炉内温度分布均匀、消除蜡的残留物、自动化控制等目标,近年来开发了一些先进的焙烧炉,旋转炉就是其中一种,它采用炉床回转方式,四面加热,热度均匀稳定,石膏型能均匀受热,特别适合蜡镶铸造工艺要求。

（2）焙烧工艺

由于铸型在焙烧过程中会产生一系列物理化学变化,铸型焙烧前须制定合适的焙烧制度,使铸型经焙烧后洁白光顺。按照焙烧制度设置高温炉的自控加热时间、温度,铸型在最高温度焙烧3～4h,将所有残留碳烧失后,需要将铸型温度降低到某个温度,以免铸型温度过高导致铸件产生缩松、气孔等缺陷。但是由于首饰件一般比较精细,成型不易,为保证完整充型,基本上不采用冷型浇注,否则铸件表面易产生粗糙、轮廓不清等问题。一般根据工件的结构和铸造量的多少,浇注时铸型温度为 480～650℃。

4 熔炼与浇注

4.1 合金预处理

首饰铸件的效果与首饰合金状况有非常密切的关系,直接将纯金属和中间合金融合浇注时,容易产生成分不均匀、损耗严重、孔洞缺陷等问题。因此,一般要对首饰合金进行预处理,将各种纯金属、合金料先熔化浇注成珠粒,或铸成铸锭,再根据需要的重量进行配料。

4.2 合金熔炼

首饰合金常用的熔炼方式有火枪熔炼和感应熔炼两大类。

（1）火枪熔炼

采用火枪熔炼浇注饰品是比较传统的生产方法,使用的工具设备较简单,先利用火焰将金属熔化,再利用简易的浇注设备进行手工浇注。火枪熔炼采用的燃烧气体有煤气－氧气、天然气－氧气等,一般不使用氧气乙炔,因为其温度太高,金属损耗大,难控制。

火枪熔炼一般采用粘土坩锅,熔炼前,先仔细检查坩锅的质量,内壁要有光滑致密的釉质层,无残留的渣滓。准备造渣用的助熔剂,一般使用无水硼砂。先将坩锅预热后,将铜粒投入到坩锅内,调节火焰强度和性质至适合,铜料接近熔化时,在液面上撒少量硼砂,用玻璃棒将金属液轻轻搅拌均匀,温度达到要求浇温时即可取出铸型进行浇注。

（2）感应熔炼

感应熔炼具有熔炼效率高、元素烧损少、控制和调整金属液成分及温度方便准确、操作维护简便等优点,在首饰铸造行业得到了广泛的应用。由于首饰品一般比较精细,一次熔炼量少,因此首饰合金熔炼中较多采用高频感应熔炼,熔炼量较多时,有时也采用中频感应熔炼。

熔炼时气氛控制对金属液质量影响很大,一般有真空熔炼、惰性气体保护熔炼、还原性火焰保护熔炼几种方式。真空熔炼有利于冶金质量,但是对铜合金,特别是含锌较高的黄铜合金而言,是不适合采用的,因为真空会加剧锌的挥发,金属损耗严重,成分波动大,而且熔炼烟气容易将真空系统损坏。因此,在感应熔炼铜合金时,要获得优良的冶金质量,一般采用氩气、氮气等惰性气体,或者采用还原性火焰,将金属液面隔离保护。

4.3 浇注

由于首饰件都是比较精细的产品,浇注过程中很快发生凝固而丧失流动性,因此常规的重力浇注难于保证成型,必须引入一定的外力,促使金属液迅速充填型腔,获得形状完整、轮廓清晰的铸件。按照借助外力的方式可分为离心浇注和静力浇注两大类,按照浇注的自动化程度可分为手工浇注和铸造机自动浇注两类。

4.3.1 手工浇注

手工浇注一般与火枪熔炼或感应熔炼配合进行,金属液熔炼造渣精炼完毕后,将温度调整到浇注温度范围,然后从焙烧炉中取出铸型准备浇注。根据使用的设备类型,手工浇注主要有离心浇注和负压吸铸两类。

（1）手工离心浇注

这种浇注方式利用氧气-煤气来熔化金属,或利用感应炉熔炼金属,然后手工将金属液倒入坩埚中,石膏铸型平放装入旋转臂的模座内,启动转臂,金属液在离心力的作用下进入铸型型腔,完成浇注过程。操作过程中影响质量的因素较多,适合浇注细小饰品,例如链节、耳钉等。

（2）手工负压浇注

手工负压浇注是最简单的负压浇注方式,利用的设备是真空吸铸机,不带加热熔炼装置,因此需要与火枪或熔金炉配合使用。金属液熔炼完毕,将铸型浇口窝向上竖立放在抽真空腔上,开启抽真空装置,将金属液浇注进去。它操作比较简单,生产效率较高,在中小厂得到了较广泛的应用。由于是在大气下浇注,金属液存在二次氧化吸气的问题,整个浇注过程是由操作者控制的,包括浇注温度、浇注速度、压头高度、液面熔渣的处理等,因此人为影响质量的因素较多。这种方式适合浇注大中件饰品,如男戒、吊坠、手镯等。

4.3.2 铸造机自动浇注

随着首饰产品的质量要求日益提高以及首饰行业的科技进步,自动铸造机称为首饰失蜡铸造中非常重要的设备,是保证产品质量的一个重要基础。根据所采用的外力形式,常用的首饰铸造机主要有离心铸造机和静力铸造机两大类。

（1）离心铸造

针对传统的简易离心浇注机的缺点,现代离心铸造机集感应加热和离心浇注于一体,在驱动技术和编程方面取得了很大进步,改进了编程能力和过程自动化控制。比如,铸型中心轴和转臂的角度设计成可变的,它作为转速的一个函数,能够从90°变化到0°,这样就综合考虑了离心力和切向惯性力在驱使金属液流出坩埚和流入铸型的作用,这种装置有助于改善金属流的均衡,防止金属液优先沿着逆旋转方向的浇道壁流入。在铸型底部加设抽气装置,方便型腔内的气体顺利排出,改善充型能力并配备测温装置,减少人为判断误差。

（2)真空铸造

真空铸造机的型号特别多,如日本的Yasui、意大利的Italimpianti、美国的Neutec等,都是业内比较推崇的知名品牌。不同公司生产的铸造机也各有特点,但一般都是由感应加热、真空系统、控制系统等组成,在结构上一般采用直立式,上部为感应熔炼室,下部为真空铸造室,采用底注式浇注方式,坩埚底部有孔,熔炼时用耐火柱塞杆塞住,浇注时提起塞杆,金属液就浇入型腔。一般在柱塞杆内安设了测温热电偶,它可比较准确地反映金属液的温度,也有将热电偶安放在坩埚壁测量温度的,但测量的温度不能直接反映金属液的温度,只能作为参考。自动真空铸造机一般在真空状态下或惰性气氛中熔炼和铸造金属,因此有效减少了金属氧化吸气的可能,广泛采用电脑编程控制,自动化程度较高,铸造产品质量比较稳定,孔洞缺陷减少,成为众多厂家比较推崇的设备,广泛用于金、银、铜等金属真空铸造,有些机型还附带了粒化装置,可制备颗粒状中间合金。

5 铸件清理

（1）炸石膏 铸型浇注后,根据铸造材料的性质放置一段时间,然后将铸型淬入水中,进行炸石膏的操作,将金属工件从铸型中取出,并冲去工件上粘附的铸粉。

（2）冲水 利用高压冲水机将工件表面残留的铸粉基本冲洗干净。用水枪冲洗工件时,因水枪压力大,要注意防止操作不慎而引起工件变形。当工件比较厚大时,也可以用喷砂机对工件进行喷砂处理,喷砂不仅有利于清除表面残留的型壳,也可以利用砂粒的冲击力提高工件表面的密实度。

（3）浸酸 冲洗后的工件一般呈黑色,把冲洗后的铸件放入氢氟酸、硫酸或盐酸的水溶液浸泡,将铸件各部位的残余铸粉、铸件表面的氧化夹杂彻底除去。

（4）切割浇注系统 清除铸粉后的工件仍处在树状形态,需将浇注系统切除,分类、分品种,为下道工序做好生产准备工作。

6 结语

首饰铸造是一个涉及多工序的复杂工艺过程,影响因素众多。要获得优质稳定的首饰铸件,提高生产效率,需要密切注意和严格监控每个工序环节的操作过程。

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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

袁军平（1969-）,男,教授级高级工程师,在读博士生,主要从事金属材料及加工工艺研究