1 前言
精密鑄造法是指使用非金屬鑄模，制品尺寸精度高于普通砂模鑄件之鑄造法的總稱(chēng)，包括脫蠟法(Lost Wax Casting或Investment Casting)，石膏模法(Plaster Mold Casting)和陶瓷模(Ceramic Mold Casting)法三大類(lèi)。
2 脫蠟法精密鑄造
2-1 特征與優(yōu)點(diǎn)
(1)鑄件的最大界限長(zhǎng)度為700mm，易作之長(zhǎng)度在200mm以下。鑄件之最大重量約100公斤，一般常為10公斤以下。
(2)鑄件之尺寸公差20mm ±0.13mm，100mm ±0.30mm，200mm ±0.43mm，而小件之尺寸精度不易達(dá)到 ±0.10mm以?xún)?nèi)。角度公差為 ±0.5~±2.0度，鑄件最小厚度0.5~1.5mm。鑄件表面粗度約Rmax 4S~12S。
(3)鑄件材質(zhì)幾無(wú)任何限制，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、銅合金，各種鋼材、鈷基和鎳基耐熱合金，硬材料。
(4)制作形狀復(fù)雜之工件，尺寸精度良好，切削加工少。
(5)節(jié)省材料浪費(fèi)，并可大量生產(chǎn)。
脫蠟精密鑄件廣用于噴射引擎、燃?xì)鉁u輪、蒸汽渦輪、飛機(jī)零件、內(nèi)燃機(jī)、車(chē)輛、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、制紙機(jī)械、壓縮機(jī)、閥件、幫浦、計(jì)測(cè)儀、縫紉機(jī)、武器、事務(wù)機(jī)器、及其它機(jī)器零件。
2-2 制程
脫蠟鑄造法有兩大類(lèi)：實(shí)心模(Solid Mold)法和陶殼模(Ceramic Shell Mold)法，后者為前者的改良法。
實(shí)心模法系在考慮蠟型的冷凝收縮量，鑄模的加熱膨脹量和熔融金屬的冷凝收縮量之后，制作與最終鑄件尺寸近似的模具。將融化的蠟質(zhì)押灌注入此以金屬或硅膠做成之模具內(nèi)，取出蠟型后，浸入微粉耐火材料與粘結(jié)劑混泡而成之漿液。滴凈之后，撒布粗粒耐火材料，使之干燥。放入鑄框，將混練有粘結(jié)劑的耐火物粒填滿(mǎn)之，然后干燥。接著加熱使蠟質(zhì)熔化流出來(lái)，作成鑄模。以高溫加熱鑄模，燒除少量殘余之蠟質(zhì)并提高其強(qiáng)度，接著注入金屬熔液。
陶殼模法直到蠟型的制作都跟實(shí)心模法相同，只是在一次沾漿和淋砂（或浮砂）之后，并不進(jìn)行包模作業(yè)，而是反復(fù)多次地進(jìn)行沾漿和淋砂，直至獲得預(yù)定的外殼厚度。干燥、加熱、熔流出蠟質(zhì)，高溫加熱再行澆注，這種方法為目前的脫蠟精密鑄造業(yè)者所廣泛采用，因其具有下列優(yōu)點(diǎn)：
(1)尺寸穩(wěn)定性較佳
(2)耐火材料使用量較少
(3)重量輕，易于搬運(yùn)、處理、制作大型鑄件
(4)制程可局部自動(dòng)化，以節(jié)省人力，提高生產(chǎn)速率
(5)生產(chǎn)成本較低
(6)陶殼模較薄，澆注后鑄件的冷卻速率較高而均勻，故其機(jī)械性質(zhì)較佳。
(A)主模型(Master Pattern)
主模型的外形與最終制品的近似，制作時(shí)須將蠟的冷凝收縮，鑄模的加熱膨脹與鑄造金屬的冷凝收縮列入考慮。例如蠟型的冷縮率是1.2%，鑄模的熱脹率是0.7%，鑄造金屬的冷縮率是1.7%時(shí)，則主模型的尺寸增加率則為2.2%，常用的材質(zhì)有鋁合金、銅合金和不銹鋼等。
(B) 蠟型成形模
大量生產(chǎn)機(jī)械零件用之蠟型成形模一般均使用鋁合金以機(jī)械加工的方法制成，此時(shí)系根據(jù)客戶(hù)所提供之藍(lán)圖加工，無(wú)須用到主模型。鋁合金模由數(shù)件組成，射蠟之前由手工組合、鎖定、射蠟完成之后再以手工拆卸，取出蠟型，部份成形模系利用主模型倒入或噴涂低熔點(diǎn)合金而作成，或?qū)⒅髂Ｐ蛿D壓入超塑性金屬板而成形。
(C)射蠟
常用的蠟質(zhì)系凝固溫度范圍大者，以半固狀態(tài)押入裝于射蠟機(jī)的模具內(nèi)部，押射壓力常為7~12kg/cm2，有時(shí)為50 kg/cm2，制作蠟型時(shí)，須注意金屬模溫度，蠟的押入溫度、押入壓力、離模時(shí)間、蠟型的溫度以獲得尺寸安定性。因此射蠟室須保持恒溫。
有時(shí)候使用塑料取代蠟，生產(chǎn)量大而不十分要求尺寸精度的小鑄件使用聚苯乙烯，具有厚截面的大件則使用尿素樹(shù)脂（尿素粒85%，聚乙烯醇粉末10%，水5%）但是押射壓力須高達(dá)140 kg/cm2
(D)心型
形狀簡(jiǎn)單的中空制品，有細(xì)長(zhǎng)孔，狹深溝的制品或中空部份的形狀復(fù)雜而涂覆漿無(wú)法附著的制品均須使用心型(Core)。心型的種類(lèi)有金屬心型，可溶蠟心型和陶心型。
金屬心型法是先將金屬心固定于金屬模中，注入蠟后凝固，將金屬心型從蠟型中抽出，這局限于中空部份形狀簡(jiǎn)單的制品才能采用。中空部份形狀較為復(fù)雜或內(nèi)孔曲折者，可用可溶蠟作成心型，固定于金屬模內(nèi)，注入蠟質(zhì)凝固后，將蠟型浸泡水中，溶出心型。但是，可溶蠟作成的心型強(qiáng)度不佳，易于折斷，因此，中空部份細(xì)長(zhǎng)者，可使用氧化鋁粉，尖晶石粉、鈦酸鋇粉等與硅酸乙酯、膠硅土或樹(shù)脂等粘結(jié)劑混合作成陶心型，于成品澆注，疑固后，再以溶劑將陶心型溶出。渦輪葉片(turbine blade)之中空部份即使用這種方法作成。
(E) 組樹(shù)
小工件的蠟型須以人工的方式逐件地焊粘于澆流導(dǎo)上面，組裝成蠟樹(shù)，這是脫蠟鑄造濧全工程中最耗費(fèi)時(shí)間的一導(dǎo)步驟，組樹(shù)時(shí)系用平頭型的電烙鐵熱熔樹(shù)干或基板和蠟型，再予以粘合。裝配時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)如下：
(1)盡量將多個(gè)蠟型組裝成一群
(2)組裝時(shí)應(yīng)使蠟型于熔融時(shí)易于沿著樹(shù)干或基座流出
(3)裝配成品部份應(yīng)最先凝固，澆池最后凝固
(4)澆注、凝固后，工件易于從樹(shù)干或基座上切斷
(F) 沾漿與淋砂
組樹(shù)先以丙酮或酒精洗凈蠟型表面的離型劑、油脂等，接著，浸泡入粘結(jié)劑與微粉耐火材料泡成之漿液，滴盡過(guò)剩的附著漿液，然后淋撒耐火物小粒，予以干燥，這項(xiàng)操作的重點(diǎn)在于均勻涂漿于蠟型表面，并且不使氣泡附著、殘留。如此反復(fù)多次，直到獲得預(yù)定的厚度，操作的次數(shù)及陶殼的厚度系視工件的尺寸與重量而定，其厚度須能支撐澆注時(shí)金屬熔液的重量與掙壓力而不致破裂。
漿體的主要成份業(yè)界多使用硅酸膠(colloidal silica)，填充劑則使用鋯粉，其重量比約為1:35，漿體須添加適量的潤(rùn)濕劑（使?jié){液易于附著在蠟型表面）和消泡劑泡漿后須經(jīng)十二小時(shí)的攪拌才可使用，漿體的管理項(xiàng)目有粘度，比重和PH值。第一層之面漿使用填充劑添加量較多的高粘度者，第二層以后的背漿使用低粘度而滲透性較佳者，漿桶附近須保持22~25℃，以防止?jié){液迅速老化。
在漿液滴畢未干之前，撒布粗大的耐火物粒，撒布的方法一般使用簡(jiǎn)易而效果較佳的凈砂桶，少數(shù)使用淋砂機(jī)，涂覆層內(nèi)側(cè)部份使用50~100目的細(xì)粒，往外側(cè)則增粗為20~40目，干燥于輸送帶式，控制溫、濕度的強(qiáng)制送風(fēng)干燥室內(nèi)進(jìn)行。
(G)脫蠟與燒成
工業(yè)上使用的方法是將涂覆的蠟型組樹(shù)放入高壓容器內(nèi)鎖緊，通入150℃的蒸汽加熱，使蠟質(zhì)訊速地熔化、流出，燒成的目的在于使殘附鑄模表面的少量蠟質(zhì)完全燃燒，去除，并提高鑄模的強(qiáng)度，鑄模的燒成溫度在700~1100℃之間，視澆注金屬的材質(zhì)而定，時(shí)間為20~60分鐘，鑄模取出加熱爐之，隨即進(jìn)行澆注，以使鑄件具有良好的金相組織。
3 石膏模法
石膏之化學(xué)成份以硫酸鈣為主體，依結(jié)晶水的方式而分成無(wú)水石膏(CaSO4)，半水石膏(CaSO4 ，1/2H2O，燒石膏)和二水石膏(CaSO4，2H2O)三種，石膏模法限用于生產(chǎn)非鐵合金鑄件，具有下述特色：
(1)適于非量產(chǎn)之精密鑄造，鑄模費(fèi)用高。
(2)鑄件表面平滑，尺寸精度高，形狀復(fù)雜，表面有微細(xì)凹凸（例如12μm）也能鑄出。
(3)由于冷卻速率小，可鑄出薄壁鑄件，如0.6~1.5mm。
(4)鑄造應(yīng)變小，組織與機(jī)械性質(zhì)均勻。
(5)制造成本高，為砂模鑄件的5~10倍，從造模干燥到澆注，需時(shí)2~3日。
(6)石膏模之熱傳導(dǎo)性不佳，鑄件易生收縮缺陷，良品率較低。
(7)石膏模的透氣性不良，澆注時(shí)需加壓或減壓，。
鑄模用石膏系以石膏為粘結(jié)劑，配合多種添加劑，以提高其耐火度，降低干燥時(shí)之收縮應(yīng)力和加熱燒成時(shí)之膨脹應(yīng)力。
1 作業(yè)工程
(1)模型與離型劑
模型的材質(zhì)可使用金屬、橡膠、木材等，使用木制模型須先加以涂裝以防止產(chǎn)生滲粘現(xiàn)象，離型劑有溶解于燈油之硬脂酸，凡士林、硅利康滑脂等。
(2)混水與攪拌
水使用純水或性質(zhì)相近者，半水石膏粉的混水量30~35%之間，以螺旋狀葉片于容器內(nèi)攪拌均勻，成奶油狀漿體，在漿體有充分流動(dòng)性的期間倒入裝有模型的成形框內(nèi)，略為施以振動(dòng)或施以10~10-1 torr之減壓以脫泡，避免氣泡沾附于模型表面，此時(shí)半水石膏產(chǎn)生水和反應(yīng)，漿體的粘性上升，失去流動(dòng)性，凝結(jié)而硬化，形成二水石膏，隨結(jié)晶成長(zhǎng)發(fā)熱，引起凝結(jié)膨脹，歷數(shù)十小時(shí)才結(jié)束膨脹。
(3)干燥
干燥石膏模法全工程中最耗費(fèi)時(shí)間，也是最重要的步驟，急熱會(huì)造成鑄模破裂，因此應(yīng)設(shè)定數(shù)段干燥溫度，緩緩升溫、加熱，最終干燥溫度為200~230℃，鑄模反應(yīng)，去水而成無(wú)水石膏。干燥裝置最好使用溫度自動(dòng)控制的熱風(fēng)強(qiáng)制循環(huán)排風(fēng)式電氣干燥爐，爐內(nèi)溫度分布均勻，以縮短干燥時(shí)間，即直接設(shè)定最終干燥溫度，鑄模也很少產(chǎn)生破裂的情形。
2 利用石膏模的脫蠟鑄造法
牙科用、戒指、首飾、裝飾品和小型工藝品均應(yīng)用這種方法作成，石膏作為粘結(jié)劑用，主體為白硅石等耐火材料。
將金屬制作之成品原模型，放在兩片橡膠之間，放于熱壓機(jī)上加熱加壓，使橡膠產(chǎn)生永久變形，而形成模型物之空模穴。將兩片橡膠對(duì)合、鎖緊，使注入口緊靠于注蠟機(jī)之注出口，以0.2~0.5 kg/cm2 之力力將熔蠟注滿(mǎn)橡膠模。
冷凝之后打開(kāi)橡膠模，取出蠟型，使用低功率之烙鐵局部熔化蠟型，將之焊接于充當(dāng)流道之蠟干上，進(jìn)行組樹(shù)作業(yè)，將組樹(shù)放入不銹鋼環(huán)內(nèi)，倒入石膏漿，然后振動(dòng)和真空脫泡。
石膏模硬化后在室溫放置12小時(shí)以上，使用電爐(120~150℃)或壓力鈉蒸汽脫蠟，脫蠟后的鑄模緩緩升溫到650~800℃燒成，將滲附于石膏表面的蠟質(zhì)完全燒除。殘余蠟質(zhì)燃燒不完全時(shí)，成為碳?xì)埩魰?huì)在鑄件表面形成缺陷。
在燒成溫度保持一段時(shí)間，使鑄模內(nèi)外溫度均勻，在爐內(nèi)徐徐冷邿到適于澆注的溫度，然后取出石膏模放入真空鑄造機(jī)或離心鑄造機(jī)內(nèi)進(jìn)行澆注。首飾如戒指、胸針等形狀十分復(fù)雜，具有細(xì)微凹凸紋路之成品均以離心鑄造法制成。鑄造機(jī)附設(shè)有高周波加熱裝置以熔化坩堝內(nèi)之貴金屬，再藉離心力(400~1000rpm)使熔融金屬注滿(mǎn)石膏模，冷凝后錘打不銹鋼環(huán)，取出石膏模，再以水槍沖散石膏，取出鑄件處理之。
如佛像花瓶或其它較大件之工藝品則使用真空鑄造機(jī)制成。
4 陶殼模法
陶殼模鑄件大都是少量生產(chǎn)，不易機(jī)械化、自動(dòng)化、成本高，因而，其適用范圍頗受限制，主要對(duì)像有：
(1)本為焊接而成者可一體鑄成
(2)切削性不良的材料可大減細(xì)加工量
(3)美術(shù)工藝品形狀復(fù)雜者
跟脫蠟鑄造比較，可作成大鑄件或厚肉件或者在數(shù)量上脫蠟鑄造法嫌太少者。適用制品有：
(1)各種金屬模具：壓鑄用、塑料成形用（射出成形、熱壓成形）玻璃制品用、橡膠制品用、鍛造用。
(2)葉片：大型蒸汽渦輪，各種動(dòng)葉輪
(3)零件：電子導(dǎo)波管、飛機(jī)用安定器、閥體等
陶殼模法系以硅酸膠溶體為結(jié)合劑，混合耐火材料粉末填充劑及膠凝體化促
進(jìn)劑，作成漿體。將有充分流動(dòng)性的漿體澆覆于模型表面，待漿體凝結(jié)，后脫模，以700℃脫水，干燥，以1000℃燒成以提高強(qiáng)度，做成陶殼模。陶殼模的厚度為3~20mm，澆注大型鑄件時(shí)，其背面須襯墊，以托撐材料以承體金屬熔液之重量。
模型材料在量少時(shí)使用表面處理過(guò)的材料，大量生產(chǎn)時(shí)使用金屬或樹(shù)脂，填充劑使用高純度、高熔點(diǎn)的耐火材料以防止與熔融金屬產(chǎn)生反應(yīng)，其材質(zhì)依澆鑄金屬的種類(lèi)而定，耐火材料的粒度分布是大粒子混以小粒子粉粒，可獲得適度的強(qiáng)度與表面度，膠凝體化促進(jìn)劑使用的目的在于加速結(jié)合劑的固化，一般使用堿性物如碳酸銨等。
調(diào)整填充劑與結(jié)合劑之重量百分比，可控制漿體之流動(dòng)性，陶殼模之強(qiáng)度與透氣性。填充劑之使用量使泡成漿體之體積為結(jié)劑體積的1.5~2.5倍。
陶殼模之背托撐?？梢允褂酶稍锬?、油砂模、二氧化碳模，也可以使用永久性的金屬模。陶殼模在澆鑄前須預(yù)熱，澆鑄鋼鐵材料為500℃，低熔點(diǎn)金屬則為200℃，澆鑄中或澆鑄后，最好是于惰性氣體中進(jìn)行以防止氧化或脫碳之發(fā)生。
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