铸造法

我国的金属铸造生产，历史悠久，成就辉煌。古代劳动人民通过世代相传的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺，其中以泥范、铁范和熔模铸造最重要，称为古代三大铸造技术。



1.泥范铸造



我国在夏代已能用石范（范，模子）铸造青铜器，但石料不易加工，也不耐高温，在制陶术发达的基础上，很快就改用泥范。用泥范铸造器物，是我国古代最主要、应用最普遍的铸造方法。



商代早期的泥范，有两合范、三面范和内范，用以铸造凿、锛、爵等小型生产工具和日用器具。商代中期发展到能用多个型、芯组成的复合范，铸造百斤以上的大型铜器。商代晚期的泥范结构更加复杂，有的体积很大，比如在铸造司母戊大鼎时，由8块外范构成鼎身，用4块外范拼成鼎底，每条鼎足又由3块外范组成，反映了当时泥范铸造的高超水平。晚商的青铜铸造，不仅规模大，而且质量高，一些青铜器上面的花纹和铭文，非常清晰，很难看出是用泥范铸的。西周晚期，一副泥范可以连铸数器，改变了过去一范只铸一器的状况。春秋战国时期铸造工艺又有了新发展，已普遍采用器身和附件分铸法，铸造出不少体型大、形状复杂、纹饰精细的器物。



汉代，泥范铸造业分工更细，铸造技术进一步提高。从唐宋时期起，我国在用泥范铸造大型和特大型铸件方面，取得了令人瞩目的成就。如沧州的五代铁狮，当阳的北宋铁塔，北京大钟寺明代的大钟等，它们的重量都有几十吨，即使在现代条件下铸造，也不是容易的事情。



我国古代在泥范铸造方面还有一项重大的发明棗叠铸法。所谓叠铸，是把许多个范块或成对范片叠合装配，由一个共同的浇道进行浇注，一次得到几十甚至上百个铸件。这种铸造方法效率高，铸件质量好，节省造型材料和金属液，适合于小型铸件的大量生产。



叠铸技术产生于战国时期，我国最早的叠铸件是战国的齐刀币。到了汉代，叠铸工艺已相当精细，广泛应用于钱币、小型器具的生产。



在国外，叠铸法是近代才发展起来的，目前仍在广泛应用。



2.铁范铸造



战国时期，我国已用铁范铸造。1953年在河北兴隆出土了一批铁范，包括锄、镰、斧、凿、车具等类共87件，大部分完整配套。范的结构十分紧凑，形状和铸件相吻合，范壁较薄（5毫米左右），且壁厚均匀。在保证铸件质量的前提下，范壁薄可以减轻铁范重量，便于操作；范壁厚度均匀，有利于浇铸件各个部分冷却速度均匀。范壁均铸有把手，以便握持。此外，还用了铁内芯插入锄范，形成锄孔。可见当时

已经相当熟练地掌握了铁范铸造技术。除了河北兴隆发现过大批战国铁范以外，石家庄、磁县等地也发现过战国铁范，说明战国时期铁范铸造技术已得到普遍应用。



近年来，又陆续出土了汉代铁范多件，品种比战国时期显著增加，但型式仍基本相同。这些铁范中有比较复杂的多合范和双型腔，还使用了防止铸件变形的加强结构以及在现代也不是很容易处理的金属型芯。



从泥范铸造改进为铁范铸造，在铸造发展史上具有重要意义。铁范能够重复使用，而且铸件规整，减少加工余量，降低成本。采用铁范可以使铸件较快地冷却，利于得到白口组织。白口铁经过柔化处理变成可锻铸铁，是当时制造农具、手工工具的理想材料。所以我国古代的铁范，应被看作是生产可锻铸铁的工艺流程中一个环节上的必需设备。当时，世界其他地区还不能生产铸铁，而我国的铁范铸造却超越了几个技术发展阶段脱颖而出，这是我国古代一项重大的科技成果。直到近代，铁范铸造仍在使用。



3.熔模铸造



熔模铸造在古代又称为失蜡法或拨蜡法。此法是先用调好的油蜡制模，然后在外面敷上泥料制型，阴干后加热化去蜡模，入窑焙烧，烧成后即可趁热浇注。



早在战国以前，我国就出现了熔模铸造技术。在湖北随县曾侯乙墓出土的战国早期用熔模法铸造的青铜件，是尊和尊盘口沿上的透空附饰。附饰由表层纹饰和内部多层次的铜梗所组成。纹饰分内外两层，镂空的花纹之间互不接续，彼此独立，全靠内层铜梗支承。从附饰铸件的精巧纤细、玲珑剔透来看，当时的熔模铸造技术已比较成熟了。



熔模铸造工艺精细，能铸造用一般方法无法得到的艺术铸件。比如现存于故宫博物院、颐和园的铜狮、铜象、铜鹤、狻猊等，都是有代表性的、艺术价值很高的熔模铸件。



传统的熔模铸造和用来制造汽轮机叶片、铣刀等精密铸件的现代熔模铸造相比，虽然在所用蜡料、制模、造型材料、工艺方法等方面有很大不同，但它们的工艺原理是一致的，而且，现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造发展而来的。

失蜡法精密铸造



失蜡法精密铸造现称熔模精密精密铸造，是一种少切削或无切削的精密铸造工艺，是精密铸造行业中的一项优异的工艺技术，其应用非常广泛。它不仅适用于各种类型、各种合金的精密铸造，而且生产出的铸件尺寸精度、表面质量比其它精密铸造方法要高，甚至其它精密铸造方法难于铸得的复杂、耐高温、不易于加工的铸件，均可采用熔模精密精密铸造铸得。



熔模精密精密铸造是在古代蜡模

精密铸造的基础上发展起来的。作为文明古国，中国是使用这一技术较早的国家之一，远在公元前数百年，我国古代劳动人民就创造了这种失蜡精密铸造技术，用来精密铸造带有各种精细花纹和文字的钟鼎及器皿等制品，如春秋时的曾侯乙墓尊盘等。曾侯乙墓尊盘底座为多条相互缠绕的龙，它们首尾相连，上下交错，形成中间镂空的多层云纹状图案，这些图案用普通精密铸造工艺很难制造出来，而用失蜡法精密铸造工艺，可以利用石蜡没有强度、易于雕刻的特点，用普通工具就可以雕刻出与所要得到的曾侯乙墓尊盘一样的石蜡材质的工艺品，然后再附加浇注系统，涂料、脱蜡、浇注，就可以得到精美的曾侯乙墓尊盘。



现代熔模精密铸造方法在工业生产中得到实际应用是在二十世纪四十年代。当时航空喷气发动机的发展，要求制造象叶片、叶轮、喷嘴等形状复杂，尺寸精确以及表面光洁的耐热合金零件。由于耐热合金材料难于机械加工，零件形状复杂，以致不能或难于用其它方法制造，因此，需要寻找一种新的精密的成型工艺，于是借鉴古代流传下来的失蜡精密铸造，经过对材料和工艺的改进，现代熔模精密铸造方法在古代工艺的基础上获得重要的发展。所以，航空工业的发展推动了熔模精密铸造的应用，而熔模精密铸造的不断改进和完善，也为航空工业进一步提高性能创造了有利的条件。



我国是于上世纪五、六十年代开始将熔模精密铸造应用于工业生产。其后这种先进的精密铸造工艺得到巨大的发展，相继在航空、汽车、机床、船舶、内燃机、气轮机、电讯仪器、武器、医疗器械以及刀具等制造工业中被广泛采用，同时也用于工艺美术品的制造。



所谓熔模精密铸造工艺，简单说就是用易熔材料（例如蜡料或塑料）制成可熔性模型（简称熔模或模型），在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧（如采用高强度型壳时，可不必造型而将脱模后的型壳直接焙烧），铸型或型壳经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到铸件。



熔模铸件尺寸精度较高，一般可达CT4-6（砂型精密铸造为CT10~13，压铸为CT5~7）,当然由于熔模精密铸造的工艺过程复杂，影响铸件尺寸精度的因素较多，例如模料的收缩、熔模的变形、型壳在加热和冷却过程中的线量变化、合金的收缩率以及在凝固过程中铸件的变形等，所以普通熔模铸件的尺寸精度虽然较高，但其一致性仍

需提高（采用中、高温蜡料的铸件尺寸一致性要提高很多）。



压制熔模时，采用型腔表面光洁度高的压型，因此，熔模的表面光洁度也比较高。此外，型壳由耐高温的特殊粘结剂和耐火材料配制成的耐火涂料涂挂在熔模上而制成，与熔融金属直接接触的型腔内表面光洁度高。所以，熔模铸件的表面光洁度比一般精密铸造件的高，一般可达Ra.1.6~3.2μm。



熔模精密铸造最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，所以可减少机械加工工作，只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量即可，甚至某些铸件只留打磨、抛光余量，不必机械加工即可使用。由此可见，采用熔模精密铸造方法可大量节省机床设备和加工工时，大幅度节约金属原材料。



熔模精密铸造方法的另一优点是，它可以精密铸造各种合金的复杂的铸件，特别可以精密铸造高温合金铸件。如喷气式发动机的叶片，其流线型外廓与冷却用内腔，用机械加工工艺几乎无法形成。用熔模精密铸造工艺生产不仅可以做到批量生产，保证了铸件的一致性，而且避免了机械加工后残留刀纹的应力集中。


消失模铸造法



消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。对于消失模铸造，有多种不同的叫法。国内主要的叫法有“干砂实型铸造”、“ 负压实型铸造”，简称EPC铸造。国外的叫法主要有：Lost Foam Process (U.S.A)、 P0licast Process(Italy)等。



与传统的铸造技术相比，消失模铸造技术具有与无伦比的优势，因此被国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。



国外发展简史



1956年美国人H.F.SHOYER开始了将聚苯乙烯泡沫塑料用于铸造的试验，并获得成功,引起了人们极大的兴趣，1958年以专利的形式公布于众，当时称之为“无型腔铸造”。起初，该法只是用来制造金属雕像等艺术品铸件，以后经过许多实践和探索，1962年西德从美国引进专利，消失模铸造法才开始被开发，并在工业上得到应用。



1964年美国的T.R.SMITH发表了使用无粘结剂干砂造型生产消失模铸件的专利。到了1967年,采用普通粘土砂和自硬砂的消失模铸造法获得了成功,并在许多国家得到了应用,生产了成千上万吨铸件,但无粘结剂干砂实型铸造却没得到发展,仍处于探索阶段。在整个六十年代直至七十年代,消失模铸造法仅限于单件

小批生产,典型产品是汽车模具、机器底座、艺术品等。1968年，德国人E.KRYZMOWSKI在砂箱内抽成负压进行浇注,取得了专利，即现在的消失模铸造。



八十年代以前，由于专利的制约，生产中使用无粘结剂干砂消失模铸造受到限制；铸造界与其他产业部门协调不够；由于工艺不当、型砂和涂料不合适以及模型质量不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好，造成了一部分人的等待、观望甚至怀疑的态度，使得消失模铸造法发展缓慢。



1981年以后由于相应专利技术失效，再加上经过几年努力，发泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组合粘结剂质量改善、高质量涂料被研制成功等工艺技术的进步，消失模铸造法得以迅速发展，并很快在生产上得到应用。1982年美国首先公开了世界上第一条生产复杂铝铸件的消失模铸造生产线。至此，消失模铸造作为一种全新的铸造工艺方法被应用于生产。



中国发展简史



1979年，由我国著名消失模铸造专家、中国科学院长春光学精密机械研究所研究员黄述哲教授领导的课题组，在中国最早开始了消失模铸造的原理性试验。同年，黄述哲教授在全国铸造工艺学会上发表了“消失模铸造基本特性的研究”论文报告，在国内首次系统阐述了这一方法的特点和规律性。1982年，在大量实验室试验的基础上，黄述哲教授主持在光机所工厂建成了一条消失模铸造实验生产线。黄述哲教授主持完成的“消失模铸造技术开发及工业化应用”于1997年、1998年分获中科院科技进步二等奖和国家科技进步三等奖，这是我国铸造工业界科技成果中获得的最高奖项。1998年被国家科技部列为“九五国家科技成果重点推广项目”（99010202A）。黄述哲教授主持完成了数十个技术先进、功能完备、配置合理、生产高效的消失模铸造流水生产线工程。



八十年代后期郑州机械所也开始了消失模铸造的试验性应用研究。



九十年代开始以来，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、西安交大等也纷纷加入了消失模铸造的研究。



消失模铸造的分类



消失模铸造根据其铸型材料分类：自硬砂消失模铸造和无粘结剂干砂消失模铸造。



根据浇注条件分类：普通消失模铸造和负压消失模铸造