精密铸造（Precision Casting）

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1 前言
精密铸造法是指使用非金属铸模，制品尺寸精度高于普通砂模铸件之铸造法的总称，包括脱蜡法(Lost Wax Casting或Investment Casting)，石膏模法(Plaster Mold Casting)和陶瓷模(Ceramic Mold Casting)法三大类。
2 脱蜡法精密铸造
2-1 特征与优点
3 z4 i6 c6 ^  t# U+ B% B(1)铸件的最大界限长度为700mm，易作之长度在200mm以下。铸件之最大重量约100公斤，一般常为10公斤以下。
(2)铸件之尺寸公差20mm ±0.13mm，100mm ±0.30mm，200mm ±0.43mm，而小件之尺寸精度不易达到 ±0.10mm以内。角度公差为 ±0.5~±2.0度，铸件最小厚度0.5~1.5mm。铸件表面粗度约Rmax 4S~12S。
(3)铸件材质几无任何限制，如铝合金、镁合金、钛合金、铜合金，各种钢材、钴基和镍基耐热合金，硬材料。
(4)制作形状复杂之工件，尺寸精度良好，切削加工少。
(5)节省材料浪费，并可大量生产。
脱蜡精密铸件广用于喷射引擎、燃气涡轮、蒸汽涡轮、飞机零件、内燃机、车辆、食品机械、印刷机械、制纸机械、压缩机、阀件、帮浦、计测仪、缝纫机、武器、事务机器、及其它机器零件。
2-2 制程
脱蜡铸造法有两大类：实心模(Solid Mold)法和陶壳模(Ceramic Shell Mold)法，后者为前者的改良法。
, Z  L: p3 ^# y9 E4 f实心模法系在考虑蜡型的冷凝收缩量，铸模的加热膨胀量和熔融金属的冷凝收缩量之后，制作与最终铸件尺寸近似的模具。将融化的蜡质押灌注入此以金属或硅胶做成之模具内，取出蜡型后，浸入微粉耐火材料与粘结剂混泡而成之浆液。滴净之后，撒布粗粒耐火材料，使之干燥。放入铸框，将混练有粘结剂的耐火物粒填满之，然后干燥。接着加热使蜡质熔化流出来，作成铸模。以高温加热铸模，烧除少量残余之蜡质并提高其强度，接着注入金属熔液。
( a) m4 M" O# a2 D; z陶壳模法直到蜡型的制作都跟实心模法相同，只是在一次沾浆和淋砂（或浮砂）之后，并不进行包模作业，而是反复多次地进行沾浆和淋砂，直至获得预定的外壳厚度。干燥、加热、熔流出蜡质，高温加热再行浇注，这种方法为目前的脱蜡精密铸造业者所广泛采用，因其具有下列优点：
' S( A: [+ s3 X8 P* k0 a(1)尺寸稳定性较佳
(2)耐火材料使用量较少
! r' M' \* F$ U: q) y% E7 r(3)重量轻，易于搬运、处理、制作大型铸件
(4)制程可局部自动化，以节省人力，提高生产速率
(5)生产成本较低
3 D2 D3 S9 b1 B5 p( J: N( ?% Y1 g(6)陶壳模较薄，浇注后铸件的冷却速率较高而均匀，故其机械性质较佳。
$ y2 l; u  h2 c' c& E. N1 l( b+ G(A)主模型(Master Pattern)
主模型的外形与最终制品的近似，制作时须将蜡的冷凝收缩，铸模的加热膨胀与铸造金属的冷凝收缩列入考虑。例如蜡型的冷缩率是1.2%，铸模的热胀率是0.7%，铸造金属的冷缩率是1.7%时，则主模型的尺寸增加率则为2.2%，常用的材质有铝合金、铜合金和不锈钢等。
" Q, ]( s: h( z  Q4 V8 P(B) 蜡型成形模
大量生产机械零件用之蜡型成形模一般均使用铝合金以机械加工的方法制成，此时系根据客户所提供之蓝图加工，无须用到主模型。铝合金模由数件组成，射蜡之前由手工组合、锁定、射蜡完成之后再以手工拆卸，取出蜡型，部份成形模系利用主模型倒入或喷涂低熔点合金而作成，或将主模型挤压入超塑性金属板而成形。
+ z! |2 j9 x) M$ G' T/ y1 D2 b1 l(C)射蜡
常用的蜡质系凝固温度范围大者，以半固状态押入装于射蜡机的模具内部，押射压力常为7~12kg/cm2，有时为50 kg/cm2，制作蜡型时，须注意金属模温度，蜡的押入温度、押入压力、离模时间、蜡型的温度以获得尺寸安定性。因此射蜡室须保持恒温。
有时候使用塑料取代蜡，生产量大而不十分要求尺寸精度的小铸件使用聚苯乙烯，具有厚截面的大件则使用尿素树脂（尿素粒85%，聚乙烯醇粉末10%，水5%）但是押射压力须高达140 kg/cm2
(D)心型
. X! T/ t9 N2 r4 Y4 ?7 f9 C' r# h形状简单的中空制品，有细长孔，狭深沟的制品或中空部份的形状复杂而涂覆浆无法附着的制品均须使用心型(Core)。心型的种类有金属心型，可溶蜡心型和陶心型。
金属心型法是先将金属心固定于金属模中，注入蜡后凝固，将金属心型从蜡型中抽出，这局限于中空部份形状简单的制品才能采用。中空部份形状较为复杂或内孔曲折者，可用可溶蜡作成心型，固定于金属模内，注入蜡质凝固后，将蜡型浸泡水中，溶出心型。但是，可溶蜡作成的心型强度不佳，易于折断，因此，中空部份细长者，可使用氧化铝粉，尖晶石粉、钛酸钡粉等与硅酸乙酯、胶硅土或树脂等粘结剂混合作成陶心型，于成品浇注，疑固后，再以溶剂将陶心型溶出。涡轮叶片(turbine blade)之中空部份即使用这种方法作成。
(E) 组树
小工件的蜡型须以人工的方式逐件地焊粘于浇流导上面，组装成蜡树，这是脱蜡铸造濧全工程中最耗费时间的一导步骤，组树时系用平头型的电烙铁热熔树干或基板和蜡型，再予以粘合。装配时应注意的事项如下：
(1)尽量将多个蜡型组装成一群
(2)组装时应使蜡型于熔融时易于沿着树干或基座流出
(3)装配成品部份应最先凝固，浇池最后凝固
(4)浇注、凝固后，工件易于从树干或基座上切断
(F) 沾浆与淋砂
组树先以丙酮或酒精洗净蜡型表面的离型剂、油脂等，接着，浸泡入粘结剂与微粉耐火材料泡成之浆液，滴尽过剩的附着浆液，然后淋撒耐火物小粒，予以干燥，这项操作的重点在于均匀涂浆于蜡型表面，并且不使气泡附着、残留。如此反复多次，直到获得预定的厚度，操作的次数及陶壳的厚度系视工件的尺寸与重量而定，其厚度须能支撑浇注时金属熔液的重量与挣压力而不致破裂。
) V% G5 N/ s' W  X浆体的主要成份业界多使用硅酸胶(colloidal silica)，填充剂则使用锆粉，其重量比约为1:35，浆体须添加适量的润湿剂（使浆液易于附着在蜡型表面）和消泡剂泡浆后须经十二小时的搅拌才可使用，浆体的管理项目有粘度，比重和PH值。第一层之面浆使用填充剂添加量较多的高粘度者，第二层以后的背浆使用低粘度而渗透性较佳者，浆桶附近须保持22~25℃，以防止浆液迅速老化。
3 {7 g5 H" ~) G; W0 W: {在浆液滴毕未干之前，撒布粗大的耐火物粒，撒布的方法一般使用简易而效果较佳的净砂桶，少数使用淋砂机，涂覆层内侧部份使用50~100目的细粒，往外侧则增粗为20~40目，干燥于输送带式，控制温、湿度的强制送风干燥室内进行。
8 p; G, I0 x1 h* S' ?. E  _(G)脱蜡与烧成
工业上使用的方法是将涂覆的蜡型组树放入高压容器内锁紧，通入150℃的蒸汽加热，使蜡质讯速地熔化、流出，烧成的目的在于使残附铸模表面的少量蜡质完全燃烧，去除，并提高铸模的强度，铸模的烧成温度在700~1100℃之间，视浇注金属的材质而定，时间为20~60分钟，铸模取出加热炉之，随即进行浇注，以使铸件具有良好的金相组织。
2 q# f. @3 d( D3 石膏模法
石膏之化学成份以硫酸钙为主体，依结晶水的方式而分成无水石膏(CaSO4)，半水石膏(CaSO4 ，1/2H2O，烧石膏)和二水石膏(CaSO4，2H2O)三种，石膏模法限用于生产非铁合金铸件，具有下述特色：
(1)适于非量产之精密铸造，铸模费用高。
9 H- S. `2 I2 p* R) ]2 y(2)铸件表面平滑，尺寸精度高，形状复杂，表面有微细凹凸（例如12μm）也能铸出。
6 }. T% {# |1 R; l0 |(3)由于冷却速率小，可铸出薄壁铸件，如0.6~1.5mm。
# Z8 C: ^6 k2 _- ?+ b(4)铸造应变小，组织与机械性质均匀。
. r% w; V& A" Q' f4 H- l(5)制造成本高，为砂模铸件的5~10倍，从造模干燥到浇注，需时2~3日。
(6)石膏模之热传导性不佳，铸件易生收缩缺陷，良品率较低。
(7)石膏模的透气性不良，浇注时需加压或减压，。
' V& v+ l4 h" [4 M" e铸模用石膏系以石膏为粘结剂，配合多种添加剂，以提高其耐火度，降低干燥时之收缩应力和加热烧成时之膨胀应力。
1 作业工程
(1)模型与离型剂
/ I$ Z' H* W9 j0 Q2 n: E; g模型的材质可使用金属、橡胶、木材等，使用木制模型须先加以涂装以防止产生渗粘现象，离型剂有溶解于灯油之硬脂酸，凡士林、硅利康滑脂等。
$ _+ a. y! n- s& B) Q% D(2)混水与搅拌
水使用纯水或性质相近者，半水石膏粉的混水量30~35%之间，以螺旋状叶片于容器内搅拌均匀，成奶油状浆体，在浆体有充分流动性的期间倒入装有模型的成形框内，略为施以振动或施以10~10-1 torr之减压以脱泡，避免气泡沾附于模型表面，此时半水石膏产生水和反应，浆体的粘性上升，失去流动性，凝结而硬化，形成二水石膏，随结晶成长发热，引起凝结膨胀，历数十小时才结束膨胀。
(3)干燥
干燥石膏模法全工程中最耗费时间，也是最重要的步骤，急热会造成铸模破裂，因此应设定数段干燥温度，缓缓升温、加热，最终干燥温度为200~230℃，铸模反应，去水而成无水石膏。干燥装置最好使用温度自动控制的热风强制循环排风式电气干燥炉，炉内温度分布均匀，以缩短干燥时间，即直接设定最终干燥温度，铸模也很少产生破裂的情形。
2 利用石膏模的脱蜡铸造法
牙科用、戒指、首饰、装饰品和小型工艺品均应用这种方法作成，石膏作为粘结剂用，主体为白硅石等耐火材料。
' H( _6 X) v) Q将金属制作之成品原模型，放在两片橡胶之间，放于热压机上加热加压，使橡胶产生永久变形，而形成模型物之空模穴。将两片橡胶对合、锁紧，使注入口紧靠于注蜡机之注出口，以0.2~0.5 kg/cm2 之力力将熔蜡注满橡胶模。
冷凝之后打开橡胶模，取出蜡型，使用低功率之烙铁局部熔化蜡型，将之焊接于充当流道之蜡干上，进行组树作业，将组树放入不锈钢环内，倒入石膏浆，然后振动和真空脱泡。
石膏模硬化后在室温放置12小时以上，使用电炉(120~150℃)或压力钠蒸汽脱蜡，脱蜡后的铸模缓缓升温到650~800℃烧成，将渗附于石膏表面的蜡质完全烧除。残余蜡质燃烧不完全时，成为碳残留会在铸件表面形成缺陷。
( n% J# x5 F+ }+ y/ }$ H+ d在烧成温度保持一段时间，使铸模内外温度均匀，在炉内徐徐冷邿到适于浇注的温度，然后取出石膏模放入真空铸造机或离心铸造机内进行浇注。首饰如戒指、胸针等形状十分复杂，具有细微凹凸纹路之成品均以离心铸造法制成。铸造机附设有高周波加热装置以熔化坩埚内之贵金属，再藉离心力(400~1000rpm)使熔融金属注满石膏模，冷凝后锤打不锈钢环，取出石膏模，再以水枪冲散石膏，取出铸件处理之。
如佛像花瓶或其它较大件之工艺品则使用真空铸造机制成。
4 陶壳模法
# Z: ?, s6 F4 G: ?2 e+ S陶壳模铸件大都是少量生产，不易机械化、自动化、成本高，因而，其适用范围颇受限制，主要对像有：
) Z$ P! d& f. c; {0 m8 D(1)本为焊接而成者可一体铸成
9 p) t* h$ N2 o" I% G6 @(2)切削性不良的材料可大减细加工量
(3)美术工艺品形状复杂者
6 `; [! ]9 A+ \; j& t跟脱蜡铸造比较，可作成大铸件或厚肉件或者在数量上脱蜡铸造法嫌太少者。适用制品有：
(1)各种金属模具：压铸用、塑料成形用（射出成形、热压成形）玻璃制品用、橡胶制品用、锻造用。
; d# f  Q% \( a7 u(2)叶片：大型蒸汽涡轮，各种动叶轮
( ^* @3 c  z" l/ W0 p2 D# ]0 o. n7 U& D(3)零件：电子导波管、飞机用安定器、阀体等
陶壳模法系以硅酸胶溶体为结合剂，混合耐火材料粉末填充剂及胶凝体化促
进剂，作成浆体。将有充分流动性的浆体浇覆于模型表面，待浆体凝结，后脱模，以700℃脱水，干燥，以1000℃烧成以提高强度，做成陶壳模。陶壳模的厚度为3~20mm，浇注大型铸件时，其背面须衬垫，以托撑材料以承体金属熔液之重量。
模型材料在量少时使用表面处理过的材料，大量生产时使用金属或树脂，填充剂使用高纯度、高熔点的耐火材料以防止与熔融金属产生反应，其材质依浇铸金属的种类而定，耐火材料的粒度分布是大粒子混以小粒子粉粒，可获得适度的强度与表面度，胶凝体化促进剂使用的目的在于加速结合剂的固化，一般使用碱性物如碳酸铵等。
调整填充剂与结合剂之重量百分比，可控制浆体之流动性，陶壳模之强度与透气性。填充剂之使用量使泡成浆体之体积为结剂体积的1.5~2.5倍。
陶壳模之背托撑模可以使用干燥模、油砂模、二氧化碳模，也可以使用永久性的金属模。陶壳模在浇铸前须预热，浇铸钢铁材料为500℃，低熔点金属则为200℃，浇铸中或浇铸后，最好是于惰性气体中进行以防止氧化或脱碳之发生。
2 p3 g6 p& c$ c* I3 V文章关键词： 铸造、铸件