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    中國古代三大鑄造技術都有哪些


    “冶石為器,千爐齊設”,晉曹毗《詠冶賦》的著名詩句,真實描繪了我國古代冶鑄生產的情景。在我國古代金屬加工工藝中,鑄造占著突出的地位,具有廣泛的社會影響,像“模范”、“陶冶”、“熔鑄”、“就范”等習語,就是沿用了鑄造業的術語。勞動人民通過世代相傳的長期生產實踐,創造了具有我國民族特色的傳統鑄造工藝。其中特別是泥范、鐵范和熔模鑄造最重要,稱古代三大鑄造技術。

      一、泥范鑄造
      最初的鑄造技術是使用石范。由于石料不容易加工,又不耐高溫,隨著制陶業的發展,很塊就改用泥范。在近代砂型鑄造之前的三千多年時間里,泥范鑄造一直是最主要的鑄造方法之一。

      簡介

      鑄造業在我國古代的金屬加工工藝中占有突出的地位,并產生過巨大的社會影響。今天我們在生活中還經常使用的“模范”、“熔鑄”、“泥范”等詞匯,就來源于古代鑄造業的術語。我國古代勞動人民在長期的生產實踐中,創造了陶范法、失臘法兩大傳統鑄造工藝。


      泥范鑄造的工藝

      1.制模

      用泥土按照器物原型雕刻成泥模;

      2.翻外范

      將調合均勻的泥土拍打成平泥片,按在泥模的外面,用力拍壓,使泥模上的紋飾反印在泥片上。等泥片半干后,按照器物的耳、足、鋬、底、邊、角或器物的對稱點,用刀劃成若干塊范,然后將相鄰的兩泥范做好相拼接的三角形榫卯,而后晾干,或用微火烘烤,修整剔補范內面的花紋,這就成了鑄造所用的外范;

      3.制內范

      將制外范使用過的泥模,趁濕刮去一薄層,再用火烤干,制成內范。刮去的厚度就是所鑄銅器的厚度;

      4.合范

      將內范倒置于底座上,再將外范塊置于內范周圍。外范合攏后,上面有封閉的范蓋,范蓋上至少留下一個澆注孔;

      5.澆鑄

      將融化的青銅溶液沿澆注孔注入,等銅液冷卻后,打碎外范,掏出內范,將所鑄的銅器取出,經過打磨修整,一件精美的青銅器就制作完成了。

      分鑄法作為基本工藝原則

      在制作復雜造型的青銅器時,古人還采用了分鑄法作為基本工藝原則,獲得復雜的器形;蛘呦辱T器身,再在上合范澆注附件(如獸頭、柱等);或者先鑄得附件(如鼎的耳、足等),再在澆注器身的時候鑄界成一體。著名的四羊尊(湖南寧鄉出土)就是使用了分鑄法才鑄成的。

      起源于商代前期

      這個方法的起源可以上溯到二里崗期(商代前期),到小屯期(商代后期),基本型式已經大體具備。


      春秋時期成為分鑄法的主流

      先鑄附件后鑄器身成為分鑄法的主流,新鄭彝器和戰國時期的鼎、壺等類多半是這樣鑄成的。運用簡單的工藝原則成功地解決復雜的工藝問題,執簡御繁,平凡的勞動中顯現出獨具的匠心,這是古代勞動人民的卓越創造,也是了解商周青銅器鑄造技術的一個關鍵。把像四羊尊這樣復雜的器物誤認為失蠟鑄件,是不符合實際的,把商周青銅器說得神秘莫測,不可逾越,那更是錯誤的。

      疊鑄法

      我國古代泥范鑄造的又一個杰出成就,是疊鑄法的早期出現和廣泛應用。所謂疊鑄是把許多個范塊或成對范片疊合裝配,由一個共用的澆道進行澆注,一次得到幾十甚至上百個鑄件。成本比較低至今仍在廣泛使用。我國最早的疊鑄件是戰國時期的齊刀幣,是用銅質范盒翻制出具有高度對稱性和互換性的范片,每兩片合成一層,多層疊澆而成。到了漢代,廣泛用于錢幣、車馬器的生產。近年來,在陜西、河南、山東等省,這種鑄范和烘窯多有出土。特別是河南溫縣西招賢村漢代冶鑄遺址一個烘范窯,就發掘出十六類、三十六種規格的五百多套疊鑄范,為我們了解這一工藝提供了很可貴的實物資料。它們結構巧妙,制作精細,為便于清理鑄件,內澆口厚度只有二到三·五毫米。用這些鑄范澆出的鑄件,表面光潔度達到五級(光潔度共分十四級)。金屬收得率可以達到百分之九十,工藝水平和廣東佛山近代所用同類方法已經札當接近。


      范鑄技術在我國源遠流長

      我國自新石器晚期,就進入銅石并用時代。河北唐山等地出土的早期銅器,有鍛打成形的,也有熔鑄成形的,說明范鑄技術在我國源遠流長,很早就發展起來。

      古代文獻中有不少關于昆吾(夏代的一個部落,居住在今河南渡陽市境北)制陶、鑄銅的記載以及禹鑄九鼎的傳說。從近年考古發掘來看,夏代已經能熔鑄青銅。最初的鑄型是使用石范。由于石料不容易加工,又不耐高溫,在制陶術發達的基礎上,很快就改用泥范,并且在長達三千多年的時間里,在隨著近代機器制造業的興起采用砂型鑄造以前,它一直是最主要的鑄造方法。

      商代早期以河南偃師二里頭遺址作為標志,已經用泥范鑄造銅錛、銅鑿等小型生產工具和銅鈴、銅爵等日用器具。稍后,以鄭州二里崗作為標志,青銅冶鑄業開始發達起來。鄭州張寨出土的兩件大方鼎,分別重六四·二五和八二·二五千克,表明商代中期鑄銅技術已經具有相當水平,從單面范、雙面范鑄造,發展到能用多個型、芯組成復合鑄范鑄作重達百斤以上的大型鑄件。

      盤庚遷殷以后,以安陽小屯殷墟作為標志,青銅冶鑄技術達到鼎盛時期。出土和傳世的幾萬件商、周青銅器,既是重要的歷史文物,又是冶鑄奴隸智慧和才能的結晶,它們的學術、藝術價值和技術水平是世所公認的。

      為了獲得形狀高度復雜、花紋精細奇麗的青銅鑄件,古代冶鑄工匠采取了一系列重要的工藝措施。

      例如:在造型材料的制備上,就地取材,精選質地純凈、耐火度比較高的砂泥,予以練制,鑄型表層所用的面泥,用水澄洗,得到極細極純的澄泥(澄泥),這種泥料有很好的塑性和強度,翻制鑄范的時候能得到很高的清晰度和準確度。背泥卻采用比較粗的泥料或雜以砂子、植物質,以減少澄泥的耗用量,增加鑄范的透氣性。所有泥料都要經過長期陰干,反覆摔掃,使它高度勻熟,不致在造型、干燥的時候開裂。

      成熟的工藝

      對于范芯的干燥、焙燒、裝配,均勻壁厚使它達到同時凝固,預熱鑄型使它能順利澆注等方面,商周時期都已經摸索出了一整套成熟的工藝,不但為后代的泥范鑄造,也為金屬型和熔模鑄造,奠定了技術基礎。

      但是,在剝削階級占有生產資料、掌握國家機器的社會條件下,勞動人民的科學技術創造成果總是被統治者所攫取,用來鎮壓、欺騙人民,滿足他們窮奢極欲的腐朽生活需要。商周青銅器中,禮、樂、兵、車四類占了絕大多數,生產工具為數很少,許多明器(陪葬器物)鑄成后就埋置地下。這種情形極大地阻礙了社會生產力的發展。以致在長達一千多年的時間里,泥范鑄造基本上停留在一次型的階段,到春秋時期才用多次型(半永久性泥型)鑄造銅工具(镢)。

      用泥范鑄造大型和特大型鑄件,從唐宋時期起,有很大發展。滄州五代時期的鐵獅,當陽北宋的鐵塔,北京大鐘寺明代的大鐘,都是世界聞名的巨大鑄件。宋應星《天工開物》卷八記述了兩種澆注大件的方法:一是用多個行爐相繼傾注(千斤以內的鐘),一是用多個熔爐槽注(萬鈞鐘)。這在古代手工業生產的技術條件下,應當說是一種巧妙而又需要熟練技巧和很好組織協同的工藝措施。就是在現代,要成功地澆注三四十噸的大鑄件,也不是一件輕而易舉的事。

      我國在商代早期就有了泥范鑄造,商代中期達到鼎盛時期。用這種方法,古代工匠們創造出了象司母戊鼎、四羊方尊這樣的曠世珍品。

      二、金屬鑄造
      簡介

      金屬鑄造(metal casting)是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里,經冷卻凝固、清整處理后得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。鑄造毛胚因近乎成形,而達到免機械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上減少了時間.鑄造是現代機械制造工業的基礎工藝之一。

      分類

      金屬鑄造種類造型方法習慣上分為:

     、 普通砂型鑄造,包括濕砂型、干砂型和化學硬化砂型3類。

     、 特種鑄造,按造型材料又可分為以天然礦產砂石為主要造型材料的特種鑄造(如熔模鑄造、泥型鑄造、鑄造車間殼型鑄造、負壓鑄造、實型鑄造、陶瓷型鑄造等)和以金屬為主要鑄型材料的特種鑄造(如金屬型鑄造、壓力鑄造、連續鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等)兩類。


      砂型鑄造流程

      金屬鑄造工藝通常包括:

     、 鑄型(使液態金屬成為固態鑄件的容器)準備,鑄型按所用材料可分為砂型、金屬型、陶瓷型、泥型、石墨型等,按使用次數可分為一次性型、半永久型和永久型,鑄型準備的優劣是影響鑄件質量的主要因素;

     、 鑄造金屬的熔化與澆注,鑄造金屬(鑄造合金)主要有鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金;

     、 鑄件處理和檢驗,鑄件處理包括清除型芯和鑄件表面異物、切除澆冒口、鏟磨毛刺和披縫等凸出物以及熱處理、整形、防銹處理和粗加工等。

      歷史

      在古代,中國、印度、巴比倫、埃及、希臘和羅馬就已經鑄造兵器、祭器、藝術品和家庭用具。早期的鑄件是用金、銀、銅及其合金制作的。青銅器時代是人類文明史上光輝燦爛的一頁;以后又出現鑄鐵件。中國早在戰國時期就廣泛使用鑄鐵件,技術傳統源遠流長。附圖是《天工開物》中的鑄釜圖(見冶金史)。金屬鑄造

      冶金和鑄造是相輔相成的工藝過程,中國古代“冶鑄”一詞反映了這一事實。盡管后世鑄造工藝已發展成機械制造工藝中相對獨立的分支學科,但與冶金工藝仍然密不可分。

     、 鑄鐵鑄鐵已有悠久的歷史,但發展速度緩慢。直到1722年,列奧米爾創制“沖天爐”,并開始用顯微鏡研究鑄鐵的組織和斷口,情況才發生變化。1734年斯韋登貝里(Svedenberg)所著《鑄鐵學》(De ferro)問世,對鑄鐵工藝有了初步的理論認識。1765~1785年間,由于蒸汽機的出現,從18世紀60年代起機器制造業中大量使用鑄鐵,運輸部門也使用鑄鐵軌,1788年為巴黎自來水廠生產了總長60公里的輸水鑄鐵管。鑄鐵需求量的增加發展,促進了鑄鐵的技術進步和理論研究工作。

     、 鑄鋼鋼的熔點高,成分控制(如脫氧等)復雜,直到1740年才出現坩堝法煉鋼,開始發展工藝。

     、 鑄鋁 1886年發明熔鹽電解制鋁。到20世紀初,鋁及其合金的鑄造業迅速發展起來,在有色金屬鑄造中已居首位。而傳統的銅合金鑄件所占的比例卻逐漸減少了。

      現在已發展出適應各種需求的金屬鑄造方法,可以經濟地制作復雜形狀和各種尺寸的鑄件。

      金屬的鑄造性能包括:

     、 流動性,液態金屬充滿鑄型的能力;

     、谑湛s傾向,從液態到固態體積收縮大,易產生縮孔等缺陷,又線性尺寸收縮大,影響鑄件的最終尺寸精度;

     、蹮崃褍A向,有的金屬和合金在鑄造過程中容易產生裂紋和偏析傾向(見金屬的凝固)等。

      三、熔模鑄造
      歷史

      我國的失蠟法至遲起源于春秋時期。河南淅川下寺2號楚墓出土的春秋時代的銅禁是迄今所知的最早的失蠟法鑄件。此銅禁四邊及側面均飾透雕云紋,四周有十二個立雕伏獸,體下共有十個立雕狀的獸足。透雕紋飾繁復多變,外形華麗而莊重,反映出春秋中期我國的失蠟法已經比較成熟。戰國、秦漢以后,失蠟法更為流行,尤其是隋唐至明、清期間,鑄造青銅器采用的多是失蠟法。

      失蠟法一般用于制作小型鑄件

      用這種方法鑄出的銅器既無范痕,又無墊片的痕跡,用它鑄造鏤空的器物更佳。中國傳統的熔模鑄造技術對世界的冶金發展有很大的影響,F代工業的熔模精密鑄造,就是從傳統的失蠟法發展而來的。雖然無論在所用蠟料、制模、造型材料、工藝方法等方面,它們都有很大的不同,但是它們的工藝原理是一致的。四十年代中期,美國工程師奧斯汀創立以他命名的現代熔模精密鑄造技術時,曾從中國傳統失蠟法得到啟示。1955年奧斯汀實驗室提出首創失蠟法的呈請,日本學者鹿取一男根據中國和日本歷史上使用失蠟法的事實表示異議,最后取得了勝訴。


      失蠟法

      概述

      熔模鑄造又稱"失蠟鑄造",通常是指在易熔材料制成模樣,在模樣表面包覆若干層耐火材料制成型殼,再將模樣熔化排出型殼,從而獲得無分型面的鑄型,經高溫焙燒后即可填砂澆注的鑄造方案。由于模樣廣泛采用蠟質材料來制造,故常將熔模鑄造稱為“失蠟鑄造”。

      可用熔模鑄造法生產的合金種類有碳素鋼、合金鋼、耐熱合金、不銹鋼、精密合金、永磁合金、軸承合金、銅合金、鋁合金、鈦合金和球墨鑄鐵等。

      熔模鑄件的形狀一般都比較復雜,鑄件上可鑄出孔的最小直徑可達0.5mm,鑄件的最小壁厚為0.3mm。在生產中可將一些原來由幾個零件組合而成的部件,通過改變零件的結構,設計成為整體零件而直接由熔模鑄造鑄出,以節省加工工時和金屬材料的消耗,使零件結構更為合理。

      熔模鑄件的重量大多為零點幾十牛(即幾十克到幾公斤),太重的鑄件用熔模鑄造法生產較為麻煩,但目前生產大的熔模鑄件的重量已達800牛左右。

      熔模鑄造工藝過程較復雜,且不易控制,使用和消耗的材料較貴,故它適用于生產形狀復雜、精度要求高、或很難進行其它加工的小型零件,如渦輪發動機的葉片等。

      熔模的制造

      熔模鑄造生產的第一個工序就是制造熔模,熔模是用來形成耐火型殼中型腔的模型,所以要獲得尺寸精度和表面光潔度高的鑄件,首先熔模本身就應該具有高的尺寸精度和表面光潔度。此外熔模本身的性能還應盡可能使隨后的制型殼等工序簡單易行。為得到上述高質量要求的熔模,除了應有好的壓型(壓制熔模的模具)外,還必須選擇合適的制模材料(簡稱模料)和合理的制模工藝。


      模料

      制模材料的性能不單應保證方便地制得尺寸精確和表面光潔度高,強度好,重量輕的熔模,它還應為型殼的制造和獲得良好鑄件創造條件。模料一般用蠟料、天然樹脂和塑料(合成樹脂)配制。凡主要用蠟料配制的模料稱為蠟基模料,它們的熔點較低,為60~70℃;凡主要用天然樹脂配制的模料稱為樹脂基模料,熔點稍高,約70~120℃。


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