蜡镶工艺综述.pdf

蜡镶工艺起源于20世纪80年代，在国外已经发展了近30年，其技术水平日趋成熟，蜡镶工艺曾被当作商业机密受到严格保密，但如今已不是什么秘密，很多厂商都在采用该技术。与传统金镶工艺不同，蜡镶工艺是预先将宝石镶嵌在蜡模上，经植蜡树、制石膏模、脱蜡后，宝石留在铸模中。浇注后得到已镶好宝石的首饰，随后只需简单的后期处理，就可得到成品首饰。蜡镶工艺相对金镶工艺而言，有许多独特的优点。由于蜡模有良好的柔韧性，在蜡模上镶石要比在金属上镶石容易得多，例如镶嵌一件有40颗圆形碎钻的密钉镶首饰，在传统金镶工艺中，如果由熟练的镶嵌工人来镶嵌，大约要2 h，而在蜡镶中，只需大约10 min即可完成宝石的镶嵌1。由于宝石托架、爪等是预先设计好的，在浇注时同时被浇注出来，无须后期修整，从而减少了贵重金属的浪费，同时由于金属熔体凝固时的收缩，使得宝石的镶嵌更牢固，不易脱落，从而提高了产品的质量。蜡镶的基本流程为：制蜡模镶石植蜡树制石膏模脱蜡浇注取铸件打磨抛光。下面就从蜡镶的基本流程出发，来分析蜡镶工艺中需要注意的若干问题。1蜡模制作制作蜡模是蜡镶工艺的第一步，也是很重要的一步。制作蜡模的关键问题是如何精确地控制蜡模的尺寸，当蜡模的尺寸偏小时，由于蜡的柔韧性，是可以将宝石镶进蜡模，但是经过浇注后，宝石受热膨胀和金属凝固时产生的收缩，将会导致宝石的破碎；反之，当蜡模的尺寸偏大时，宝石镶嵌不牢固，在灌制石膏模时，由于石膏浆的流动，又可能导致宝石移位。所以在设计蜡模时，要综合考虑宝石的镶嵌方式，胶模的收缩，蜡液冷却后的收缩以及金属凝固时的收缩等问题，以便控制好蜡模的尺寸。蜡模的制作方式有两种。第一种是传统起版的方式，先制作好银版，然后用银版压模，开模取出银版后，再在胶模中注蜡，获得蜡质阳模，这时候在蜡模上镶石，就可以得到一个镶好宝石的蜡模。这里有几点要注意，首先，蜡质需具备良好柔韧性，宝石才可以很容易地镶嵌到蜡模中；其次，在开模时，分型面!专题综述郭红云（深圳技师学院珠宝钟表系，广东深圳 518045）摘要：蜡镶工艺是近几年在国内兴起的一种新型首饰加工工艺，能大幅度地降低企业的生产成本，提高企业的生产效率和产品质量，但也存在一些技术难点，例如：宝石失色、脱蜡等问题。只有解决好这些问题，才能使蜡镶工艺更好地为企业生产服务。从蜡镶工艺的基本流程出发，就蜡镶工艺中需要注意的若干问题进行了探讨。关键词：蜡镶；首饰制作；蜡模中图分类号：TG293文献标识码：A文章编号：1001-4977（2010）09-0951-05GUO Hong-yun（Department of Jewelry and Watch-Clock,Shenzhen Institute of Technology,Shenzhen 518045,Guangdong,China）蜡镶工艺综述Review of Wax Setting Casting Technology收稿日期：2010-04-15收到初稿，2010-07-06收到修订稿。作者简介：郭红云（1973-），女，讲师，首饰制作技师，主要从事首饰制作技术方面的教学，以及贵金属材料加工制作技术的研究。电话：[phone]，E-mail：Abstract：Wax setting casting technology is a new kind technology of jewelry manufacturing inrecent years,which can save the cost,increase the producing efficiency and improve the quality ofproducts,but defects also exist in this process,such as colour losing of the stones and incompletedewaxing.If only these problems have been solved,can this technology better service the factory.Some problems are discussed from the basic flow of the process in the article,which need to bepaid attention to.Key words：wax setting;jewelry manufacturing;wax patternSep.2010Vol.59No.9铸造FOUNDRY951不能从宝石上经过2，即割开胶模后，宝石应完全位于一半的胶模中，不能露在分型面之外。在镶石之前，首先要检查蜡模的质量，除掉分型面在蜡模表面留下的痕迹，如有缺陷，应先对缺陷进行修补，方可进行镶石。蜡模制作的第二种方式是CAD/CAM的方式，如果要想获得尺寸精确的蜡模，毫无疑问，CAD/CAM方式是首选。快速成型是利用计算机将设计的三维模型切成一层层的薄片，从而得到各层的截面轮廓信息，计算机利用此信息控制喷嘴，喷出一层层的液态树脂，经固化后就得到一个三维的实体模型。通过这种方式获得蜡模的优势在于可以精确控制蜡模尺寸，虽然有经验的起版师傅可以尽可能地制作出与设计尺寸大小一致的蜡模，但其精确程度却远远比不上电脑，特别是在轨道镶，微镶首饰中，宝石一般很小，且宝石之间的尺寸也有严格控制，这就更需要严格控制好尺寸的大小。例如在微镶中，要求只有在放大镜下才可以看见宝石之间的界限，宝石的间距大约为0.05 mm，见图1。这样微小的尺寸，人工操作很难，只有采用快速成型的方式制作蜡模来实现镶石。例如，如果距离为0.04mm，其偏差度就达到了20%，在浇注时，由于宝石受热膨胀，以及金属熔体的凝固，致使宝石相互挤压，这就有可能导致宝石破裂。但是CAD/CAM方式的缺点是其成本过高，一般企业难以承受，一台Solidscape公司的ModelMakerII快速成型机价格约70 000美元3，制作原模时，每毫米高的成本约为1015美元。不过随着新技术、新材料的发展，CAD/CAM的成本必然会越来越低，采用CAD/CAM系统，将是首饰行业提高生产力的必然趋势。2镶石当蜡模制作好以后，就需要在蜡模上镶石，在镶石之前，首先要考虑镶嵌的宝石是否适合做蜡镶。一般来说大部分硬度不高的宝石、有机宝石都不适合做蜡镶，适合做蜡镶的宝石一般要求硬度高，裂隙、包裹体较少，且在一定温度下受热不变色。除了这几个因素以外，宝石的大小以及款式都对最终结果有影响。尺寸小的宝石比尺寸大的宝石更能够抵抗热冲击，那些腰部边角很小的宝石以及顶角尖锐的宝石对热冲击的抵抗能力更差，因为那些尖锐的部分更容易破碎。因此在做蜡镶时要综合考虑这些因素，对那些珍贵的宝石，如果没有十足的把握，一般不宜冒险做蜡镶。最适合做蜡镶的宝石有：钻石、红宝石、蓝宝石，石榴子石，立锆等。不适合做蜡镶的宝石有：祖母绿，紫水晶、青金石、珍珠、蓝色托帕石、碧玺、绿松石、红玛瑙等4。不过这种划分并不是绝对的，只要采取特定的保护措施，许多不适合蜡镶的宝石也可以做蜡镶。镶石后，要仔细检查宝石的镶嵌质量，宝石应牢固地镶嵌在托架上，不能松散、歪斜。修整完后还要检查宝石表面及底部是否覆盖有残余的蜡质，如有，则需将其清除，以免浇注时被金属熔体取代而导致宝石被覆盖。对轨道镶而言，相邻的宝石不能接触（图2a），相互之间不能有重叠的部分（图2b），否则在后期的浇注中，由于金属熔体冷凝收缩，以及宝石受热膨胀，都将导致宝石之间相互挤压而破裂。3植蜡树植蜡树的方法与普通失蜡法中的植法基本相同，只是在蜡镶工艺中，由于宝石是预先镶嵌在蜡模中的，在后期的浇注过程中，由于真空浇注设备的真空吸引力作用，将在浇注水口附近产生巨大的真空吸引力，使金属熔体高速向下流动，所以为了保护宝石不至于被高速流动的金属熔体移位，在离浇注口最近的两层，一般植上没有镶石的蜡模，作为缓冲层，从第三层才开始植镶石的蜡模。在蜡树的最底端，由于金属熔体流速降低，为了防止金属熔体不能完全填充底端的空穴，一般要求底端的蜡模与钢筒的底部要保持一定的距离5，如图3所示。图1微镶中宝石之间的距离Fig.1 Distance betweengemstones of invisible setting图2轨道镶中宝石的不正确镶嵌Fig.2 Incorrecttrack-setting gemstones（a）宝石相互接触（b）宝石相互重叠图3植蜡树Fig.3 Setting wax treeFOUNDRYSep.2010Vol.59No.9952作为金属熔体通道的蜡芯，其熔点要比蜡模的熔点低，在脱蜡时蜡芯先熔化流出铸模，从而为方便蜡模熔化后的流出，避免蜡模先熔化不能流出而产生压力，使宝石移位。由于蜡镶工艺中，金属熔体的温度不能加热的过高，因此浇注时，凝固时间也相应地缩短，对于首饰表面的花纹、宝石的爪等细小部位来说，可能来不及完全填充就开始凝固了，因此有必要加大水口的尺寸，保证有足够的金属熔体填充铸模。4制石膏模石膏模的制作方式与普通失蜡浇注法基本相同，所不同的是两种工艺所使用的石膏粉不同，在蜡镶法中，由于宝石是预先镶嵌在蜡模上的，在浇注时，为了保护宝石受热后不至于破裂，变色，有必要在石膏粉中加入一种添加剂，这种添加剂一方面要能在高温下保护宝石，另一方面要不影响铸件的表面光洁度，不能产生气孔、砂眼等。添加剂能够保护宝石的机理尚无科学的解释，一般认为，硼酸受热时变为玻璃质的物质，能阻止氧气与宝石接触，防止宝石表面氧化，使得宝石能够耐高温。添加剂的含量大约为2%，目前很多厂商生产这种含添加剂的石膏粉，较著名的有Ranson&Randolph公司的Solitaire牌石膏粉、SRS公司的Stonecast牌石膏粉、Hoben公司的Gemset牌石膏粉、Kerrlab公司的SatinCastDiamante牌石膏粉。用户可以直接购买已配制好的石膏粉，也可以自己按照下述方法配制添加剂。在每千克石膏粉中加入28.5 g硼酸粉，1.5 g硼砂，先将水加热到沸腾状态，加入硼酸和硼砂，并充分搅拌，待其完全溶化后，将水冷却到室温，然后再加入石膏粉制作成石膏浆。其制作方式类似于普通失蜡浇注法，不同的是，由于添加剂的存在，使得石膏浆在56 min后就开始凝固，因而操作过程必须迅速，以免来不及充分搅拌、抽真空，石膏浆就凝固了。在灌制石膏浆时，最好采用一种有孔的钢筒，便于在真空浇注时排出铸模内部的空气，从而提高浇注质量。使用时先用塑料膜、或者硬纸片等将钢筒封闭，避免石膏浆流出，待其凝固后，再除掉封闭物即可。5脱蜡灌制好石膏浆后，需要将钢筒放置24 h，然后才能进行脱蜡。脱蜡有3个目的：使石膏浆进一步硬化；清除石膏模中的蜡质以及其他的残留物，使得浇注时不至于产生砂眼；将石膏模的温度提高到一定程度，以适应金属熔体的温度。在蜡镶工艺中，始终要考虑到的一个问题，也就是如何保护宝石，使宝石不至于受热破裂或者变色。在脱蜡过程中也不例外，这就要求在脱蜡过程中，尽可能使蜡质在低温阶段脱去，避免高温脱蜡时间过长而损坏宝石。脱蜡方式有两种，即低温脱蜡和高温脱蜡，这里介绍一种采用蒸汽脱蜡法的低温脱蜡方式。蒸汽脱蜡原理图如图4所示1。在脱蜡之前，要先预热蒸汽脱蜡设备，先将水加热到沸腾状态，然后才能将钢筒放进去，盖上防护罩，保持水不断的沸腾。由于水蒸气的温度比沸腾的水的温度高，蜡在150 就开始熔化，故可利用水蒸气的温度使蜡熔化，熔化的蜡从钢筒中向下流到容器中。这种方式可以脱去大约75%的蜡质，由于水蒸气可以使石膏模湿润，且脱蜡的温度在150 左右，如果脱蜡时间过长，凝固的石膏可能变得疏松破碎，故蒸汽脱蜡的时间不能超过1 h，之后要立即将钢筒转移到烤炉中继续脱蜡。在转移时，应先将烤炉的温度预热到180 左右，然后将钢筒从蒸汽脱蜡设备中转移到烤炉中，保持烤炉的温度180 不变，在这个温度下，被水蒸气湿润的石膏模会逐渐干燥，2 h后，再升高温度继续脱蜡，使剩余的蜡和其他残留物脱去。不同品牌的石膏粉，由于其添加剂不同，其脱蜡时间和过程也不尽相同。以SRS公司的Stonecast石膏粉为例，其脱蜡过程如下：先将灌制的石膏浆放置23 h，待其充分凝固后，采用蒸汽脱蜡的方式脱去大部分蜡质，时间为45 min到1 h，然后放入预热的烤炉中，在150时让铸模充分干燥4h，然后将温度上升到375，2 h后再将温度升高到675，在675 处脱蜡3 h，然后将温度降低到浇注金属熔点以下400 左右，保持这个温度3 h，即可进行浇注。尽管不同的石膏粉其脱蜡过程不尽相同，但对同种宝石来说，都有一个最高极限温度，对钻石和一般宝石来说，最高温度一般不能超过630，有特殊添加剂的可以适当提高温度。立锆的最高温度可以达到730，浇注时，应确保熔体的温度在宝石的安全温度以下，避免高温损坏宝石。图4蒸汽脱蜡原理图Fig.4 Schematic of autoclave dewaxing铸造郭红云：蜡镶工艺综述9536浇注浇注中最重要的问题是如何控制金属熔体的温度，既要保证浇注质量，又要保护宝石。因此，要求浇注设备具有精确的温度控制能力，并且最好选择真空浇注设备。因为离心式浇注机在浇注过程中会产生巨大的离心力，由于金属熔体的冲击作用，可能导致宝石移位。石膏模中的宝石经受的温度是一个系统温度，既与浇注熔体的温度有关，也与钢筒的温度有关。在保证浇注质量的情况下，金属熔体的温度要尽可能低，一般以高于金属熔点100150 为宜，以减少对宝石的热冲击。图5为真空浇注原理图。在脱蜡阶段，由于烤炉的高温作用，使得铸模体内产生许多微小的空隙6，在真空浇注时，便于铸模体内的空气被真空机吸出体外，有助于提高铸件的质量。7取铸件、打磨抛光浇注完成后，待钢筒冷却大约4 min，这时金属熔体已基本凝固，此时，切记不可放到冷水中炸洗，否则将导致宝石的破裂。正确的做法是，使用小锤子在钢筒四周轻轻敲打，使钢筒周围凝固的石膏破碎，待钢筒冷却到室温时，再在钢筒底部轻轻敲打，必要时可以用水浸湿石膏，慢慢地使石膏模脱离钢筒，从而取出首饰毛坯。首饰毛坯取出后再用高压水枪冲洗干净，仔细检查毛坯的质量，如果没有质量问题，即可将毛坯首饰剪下，经打磨抛光，得到一件成品首饰。8蜡镶铸造中常见的缺陷及预防措施烂石是宝石经过铸造后产生破碎、报废的情况，产生烂石的主要原因有：宝石本身裂隙发育、经过高温冲击导致裂隙扩展，从而导致宝石破裂。因此，在做蜡镶时，应该选择品质较好的宝石。宝石的镶爪或者迫边太紧，金属冷凝时收缩会挤压宝石，当挤压的力度超过宝石所能承受的范围时，宝石便会破裂。因此，在镶石时，要注意避免宝石和蜡模接触太紧。对于圆石及方石的槽镶，若宝石之间预留的空隙太小或者宝石相互挤压、重叠，金属冷凝时收缩会导致宝石相互挤压而破裂。因此，在镶石时，要注意避免宝石之间接触太紧或相互挤压。变色是宝石经过铸造后颜色发生改变的情况，出现变色的主要原因有两个方面：有些宝石本身不适合蜡镶铸造。裂隙发育的宝石经受高温及热冲击后很可能会变色。有些宝石（如紫晶、蓝色黄玉、黄水晶等）的颜色遇热不稳定，因此这类宝石不适合用蜡镶铸造。要确定宝石是否适合蜡镶铸造，可先试验宝石的耐热性及宝石对热冲击的承受能力。通过人工改善颜色的宝石，其颜色多不稳定，加热后颜色会改变或褪色。因此，这类宝石也不适宜用蜡镶铸造。除了宝石自身的性质外，铸型温度也是产生宝石失色的重要原因。铸型温度过高或金属铸造温度过高都会对铸造过程中宝石的安全性造成严重影响。多数宝石都有一个极限承受温度，超过这个温度后，宝石的颜色甚至晶体结构都会发生改变。因此，蜡镶铸造过程中要尽量降低铸型温度和金属铸造温度。黑石产生的主要原因是宝石镶口内部存在金属膜，导致宝石不透光所致。宝石底部遮盖的面积越多，宝石的光亮度也越差，黑石的情况就越严重。在蜡膜镶石的阶段，要仔细清理宝石底部残留的蜡膜、蜡屑，避免浇注后蜡料空间被金属淤积所取代，影响宝石的透光度。松石、掉石是指经过浇注后，宝石没有牢靠地镶嵌在金属托架上。可能的原因有：蜡模镶石的时候，宝石与镶口之间的间隙过大。所以，在蜡模镶石的时候，要注意宝石要轻轻贴住镶口。蜡边太短，宝石和蜡模之间接触面太小。所以，在蜡模镶石的时候，宝石卡位的深度要适当。对宝石与镶口严重不配时，需要考虑对部分宝石进行车石。浇注时，金属熔液的冲击力度太大，导致宝石移位。因此，在浇注的时候，要控制浇注机的浇注力度，避免冲击力过大。9结束语综上所述，与传统的金镶工艺相比，蜡镶制造工艺可以明显提高生产效率，降低生产成本。衡量蜡镶效果好坏的一个重要指标就是宝石的稳定性，蜡镶铸造后的宝石不能出现松石、掉石、变色、开裂、破碎等问题。但是，蜡镶铸造是一个复杂的工艺过程，影响产品质量的因素较多。首先，要求宝石的品质较好，有一定的承受高温及热冲击作用的能力，无明显的裂隙或横断性裂纹，否则容易造成宝石破碎或失色；其次，镶石时一定要控制宝石间隙，避免出现叠石、石挤石、石角接触、V形间隙等问题；再次，控制好合图5真空浇注原理图Fig.5 Schematic of vacuumpouringFOUNDRYSep.2010Vol.59No.9954镶尺寸，避免宝石过多地藏在蜡里，在保证强度的前提下尽可能减少底蜡，而且石面、石底、蜡件要清洁，从而有效地避免黑石、烂石问题7；最后，企业生产中广泛地应用真空浇注法，既可以精确地控制金属熔体的温度，保证浇注质量，又能保护宝石，同时也可降低因浇注过程中的紊流而使宝石移位的风险。参考文献：1Hubert Schuster H C.Problems，cause and their solutions on thestone-in-place casting process EB/OL.http：/www.srs-ltd.co.uk/support/downloads/datasheets/datasheets_problem_causes.pdf.2Ajit Menon.Casting gemstones in place EB/OL.http：/www.srs-ltd.co.uk/support/downloads/datasheets/datasheets_casting_gemst-ones.pdf.3NancyAttaway.CAD/CAMforthe studio artistEB/OL.http：/ Menon.Casting withthe stones already set inthe waxes EB/OL.http：/www.srs-ltd.co.uk/clickset/Further/Further%20Info/Ajit%20Menon%20-%20AJM%20Magazine.pdf.5Suzanne Wade.Stone-in-place casting EB/OL.http：/www.srs-ltd.co.uk/support/downloads/datasheets/datasheets stone_in_place.pdf.6Ian Mckeer.Stone-in-place casting：the investment perspectiveC/The Santa Fe symposium on jewelry manufacturing technology，2004：293-314.7袁军平，王昶，李佳，等.蜡镶操作对首饰蜡镶铸造中宝石外观效果的影响 J.铸造，2008（9）：935-937.（编辑：潘继勇，）铸造郭红云：蜡镶工艺综述955