焚失法又称失模铸造或失绳铸造，是一种整体铸型工艺，最早见于商代中晚期[1，2]。焚失法是指用可焚烧材料作为制模材料，如木材、植物纤维、淀粉等，通过高温焙烧，制模材料焚烧成灰，接着清除灰烬，获得铸件型腔，再经浇注获得铸件的工艺[3]。焚失法是失蜡铸造的起源，不同于失蜡铸造，不需要制作原模，省去了繁琐的制模工艺[4]。该工艺对材料具有针对性，大多可燃性好的植物材料，采用焚失法均能复刻出1∶1的天然植物金属艺术品。石膏型铸造是指采用石膏作为铸型材料的一种铸造工艺，石膏型铸造具有可复制性好、溃散性好、铸件粗糙度低等特点，被广泛应用于制造各种艺术铸件[5～7]。将焚失法与石膏型铸造工艺相结合，可发挥二者各自的优点。目前国内对以石膏型替代传统泥范的焚失法的研究报道较少。本课题以朽木、花枝为模，采用石膏作为铸型材料，经多次焙烧，铸造出的天然植物金属艺术品具有造型逼真的特点。
1试验材料及方法
1.1试验材料及设备
采用朽木(220mm×80mm×40mm)、花枝(150mm×60mm×6mm)作为原模，采用材料还有ZL104铝合金、α型石膏、铝矾土(100目)、硅溶胶、铋基合金、硫酸亚铁、焦磷酸钠等。用EU-2型液压万能强度试验机、GB269-24型针入度检测仪、FL7500型正置金相显微镜对石膏型壳进行性能分析。
1.2工艺流程
首先，在朽木表面涂上一层石膏型面层，经一次焙烧，使朽木完全燃烧成灰，接着破壳清理木灰，得到原型状空腔，再将面层石膏型修补还原，然后涂上石膏型加固层，随后二次焙烧，设计组装浇冒口，最后浇注金属液，凝固完毕后进行破型取件。图1为天然植物金属艺术品制作流程。
2试验结果与分析
2.1石膏型粘结机理
石膏型是由α型半水石膏、铝矾土、粘结剂以及添加剂混制而成。所采用的石膏型具体配方见表1。反应生成的二水石膏在水中的溶解度远小于半水石膏，使溶液处于过饱和状态，二水石膏在过饱和溶液中将以胶体微粒析出，之后半水石膏不断溶解和水化，直至完全消失。在这个过程中，浆体中的游离水分不断减少，浆体粘度不断增加，胶体微粒逐渐凝聚成晶体，晶体之间相互交错，使浆体产生强度，石膏发生硬化。图2为石膏型的显微组织。可以看出，在石膏型面层中，加入添加剂后其中的硫酸亚铁促凝效果较好，可提高半水石膏在水中的溶解速度，促进二水石膏形核和长大，从而增加结晶点数量，强化结晶结构网;其次，焦磷酸钠和硫酸亚铁混合后会发生络合反应，形成胶状溶液，附着在石膏和填料表面，与硫酸亚铁结晶网络交错，可进一步提高强度。但在高温焙烧后，络合物会分解成焦磷酸钠和硫酸亚铁，硫酸亚铁又分解成氧化铁，焦磷酸钠极易吸水潮解，氧化铁极易软化溃散，最终使联结网络溶失溃散，石膏型显微组织中出现大量黑色粉料，见图2a，从而使石膏型具有良好的溃散性，较低的型壳强度，提高破型效果。(2)石膏型加固层中，加入粘结剂，粘结剂中的硅溶胶是一类无定型的SiO2微粒分散在水中形成的胶体溶液，在石膏干燥过程中，水分不断蒸发散逸，硅溶胶逐渐丧失稳定性，溶胶中SiO2粒子互相聚集，最后缩聚成三维网络结构的冻胶，见图2b。这种三维网络结构可显著增强石膏型强度，有效阻止石膏型壳的开裂[8]。
2.2石膏型性能分析
面层石膏型和加固层石膏型的强度和石膏型壳的针入度见图3。可以看出，面层石膏型抗拉强度和抗弯强度低，有助于第一次焙烧后的破壳清灰，且针入度高，具有较好的透气性，在金属液浇注凝固时，能有效减少铸件内部气孔;加固层石膏型抗拉强度和抗弯强度高，能有效防止石膏型的开裂和变形，保证了铸件的尺寸精度。
2.3成形工艺分析
焚失法是通过原模的焚失来获得原型状空腔，要求原模能够较容易焚失。一般木材(淀粉类)容易燃烧，故选择朽木和花枝为原模，见图4。2.3.1石膏型面层和加固层的制作采用石膏材料作为铸型，利用石膏良好的膨胀复印能力，能够很好地复制出母模。由于工艺的要求，分别是石膏型面层和加固层。石膏型面层要求较低的强度，溃散性好，有利于焚烧之后的破壳清理。首先，将50%的α型半水石膏和50%的铝矾土混合并加入添加剂，搅拌均匀得到石膏浆料，然后进行实体挂浆，将朽木浸入石膏浆料中，使朽木表面完全覆盖上一层石膏浆料。待石膏型成型后自然晾干24h。在石膏型面层表面再涂上一层加固层。石膏加固层浆料中加入硅溶胶粘结剂，制作工艺与面层相同。2.3.2焙烧工艺石膏型需经两次焙烧，第一次高温焙烧主要是将原模完全燃烧成烬，获得原型状空腔。再将石膏型放入电阻炉中加热，严格控制加热温度和保温时间，采用分级加热，加热速度平缓，防止因温度急剧变化时石膏型发生开裂。焙烧工艺见图5。第二次焙烧是将石膏型内残余模料、未排除的结晶水及其他发气物燃烧和挥发，并使石膏固化、稳定，提高石膏型的强度。焙烧温度最高为400℃，同样采用分级加热工艺。2.3.3破壳清理和面层修补第一次焙烧温度最高为600℃。为得到原型状铸型，需要将残余灰烬清除干净。待高温焙烧后的石膏型温度降至一定程度后，将石膏型放置桌面上，用小木锤敲击石膏型表面的裂纹，使石膏型顺着裂纹裂开成几块。然后将每小块石膏型中的残灰倾倒出来，接着用吹风机吹出灰烬，保证铸型干净。最后将各小块铸型拼接，并用制石膏型面层所用浆料进行粘结，自然晾干24h，重新得到一个完整的原型状空腔。2.3.4浇注成型和破壳取件朽木石膏型用ZL104铝合金浇注，花枝石膏型用铋基合金浇注;ZL104铝合金的结晶温度范围窄，流动性较好，可得到形状完整、轮廓清晰的铸件。试验中需对石膏型进行预热，预热温度为300℃，并刷上涂料，保证金属液具有良好的充型能力。浇注温度为750℃，采用热型重力法，将铸型埋入砂箱，直接进行浇注。待铸件凝固后冷至室温，用木棒敲开铸型，使石膏与铸件分离。对于一些贴附在铸件表面的石膏，难以用木棒敲除时，采用水浸法去除，即将铸件放入水中浸泡一段时间，石膏在水中会自动变软，随后可取出铸件，用镊子即可将石膏去除。ZL104铝合金呈灰白色，考虑到美观性，对铸件上色，采用手喷漆对朽木喷上一层原木色的漆面，重复5次喷涂，使铸件各部分着色均匀，见图6。
2.4浇冒口设计
采用顶注式浇注系统，浇冒一体结构、工序简单，制作成本低，见图7。朽木形状复杂，尺寸大，浇冒口见图7a。花枝由许多小叶片和主分杆组成，属于薄壁铸件，采用较高的静压头，提高充型能力，有利于得到形状逼真的花枝，浇冒口设计见图7b。
2.5铸件结构分析
花枝由许多小叶片和主、分杆组成，若采用熔模铸造，蜡模制作工艺复杂，制作周期长;而采用基于焚失法的天然植物金属艺术品成形工艺，原模直接选取真实花枝，省去了繁琐的制模过程，利用石膏型复制性好的特点，可制造出逼真的花枝艺术品。
3结论
(1)焚失法不需要制作蜡模，减去了繁琐的制模工序，可用于制作形状复杂，造型独特的的铸件。采用石膏作为铸型材料，可制作形状复杂的铸件。基于焚失法的天然植物金属艺术品成形工艺给制作形状复杂、造型独特、独一无二的天然植物金属艺术品提供了一种新方法。(2)基于焚失法的天然植物金属艺术品成形工艺关键在于石膏型面层和加固层浆料的制作。石膏型面层浆料采用硫酸亚铁和焦磷酸铵混合溶液作为添加剂，第一次焙烧后强度低，透气性好，有利于破型清灰以及气体的排出。石膏型加固层浆料采用50%硅溶胶作为粘结剂，第二次焙烧后强度较高，能有效阻止铸型的变形和开裂。
参考文献
[1]万红，熊博文，芦刚.论中国古代青铜器的鉴赏[J].铸造技术，2018，39(8)：1700-1704，1708.
[2]谭德睿.变形夔纹分体甗-存在焚失法的又一生动例证-《中国古代艺术铸造系列图说》之三十九[J].特种铸造及有色合金，2010，30(3)：293-294.
[3]谭德睿.中国古代失蜡铸造起源问题的思考[J].文物保护与考古科学，1994(2)：43-48.
[4]黄双修.失蜡法铸造技术-我国古代冶铸史上的伟大创造[J].中国养蜂，2002(4)：31-33.
[5]李传栻.石膏材料和石膏型制造工艺(上)[J].机械工人，2006(9)：55-58.
[6]陈美怡，厉松春，李自德，等.艺术品石膏型铸造[J].特种铸造及有色合金，1988(2)：17-22，11.
[7]高成勋.石膏型铸造工艺在铜质艺术铸件上的应用[J].铸造工程，2019(3)：64-66.
[8]万红，熊博文，徐志锋.石膏型熔模精铸水性硅溶胶制壳工艺研究[J].铸造技术，2010，31(12)：1658-1659.
《天然植物金属艺术品成形研究》来源：《特种铸造及有色合金》，作者：孙佳奕 万红 况家瑾 袁诚