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壓鑄

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鋁和鎂壓鑄而成的發動機部件

壓鑄，或者稱壓力鑄造，是一種金屬鑄造工藝，其特點是利用模具腔對鎔化的金屬施加高壓。模具通常是用強度更高的合金加工而成的，這個過程有些類似注塑成型。大多數壓鑄鑄件都是不含鐵的，例如鋅、銅、鋁、鎂、鉛、錫以及鉛錫合金以及它們的合金。根據壓鑄類型的不同，需要使用冷室壓鑄機或者熱室壓鑄機。

鑄造設備和模具的造價高昂，因此壓鑄工藝一般只會用於批量製造大量產品。製造壓鑄的零部件相對來說比較容易，這一般只需要四個主要步驟，單項成本增量很低。壓鑄特別適合製造大量的中小型鑄件，因此壓鑄是各種鑄造工藝中使用最廣泛的一種[1]。同其他鑄造技術相比，壓鑄的表面更為平整，擁有更高的尺寸一致性。

在傳統壓鑄工藝的基礎上誕生了幾種改進型的工藝，包括減少鑄造缺陷排除氣孔的無孔壓鑄工藝。主要用於加工鋅，可以減少廢棄物增加成品率的直接注射工藝。還有由通用動力公司發明的精速密壓鑄技術以及半固態壓鑄等等新式壓鑄工藝。

歷史

1838年，為了製造活字印刷的模具，人們發明了壓鑄設備。第一個與壓鑄有關的專利頒佈於1849年，它是一種小型的，用來生產印刷機鉛字的手動機器。1885年奧托·默根特勒（Otto Mergenthaler）發明了Linotype排字機，這種機器能夠將一整行文字壓鑄成一個單獨的鉛字，它給印刷界帶來了前所未有的革新。在印刷業進入大規模工業化後，傳統的手壓字模已經被壓鑄取代。1900年左右，鑄字排版進入市場使得印刷業自動化技術進一步提高，因此有的時候在報社內能看見十多台壓鑄機。隨着消費產品的不斷增長，奧托的發明獲得了越來越多的應用。人們可以利用壓鑄大批量地製造零部件產品[1]。1966年[2]，通用動力發明了精速密壓鑄工藝，這種工藝有時也被稱作雙沖頭壓鑄[3]。

過程

傳統壓鑄工藝主要由四個步驟組成，或者稱做高壓壓鑄[3]。步驟包括模具準備、填充、注射以及落砂，它們也是各種改良版壓鑄工藝的基礎。在準備過程中需要向模腔內噴上潤滑劑，潤滑劑除了可以幫助控制模具的溫度之外還可以有助於鑄件脫模。然後就可以關閉模具，用高壓將熔融金屬注射進模具內，這個壓力範圍大約在10到175兆帕之間。當熔融金屬填充完畢後，壓力就會一直保持直到鑄件凝固。然後推杆就會推出所有的鑄件，由於一個模具內可能會有多個模腔，所以每次鑄造過程中可能會產生多個鑄件。落紗的過程則需要分離殘渣，包括造模口、流道、澆口以及飛邊。這個過程通常是通過一個特別的修整模具擠壓鑄件來完成的。其它的落砂方法包括鋸和打磨。如果澆口比較易碎，可以直接摔打鑄件，這樣可以節省人力。多餘的造模口可以在熔化後重複使用[4]。通常的產量大約為67%[5]。

高壓注射導致填充模具的速度非常快，這樣在任何部分凝固之前熔融金屬就可填充滿整個模具。通過這種方式，就算是很難填充的薄壁部分也可以避免表面不連續性。不過這也會導致空氣滯留，因為快速填充模具時空氣很難逃逸。通過在分型線上安放排氣口的方式可以減少這種問題，不過就算是非常精密的工藝也會在鑄件中心部位殘留下氣孔[6]。大多數壓鑄可以通過二次加工來完成一些無法通過鑄造完成的結構，例如鑽孔、拋光。

檢查

參見：鑄造缺陷

落紗完畢之後就可以檢查缺陷了，最常見的缺陷包括滯流（澆不滿）以及冷疤。這些缺陷可能是由模具或熔融金屬溫度不足、金屬混有雜質、通氣口太少、潤滑劑太多等原因造成。其它的缺陷包括氣孔、縮孔、熱裂以及流痕。流痕是由澆口缺陷、鋒利的轉角或者過多的潤滑劑而遺留在鑄件表面的痕跡[7]。

潤滑劑

水基潤滑劑被稱作乳劑，是最常用的潤滑劑類型，這是出於健康、環境以及安全性方面的考慮。不像溶劑型潤滑劑，如果將水中的礦物質運用合適的工藝去除掉，它是不會在鑄件中留下副產物的。如果處理水的過程不得當，水中的礦物質會導致鑄件表面缺陷以及不連續性。主要有四種水基潤滑劑：水摻油、油摻水、半合成以及合成。水摻油的潤滑劑是最好的，因為使用潤滑劑時水在沉積油的同時會通過蒸發冷卻模具的表面，這可以幫助脫模。通常，這類潤滑劑的比例為30份的水混合1份的油。而在極端情況下，這個比例可以達到100：1[8]。

可以用於潤滑劑的油包括重油、動物脂肪、植物脂肪以及合成油脂。重質殘油在室溫下粘性較高，而在壓鑄工藝中的高溫下，它會變成薄膜。潤滑劑中加入其它物質可以控制乳液粘度以及熱學性能。這些物質包括石墨、鋁以及雲母。其它化學添加劑可以避免灰塵以及氧化。水基潤滑劑中可以加入乳化劑，這樣油基潤滑劑就可以添加進水中，包括肥皂、酒精以及環氧乙烷[9]。

長久以來，通常使用的溶劑為基礎的潤滑劑包括柴油以及汽油。它們有利於鑄件脫出，然而每次壓鑄過程中會發生小型爆炸，這導致模腔壁上積累起碳元素。相比水基潤滑劑，溶劑為基礎的潤滑劑更為均勻[8]。

設備

壓鑄機主要可以分為熱室壓鑄機與冷室壓鑄機兩種不同的類型[4]，區別在於它們能承受多大的力量，典型的壓力範圍在400到4000千克之間[1]。

熱室壓鑄

熱室壓鑄機的圖解：1.蓋板2.鵝頸3.動力缸4.噴嘴座5.沖頭6.缸體7.坩堝8.熔融金屬9.噴嘴10.加熱區11.液態金屬入口12.燃燒室

熱室壓鑄，有時也被稱作鵝頸壓鑄，它的金屬池內是熔融狀態的液態、半液態金屬，這些金屬在壓力作用下填充模具。在循環開始時，機器的活塞處於收縮狀態，這時熔融態的金屬就可以填充鵝頸部位。氣壓或是液壓活塞擠壓金屬，將它填入模具之內。這個系統的優點包括循環速度快（大約每分鐘可以完成15個循環），容易實現自動化運作，同時將金屬熔化的過程也很方便。缺點則包括無法壓鑄熔點較高的金屬，同樣也不能壓鑄鋁，因為鋁會將熔化池內的鐵帶出。因而，通常來說熱室壓鑄機用於鋅、錫以及鉛的合金。[4]而且，熱室壓鑄很難用於壓鑄大型鑄件，通常這種工藝都是壓鑄小型鑄件。[10]

冷室壓鑄

冷室壓鑄機的圖解：1.下平板2.注射室3.傳輸管道4.動力缸5.熔融金屬6.保溫爐

當壓鑄無法用於熱室壓鑄工藝的金屬時可以採用冷室壓鑄，包括鋁、鎂、銅以及含鋁量較高的鋅合金。在這種工藝中，需要在一個獨立的坩堝中先把金屬熔化掉[11]。然後一定數量的熔融金屬被轉移到一個未被加熱的注射室或注射嘴中。通過液壓或者機械壓力，這些金屬被注入模具之中。由於需要把熔融金屬轉移進冷室，這種工藝最大的缺點是循環時間很長。[12]冷室壓鑄機還有立式與臥式之分，立式壓鑄機通常為小型機器，而臥式壓鑄機則具有各種型號[10]。

  • 開啟冷卻以及注射嘴
    開啟冷卻以及注射嘴
  • 完整的壓鑄機
    完整的壓鑄機
活動部分：1.滑動型芯栓2.支撐軌道3.固定型芯栓4.推杆背板5.推杆壓板6.推杆7.定位套8.澆口分流錐9.流道10.模腔11.推杆墊12.型芯頭
覆蓋部分：1.滑塊鎖2.斜導邊3.模腔嵌塊4.噴嘴焰清理區5.噴嘴座6.澆口襯套7.定位銷8.運水（控制溫度用）9.卡槽

模具

壓鑄模具由兩部分組成，分別是覆蓋部分與活動部分，它們結合的部分則被稱為分型線。在熱室壓鑄中，覆蓋部分擁有澆口，而在冷室壓鑄中則為注射口。熔融金屬可以從這裏進入模具，這個部位的形狀同熱室壓鑄中的注射嘴或是冷室壓鑄中的注射室相匹配。活動部分通常包括推杆以及流道，所謂流道是澆口和模腔之間的通道，熔化的金屬通過這個通道進入模腔。覆蓋部分通常連接在固定壓板或前壓板上，而活動部分則連接在可動壓板上。模腔被分成了兩個模腔鑲塊，它們是獨立的部件，可以通過螺栓相對容易地從模具上拆下或安裝[13]。

模具是經過特別設計的，當打開模具後鑄件會留在活動部分內。這樣活動部分的推杆就會把鑄件給推出去，推杆通常是通過壓板驅動的，它會準確地用同樣大小的力量同時驅動所有的推杆，這樣才能保證鑄件不被損壞。當鑄件被推出後，壓板收縮把所有的推杆收回，為下一次壓鑄做好準備。由於鑄件脫模時仍然處於高溫狀態，只有推杆的數量足夠多，才能保證平均到每根推杆上的壓力足夠小，不至於損壞鑄件。不過推杆仍然會留下痕跡，因此必須仔細設計，讓推杆的位置不會對鑄件的運作造成過多影響[13]。

模具中的其它部件包括型芯滑板等。型芯是用來在鑄件上開孔或開口的部件，它們也能用來增加鑄件的細節。型芯主要有三種：固定、活動以及鬆散型。固定型芯的方向同鑄件脫出模具的方向平行，它們要麼是固定的，要麼永久性地連接在模具上。可動型芯可以佈置在除了脫出方向以外的任何方向上，鑄件凝固後打開模具之前，必須利用分離裝置把活動型芯從模腔內拿出。滑塊和活動型芯很接近，最大的區別在於滑塊可以用來製造倒凹表面。在壓鑄中使用型芯和滑塊會大幅增加成本。[13]鬆散型芯也被稱作取出塊，可以用來製造複雜的表面，例如螺紋孔。在每個循環開始之前，需要先手動安裝滑塊，最後再同鑄件一起被推出。然後再取出鬆散型芯。鬆散型芯是價格最昂貴的型芯，因為製造它需要大量勞動，而且它會增加循環時間[14]。

排出口通常又細又長（大約0.13毫米），因此熔融金屬可以很快冷卻減少廢棄物。在壓鑄工藝中不需要使用冒口，因為熔融的金屬壓力很高，可以保證從澆口源源不斷地流入模具內[15]。

由於溫度的關係，對於模具來說最重要的材料特性在於抗熱振性以及柔軟性，其它的特徵包括淬透性、切削性、抗熱裂性、焊接性、可用性（特別是對於大型模具）以及成本。模具壽命直接取決於熔融金屬的溫度以及每個循環的時間[13]。用於壓鑄的模具通常是使用堅硬的工具鋼製造而成的，因為鑄鐵無法承受巨大的內部壓力，所以模具價格昂貴，這也導致開模成本很高[15]。在更高溫度下壓鑄的金屬需用使用更加堅硬的合金鋼[16]。

不同鑄件材料對應的模具組件與硬度
模具部件 鑄件金屬
錫、鉛、鋅 鋁和鎂 銅和青銅
材料 硬度 材料 硬度 材料 硬度
模腔插件 P20[注 1] 290–330 HB H13[注 2] 42–48 HRC DIN 1.2367 38–44 HRC
H11 46–50 HRC H11 42–48 HRC H20, H21, H22 44–48 HRC
H13 46–50 HRC
型芯 H13 46–52 HRC H13 44–48 HRC DIN 1.2367 40–46 HRC
DIN 1.2367 42–48 HRC
型芯栓 H13 48–52 HRC DIN 1.2367 37–40 HRC DIN 1.2367預硬化 37–40 HRC
澆口 H13 48–52 HRC H13
DIN 1.2367		 46–48 HRC
44–46 HRC		 DIN 1.2367 42–46 HRC
噴嘴 420不鏽鋼 40–44 HRC H13 42–48 HRC DIN 1.2367
H13		 40–44 HRC
42–48 HRC
推杆 H13[注 3] 46–50 HRC H13[注 3] 46–50 HRC H13[注 3] 46–50 HRC
柱塞套 H13[注 3] 46–50 HRC H13[注 3]
DIN 1.2367[注 3]		 42–48 HRC
42–48 HRC		 DIN 1.2367[注 3]
H13[注 3]		 42–46 HRC
42–46 HRC
夾持器 4140 約300 HB 4140預硬化 約300 HB 4140預硬化 約300 HB

壓鑄過程中會出現的主要缺陷包括磨損和侵蝕。其它缺陷包括熱裂以及熱疲勞。當模具表面由於溫度變化太大出現缺陷時，就會產生熱裂。而使用次數太多後，模具表面出現的缺陷則會產生熱疲勞[17]。

不同材料典型的鑄造溫度與模具壽命[18]
鋅 鋁 鎂 黃銅 （銅鉛合金）
模具壽命[循環次數] 1,000,000 100,000 100,000 10,000
模具溫度[C° (F°)] 218 (425) 288 (550) 260 (500) 500 (950)
鑄件溫度[C° (F°)] 400 (760) 660 (1220) 760 (1400) 1090 (2000)

使用的金屬

各種材料對應的最小截面積以及最小拔模角如以下表格所列，最厚截面應該低於13毫米。[14]

金屬 最小截面積 最小拔模角
鋁合金 0.89 mm（0.035英寸） 1:100 (0.6°)
黃銅以及青銅 1.27 mm（0.050英寸） 1:80 (0.7°)
鎂合金 1.27 mm（0.050英寸） 1:100 (0.6°)
鋅合金 0.63 mm（0.025英寸） 1:200 (0.3°)

用於壓鑄的金屬主要包括鋅、銅、鋁、鎂、鉛、錫以及鉛錫合金，雖然壓鑄鐵很罕見，不過也是可行的[19]。比較特殊的壓鑄金屬包括ZAMAK、鋁鋅合金以及美國鋁業協會的標準：AA380、AA384、AA386、AA390以及AZ91D鎂[20]。各種金屬的壓鑄時的特點如下[1]：

  • 鋅：最容易壓鑄的金屬，製造小型部件時很經濟，容易鍍膜，抗壓強度、塑性高，鑄造壽命長。
  • 鋁：質量輕、製造複雜和薄壁鑄件時尺寸穩定性高，耐腐蝕性強，機械性能好，高導熱以及導電性，高溫下強度依然很高。
  • 鎂：易於進行機械加工，強度重量比高，常用壓鑄金屬中最輕。
  • 銅：硬度高，耐腐蝕性強，常用壓鑄金屬中機械性能最好，抗磨損，強度接近鋼鐵。
  • 鉛和錫：密度高，尺寸精度極高，可用作特殊防腐蝕部件。出於公共衛生方面的考慮，這種合金不能用作食品加工、儲存設備。鉛錫銻的合金（有時也含一點銅）可以用來製造凸版印刷中的手工鉛字以及燙金。

使用鋁、銅、鎂和鋅進行壓鑄的質量上限分別為70英磅（32公斤）、10英磅（4.5公斤）、44英磅（20公斤）以及75英磅（34公斤）[21]。

優點以及缺點

壓鑄的優點包括，鑄件擁有優秀的尺寸精度。通常這取決於鑄造材料，典型的數值為最初2.5厘米尺寸時誤差0.1毫米，每增加1厘米誤差增加0.002毫米。相比其它鑄造工藝，它的鑄件表面光滑，圓角半徑大約為1-2.5微米。相對於沙箱或者永久模鑄造法來說可以製造壁厚大約0.75毫米的鑄件。它可以直接鑄造內部結構，比如絲套、加熱元件、高強度承載面。其它一些優點包括它能夠減少或避免二次機械加工，生產速度快、鑄件抗拉強度可達415兆帕、可以鑄造高流動性的金屬[14]。

壓鑄最大的缺點為成本很高。鑄造設備以及模具、模具相關組件相對其它鑄造方法來說都很貴。因此製造壓鑄件時生產大量產品才比較經濟。其它缺點包括：這個工藝只適用於流動性較高的金屬，而且鑄造質量必須介於30克與10千克之間。[注 4][14]在通常的壓鑄中，最後鑄造的一批鑄件總會有孔隙。因而不能進行任何熱處理或者焊接，因為縫隙內的氣體會在熱量作用下膨脹，從而導致內部的微型缺陷和表面的剝離[2]。

改進

精速密

精速密壓鑄（Acurad）是一種由通用動力在20世紀50、60年代中開發出來的壓鑄技術。這個工藝的英文Acurad是一個合成詞，它是由精確（accurate）、可靠（reliable）與密度（dense）三個英文單詞合成而來。相比於傳統的壓鑄工藝，這種工藝在提高加工速度的同時還結合了穩定填充以及定向凝固技術。它開創四項壓鑄技術方面的前沿領域：熱力學分析、流量與填充建模、可熱加工性以及高完整度壓鑄、間接擠壓鑄造[3]。

對於任何壓鑄工藝來說，熱力學分析都是首要的步驟。這是通過對熱力學系統建立電氣模擬來完成，先在電記錄紙上繪製模具的截面圖，然後再將熱負載和冷卻系統分佈繪製在紙上。不同磁場的大小表示液相線，電阻率的倒數代表導熱係數[3]。

精速密壓鑄使用底部填充系統，這需要一個穩定的流動前沿。因為還難以對精速密壓鑄進行計算機仿真，所以目前通常用邏輯思維以及試錯法，不過這些方法將會成為計算機模擬流量與填充建模的基礎[3]。

精速密壓鑄是第一種能夠成功鑄造含有少量鐵的鋁合金的壓鑄工藝，這些鋁合金包括A356、A357等。在傳統壓鑄工藝中，這些合金會焊接在模具上。類似的，精速密壓鑄可以加工美國軍用特種合金MIL-A-21180[3]。

精速密壓鑄使用兩個沖頭，因此它有時也被稱作套筒雙沖頭壓鑄。第二個沖頭位於第一重頭內部，當模腔或套筒內第一衝頭附近的鑄件發生局部凝固時，利用第二沖頭可以繼續施加壓力。雖然這個系統效率並不高，可是根據精速密壓鑄機製造商的研究，它的效率相當於第一衝頭在某個合適的時間施加足夠的壓力，這是一種間接擠壓鑄造。[3]第二個沖頭的再次施壓可以減少鑄件內的氣孔和縮孔。精速密壓鑄填充熔融金屬的速度只有傳統壓鑄的十分之一，這可以減輕渦流現象減少縮孔的出現。同時，為了發揮第二個沖頭的作用它的澆口比較大，還可人為控制冷卻的順序[22]。

無孔壓鑄

如果鑄件中不允許出現縮孔，則需要使用無孔壓鑄技術或者說充氧壓鑄技術。總體來說它很接近標註的壓鑄工藝，只是在每次壓鑄前需要往模腔內注射氧氣，這是為了排出模腔內的空氣。當熔融金屬填充模腔後，這些氧氣會產生微量的氧化物從而避免了氣孔。另外，這種工藝的另一個好處是帶來更高的強度。不同於標準的壓鑄工藝，這些鑄件可以進行熱處理和焊接。可以在鋁、鋅以及鉛合金中使用這種工藝[12]。

熱歧管直接注射

熱歧管直接注射壓鑄或稱無流道壓鑄，是一種用於壓鑄鋅的工藝。在這種工藝中，熔融的金屬鋅在壓力作用下通過加熱的歧管，然後經過加熱的噴嘴進入模腔。這種工藝的優點是成本較低並且節約能源，這是因為加工過程取消了造模口、澆口和流道，因而廢棄物較少。由於冷卻過程比較慢，鑄件的表面質量也會有所提升[12]。

半流動壓鑄

半流動壓鑄工藝中使用的金屬介於液態和固態之間，這種工藝可以製造更複雜的零件和更薄的壁板（以鎂為例，最小壁厚可達0.5毫米）。它生產出來的鑄件縮松少、壽命長，同時尺寸精度和表面性能都較好[23]。

註釋

  1. ^ 僅對於短期內加工鋅而言，P代表plastic，意指塑料模具用鋼
  2. ^ 熱作模具鋼，H1-H19含鉻5%，H20-H39含鉻3%-4%，含鎢9%-18%
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 氮化
  4. ^ 如果不需要進行二次加工和表面處理，壓鑄2000個以上零件就已經比較經濟

來源

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