金属铸造工艺

金属铸造工艺

金属铸造是制造由金属制成的材料的过程。它是一种用于成型热液态金属的成型工艺。这是获得近最终成型产品的最简单、最直接的途径，而且通常是最便宜的。这是一种将液态金属倒入模具中的过程，该模具包含所需形状的空腔，然后冷却和固化。凝固的部分也称为铸件，它被顶出或移出模具以完成该过程。铸造通常用于制作其他方法难以制作或不经济的复杂形状。

金属铸造工艺（图 1）有两个不同的细分，即 (i) 非消耗型铸造，和 (ii) 消耗型铸造。通过砂或金属等模具材料和重力、真空或低压等浇注方法进一步分解。

图 1 金属铸造工艺

非消耗性模具铸造工艺

非消耗型模具铸造是一种铸造工艺，其中模具在每个生产周期后都不需要改造。非消耗型模具铸造是一种铸造技术，它至少有 4 种不同的铸造工艺。这些是（i）连续铸造，（ii）离心铸造，（iii）压铸和（iv）永久模具铸造。这种铸造形式还可以提高所生产零件的可重复性，并提供接近最终形状的铸造。

连续铸造工艺

金属的连续铸造可以定义为连续生产大量具有恒定横截面的金属形状的精细铸造工艺。在此过程中，液态金属的浇注发生在水冷的开口铜模具中。这允许在“静止液体”中心上方形成一层固体金属。连铸中的液态金属由外向中心逐渐凝固。在初始凝固后，通常所说的线材会不断地从模具中取出。预定长度的钢绞线被机械剪或移动式氧燃料火炬切断，并转移到进一步的成型过程或中间存储。铸件尺寸范围可以从板坯、薄板坯、带材、大方坯或方坯。在要求连续生产标准产品以及提高最终产品质量的情况下，通常使用连铸。由于其成本效益，它被广泛使用。连铸的金属有钢、铝、铜和铅。

离心铸造工艺

离心铸造由 Alfred Krupp 发明，他在 1852 年用它来制造用于铁路车轮的铸钢轮胎。在这个过程中，液态金属被倒入模具中，并在模具旋转时凝固。金属在其旋转轴处被倒入模具的中心。由于离心力的作用，液态金属被抛向外围。

离心铸造使用永久模具，随着液态金属的浇注，该模具以 300 rpm（每分钟转数）到 3000 rpm 的高速连续围绕其轴线旋转。离心力使金属被抛向模具壁的内部，冷却后在那里固化。由于模具表面的激冷效应，通过这种方法铸造的零件具有朝向外径的细晶粒微观结构。外表面更细的晶粒微观结构使铸件能够抵抗大气腐蚀，因此这种方法已被用于制造管道。由于金属比杂质重，大部分杂质和夹杂物更靠近内径，可以被机加工掉。沿内径的表面光洁度也比沿外表面的差很多。

离心铸造机可以是水平轴或垂直轴。水平轴机器适用于长而薄的圆柱体，而垂直机器则适用于环。在离心铸造中，铸件首先从外部凝固。这方面用于促进铸件的定向凝固，从而为其提供有用的冶金性能。有时会丢弃内层和外层，只使用中间柱状部分。

压铸工艺

压铸是一种金属铸造工艺，其特点是在高压下将液态金属压入模腔。模具型腔是使用两个由工具钢制成的硬化模具制成的。这些模具在加工过程中被加工成型并与注塑模具类似。大多数压铸件是由具体的锌、铜、铝、镁、铅、锡（锡、铜和锑的合金）和锡基合金制成的。黑色金属的压铸件也是可能的。

根据铸造金属/合金的类型，使用热室或冷室机器。在热室工艺（用于锌合金和镁合金）中，连接到模腔的压力室被液态金属永久填充。操作的基本循环包括 (i) 模具关闭，鹅颈缸内充满液态金属，(ii) 柱塞将液态金属通过鹅颈通道和喷嘴推入模腔，金属在此保持压力直至凝固，(iii ) 模具打开并且型芯（如果有）缩回，铸件停留在顶出模具中，柱塞返回，通过喷嘴和鹅颈管将液态金属拉回，以及 (iv) 顶针将铸件推出顶出模具。当柱塞露出进气孔时，液态金属重新填充鹅颈缸。热室工艺用于 (i) 具有低熔点和 (ii) 不与模具材料钢形成合金的金属。例如锡、锌和铅。

在冷室工艺中，液态金属在每个循环中都被倒入冷室中。操作周期包括 (i) 模具关闭并将液态金属舀入冷室气缸中，(ii) 柱塞将液态金属推入模腔，金属在该模腔中保持高压直至凝固，(iii) 模具打开和柱塞跟随将凝固的坯料推出筒体，如果有型芯则缩回，(iv)顶针将铸件推离顶模，柱塞返回原位。该工艺特别适用于铝、铜（及其合金）等高熔点金属。

由于铸造设备和金属模具，涉及大量资本成本，这往往会限制该工艺进行大批量生产。使用压铸制造零件相对简单，只涉及四个主要步骤，从而使每件产品的增量成本保持在较低水平。它特别适用于大量的中小型铸件。正因为如此，压铸生产的铸件比任何其他铸造工艺都多。

压铸件有两种变体，即 (i) 用于消除气孔缺陷的无孔压铸件，以及 (ii) 与锌铸件一起使用以减少废品并提高产量的直接注射压铸件。

压铸方法用于需要更精细零件的地方。它特别适用于需要许多具有良好细节、良好表面质量和尺寸一致性的中小型零件的应用。

半固态金属 (SSM) 铸造是一种改进的压铸工艺，可减少或消除许多压铸件中通常存在的残余孔隙率。 SSM 铸造不使用液态金属作为原料，而是使用较高粘度的原料，该原料部分为固体，部分为液体。使用改进的压铸机将半固态浆料注入可重复使用的硬化钢模具中。半固态金属的高粘度以及受控模具填充条件的使用确保了半固态金属以非湍流方式填充模具，从而可以基本上消除有害孔隙。 SSM 铸件在商业上主要用于铝和镁合金。这些铸件可以热处理到 T4、T5 或 T6 回火状态。热处理、快速冷却速度（使用无涂层钢模具）和最小孔隙率的结合提供了强度和延展性的出色组合。 SSM 铸造的其他优点包括能够生产复杂形状的零件、净形状、压力密封性、严格的尺寸公差和铸造薄壁的能力。 ^[

永久模铸造工艺

永久模具铸造是一种金属铸造工艺，采用可重复使用的模具（永久模具），通常由金属制成。最常见的工艺使用重力填充模具。然而，也使用气压或真空。典型重力铸造工艺的一种变体，称为中空铸造，可生产空心铸件。常见的铸造金属是铝、镁和铜合金。其他材料包括锡、锌和铅合金。钢铁也在石墨模具中铸造。永久性模具虽然可以使用不止一个铸件，但在磨损前的使用寿命仍然有限。

在这里，模具的两半由金属制成，通常是铸铁、钢或难熔合金。包括流道和浇注系统在内的型腔被加工成半模。对于空心零件，通常使用永久型芯（由金属制成）或砂粘合型，这取决于铸造后是否可以从零件中取出型芯而不会损坏。模具表面涂有粘土或其他硬质耐火材料，以提高模具的使用寿命。在成型之前，表面会喷上一层石墨或二氧化硅，起到润滑剂的作用。这有两个目的，即 (i) 改善液态金属的流动性，以及 (ii) 使铸件更容易从模具中取出。该过程可以自动化，因此产生高吞吐率。此外，它还能产生非常好的公差和表面光洁度。

用于铸造工艺的模具由两半组成。铸模通常由灰口铸铁制成，因为它具有最佳的抗热疲劳性，但其他材料包括钢、青铜和石墨。选择这些金属是因为它们抗腐蚀和抗热疲劳。它们通常不是很复杂，因为模具不提供可折叠性来补偿收缩。而是在铸件凝固后立即打开模具，以防止热撕裂。可以使用核心，通常由沙子或金属制成。模具在第一个铸造循环之前被加热，然后连续使用以在循环期间保持尽可能均匀的温度。这减少了热疲劳，促进了金属流动，并有助于控制铸造金属的冷却速度。排气通常通过两个半模之间的轻微裂缝发生，但如果这还不够，则使用非常小的排气孔。它们足够小，可以让空气逸出，但不能让液态金属逸出。立管也用于补偿收缩。这通常将产率限制在 60% 以下。当涂层不足以从模具中去除铸件时，使用销形式的机械顶出器。这些销钉放置在整个模具中，通常会在铸件上留下小的圆形印痕。

四种主要类型的永久模具铸造是（i）重力，（i）搪塑，（iii）低压和（iv）真空。

重力过程首先将模具预热到 150 摄氏度到 200 摄氏度，以缓解流动并减少对铸件的热损伤。然后在模具型腔上涂上耐火材料或模具清洗液，以防止铸件粘在模具上并延长模具寿命。然后安装任何砂芯或金属芯并将模具夹紧关闭。然后将液态金属倒入模具中。凝固后不久，打开模具并取出铸件，以减少热撕裂的机会。然后重新开始该过程，但不需要预热，因为前一次铸件的热量足够，而且耐火涂层通常会持续几个铸件。金属在最低的实际温度下浇注，以尽量减少裂缝和孔隙率。

中空铸造工艺是永久性模具铸造的一种变体，用于制造空心铸件。在此过程中，将液态金属倒入模具中并使其冷却，直到在模具中形成材料外壳。然后将剩余的液态金属倒出，留下一个空壳。所得铸件具有良好的表面细节，但壁厚可能会有所不同。该工艺通常用于低熔点金属。与实心铸造相比，它使用的材料更少，产品更轻、更便宜。空心铸造人物通常有一个小孔，多余的液体可以在此处倒出。类似地，在汽车热塑性仪表板制造中使用了一种称为“搪塑”的工艺，将液态树脂倒入热的空心模具中，形成粘性表皮，然后排出多余的搪塑，冷却模具，然后成型产品被剥离。

低压永久模具铸造使用低压气体，通常在 20 kPa 到 100 kPa 之间，将液态金属推入模具型腔。压力施加在液体池的顶部，迫使液态金属向上进入耐火浇注管，最后进入模具底部。浇注管延伸至钢包底部，使被推入模具的液态金属非常干净。不需要立管，因为施加的压力迫使液态金属进入以补偿收缩。收率通常超过 85%，因为没有冒口，浇注管中的任何金属都会落回钢包中以供重复使用。绝大多数低压永久模具铸件由铝和镁制成，但也有一些是铜合金。优点包括在填充模具时由于压力恒定而产生的湍流非常少，从而最大限度地减少了气孔和熔渣的形成。机械性能比重力永久模具铸件好约 5%。缺点是循环时间比重力永久模铸件长。

真空永久模铸造保留了低压永久模铸造的所有优点，加上液态金属中的溶解气体最小化，液态金属的清洁度更好。该工艺可以处理薄壁型材并提供非常好的表面光洁度。机械性能通常比重力永久模铸件好 10% 到 15%。

一次性模具铸造工艺

消耗型铸件是一个通用分类，包括砂型、塑料型、壳型、石膏型和熔模（失蜡技术）铸型。这种模具铸造方法涉及使用临时的、不可重复使用的模具。

砂型铸造工艺

砂型铸造工艺又称砂型铸造工艺，是一种最流行、最简单的铸造类型。该工艺使用沙子作为模具材料。它已经使用了几个世纪。与永久性模具铸造相比，砂型铸造允许更小批量且成本低。砂型铸造允许铸造大多数金属，具体取决于用于模具的沙子类型。砂铸件在称为铸造厂的专业车间生产。超过 70% 的金属铸件是通过砂型铸造工艺生产的。

铸造用砂相对便宜，并且即使用于钢铸件的生产也足够耐火。除了沙子之外，一种合适的粘合剂（通常是粘土）与沙子混合或存在。将混合物润湿，通常用水润湿，但有时也用其他物质润湿，以提高粘土的强度和可塑性，并使骨料适合成型。沙子通常包含在框架或模具盒系统中。模腔和浇口系统是通过压实直接雕刻在沙子中的图案周围的沙子来创建的。

砂型铸造需要几天甚至几周的交货时间，才能以高产出率（1-20 件/小时模具）进行生产，并且对于大件生产来说是无与伦比的。绿（湿）沙几乎没有重量限制，而干沙的实际重量限制为 2,300 公斤至 2,700 公斤。最小零件重量范围为 0.075 公斤至 0.1 公斤。使用粘土、化学粘合剂或聚合油（如机油）将沙子粘合在一起。在大多数操作中，沙子可以多次回收，并且几乎不需要维护。

砂型铸造使用天然或合成砂（湖砂），主要是称为二氧化硅（SiO2）的耐火材料。砂粒应足够小，以便可以紧密堆积，并且足够大，以使金属浇注过程中形成的气体通过孔隙逸出。较大尺寸的模具使用绿沙（沙子、粘土和一些水的混合物）。沙子可以重复使用，多余的金属也被切断并重复使用。典型的砂型由两部分组成，上半部分称为上盖、 底部是阻力。液体流入两部分之间的间隙，称为模腔。空腔的几何形状是通过使用称为图案的木制形状创建的。模型的形状（几乎）与要铸造的零件的形状相同。有一个漏斗形空腔。漏斗的顶部是浇注杯，而漏斗的管状颈部是浇口。液态金属倒入浇注杯中，顺着浇道流下。流道是将浇道底部连接到模具型腔的水平空心通道。任何流道与型腔连接的区域称为浇口。一些额外的空腔连接到模具的顶面。倒入模具中的多余液态金属流入这些称为冒口的空腔。它们充当水库。当金属在型腔内凝固时，它会收缩，并且来自冒口的多余金属会向下流回以避免铸件中出现孔洞。通风孔是连接空腔和大气的窄孔，以允许空腔中的气体和空气逸出。插入型芯以创建铸件的内表面。这是必要的，因为许多铸件具有内部孔（空心零件）或其他形状的空腔，这些空腔不能从模具的任何一个部件直接进入。芯是通过烘烤沙子和一些粘合剂制成的，这样它们在处理时可以保持其形状。通过将型芯放入下模的型腔中，然后将上模放在顶部来组装模具。组装后的模具被锁定。浇铸完成后，抖掉砂子，将型芯拉开，一般折断。

石膏模铸造工艺

石膏型铸造工艺类似于砂型铸造，只是用熟石膏（石膏，CaSO4）代替砂作为型材。熟石膏不是纯熟石膏，而是添加了添加剂以提高生强度、干强度、渗透性和浇注性。例如，添加滑石粉或氧化镁以防止开裂并减少凝固时间。添加石灰和水泥会限制烘烤过程中的膨胀，而添加玻璃纤维会增加强度。沙子可用作填充材料。成分比例为 70% 至 80% 石膏和 20% 至 30% 添加剂。

熟石膏是一种精细的白色粉末，当与水混合时，会形成粘土状的稠度，并且可以围绕图案成型。可以对石膏铸件进行精加工以产生非常好的表面光洁度和尺寸精度。但在1200℃以上的温度下，它比较软，强度不够，所以这种方法主要用于锌、铜、铝、镁等有色金属的铸件。

在石膏模铸造过程中，首先将石膏混合，然后在模型上喷涂一层脱模剂薄膜，以防止石膏粘在模型上。然后将灰泥倒在图案上并摇动装置，使灰泥填充任何小特征。石膏通常在大约 15 分钟内凝固，然后去除图案。然后将模具在 120 摄氏度到 260 摄氏度之间烘烤，以去除多余的水分。然后组装干燥的模具，预热，然后浇注金属。最后，在金属凝固后，石膏从铸件上脱落。用过的膏药不能重复使用。

由于石膏的导热系数较低，铸件冷却较慢，因此具有更均匀的晶粒结构（即翘曲较少，残余应力较小）。

一般情况下，表格的准备时间不到一周，之后可以达到 1 到 10 单位/hr.mould 的生产速度，产品大至 45 公斤，小至 30 克，表面光洁度非常好，闭合公差。由于石膏成本低且能够生产接近最终形状的铸件，因此石膏模具铸造是其他复杂零件成型工艺的廉价替代品。

外壳成型工艺

壳模铸造工艺，也称为壳模铸造，是一种使用树脂覆盖的沙子形成模具的一次性模具铸造工艺。壳型成型类似于砂型铸造，但型腔是由硬化的沙子“壳”而不是装满沙子的砂箱形成的。所用的沙子比砂铸砂更细，并与树脂混合，使其可以被图案加热并在图案周围硬化成外壳。由于树脂和更细的沙子，它可以提供更精细的表面光洁度。该过程很容易自动化，比砂型铸造更精确。此过程非常适合中小型复杂物品，并且需要更高的精度。与砂型铸造相比，该工艺具有更好的尺寸精度、更高的生产率和更低的人工需求。

在外壳成型过程中，如砂型铸造，将液态金属倒入一次性模具中。模具是一个薄壁外壳，通过在图案周围应用砂树脂混合物制成。该图案是所需零件形状的金属片，可重复使用以形成多个外壳模具。可重复使用的模型可以提高生产率，而一次性模具可以铸造复杂的几何形状。外壳成型工艺需要使用金属模型、烤箱、砂树脂混合物、垃圾箱和液态金属。

外壳成型工艺允许使用黑色金属和有色金属，最常用的是铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金和铜合金。典型的零件是中小型尺寸，对精度要求很高，例如齿轮箱、气缸盖、连杆和杠杆臂。

外壳成型工艺产生更好的表面质量和公差。该工艺包括制作金属（例如铝或钢）的两件式图案，然后将其加热到 175 摄氏度到 370 摄氏度之间，然后涂上润滑剂（例如硅胶喷雾）。每个加热的半图案都覆盖有沙子和热固性树脂/环氧树脂粘合剂的混合物。粘合剂将一层沙子粘在图案上，形成一个外壳。可以重复该过程以获得更厚的外壳。在此之后，对组件进行烘烤以使其固化。然后去除图案，将两个半壳连接在一起形成模具。然后将金属倒入模具中。当金属凝固时，外壳被打破得到零件。

熔模铸造工艺

熔模铸造工艺也称为失蜡铸造工艺。这是一个已经实践了数千年的工艺，失蜡工艺是已知最古老的金属成型技术之一。从 5000 年前蜂蜡形成图案，到今天的高科技蜡、耐火材料和特种合金，铸件确保生产出具有准确性、可重复性、多功能性和完整性等关键优势的高质量部件。

熔模铸造得名于这样一个事实，即该模型是用耐火材料投资或包围的。蜡模需要格外小心，因为它们的强度不足以承受模具制造过程中遇到的力。熔模铸造的一个优点是蜡可以重复使用。

熔模铸造工艺的步骤是 (i) 蜡模通过注塑成型生产，(ii) 多个模型组装到中央蜡浇道上，(iii) 通过将组件浸入液体陶瓷浆液中构建外壳，然后放入极细的沙床中，可能需要几层，（iv）陶瓷干燥，蜡熔化，陶瓷被烧制以燃烧所有蜡，（v）外壳充满液态金属重力浇注。凝固后，零件、浇口、浇口和浇注杯成为一个整体铸件。空心铸造可以通过在凝固之前倒出多余的金属来制造，（vi）金属凝固后，通过振动或喷水使陶瓷外壳破裂，以及（vii）使用高速摩擦将零件从浇口上切下最后部分进行了锯切和小修。

该工艺适用于从各种不同的金属和高性能合金中重复生产净形部件。虽然通常用于小型铸件，但该工艺已用于生产完整的飞机门框，铸钢件重达 300 公斤，铝铸件重达 30 公斤。与压铸或砂型铸造等其他铸造工艺相比，它可能是一个昂贵的工艺。然而，可以使用熔模铸造生产的部件可以包含复杂的轮廓，并且在大多数情况下，部件都是接近最终形状铸造的，因此一旦铸造几乎不需要返修。

真空铸造工艺

这个过程也称为反重力铸造。当存在空气滞留问题、有复杂的细节或底切，或者材料是纤维或钢丝增强时，使用该工艺。它与熔模铸造的工艺基本相同，只是上面的步骤（v）是填充模具的步骤。在这种情况下，材料被真空泵向上吸入模具。模具出现在与通常的铸造过程相反的位置，并与液态金属一起下降到砂箱中。真空铸造的一个优点是通过在模具填充后短时间内释放压力，未凝固的金属可以释放回砂箱中。这允许创建空心铸件。由于大部分热量从模具和金属之间的表面传导出去，因此最靠近模具表面的金属部分总是首先凝固。实心前沿向内进入空腔。因此，如果在填充后很短的时间内将液体排出，则有可能得到壁很薄的空心物体。

消失模铸造工艺

蒸发图案铸造工艺是一种铸造工艺，它使用由一种材料制成的图案，这种材料在液态金属倒入模具型腔时会蒸发。这意味着在铸造之前无需从模具中取出图案材料。最常用的蒸发图案材料是聚苯乙烯泡沫。两种主要工艺是消失模铸造和全模铸造。

消失模铸造是一种蒸发型铸造工艺，与熔模铸造相似，只是模型使用泡沫代替蜡。该工艺利用泡沫的低沸点来简化熔模铸造工艺，无需将蜡从模具中熔化出来。

全模铸造是一种蒸发型铸造工艺，它是砂型铸造和消失模铸造的结合。它使用膨胀的聚苯乙烯泡沫图案，然后被沙子包围，就像砂铸一样。然后将金属直接倒入模具中，在接触时使泡沫蒸发。

主要区别在于消失模铸造使用非粘结砂，而全模铸造使用粘结砂（或湿砂）。由于这种差异很小，因此术语中有很多重叠。有许多非专有术语已用于描述这些过程。这些包括无腔铸造、蒸发泡沫铸造、泡沫汽化铸造、消失模铸造、铸造工艺和发泡聚苯乙烯成型。使用的专有术语包括 Styro-cast、Foam cast、Replicast 和 Policast。