金属铸造全指南：工艺、材料与应用
金属铸造，一种涉及液态金属和模具的金属加工工艺，已存在数千年。
历经历史，金属铸造用于制造从剑到风力涡轮机的一切，今天是制造高质量金属零件最有价值和通用的方法之一。
本指南探讨铸造金属基础，包括其众多变体——压铸、熔模铸造等——及最常见铸造金属。
什么是金属铸造？
金属铸造是将熔融液态金属倒入模具的制造/加工工艺。
模具内部设计为所制零件负面印象，因此熔融金属在模具内冷却固化时，获得最终零件形状。成品零件可从模具取出。
根据所制零件和使用金属，有不同金属铸造变体，各有特定优势。型样、模具、浇注技术在变体间差异巨大。
虽然铸造金属是通用工艺，但铸件受某些设计约束，工程师必须考虑冷却阶段金属收缩。
金属铸造工艺详解
核心金属铸造工艺涉及加热金属、倒入模具、等待冷却固化、从模具取出成品零件。现实中工艺阶段可能更多，不同金属铸造工艺工作方式不同。
以下为金属铸造工艺简化概览。注意某些步骤因铸造变体而异，某些完全省略。
- 制作型样：起始阶段，许多金属铸造工艺需制造型样，即最终零件复制品，用于制作模具。型样可为永久或消耗型，材料如蜡、木、塑料。
- 制作芯子：铸造空心零件时，可能需设计芯子，置于模具型腔内的实体材料，成型铸件内部几何形状。(例如，大圆柱模具内放圆柱芯子将生产管状铸件。)
- 制作模具：模具制造方式因工艺而异。如永久金属模具可用CNC机床制造，砂模通过将砂混合物涂覆型样外部制造。模具制造实践称造型学，是专业学科。
- 浇注模具：金属加热至熔融，再浇注或压入模具。重力铸造中熔融材料向下倒入型腔；高压压铸中高压压入型腔，需高夹紧力保持模具稳固。
- 取出零件：铸件冷却固化后从模具取出。砂铸造等工艺意味模具必须破坏取出内部零件；永久模具则分开两半金属模具即可再次使用。
- 后处理：铸造金属零件可能需清洗——如去除模具残留——或其他后处理步骤方可投入使用。
金属铸造优势
选择金属铸造而非锻造或CNC加工等其他金属加工选项有诸多理由。金属铸造主要优势包括：
- 适合大批量生产
- 可生产巨大重型零件
- 可生产极厚壁零件
- 适合大型整体零件(而非组装组件)
- 优异轴承性能
- 适合某些轻合金
- 材料通用性
金属铸造局限包括不可避免缺陷、尺寸精度有限(相比CNC加工)、劳动密集、典型高最小起订量。
金属铸造主要类型
压铸
复杂精细零件最重要金属铸造类型之一，压铸使用两个可复用工具钢模具作为工装。工艺类似塑料注塑成型：熔融材料高压力压入型腔，使工程师能制造精细细节零件。
定制模具成本高，使工艺更常用于大批量生产。一旦制造，模具可多次使用。压铸件倾向有优异表面光洁度。
铝压铸和镁压铸均广泛用于高质量零件。
重力铸造
像压铸，重力铸造使用可复用金属模具铸造金属。但重力铸造依靠重力使液态金属自上而下流经模具，而非压力。模具首次铸造前需预热，常用铸铁因其低热疲劳。
重力铸造早于所有其他金属铸造技术，重力铸件存在千禧年。属永久模具铸造形式；重力铸造替代包括气压和真空。
熔模铸造(失蜡铸造)
熔模铸造或失蜡铸造使用消耗型型样和模具铸造金属：两者铸造过程中均被破坏(尽管熔化蜡常可再利用)。
像重力铸造，熔模铸造历史数千年。失蜡铸造过程中，用蜡或等效材料制作型样——有时手工、有时用树脂3D打印机——再将耐火材料浇注在型样周围制造模具。
熔模是涂覆型样周围的陶瓷层，随后作为熔融金属模具。陶瓷层通过脱模过程移除。
砂铸造
砂铸造是简单、数百年历史的金属铸造方法，比替代技术更经济。使用砂(混合粘结材料如粘土)作模具材料，模具耐高温。
砂铸造过程中，型样浸入特殊箱体砂箱内砂中。通过砂围绕型样压实，可制造模具供熔融金属浇注。
金属铸造用砂可为湿型砂(湿粘土)或干型砂(干砂加粘结剂)。
其他铸造工艺
制造业还有数十种金属铸造工艺，包括粘土型铸造、壳型铸造——均为消耗型模具工艺——及离心铸造、连续铸造等永久模具工艺。
铸造压力：高压还是低压？
金属压铸是有价值金属加工工艺，可细分高压压铸和低压压铸。选择合适压力取决于材料、壁厚、零件尺寸等因素。
高压压铸比低压压铸更常用，使用频率超两倍。
适合铝、锌等软合金，高压压铸涉及高压高速将液态金属压入模具，需强大压力机保持模具闭合。工艺因此比低压压铸更昂贵。
高压压铸优势：
- 生产快
- 可实现薄壁
- 表面光洁度光滑
- 收缩极小
低压压铸是较慢压铸形式，更温和将熔融金属压入模具。适合低熔点合金。虽比高压压铸慢，但低压铸造金属适合复杂几何结构，可生产极高强度零件。
低压压铸优势：
- 零件强度高
- 复杂几何结构
可铸造金属
多种金属适合铸造工艺。但3ERP接受的三种最常见铸造材料是铝、锌、镁。
铝铸造
铸铝是成型铝最广泛手段。用于制造工业和汽车零件如变速箱、发动机，合金如A380、A383。
铝铸造有几种方式。铝压铸因速度快、表面光洁度优异适合大批量生产；永久模具铸造适合超高强度铝零件；砂铸造适合小批量和复杂几何铝铸造。
无论铸造工艺，铸铝制造坚固轻量零件，故高度通用。
锌铸造
锌合金流行、经济、广泛可用，适合铸造。锌铸造典型涉及高压压铸，实现高生产率和极少后处理需求。
因锌高铸造流动性，锌铸造可产出极薄壁和精细细节零件。锌也可冷成型改善连接。
制造商可选ZAMAK锌合金或锌铝(ZA)合金。铸锌零件包括汽车组件、空调零件、电子组件。
镁铸造
铸造——特别是高压压铸——是制造镁零件最常见金属加工工艺，占镁零件产量约98%。
镁是所有结构金属中最轻，故理想用于轻量化应用。镁铸造其他优势包括极薄壁、优异细节、良好刚重比。
小批量镁零件也可用石膏铸造，但镁压铸最适合专业应用。
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