金属铸造工艺：从液态金属到成品零件

金属铸造工艺分类

金属铸造是制造金属材料的成形工艺，是液态金属成形最直接、最简捷、往往成本最低的近净成形路径。工艺流程：液态金属浇注含目标形状空腔的模具，冷却凝固后脱模得到铸件。铸造常用于制造其他方法难以或不经济加工的复杂形状。

金属铸造工艺（图1）分两大类：① 非消耗型模具铸造 ② 消耗型模具铸造。再按模具材料（砂/金属）和浇注方式（重力/真空/低压）细分。

图1 金属铸造工艺分类

非消耗型模具铸造

模具每个生产周期无需重制。包含至少4种工艺：① 连铸 ② 离心铸造 ③ 压铸 ④ 金属型铸造。该类工艺提高零件重复性，实现近净成形。

连续铸造

定义：高产量、恒定横截面金属型材连续生产的精炼铸造工艺。液态金属浇注入水冷开口铜结晶器，在“仍液态”中心上方形成固态金属外壳。液态金属从外向内逐渐凝固。初凝后铸坯（称铸条）连续引出结晶器。预定长度经机械剪切或移动氧燃料切割割下，送后续成形或中间库。截面规格：板坯、薄板坯、板条、方坯、圆坯。适用连续生产标准品、提升终品质量，因成本效益广泛应用。连铸金属：钢、铝、铜、铅。

离心铸造

1852年Alfred Krupp发明，用于制造铁路车轮钢轮箍。液态金属浇注入旋转模具中心（旋转轴线），离心力将液态金属甩向周向。永久模具高速旋转（300-3000 rpm），离心力使金属贴附模具内壁冷却凝固。外径细晶组织（模具表面淬火效应）耐大气腐蚀，常用制管。金属比杂质重，杂质集中内径可机加工去除。内径表面粗糙度差于外表面。机型分卧式（长薄圆柱）和立式（环件）。凝固从外向内，利用定向凝固赋予有益冶金性能。有时弃内外层仅用中间柱状区。

压铸

高压将液态金属压入模腔。模腔由两块工具钢硬化模具加工成型，工作原理类似注塑模。主要合金：锌、铜、铝、镁、铅、白锡（锡铜锑合金）、锡基合金。铁基合金压铸也可行。按金属类型选热室/冷室机。
热室法（锌合金、镁）：压室永久充满液态金属。循环：合模→鹅颈缸满液→柱塞压射入模腔保压凝固→开模退芯→铸件留顶出模→柱塞回退吸液→顶针顶出→进料口打开补液。适用低熔点、不与模具钢合金化的金属（锡、锌、铅）。
冷室法：每周期浇注液态金属入冷室。循环：合模→勺浇液态金属入冷室缸→柱塞高压压射入模腔保压凝固→开模柱塞随动推出固化料→退芯→顶针顶出→柱塞复位。适用高熔点金属（铝、铜及合金）。

设备模具资本成本大，限于大批量生产。压铸仅四主步骤，单件增量成本低。特别适合大量中小型铸件。压铸产量居各铸造法首位。两变种：无气孔压铸（消除气孔缺陷）、直射压铸（锌铸件减少废料提高收得率）。压铸用于精细零件，适合大量中小型、细节好、表面质量高、尺寸一致性要求场合。

半固态金属（SSM）铸造是改良压铸工艺，减少/消除常规压铸残余气孔。原料非液态金属而是半固半液高粘度浆料。改良压铸机将半固态浆料注入可复用硬化钢模。高粘度半固态金属在受控充模条件下非湍流充模，基本消除有害气孔。SSM商用主铝镁合金。可热处理至T4/T5/T6态。热处理+快冷（未涂层钢模）+微气孔=优异强韧性组合。其他优势：复杂形状、净成形、耐压、严公差、薄壁铸造。

金属型铸造

采用可复用金属模具（金属型），通常重力浇注，也可用气压/真空。变种倾转铸造造空心铸件。常用铝、镁、铜合金；锡、锌、铅合金；铁、钢用石墨型。金属型虽可复用但寿命有限。

模具两半通常用灰铸铁、钢、耐火合金。型腔含浇注系统机加工成型。空心件用金属芯或砂芯（视脱芯能否不损铸件）。模具表面涂敷粘土/耐火料延寿。造型前喷石墨/硅砂润滑：改善液流、利于脱模。可自动化、高产率、优异公差表面。

模具材质：灰铸铁（最佳热疲劳抗性）、钢、青铜、石墨。选材因抗冲蚀热疲劳。模具不复杂（无塌陷补偿收缩），铸件凝固即开模防热裂。芯可用砂/金属。首铸前预热模具并连续使用维持均匀温度：减热疲劳、利金属流动、控制冷却速率。排气靠两半模微缝，不足则微细排气孔（透气不漏金属）。设置冒口补偿收缩，收得率通常<60%。涂层不足时用机械顶针脱模，留微小圆印。

金属型铸造四主类：① 重力 ② 倾转 ③ 低压 ④ 真空。
重力法：预热模具150-200℃利流减热损→涂耐火料/模具洗液防粘延寿→装芯合模→浇注→凝固后即开模取件防热裂→循环（免预热，余热足、涂层可用数炉）→最低实用温度浇注减裂气孔。
倾转法：造空心铸件变种。浇注冷却至模具形成壳→倒出余液留空心壳。表面细节好但壁厚不均。用低熔点金属。比实心铸造省料、产品更轻便宜。空心件通常有倒余液小孔。类似“倾转成型”用于汽车热塑性仪表盘：液态树脂浇注热空心模→形成粘性皮→倒出余浆→冷模→脱模。
低压铸造：低压气体（20-100 kPa）压液态金属入模腔。压力施加液面顶部，迫使液态金属上行经耐火浇注管入模底。浇注管延伸至包底，入模金属极洁净。无冒口（压力补缩）。收得率>85%（无冒口、浇管金属回包复用）。主铝镁合金，部分铜合金。优势：恒压充模湍流极小，最小化气孔夹渣；力学性能比重力铸造高~5%。劣势：周期长于重力铸造。
真空铸造：保留低压优势，且液态气体最小化、液态更洁净。可造薄壁型材、优异表面。力学性能比重力铸造高10%-15%。

消耗型模具铸造

统称含砂、塑料、壳、石膏、熔模（失蜡）铸造。使用临时非复用模具。

砂型铸造

又称砂模铸造，最流行简易铸造之一。模具材料用砂。沿用数百年。砂型允许比金属型更小批量、低成本。视砂型类型可铸大多数金属。砂型铸件在铸造车间生产。>70%金属铸件经砂型铸造。

铸造砂便宜、耐火度足（甚至造钢件）。除砂外混入/含适当粘结剂（通常粘土）。混合湿润（通常水、有时其他物质）发展粘土强度塑性使混合料适合造型。砂通常装于型箱/模箱系统。模具型腔浇注系统通过砂型绕木型/模型压实成型。

砂型铸造高产出率（1-20件/小时·模）需数天甚至数周准备期，大型件生产无可匹敌。湿型砂几乎无件重限，干砂实际件重限2300-2700kg。最小件重0.075-0.1kg。粘结剂：粘土、化学粘结剂、聚合油（如机油）。砂多数业可循环再用、维护少。

用天然/合成砂（湖砂），主要耐火材料石英（SiO₂）。砂粒需足够小密实堆积、足够大透气排浇注气体。大型模用湿型砂（砂粘土水混合）。砂可再用，溢料割除再用。典型砂模两半：上半cope、下半drag。液态金属流入两半间隙（型腔）。型腔几何由木型（模样）创建，形状近似铸件。漏斗型腔：顶部浇杯、管状颈部浇道。液态金属注入浇杯顺浇道下流。横向浇道连接浇道底与型腔。浇道接型腔处称内浇口。顶面额外型腔作冒口：溢流金属入冒口作储料库。凝固收缩时冒口补缩防缩孔。排气孔连通型腔大气排气。砂芯造内表面（空心件/内腔）。砂芯：砂加粘结剂烘烤定型。装配：芯置drag型腔→cope盖上→锁模。铸造后落砂、取芯（通常碎芯）。

石膏模铸造

类似砂型，以石膏（硫酸钙CaSO₄）代砂。石膏非纯石膏，含添加剂改善湿/干强度、透气性、造型性。如滑石/氧化镁防裂凝固；石灰水泥限烘烤膨胀；玻纤增强。砂作填料。配比：70-80%石膏、20-30%添加剂。石膏细白粉，加水成粘土稠度可绕模成型。石膏模可精加工得优异表面精度。但>1200℃软化不耐高温，主用非铁金属（锌、铜、铝、镁）。

工序：拌石膏→模样喷离型剂防粘→浇注石膏震动充填细节→~15分钟凝固→脱模→120-260℃烘烤除水→装配预热浇注→凝固后敲碎石膏取件。石膏不可再用。石膏导热低，铸件冷却慢，组织均匀（少翘变、少残余应力）。准备<1周，产率1-10件/小时·模，件重45kg至30g，优异表面精度。石膏模铸造因低成本、近净成形，是复杂件廉价替代工艺。

壳模铸造

又称壳模铸造，用树脂覆砂成模。类似砂型但型腔由硬化砂“壳”而非砂箱形成。砂比砂型细，混树脂经模样加热硬化成壳。因树脂和细砂，表面光洁度高得多。易自动化、精度高于砂型。适合需高精度的中小型复杂件。比砂型：尺寸精度高、生产率高、劳动强度低。

工序：金属模样（形状同零件）加热175-370℃→喷润滑剂（硅油）→覆砂树脂混合料→热固化树脂/环氧粘结剂胶结砂层成壳→重复增厚→烘烤固化→脱模→合两半壳成模→浇注→凝固后敲碎壳取件。适用铁/非铁金属：灰铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金、铜合金。典型件：齿轮箱体、缸盖、连杆、杠杆臂等中小型高精度件。

熔模铸造（失蜡法）

古老工艺，5000年前用蜂蜡作模，今用高科技蜡、耐火材料、特种合金，生产高质量部件，核心优势：精度、重复性、通用性、完整性。因模样被耐火材料“投资”（包围）得名。蜡模脆弱需极度小心。优势：蜡可再用。

工序：① 注射成型蜡模 ② 多蜡模组装中心蜡浇道 ③ 浸液态陶瓷浆→细砂床，多层 ④ 干燥陶瓷→熔出蜡→烧结陶瓷烧尽蜡 ⑤ 重力浇注液态金属，凝固后件/浇道/浇杯成整体铸件（浇注前倒出余液可造空心件） ⑥ 振动/水喷砂敲碎陶瓷壳 ⑦ 高速摩擦锯切离浇道、微精整。适用多种金属/高性能合金近净成形重复生产。虽主小件，但可造整机门框（钢件300kg、铝件30kg）。比压铸/砂型贵，但可铸复杂轮廓、近净成形、少/无后续加工。

真空铸造（重力反向铸造）

适用：气体夹带问题、复杂细节/倒扣、纤维/钢丝增强材料。基本同熔模，区别充模步骤：真空泵吸液态金属向上入模。模具倒置降入装液金属烧瓶。优势：充模后短时泄压，未凝固金属回烧瓶，可造空心件。热量多通过模具-金属界面传导，靠近模具表面金属先凝固，凝固前沿向内推进。充模极短时排液可得极薄壁空心件。

消失模铸造

模样材料浇注液态金属时气化，无需脱模。最常用聚苯乙烯泡沫。两主工艺：失泡铸造、全模铸造。
失泡铸造：类似熔模但泡沫代蜡。利用泡沫低沸点简化熔模，免脱蜡。
全模铸造：砂型+失泡结合。发泡聚苯乙烯模样包砂（似砂型）。浇注直接汽化泡沫。
区别：失泡用无粘结砂，全模用粘结砂（湿型砂）。差异小术语重叠大。非专有术语：无型腔铸造、发泡蒸发铸造、泡沫气化铸造、失模铸造、Castral法、发泡聚苯乙烯成型。专有术语：Styro-cast、Foam cast、Replicast、Policast。