永久模鑄造法

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Permanent mold casting

永久模鑄造是利用可重複使用的模具(即所謂的「永久模」,一般以金屬製成)的金屬鑄造製程。利用重力填充模具是最常見的方法,稱為重力鑄造,不過也有使用氣壓或真空的製程。重力鑄造還有一種變化形式,稱為瀝鑄法,用以產生中空鑄件。常用的鑄件金屬包含合金。其他材料如合金,還有也會使用石墨模具進行鑄造。

典型的零件包括齒輪、栓槽、輪圈、齒輪箱、管配件、燃油噴射系統外殼、車輛引擎活塞。

製程[编辑]

永久模鑄造有4種主流製程:重力鑄造、瀝鑄、低壓鑄造、真空鑄造。

重力鑄造[编辑]

先將模具預熱到150-200℃,如此可以讓流體流動較為順暢,減少毛胚的缺陷。接著,在模穴塗布隔熱材料或脫模劑,避免毛胚黏在模具上,藉以延長模具壽命。然後安裝砂心或金屬模仁,並且將模具緊閉。接著將熔融金屬液倒進模具裡。固化後,開啟模具並移除毛胚,以降低發生熱裂的機會。然後製程會整個重頭再來一次,只是不需再預熱,因為前一個毛胚留下的熱還足夠,而隔熱材料應該還夠用幾個毛胚。本製程常用在大量生產的工件,一般會用自動化設備來塗抹模具、傾注金屬、移除毛胚。

為了使發生裂痕和空孔的機率降到最低,盡可能在較低的溫度傾注金屬。傾注溫度範圍端視毛胚材料而定;例如鋅合金會在大約370℃的溫度傾注,而灰口鑄鐵則加熱到約1,370℃再進行傾注。

模具[编辑]

鑄造用模具通常分成兩半,一般以灰口鑄鐵製作,因為它的金屬疲勞特性極佳,但是也有使用鋼、青銅、石墨的例子。之所以選用這些材料,是因為它們的抗蝕能力和金屬疲勞特性。這些模具無法以崩散性補償縮水,所以它們通常不會很複雜;而且需要在毛胚一固化後就打開模具,以免發生熱裂。需要使用模仁的時候,通常是用砂或金屬製作模仁。

如上所述,在第一次鑄造循環前先預熱模具,然後連續進行鑄造製程,在各個鑄造循環間盡可能維持溫度恆定。這樣可以減少金屬疲勞、促進金屬流動、且有助於控制鑄件金屬的冷卻速率。

排氣通常可藉由兩半模具之間的微小裂縫進行,如果不夠的話,還可以設置非常小的排氣孔,讓空氣可以通過,但是熔融金屬不行。用冒口補償縮水是必須的,然而冒口的設計常常使材料利用率低於60%。

如果使用脫模劑還不足以讓毛胚容易移出模具,常常會用頂出銷一類的元件。這些銷會設置在模具各處,而且會在毛胚表面留下圓形的小印痕。

瀝鑄[编辑]

瀝鑄是另一種永久模鑄造方法,用來製作中空毛胚或中空鑄件。先將材料倒進模具,然後讓它冷卻,直到材料在模具內形成一個殼,接著將殘留的液體倒出來,留下中空的殼件。這種製程產生的毛胚具有良好的表面,但是殼厚不均勻。本製程常用低熔點材料來鑄造裝飾品,像是燭台、燈座、雕像。

本方法在1893年由William Britain開發,當時用來生產鉛製玩具兵。它使用的材料比實心鑄件少,而且可以得到更輕、更便宜的產品。然而,如果製程中倒出的液體過多,中空鑄件常常會出現小洞。

低壓鑄造[编辑]

低壓永久模鑄造製程的示意圖

低壓永久模(LPPM)鑄造使用低壓氣體(一般介於3到15 PSIg)來把熔融金屬推進模穴裡。參照示意圖,此壓力施加在金屬池上,迫使熔融金屬沿著隔熱傾注管向上,最後流進模具底部。傾注管伸到盛桶底部,所以被推進模具裡的材料非常乾淨。這種製程不需要冒口,因為所施加的壓力會迫使熔融金屬補償縮水。它的材料利用率一般會超過85%。而且因為沒有冒口,在傾注管內的熔融金屬會回到盛桶中供下次使用。

絕大部分的LLPM鑄件是鋁、鎂鑄件,但是也有一部份是銅合金。這種製程有個好處,因為壓力是固定的,填充模具所產生的紊流很小,所以氣孔和熔渣很少。此種鑄件比重力永久模鑄件的機械性質好一些,二者約有5%的差距。其缺點則是循環時間比重力永久模鑄件長。

真空鑄造[编辑]

真空鑄造的鑄件具有LLPM鑄件所有的優點,而且溶解的氣體更少,因此熔融金屬更為乾淨。這種製程可以處理薄壁外型,同時提供極佳的表面粗糙度。一般而言,其鑄件的機械性質約比重力永久模鑄件好上10到15%。然而這種製程的鑄件有0.2到5 kg的重量限制。

優點和缺點[编辑]

永久模鑄造法主要的優點是:模具可以重複使用、良好的表面粗糙度、良好的尺寸精度。

一般而言,尺寸在25 mm以內,其公差是0.4 mm,然後每多1公分再加0.02 mm。如果該尺寸跨過分模線,則再加0.25 mm 。典型的表面粗糙度介於2.5到7.5 μm RMS。拔模角需2到3°。壁厚的限制為3到50 mm。常見鑄件大小從100 g到75 kg不等。可以透過改變模具壁厚、加熱或冷卻模具的某些部分,產生定向固化(directional solidification)。而且金屬模具的冷卻速率很快,能得到比砂模鑄造更細緻的晶粒結構。需形成底切(undercut)的時候,還能用可抽離的金屬模仁,讓模具依然可以快速作動。

永久模鑄造法的缺點主要有3個:模具成本高、只能使用低熔點的熔融金屬進行鑄造、模具壽命短。

高模具成本導致永久模鑄造法在小批量生產上不具經濟效益。本製程用於鑄鋼或鐵等高熔點金屬的時候,模具壽命非常短;使用低熔點金屬時,模具壽命會長一些,但是常常受限於金屬疲勞、腐蝕,大約也只有10,000到120,000個循環。影響模具壽命的因素有4個:模具材料、傾注溫度、模具溫度、模具結構。傾注溫度取決於鑄件金屬,傾注溫度愈高則模具壽命愈短。高傾注溫度同時也會導致縮水問題和較長的循環時間。模具溫度過低會產生滯流,模具溫度過高則會使循環時間變長,而且會加劇模具腐蝕。模具(或鑄件)的截面厚度差異很大的時候,模具壽命也會下降。

參考資料[编辑]

外部連結[编辑]