科普知識：淺談壓鑄和優缺點比較

2024-10-24

科普知識：淺談壓鑄(Die casting)和優缺點比較

在其他的單元內，我們有針對各種鑄造(Casting)技術及模流軟體(Molding simulation)進行簡單的介紹。相信有閱讀過的讀者們，對於鑄造應該都有了概略的了解。
若有讀者還沒有閱讀的話，可以從下面文字連結前往確認。

科普知識：淺談鑄造與模流軟體

那麼接下來的內容部分，我們會針對被歸類於非消耗模鑄造(Non-expendable mold casting)的壓鑄(Die casting)以及其優缺點進行簡單介紹。

什麼是壓鑄(Die casting)？

壓鑄(Die casting)為將融化的金屬熔液以高壓(High Pressure)注入精密模具中，並在極短的時間內取得大量高品質成品的鑄造技術之一。以壓鑄技術所生產的製品，又可被稱作Diecast。Die所指的是模具(Mold/Mould)，Cast則為鑄件。

壓鑄技術的起源，在歷史上可追朔到1838年由美國發明家布魯士(David Bruce，1802-1892)所開發的手搖式鑄字機(Pivotal type caster, Bruce Casting Machine)。雖與擁有悠久歷史的鑄造技術(可追朔到紀元前BC3200的青銅器)相比發展期間較短，但其技術無疑是奠定了日後工業技術、工業產品普及化的重要基礎之一。

而壓鑄技術有別於其他鑄造技術，所生產之製品有著優異的尺寸精度、漂亮且平滑的製品表面、穩固的金屬結構、高強度、容易量產、降低切銷加工費用…etc. 特徵的關係，在現代社會中被積極的運用在像是汽車、機車、家電產品、建築用品各領域的零組件、結構件的生產上。

壓鑄與其他鑄造技術比較

誠如在其他單元中也有所有提及，在鑄造技術上有著各式各樣的應用技術。其中最具代表性的鑄造技術，分別為砂模鑄造(Sand casting)、精密鑄造(Precision casting)、模具鑄造(Metal mold casting)、低壓鑄造(Low Pressure Die Casting)以及壓鑄(Die casting)。而不管哪種鑄造技術都有其優缺點的關係，在實際應用於生產製造時，會依製造之產品、以及鑄造材料不同而選用不同壓鑄技術。
而具體來說，在各種鑄造技術上的概要及優缺點，可參照下圖說明資訊。

砂模鑄造(Sand casting)

為將金屬熔湯澆鑄入以砂製成的模具內，令其成形的鑄造技術。雖於每次鑄造時必須重新製作專用之模具，但因製作模具成本低且所需之設備較少的關係，在運用上成本非常低廉。而在可使用的鑄造材料上，可使用鑄鐵(Cast iron)、鑄鋼(Cast steel)、銅合金、鋁合金…etc. 各種金屬。代表性的鑄造方法有溼砂模鑄造(Green sand casting)、自硬性模鑄造(Self-Hardening casting)…etc。

(*引用自プロセスX頻道)
精密鑄造(Precision casting)

將金屬熔湯注入由蠟(Wax)或樹脂(Resin)製作的模型上用防火材質粉末或陶瓷包覆製成的模具、又或以石膏(Plaster)製作的模具內使其成形的鑄造技術。由於精密鑄造可生產複雜結構製品，並擁有優異的尺寸精度以及平滑的產品外表的關係，不管是從隨身飾品到航空機械零件的生產皆被廣泛應用。代表性的鑄造技術有脫蠟鑄造(Lost-wax casting)、石膏模鑄造(Plaster mold casting)…etc。

(*引用自ArmstrongMold頻道)
模具鑄造(Metal mold casting)

為運用重力(Gravity)將金屬熔湯注入至由耐熱鋼或鑄鐵製成的模具內，並使其成形的鑄造技術的關係，又被稱做重力鑄造(Gravity die casting)。而在常用的鑄造材料上，會使用鋁合金、鎂合金、銅合金…etc. 金屬。相較於砂模鑄造，所生產出來的擁有更優異的尺寸精度、更滑順的產品表面、以及優異的機械性質的關係，多會用於生產需要耐壓性或強度的製品。

(*引用自プロセスX頻道)
低壓鑄造(LPDC, Low Pressure Die Casting)

雖與模具鑄造類似，同為將金屬熔湯倒入金屬模具內成形的鑄造技術。但有別於使用重力進行充填的模具鑄造，低壓鑄造則是於密閉的保溫爐內，以0.01~0.1 MPa的空氣壓力來將熔湯注入模具中。並當熔湯凝固後，會將保溫爐內空氣壓力洩壓，讓剩餘未凝固的熔湯收回保溫爐內。

(*引用自THORS eLearning Solutions頻道)
壓鑄(Die casting)

又被稱作高壓鑄造(HPDC, High Pressure Die Casting)。與低壓鑄造相反，為使用約為30~80 MPa的高壓將金屬熔湯注入進精密模具內使其成形的鑄造技術。有著有著優異的尺寸精度、漂亮且平滑的製品表面、穩固的金屬結構、高強度…etc. 的特徵。

(*引用自リョービ株式会社頻道)

常見壓鑄用金屬材料

而在壓鑄技術上所使用的金屬材料，主要為非鐵金屬(Non-ferrous metal)的鋁合金(Aluminum alloy)、鋅合金(Zinc alloy)、鎂合金(Magnesium alloy)、銅合金(Copper alloy)…etc. 金屬、合金。

鋁合金(Aluminum alloy)

比重約為2.7 g/cm3。因有著優異耐腐蝕及輕量的特性，以及長久使用依然能維持尺寸精度的關係，在各領域上被積極活用。於整體壓鑄生產製程上約占97.9%，為最廣泛被使用之壓鑄材料。舉例來說，像是汽車‧機車的汽缸結構(Cylinder block)、剎車手把(Brake lever)、瓦斯爐具(Gas stove/furnace)..etc 。
鋅合金(Zinc alloy)

比重約為6.6 g/cm3。因材料特性上耐衝擊、有優異的機械性質、尺寸精度高、便於進行鍍膜…etc. 表面處理的關係，適合薄肉的複雜結構件生產使用。但因比重較重，不是適合用於製品輕量化上。而在應用上會被用於汽車門把(Car door handles)、PC端子(PC connecter)、汽車散熱罩(Car radiator grill cover)…etc. 產品上。
鎂合金(Magnesium alloy)

比重約為1.8 g/cm3。為鐵(Fe)和鋁(Al)的1/4，為小型實用金屬內最輕的材料。具耐凹陷、吸收震動的特性，被廣泛應用於智慧型手機、電腦…etc. 電子產品的結構框架上。
銅合金(Copper alloy)

比重約為8.9 g/cm3。具優異的導熱‧導電性、高強度、耐腐蝕的特性，多半應用於像是水栓螺帽、房間門把、鉸鏈…etc. 的建築材料產品上。

*引用自日本ダイカスト協会「ダイカストって何？ DIE CASTING」, (2022)

壓鑄設備結構

而壓鑄機設備雖會因所使用之壓鑄技術不同而有差異，從結構上來說可分為控制模具開關的鎖模機構(Clamping unit)、將金屬熔湯射出‧充填至模具內的射出機構(Injection unit)、以及將冷卻成形的鑄件從模具內推出的頂出機構(Ejector unit)。

鎖模機構(Clamping unit)

為控制裝設於可動模板(Movable template)和固定模板(Fixed template)上的模具(Mold)進行開閉動作的裝置之外，並提供模具有足夠的鎖模力(Mold clamping force)來以抗衡當熔湯注入模具時所產生的開模力(Mold opening force)。
射出機構(Injection unit)

為將充填入料管內的金屬熔湯，射出‧注入至模具膜腔內的機構。在結構上，由射出料管(Sleeve)、射出桿(Injection plunger)、射出油壓缸(Injection cylinder)、蓄壓器(Accumulator)…etc. 零件所組成。
頂出機構(Ejector unit)

為金屬熔湯於模具內冷卻成形後，將鑄件從可動模具(Movable die)上頂出取下的裝置。在結構上，由頂出桿(Ejector pin)、頂出板(Ejector plate)、頂出油壓缸(Ejector cylinder)…etc. 零件構成。

*引用自日本ダイカスト協会「ダイカストって何？ DIE CASTING」, (2022), p14

壓鑄相關技術

在現代壓鑄技術上如同鑄造技術般的，會以各種原理或技術為核心，進而發展不同的的衍生技術。而這些相關技術上，概要上可區分為基礎技術的一般壓鑄(General die casting)和衍生技術的特殊壓鑄(Special die casting)。

一般壓鑄(General die casting)

在常見的一般壓鑄技術上，可依壓鑄機設備所採用之射出結構不同，可區分成冷室壓鑄(Cold chamber die casting )和熱室壓鑄(Hot Chamber die casting)。
- 冷室壓鑄(Cold chamber die casting)
  
  在結構上，壓鑄機本體結構與熔解保溫爐採分離方式設置。因其射出機構的料室(Chamber)會接觸到空氣而造成熔湯冷卻，採用此種技術的設備被稱作冷室壓鑄機(Cold chamber die casting machine)。而在進行射出動作時，會以低速射出和高速射出的兩階段方式進行射出。在低速射出時其速度約0.1 ~ 0.7 m/s，而高速射出時其速度約2 ~ 3 m/s。但隨著技術進步和發展，目前在市場上高速射出可達10 m/s的設備也已問世。
  
  (*引用自North American Die Casting Association頻道)
- 熱室壓鑄(Hot Chamber die casting)
  
  有別於冷室壓鑄機的結構，射出機構和熔解保溫爐採一體化設計，其最大特徵是射出機構的料室(Chamber)會沉浸在於專用的熔解保溫爐內。於進行生產時，熔解保溫爐的熔湯會經由鵝頸(Goose-neck)注入模具內成形。為此，採用此種技術的設備也被稱作熱室壓鑄機(Hot Chamber die casting machine)。而在進行射出動作時，會以約1 ~ 2 m/s的速度進行射出。
  
  (*引用自North American Die Casting Association頻道)
特殊壓鑄(Special die casting)

而特殊壓鑄(Special die casting)則是為改善一般壓鑄技術的常見的各種壓鑄缺陷(流動不良(Misrun)、冷接紋(Cold shut)、縮孔(Shrinkage cavity)…etc.)，所衍生出來的特殊技術。
- 真空壓鑄(Vacuum die casting)
  
  為強制性的將料管、模具膜腔(Mold cavity)內殘留的空氣‧氣體，排出至模具外側並進行鑄造的技術。也因強制性的將空氣‧氣體排出至模具外側的關係，可提升金屬熔湯的流動性以及降低鑄件內部結構產生氣孔…etc. 缺陷的可能性。而該種鑄造技術上，為維持進行鑄造時的真空狀態的關係，在設備上須針對模具分模面(Parting surface)、頂出桿(Ejector pin)、料管、柱塞頭(plunger tip)…etc. 零件做氣密改造之外，也需特別挑選使用產生氣體較少的離型劑(Mold lubricant)、柱塞油(Plunger lubricants)。
  
  (*引用自リョービ株式会社頻道)
- 低速充填鑄造(Low speed filling die casting)
  
  為以低速方式將熔湯充填入模具膜腔內，使其在充填過程中讓熔湯不產生亂流情況下順利流動，且因漸進式的將膜腔內氣體排除的關係，不容易造成捲氣(Air entrapment)缺陷。此外，因不會產生熔湯亂流的關係，又被稱作層流鑄造(Laminar flow die casting)。而在相關技術上，亦有衍生出擠壓鑄造法(Squeeze casting process)、橫式低速充填法(Horizontal Low-velocity die casting process)、NI鑄造法(New Injectioni die casing process)。
  - 擠壓鑄造法(Squeeze casting process)
    
    有別於常見的冷室、熱室壓鑄機將射出機構以水平方式擺放設置，擠壓鑄造機的射出結構為垂直方式擺放設置。在進行鑄造動作時，料管會和射出結構一同傾斜讓金屬熔湯可順利注入料管內。並於完成注湯動作後，將射出結構回歸定位並將料管與模具進行銜接，接著將金屬熔湯注入模具膜腔內成形。
    
    (*引用自North American Die Casting Association頻道)
  - 橫式低速充填法(Horizontal Low-velocity die casting process)
    
    為以冷室鑄造機所發展之衍生技術之一。但有別於冷室鑄造，進行時射出時會以低速(0.03 ~ 0.06 m/s)方式將金屬熔湯注入模具膜腔內成形。但也因為是以低速射出的關係，為防止金屬熔湯於料管內降溫，需要於料管處增設加熱器和選用具斷熱效果的柱塞油。此外，為減少鑄件厚肉處產生縮孔缺陷，於模具上也須導入局部加壓鑄造的結構。
    
    *引用自竹久文隆, 深谷紘一, 横井光義, 「鋳物」, 第66巻,(1997), p506
  - NI鑄造法(New Injectioni die casing process)
    
    以空氣加壓方式，將金屬熔湯注入至模具膜腔後，再使用加壓桿(Pressure bar)對鑄件進行加壓成形。而NI鑄造法除須使用專用的射出機構外，於流道(Runner)和膜腔(Cavity)內還須塗佈粉狀離型劑(Powder release agent)，來抑制金屬熔湯在注入模具膜腔過程中的熱傳導。
    
    *引用自日本鋳造工学会「誰でも分かる鋳物基礎講座」, (2014), p1
- 局部加壓鑄造(Local squeeze die casting)
  
  於金屬熔湯完全充填模具膜腔且金屬熔湯開始進行凝固的當下，以設置於模具上的加壓銷(Pressure pin)對鑄件厚肉處進行局部性加壓，來讓縮孔產生處可以補充不足的熔湯而不產生缺陷。而通常加壓銷所施加的壓力，會是鑄造壓力的1.5倍左右。但實施加壓的的時機若不對，恐無法達到預期效果。
  
  *引用自日本ダイカスト協会「ダイカストって何？ DIE CASTING」, (2022), p27
- 無孔性壓鑄法(Pore free die casting)
  
  又被稱作PF法(Pore free)。在進行鑄造動作時，會預先將模具閉合上，並讓柱塞桿前進至入料口位置待機。接著，將活性氣體的氧氣(O2)填充入模具膜腔內，並待填充完成後再讓柱塞桿後退並將金屬熔湯倒入至料管內，接著以高速速度方式將金屬熔湯注入至模具膜腔內以此成形。而因採高速方式射出，被霧化噴出的金屬熔湯與膜腔內的氧氣產生反應，而產生瞬間性的真空環境，讓鑄件成形時的氣孔缺陷率可以大幅降低。
  
  *引用自日本ダイカスト協会「ダイカストって何？ DIE CASTING」, (2022), p27
- 半固態鑄造(Semi-solid metal casting)
  
  為利用金屬介於固態和液態狀態下，固液共存時呈類似雪泥狀(Sherbet)進行壓鑄的技術。在相關技術上，可區分成觸變鑄造(Thixocasting)和流變鑄造(Rheocasting)…etc 。
  
  (*引用自Lincoln Electric Automation, Columbus頻道)
- 一體化壓鑄(Integrated die casting)
  
  有別於一般壓鑄技術須使用多套模具來生產小型、中型結構零件(機車剎車把手、汽機車輪框、引擎結構件…etc.)、一體化鑄造可一次性的生產大尺寸結構且複雜的結構零件(汽車底盤、車用電池外殼…etc.)。而因所使用之鎖模力超過6,000 tf的關係，又被稱作千兆壓鑄(Giga casting)。
  
  (*引用自Idra Group頻道)