科普知识：浅谈压铸和优缺点比较

2024-10-24

科普知识：浅谈压铸(Die casting)和优缺点比较

在其他的单元内，我们有针对各种铸造(Casting)技术及模流软体(Molding simulation)进行简单的介绍。相信有阅读过的读者们，对于铸造应该都有了概略的了解。
若有读者还没有阅读的话，可以从下面文字连结前往确认。

科普知识：浅谈铸造与模流软体

那么接下来的内容部分，我们会针对被归类于非消耗模铸造(Non-expendable mold casting)的压铸(Die casting)以及其优缺点进行简单介绍。

什么是压铸(Die casting)？

压铸(Die casting)为将融化的金属熔液以高压(High Pressure)注入精密模具中，并在极短的时间内取得大量高品质成品的铸造技术之一。以压铸技术所生产的制品，又可被称作Diecast。 Die所指的是模具(Mold/Mould)，Cast则为铸件。

压铸技术的起源，在历史上可追朔到1838年由美国发明家布鲁士(David Bruce，1802-1892)所开发的手摇式铸字机(Pivotal type caster, Bruce Casting Machine)。虽与拥有悠久历史的铸造技术(可追朔到纪元前BC3200的青铜器)相比发展期间较短，但其技术无疑是奠定了日后工业技术、工业产品普及化的重要基础之一。

而压铸技术有别于其他铸造技术，所生产之制品有着优异的尺寸精度、漂亮且平滑的制品表面、稳固的金属结构、高强度、容易量产、降低切销加工费用…etc. 特征的关系，在现代社会中被积极的运用在像是汽车、机车、家电产品、建筑用品各领域的零组件、结构件的生产上。

压铸与其他铸造技术比较

诚如在其他单元中也有所有提及，在铸造技术上有着各式各样的应用技术。其中最具代表性的铸造技术，分别为砂模铸造(Sand casting)、精密铸造(Precision casting)、模具铸造(Metal mold casting)、低压铸造(Low Pressure Die Casting)以及压铸(Die casting)。而不管哪种铸造技术都有其优缺点的关系，在实际应用于生产制造时，会依制造之产品、以及铸造材料不同而选用不同压铸技术。
而具体来说，在各种铸造技术上的概要及优缺点，可参照下图说明资讯。

砂模铸造(Sand casting)

为将金属熔汤浇铸入以砂制成的模具内，令其成形的铸造技术。虽于每次铸造时必须重新制作专用之模具，但因制作模具成本低且所需之设备较少的关系，在运用上成本非常低廉。而在可使用的铸造材料上，可使用铸铁(Cast iron)、铸钢(Cast steel)、铜合金、铝合金…etc. 各种金属。代表性的铸造方法有湿砂模铸造(Green sand casting)、自硬性模铸造(Self-Hardening casting)…etc。

(*引用自プロセスX頻道)
精密铸造(Precision casting)

将金属熔汤注入由蜡(Wax)或树脂(Resin)制作的模型上用防火材质粉末或陶瓷包覆制成的模具、又或以石膏(Plaster)制作的模具内使其成形的铸造技术。由于精密铸造可生产复杂结构制品，并拥有优异的尺寸精度以及平滑的产品外表的关系，不管是从随身饰品到航空机械零件的生产皆被广泛应用。代表性的铸造技术有脱蜡铸造(Lost-wax casting)、石膏模铸造(Plaster mold casting)…etc。

(*引用自ArmstrongMold頻道)
模具铸造(Metal mold casting)

为运用重力(Gravity)将金属熔汤注入至由耐热钢或铸铁制成的模具内，并使其成形的铸造技术的关系，又被称做重力铸造(Gravity die casting)。而在常用的铸造材料上，会使用铝合金、镁合金、铜合金…etc. 金属。相较于砂模铸造，所生产出来的拥有更优异的尺寸精度、更滑顺的产品表面、以及优异的机械性质的关系，多会用于生产需要耐压性或强度的制品。

(*引用自プロセスX頻道)
低压铸造(LPDC, Low Pressure Die Casting)

虽与模具铸造类似，同为将金属熔汤倒入金属模具内成形的铸造技术。但有别于使用重力进行充填的模具铸造，低压铸造则是于密闭的保温炉内，以0.01~0.1 MPa的空气压力来将熔汤注入模具中。并当熔汤凝固后，会将保温炉内空气压力泄压，让剩余未凝固的熔汤收回保温炉内。

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

又被称作高压铸造(HPDC, High Pressure Die Casting)。与低压铸造相反，为使用约为30~80 MPa的高压将金属熔汤注入进精密模具内使其成形的铸造技术。有着有着优异的尺寸精度、漂亮且平滑的制品表面、稳固的金属结构、高强度…etc. 的特征。

(*引用自リョービ株式会社頻道)

常见压铸用金属材料

而在压铸技术上所使用的金属材料，主要为非铁金属(Non-ferrous metal)的铝合金(Aluminum alloy)、锌合金(Zinc alloy)、镁合金(Magnesium alloy)、铜合金(Copper alloy)…etc. 金属、合金。

铝合金(Aluminum alloy)

比重约为2.7 g/cm3。因有着优异耐腐蚀及轻量的特性，以及长久使用依然能维持尺寸精度的关系，在各领域上被积极活用。于整体压铸生产制程上约占97.9%，为最广泛被使用之压铸材料。举例来说，像是汽车‧机车的汽缸结构(Cylinder block)、刹车手把(Brake lever)、瓦斯炉具(Gas stove/furnace)..etc 。
锌合金(Zinc alloy)

比重约为6.6 g/cm3。因材料特性上耐冲击、有优异的机械性质、尺寸精度高、便于进行镀膜…etc. 表面处理的关系，适合薄肉的复杂结构件生产使用。但因比重较重，不是适合用于制品轻量化上。而在应用上会被用于汽车门把(Car door handles)、PC端子(PC connecter)、汽车散热罩(Car radiator grill cover)…etc. 产品上。
镁合金(Magnesium alloy)

比重约为1.8 g/cm3。为铁(Fe)和铝(Al)的1/4，为小型实用金属内最轻的材料。具耐凹陷、吸收震动的特性，被广泛应用于智慧型手机、电脑…etc. 电子产品的结构框架上。
铜合金(Copper alloy)

比重约为8.9 g/cm3。具优异的导热‧导电性、高强度、耐腐蚀的特性，多半应用于像是水栓螺帽、房间门把、铰链…etc. 的建筑材料产品上。

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

压铸设备结构

而压铸机设备虽会因所使用之压铸技术不同而有差异，从结构上来说可分为控制模具开关的锁模机构(Clamping unit)、将金属熔汤射出‧充填至模具内的射出机构(Injection unit)、以及将冷却成形的铸件从模具内推出的顶出机构(Ejector unit)。

锁模机构(Clamping unit)

为控制装设于可动模板(Movable template)和固定模板(Fixed template)上的模具(Mold)进行开闭动作的装置之外，并提供模具有足够的锁模力(Mold clamping force)来以抗衡当熔汤注入模具时所产生的开模力(Mold opening force)。
射出机构(Injection unit)

为将充填入料管内的金属熔汤，射出‧注入至模具膜腔内的机构。在结构上，由射出料管(Sleeve)、射出杆(Injection plunger)、射出油压缸(Injection cylinder)、蓄压器(Accumulator)…etc. 零件所组成。
顶出机构(Ejector unit)

为金属熔汤于模具内冷却成形后，将铸件从可动模具(Movable die)上顶出取下的装置。在结构上，由顶出杆(Ejector pin)、顶出板(Ejector plate)、顶出油压缸(Ejector cylinder)…etc. 零件构成。

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

压铸相关技术

在现代压铸技术上如同铸造技术般的，会以各种原理或技术为核心，进而发展不同的的衍生技术。而这些相关技术上，概要上可区分为基础技术的一般压铸(General die casting)和衍生技术的特殊压铸(Special die casting)。

一般压铸(General die casting)

在常见的一般压铸技术上，可依压铸机设备所采用之射出结构不同，可区分成冷室压铸(Cold chamber die casting )和热室压铸(Hot Chamber die casting)。
- 冷室压铸(Cold chamber die casting)
  
  在结构上，压铸机本体结构与熔解保温炉采分离方式设置。因其射出机构的料室(Chamber)会接触到空气而造成熔汤冷却，采用此种技术的设备被称作冷室压铸机(Cold chamber die casting machine)。而在进行射出动作时，会以低速射出和高速射出的两阶段方式进行射出。在低速射出时其速度约0.1 ~ 0.7 m/s，而高速射出时其速度约2 ~ 3 m/s。但随着技术进步和发展，目前在市场上高速射出可达10 m/s的设备也已问世。
  
  (*引用自North American Die Casting Association頻道)
- 热室压铸(Hot Chamber die casting)
  
  有别于冷室压铸机的结构，射出机构和熔解保温炉采一体化设计，其最大特征是射出机构的料室(Chamber)会沉浸在于专用的熔解保温炉内。于进行生产时，熔解保温炉的熔汤会经由鹅颈(Goose-neck)注入模具内成形。为此，采用此种技术的设备也被称作热室压铸机(Hot Chamber die casting machine)。而在进行射出动作时，会以约1 ~ 2 m/s的速度进行射出。
  
  (*引用自North American Die Casting Association頻道)
特殊压铸(Special die casting)

而特殊压铸(Special die casting)则是为改善一般压铸技术的常见的各种压铸缺陷(流动不良(Misrun)、冷接纹(Cold shut)、缩孔(Shrinkage cavity)…etc.)，所衍生出来的特殊技术。
- 真空压铸(Vacuum die casting)
  
  为强制性的将料管、模具膜腔(Mold cavity)内残留的空气‧气体，排出至模具外侧并进行铸造的技术。也因强制性的将空气‧气体排出至模具外侧的关系，可提升金属熔汤的流动性以及降低铸件内部结构产生气孔…etc. 缺陷的可能性。而该种铸造技术上，为维持进行铸造时的真空状态的关系，在设备上须针对模具分模面(Parting surface)、顶出杆(Ejector pin)、料管、柱塞头(plunger tip) …etc. 零件做气密改造之外，也需特别挑选使用产生气体较少的离型剂(Mold lubricant)、柱塞油(Plunger lubricants)。
  
  (*引用自リョービ株式会社頻道)
- 低速充填铸造(Low speed filling die casting)
  
  为以低速方式将熔汤充填入模具膜腔内，使其在充填过程中让熔汤不产生乱流情况下顺利流动，且因渐进式的将膜腔内气体排除的关系，不容易造成卷气(Air entrapment)缺陷。此外，因不会产生熔汤乱流的关系，又被称作层流铸造(Laminar flow die casting)。而在相关技术上，亦有衍生出挤压铸造法(Squeeze casting process)、横式低速充填法(Horizontal Low-velocity die casting process)、NI铸造法(New Injectioni die casing process)。
  - 挤压铸造法(Squeeze casting process)
    
    有别于常见的冷室、热室压铸机将射出机构以水平方式摆放设置，挤压铸造机的射出结构为垂直方式摆放设置。在进行铸造动作时，料管会和射出结构一同倾斜让金属熔汤可顺利注入料管内。并于完成注汤动作后，将射出结构回归定位并将料管与模具进行衔接，接着将金属熔汤注入模具膜腔内成形。
    
    (*引用自North American Die Casting Association頻道)
  - 横式低速充填法(Horizontal Low-velocity die casting process)
    
    为以冷室铸造机所发展之衍生技术之一。但有别于冷室铸造，进行时射出时会以低速(0.03 ~ 0.06 m/s)方式将金属熔汤注入模具膜腔内成形。但也因为是以低速射出的关系，为防止金属熔汤于料管内降温，需要于料管处增设加热器和选用具断热效果的柱塞油。此外，为减少铸件厚肉处产生缩孔缺陷，于模具上也须导入局部加压铸造的结构。
    
    *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
- 无孔性压铸法(Pore free die casting)
  
  又被称作PF法(Pore free)。在进行铸造动作时，会预先将模具闭合上，并让柱塞杆前进至入料口位置待机。接着，将活性气体的氧气(O2)填充入模具膜腔内，并待填充完成后再让柱塞杆后退并将金属熔汤倒入至料管内，接着以高速速度方式将金属熔汤注入至模具膜腔内以此成形。而因采高速方式射出，被雾化喷出的金属熔汤与膜腔内的氧气产生反应，而产生瞬间性的真空环境，让铸件成形时的气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
- 半固态铸造(Semi-solid metal casting)
  
  为利用金属介于固态和液态状态下，固液共存时呈类似雪泥状(Sherbet)进行压铸的技术。在相关技术上，可区分成触变铸造(Thixocasting)和流变铸造(Rheocasting)…etc 。
  
  (*引用自Lincoln Electric Automation, Columbus頻道)
- 一体化压铸(Integrated die casting)
  
  有别于一般压铸技术须使用多套模具来生产小型、中型结构零件(机车刹车把手、汽机车轮框、引擎结构件…etc.)、一体化铸造可一次性的生产大尺寸结构且复杂的结构零件(汽车底盘、车用电池外壳…etc.)。而因所使用之锁模力超过6,000 tf的关系，又被称作千兆压铸(Giga casting)。
  
  (*引用自Idra Group頻道)