永久模铸造法

永久模铸造是利用可重复使用的模具（即所谓的“永久模”，一般以金属制成）的金属铸造制程。利用重力填充模具是最常见的方法，称为重力铸造，不过也有使用气压或真空的制程。重力铸造还有一种变化形式，称为沥铸法，用以产生中空铸件。常用的铸件金属包含铝、镁及铜合金。其他材料如锡、锌及铅合金，还有钢、铁也会使用石墨模具进行铸造。典型的零件包括齿轮、栓槽、轮圈、齿轮箱、管配件、燃油喷射系统外壳、车辆引擎活塞。永久模铸造有4种主流制程：重力铸造、沥铸、低压铸造、真空铸造。先将模具预热到150-200℃，如此可以让流体流动较为顺畅，减少毛胚的缺陷。接着，在模穴涂布隔热材料或脱模剂，避免毛胚黏在模具上，藉以延长模具寿命。然后安装砂心或金属模仁，并且将模具紧闭。接着将熔融金属液倒进模具里。固化后，开启模具并移除毛胚，以降低发生热裂的机会。然后制程会整个重头再来一次，只是不需再预热，因为前一个毛胚留下的热还足够，而隔热材料应该还够用几个毛胚。本制程常用在大量生产的工件，一般会用自动化设备来涂抹模具、倾注金属、移除毛胚。为了使发生裂痕和空孔的几率降到最低，尽可能在较低的温度倾注金属。倾注温度范围端视毛胚材料而定；例如锌合金会在大约370℃的温度倾注，而灰口铸铁则加热到约1,370℃再进行倾注。铸造用模具通常分成两半，一般以灰口铸铁制作，因为它的金属疲劳特性极佳，但是也有使用钢、青铜、石墨的例子。之所以选用这些材料，是因为它们的抗蚀能力和金属疲劳特性。它们通常不会很复杂，因为这些模具不会塌陷以补偿缩水；而且需要在毛胚一固化后就打开模具，以免发生热裂。需要使用模仁的时候，通常是用砂或金属制作模仁。如上所述，在第一次铸造循环前先预热模具，然后连续进行铸造制程，在各个铸造循环间尽可能维持温度恒定。这样可以减少金属疲劳、促进金属流动、且有助于控制铸件金属的冷却速率。排气通常可借由两半模具之间的微小缝隙进行，如果不够的话，还可以设置非常小的排气孔，让空气可以通过，但是熔融金属不行。用冒口补偿缩水是必须的，然而冒口的设计常常使材料利用率低于60%。如果使用脱模剂还不足以让毛胚容易移出模具，常常会用顶出销一类的元件。这些销会设置在模具各处，而且会在毛胚表面留下圆形的小印痕。沥铸是另一种永久模铸造方法，用来制作中空毛胚或中空铸件。先将材料倒进模具，然后让它冷却，直到材料在模具内形成一个壳，接着将残留的液体倒出来，留下中空的壳件。这种制程产生的毛胚具有良好的表面，但是壳厚不均匀。本制程常用低熔点材料来铸造装饰品，像是烛台、灯座、雕像。本方法在1893年由William Britain开发，当时用来生产铅制玩具兵。它使用的材料比实心铸件少，而且可以得到更轻、更便宜的产品。然而，如果制程中倒出的液体过多，中空铸件常常会出现小洞。低压永久模（LPPM）铸造使用低压气体（一般介于3到15 PSIg）来把熔融金属推进模穴里。参照示意图，此压力施加在金属池上，迫使熔融金属沿着隔热倾注管向上，最后流进模具底部。倾注管伸到盛桶底部，所以被推进模具里的材料非常干净。这种制程不需要冒口，因为所施加的压力会迫使熔融金属补偿缩水。它的材料利用率一般会超过85%。而且因为没有冒口，在倾注管内的熔融金属会回到盛桶中供下次使用。绝大部分的LLPM铸件是铝、镁铸件，但是也有一部分是铜合金。这种制程有个好处，因为压力是固定的，填充模具所产生的紊流很小，所以气孔和熔渣很少。此种铸件比重力永久模铸件的机械性质好一些，二者约有5%的差距。其缺点则是循环时间比重力永久模铸件长。真空铸造的铸件具有LLPM铸件所有的优点，而且溶解的气体更少，因此熔融金属更为干净。这种制程可以处理薄壁外型，同时提供极佳的表面粗糙度。一般而言，其铸件的机械性质约比重力永久模铸件好上10到15%。然而这种制程的铸件有0.2到5 kg的重量限制。永久模铸造法主要的优点是：模具可以重复使用、良好的表面粗糙度、良好的尺寸精度。一般而言，尺寸在25 mm以内，其公差是0.4 mm，然后每多1公分再加0.02 mm。如果该尺寸跨过分模线，则再加0.25 mm 。典型的表面粗糙度介于2.5到7.5 μm RMS。拔模角需2到3°。壁厚的限制为3到50 mm。常见铸件大小从100 g到75 kg不等。可以透过改变模具壁厚、加热或冷却模具的某些部分，产生定向固化（directional solidification）。而且金属模具的冷却速率很快，能得到比砂模铸造更细致的晶粒结构。需形成底切（undercut）的时候，还能用可抽离的金属模仁，让模具依然可以快速作动。永久模铸造法的缺点主要有3个：模具成本高、只能使用低熔点的熔融金属进行铸造、模具寿命短。高模具成本导致永久模铸造法在小批量生产上不具经济效益。本制程用于铸钢或铁等高熔点金属的时候，模具寿命非常短；使用低熔点金属时，模具寿命会长一些，但是常常受限于金属疲劳、腐蚀，大约也只有10,000到120,000个循环。影响模具寿命的因素有4个：模具材料、倾注温度、模具温度、模具结构。倾注温度取决于铸件金属，倾注温度愈高则模具寿命愈短。高倾注温度同时也会导致缩水问题和较长的循环时间。模具温度过低会产生滞流，模具温度过高则会使循环时间变长，而且会加剧模具腐蚀。模具（或铸件）的截面厚度差异很大的时候，模具寿命也会下降。