3-1 3-2 3-3 3-4

3.1 3-1 前言 3.1　模　型 3.2　砂模鑄造 3.3　澆注和鑄件處理 3.4　現代鑄造法

▲鑄造是其中一種重要的加工方法，尤其對金屬零組件而言，很多是以鑄造為其製造過程中的第一道加工步驟。 3-1 ▲鑄造是其中一種重要的加工方法，尤其對金屬零組件而言，很多是以鑄造為其製造過程中的第一道加工步驟。 ▲鑄造的方法早在西元前四千多年就開始被用來製造各種器皿、裝飾品、工具和武器等。即使在各種加工技術日益精進的今日，鑄造仍是一種不可或缺的製造方法，目前的鑄造技術已能適用於各種材料。

▲鑄造的優點有: 適用於製造形狀複雜的工件(零件或產品) 適用於一些重量或體積甚大的工件 可簡化加工程序或裝配步驟 3-1 ▲鑄造的優點有: 適用於製造形狀複雜的工件(零件或產品) 適用於一些重量或體積甚大的工件 可簡化加工程序或裝配步驟 由於材料特性上的限制，鑄造是此類材料成形的最佳 適用於大量生產，具有很高的生產率

▲鑄造的缺點有: 鑄件(即鑄造所得之工件)的尺寸和形狀精度通常比切削加工或成形加工所得者為差。 3-1 ▲鑄造的缺點有: 鑄件(即鑄造所得之工件)的尺寸和形狀精度通常比切削加工或成形加工所得者為差。 鑄件的表面狀態一般較差，需再經研磨或噴砂等加工以去除表面的毛邊，或改進表面粗糙度等。 鑄件的內部組織通常並不均勻，且容易出現缺陷。 鑄造工作許多是在高溫及粉塵密佈的環境中進行對人體危害甚鉅。

▲鑄造的方法可分為兩大類: 傳統鑄造法(Traditional casting process) 3-1 ▲鑄造的方法可分為兩大類: 傳統鑄造法(Traditional casting process) 現代鑄造法(Contemporary casting processes)

▲不論是何種鑄造方法，其進行的順序大致為: 3-1 ▲不論是何種鑄造方法，其進行的順序大致為: 1.製作模型(Pattern)和鑄模(Casting mold) 2.熔化(Melting)和澆注(Pouring) 3.凝固(Solidification)和取出鑄件(Casting) 4.清理(Fettling)和檢驗(Inspection)

3.1 模 型 3.1.1 模型裕度 ▲模型(Pattern)是用以產生鑄模之空穴進而生產鑄件所需的實體，其形狀和尺寸都與鑄件相近。 3.1　 模　型 3-1 ▲模型(Pattern)是用以產生鑄模之空穴進而生產鑄件所需的實體，其形狀和尺寸都與鑄件相近。 3.1.1　模型裕度 ▲模型主要的裕度項目有: 1.收縮裕度(Shrinkage allowance) 製作模型時需考慮金屬的收縮率，將模型尺寸適度的放大，稱此為收縮裕度

3.搖動裕度(Shake allowance) 4.加工裕度(Finish allowance) 3-1 2.起模斜度(Draft taper) 當模型自砂模中取出時，若拔取方向和模型與模穴之接觸平面平行的話，容易造成模穴被刮到而崩裂或使模砂脫落，將會影響到鑄件的表面光滑度。因此模型的垂直面必須有適當的起模斜度 3.搖動裕度(Shake allowance) 4.加工裕度(Finish allowance) 5.變形裕度(Distorsion allowance)

3.1.2　模型材料 3-1 ▲常用模型材料的說明如下: 1.木　材 2.金　屬 3.蠟 4.塑膠材料

3.1.3 模型種類 ▲依據鑄件的形狀、尺寸及加工程序等發展出不同 構造的模型，主要的種類有: 1.整體模型(Solid pattern) 3.1.3　模型種類 3-1 ▲依據鑄件的形狀、尺寸及加工程序等發展出不同 構造的模型，主要的種類有: 1.整體模型(Solid pattern) 又稱為單件模型(One piece pattern)，如圖3.1所示。為模型 中最簡單的一種 2.分裂模型(Split pattern) 又稱為二片模型(Two pieces pattern)，如圖3.2所示

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3.鬆件模型(Loose piece pattern) 3-1 3.鬆件模型(Loose piece pattern) 又稱為組合模型(Composited pattern) ，例如圖3.3顯示鳩尾槽鑄件的鬆件模型組合及起模方式。

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4.板模模型(Match plate pattern) 3-1 4.板模模型(Match plate pattern) 將原來分別放置在上下砂箱的兩片模型，相對固定在同一塊平板(即雙面模板)的上下兩面用以造模，如圖3.4所示。

當鑄件尺寸較小，產量又很多時，可將許多相同的小模型以流道(Runner)聯結起來形成所謂的流路模型，如圖3.5所示。 3-1 5.流路模型(Gated pattern) 當鑄件尺寸較小，產量又很多時，可將許多相同的小模型以流道(Runner)聯結起來形成所謂的流路模型，如圖3.5所示。

6.嵌板模型(Follow board pattern) 3-1 6.嵌板模型(Follow board pattern) 若鑄件為大又薄或不易決定分模線，無法以上述的方法製作模型時，可製作一個形狀相同的模板嵌合在模型下方以增加其強度因而形成嵌板模型，如圖3.6所示。

當鑄件截面相同或形狀對稱者，可用如圖3.7所示之模板即所謂的刮板模型。 3-1 7.刮板模型(Sweep pattern) 當鑄件截面相同或形狀對稱者，可用如圖3.7所示之模板即所謂的刮板模型。

8.骨架模型(Skeleton pattern) 3-1 8.骨架模型(Skeleton pattern) 對於少量而且尺寸或重量太大的鑄件，為節省模型材料及方便製作鑄模，可採用骨架構造的模型以代替實體模型，如圖3.8所示。

3.1.4　流路系統 3-1 ▲流路系統(Gating system)是指熔融的金屬液自澆入口到鑄模模穴所經路徑上的相關設施，主要包含澆注部份和冒口部份，如圖3.9所示。

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1.澆池(Pouring basin)又稱澆槽，位於熔融金屬液進入鑄模最開始的澆入口。 3-1 1.澆池(Pouring basin)又稱澆槽，位於熔融金屬液進入鑄模最開始的澆入口。 2.流道(Runner)又稱橫澆道，用以提供金屬熔液水平流動的路徑。 3.冒口(Riser)的形狀通常為直立的圓柱體，其功用為可使金屬熔液在長時間內仍保持著高溫的液態，用以提供鑄件凝固收縮時所需補充之不足的量。

3.2 砂模鑄造 ▲鑄模(Mold)的內部包含有與欲生產之鑄件形狀及尺寸相近的中空模穴或可消失模型。 3.2　砂模鑄造 ▲鑄模(Mold)的內部包含有與欲生產之鑄件形狀及尺寸相近的中空模穴或可消失模型。 ▲外部實體構造所使用的材料主要有模砂、金屬、陶瓷或石膏等，其中以模砂為材料所製作的鑄模稱為砂模(Sand mold)，如圖3.10所示。 3-2

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3.2.1 模 砂 ▲模砂可依其不同來源(例如陸砂、河砂、湖砂等) 。 ▲不同顆粒形狀(例如圓形、橢圓形、多角形等) 。 3.2.1　模　砂 ▲模砂可依其不同來源(例如陸砂、河砂、湖砂等) 。 ▲不同顆粒形狀(例如圓形、橢圓形、多角形等) 。 ▲不同用途(例如鑄鐵用、鑄鋼用、鑄鋁合金用等) 。 ▲不同化學成分(例如天然模砂、合成模砂、特殊模砂等)加以分類。 3-2

▲通常模砂需具備下列的性質: 1.透氣性(Permeability) 2.強度(Strength) 3.耐熱性(Refractoriness) 4.細密性(Fineness) 5.崩潰性(Collapsibility) 3-2

▲為確認模砂合乎所要求的性質，需對模型進行下 列的試驗: 1.水分含量試驗 2.黏土含量試驗 3.粒度試驗 4.透氣性試驗 5.強度試驗 6.硬度試驗 3-2

3.2.2 砂模種類 ▲砂模依模砂的情況和結合劑的不同可分為: 1.溼砂模(Green sand mold) 3.2.2　砂模種類 ▲砂模依模砂的情況和結合劑的不同可分為: 1.溼砂模(Green sand mold) 2.乾面膜(Skin-dried mold) 3.乾砂模(Dry sand mold) 4.泥土模(Loam mold) 5.喃模(Furan mold) 6.二氧化碳模(CO mold) 3-2

3.2.3　砂　心 ▲砂心必須具備的性質有: 1.良好的透氣性 2.良好的潰散性 3.高強度 3-2

3.2.4 造模程序(Mold making process) ▲砂模的製造方法可分為: 1.人工造模(Hand molding) 是指以人力配合各種造模設備和工具來製造砂模 2.機器造模(Machine molding) 是指以機器取代人工方式造模使砂模品質穩定 3-2

▲機器造模的方法有: 震動法(Jolting) 壓擠法(Squeezing) 拋砂法(Sand slinging) 3-2

▲不論是用人工造模或機器造模，其製作程序大致 相同。現以人工造模且使用可取出的分裂模型為 例，簡敘如下: 1.將模型下半部倒置於砂模平板(Mold board)上，再把下砂箱 倒置於此平板上面 2.填模砂入下砂箱，搗實後，將多餘的砂刮去，如圖3.11(a) 所示 3.將底板(Bottom board) A放上去，全體上下翻轉180度，取 走砂模平板，如圖3.11(b)所示 3-2

4.把上砂箱扣合在下砂箱上面，同時把模型的上半部接合到下半部上 5.填砂入上砂箱經搗實後，將多餘的砂刮去。取出澆道棒，將澆口修整成為喇叭口，並做澆池，如圖3.11(c)所示 6.鬆開上下砂箱之扣合件，將底板B放在上砂箱的上面再把上砂箱翻轉180度後置於下砂箱旁。用水刷沾水在上下模型周圍刷拭，以增加模砂的強度，再以起模針，分別取出模型上、下半部。然後在下砂箱內製作流道和鑄口，在上砂箱內製作冒口，如圖3.11(d)和圖3.11(e)所示 3-2

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7.檢查上、下砂箱的模穴，若一切良好，即可將上砂箱翻轉180度放到下砂箱的上面，並以重物將其壓緊，準備澆注。澆注完成並等金屬熔液冷卻後，將砂模破壞即可得到尚未清理的鑄件，如圖3.11(f)所示 3-2

3.3 澆注和鑄件處理 3.3.1 熔化(Melting) ▲當鑄件材料置於熔化爐內熔化時，所得熔融金屬的品質對鑄件的影響很大。 3.3　澆注和鑄件處理 3.3.1　熔化(Melting) ▲當鑄件材料置於熔化爐內熔化時，所得熔融金屬的品質對鑄件的影響很大。 ▲若融入的空氣愈多，則鑄件出現氣孔等缺陷的機率即愈大。 ▲為確保熔融金屬能在冷卻凝固前到達鑄模內每一處應該被充滿的空間，在熔化爐內的熔融金屬溫度需比澆注時的溫度高，而澆注溫度又需比金屬熔化溫度(熔點)高才可以。 3-3

▲熔化爐的選擇需考慮鑄件金屬的熔點，生產此批鑄件所需熔化的量和熔解時間等因素。 ▲澆注是鑄造過程中非常重要的環節，需考慮熔融金屬的流動性和它與鑄模間的熱交換特性，特別注意金屬熔液的澆注溫度和澆注速度方能確保鑄件的品質。 3-3

如鑄鐵為1300 ℃、鑄鋼為1450 ℃、青銅為1180 ℃、鋁合金為700 ℃ 1.澆注溫度 如鑄鐵為1300 ℃、鑄鋼為1450 ℃、青銅為1180 ℃、鋁合金為700 ℃ 2.澆注速度 需視鑄件的形狀而定 3-3

3.3.3 凝固(Solidification) ▲澆注完成後的高溫熔融金屬在鑄模內逐漸冷卻而凝固，形成許多個呈多邊形晶粒的結晶組織。 ▲鑄件甚大且厚截面的部份不只一處時，應安排多處冒口以便分別提供各收縮部份的補充。 3-3

3.3.4 鑄件之清理(Fettling)與檢驗(Inspection) ▲鑄件凝固後，冷卻到某一溫度即可自鑄模或砂模的砂箱及模砂中分離取出，其過程包括拆模、大割和清砂等清理工作。 3-3

▲鑄件經過清理後已成為鑄造所要得到的產品。惟 尚需進行檢驗工作，以確保其品質，主要的檢驗 項目有: ▲鑄件經過清理後已成為鑄造所要得到的產品。惟 尚需進行檢驗工作，以確保其品質，主要的檢驗 項目有: 1.外觀檢驗 通常以目視檢查(Visual examination)方式觀察鑄件表面是 否有氣孔、縮孔、破裂、變形、錯模、異常凸起、砂心位 置變動或其他可以直接看出的瑕疵 3-3

使用適當的量具檢驗鑄件各部位尺寸是否合乎設計圖所要 求的規格 2.尺寸檢驗 使用適當的量具檢驗鑄件各部位尺寸是否合乎設計圖所要 求的規格 3.非破壞檢驗 4.成分及金相檢驗 5.機械性質檢驗 圖3.12表示砂模鑄造的流程 3-3

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3.3.5 鑄件之缺陷與預防 ▲常見的鑄件缺陷與預防方法簡述如下: 1.氣孔(Gas hole) 3.3.5　鑄件之缺陷與預防 ▲常見的鑄件缺陷與預防方法簡述如下: 1.氣孔(Gas hole) 預防的方法有提高鑄模及砂模中砂心的透氣性，降低澆注時高溫熔液對氣體的溶解度，或採用成本較高的真空熔化法等 2.縮孔(Shrinkage cavity) 預防的方法有改進冒口的位置及大小，減少鑄件的厚薄差距過大，和澆注溫度不要過高等 3-3

可藉由慎選模砂來克服，甚且需改用其他的鑄造方法才能改善 3.雜質(Inclusions) 可藉改善提鍊技術去除鑄件原料中的雜質 4.粗糙表面(Rough surface) 可藉由慎選模砂來克服，甚且需改用其他的鑄造方法才能改善 5.變形(Distorsion) 6.偏析(Segregation) 偏析是因為熔融金屬內各種成分原料的凝固溫度不同，以致凝固的時間不同所引起，屬於較難預防的一種鑄件缺陷。加速冷卻速率也許是有效的預防方法，偏析可藉由退火熱處理或熱作加工來改善 3-3

3.4 現代鑄造法 3.4.1 重力鑄造法(Gravity casting) ▲鑄造的方法可分為砂模鑄造和現代鑄造兩大類: 3.4　 現代鑄造法 ▲鑄造的方法可分為砂模鑄造和現代鑄造兩大類: 3.4.1　重力鑄造法(Gravity casting) 3-4 ▲重力鑄造法主要用於鋁合金的鑄造，亦可用於鋅、鎂、銅等非鐵系合金。

▲重力鑄造法的優點有: 鑄模可重覆使用，省略造模所需的程序，故生產效率高，適合於機械化及自動化生產 模壁表面平滑，模穴不易變形，故鑄件有較精良的尺寸及表面特性 鑄件冷卻速率較快，可得到細晶粒組織，且較無偏析現象，故鑄件的機械性質良好 工作環境較砂模鑄造好 3-4

▲重力鑄造法的缺點有: 金屬鑄模製造及維護成本高，生產準備時間長和不適合少量生產 金屬鑄模導熱快，容易使只靠本身重量流動的熔融金屬在未充滿模穴之前，即因凝固而失去流動性，故不適於生產太厚或太薄的鑄件 3-4

3.4.2 壓鑄法(Die casting) ▲壓鑄法的優點有: 鑄件精度很高，表面平滑，可不必再經後續加工即可直接使用 複雜形狀或薄壁鑄件的生產均可適用 生產效率高，適用於大量生產，易於進行自動化 鑄件組織細密，抗拉強度和表面硬度等性質都比砂模所得的鑄件高很多 3-4

▲壓鐵法的缺點有: 熔融金屬進入模穴速度快，又加上壓力作用，以致氣體不容易排出，易產生氣孔等缺陷 壓鑄設備和金屬鑄模製作所需的費用較高，製模時間較長，只適用於大量生產的鑄件 在實際生產方面，目前仍是以用於熔點較低的非鐵系合金為主 3-4

3.4.3 離心鑄造法(Centrifugal casting) ▲離心鑄造法適用的鑄件材料有鑄鐵、碳鋼、合金 鋼、銅合金、鋁合金和鎳合金等。 ▲離心鑄造法的優點有: 不需要澆道、冒口等流路系統，故可較節省鑄件材料。且 不需要造模時的準備工作及鑄件凝固後的清理工作，故較 其他鑄造法經濟 鑄件的結晶組織可較細密，具優良的機械性質和物理性質 3-4

因熔融金屬中所含雜質的比重不同，對離心力的反應與鑄件材料有所差異，故在鑄模旋轉時產生分離，可減少鑄件內部的缺陷 因有離心力的作用，當澆注溫度比其他鑄造法低時，仍然可使熔融金屬保持流動狀態 生產效率很高 3-4

▲離心鑄造法的缺點有: 只能適用於製造外形與旋轉軸對稱的鑄件 若鑄件材料中含有比重較大的金屬成分，則可能因離心作用而產生偏析，使鑄件成為非均質體 3-4

3.4.4　瀝鑄法(Slush casting) ▲瀝鑄法是指不必使用砂心即可製造出中空鑄件的 方法。 3-4

3.4.5 精密鑄造法(Precision casting) ▲精密鑄造法使用非金屬材料製成鑄模，可大幅提高鑄造溫度，故可應用於高熔點的鑄件材料。 ▲所得鑄件的尺寸精確度及表面平滑度均極為優良，不必再經後續加工即可直接裝配使用。 ▲缺點則為只適合於製造小型鑄件，且生產成本較高。 3-4

▲精密鑄造法(Precisionl casting)包含有: 包模鑄造法(Investment casting) 此法因最常用的模型材料是蠟，故又稱為脫蠟法(Lost wax method) 。 2.陶瓷模鑄造法(Ceramic mold casting) 此法和包模鑄造法類似，但使用的模型材料可以是木材或鋁合金。 3.石膏模鑄造法(Plaster mold casting) 將加入強化劑及安定劑的石膏加水攪拌成濃漿，倒在銅或鋁合金製成的可取出模型上。等石膏漿凝固後取出模型，再加熱烘乾得到鑄模。 3-4

4.殼模鑄造法(Shell mold casting) 此法主要優點有製模用砂量少、殼模堅固且輕、易於搬運且耐久存放、鑄件尺寸及表面精度良好、清理成本低、極薄截面鑄件也可鑄造和自動化程度高。缺點則有鑄件太大或太重時不適用、加熱的能源成本和金屬模板模型的製造成本較高 。 3-4

3.4.6 其他鑄造法 ▲連續性鑄造(Continuous casting) : ▲真空鑄造(Vacuum casting) : 3.4.6　其他鑄造法 ▲連續性鑄造(Continuous casting) : 早已被用在生產金屬素材和胚料方面，對於零件生產的應用，目前已經證實具有良好的經濟性。 ▲真空鑄造(Vacuum casting) : 配合包膜、陶瓷膜、濕沙膜等鑄模，生產薄壁外型複雜及性能均一的鑄件。 製造過程為一般金屬在大氣中熔融，而活性金屬(例如鋁鈦鋯)則在真空狀態熔融後，把鑄模真空在將它一部份浸入裝有熔融金屬的融化爐中。 3-4