澆口與凝固：消除孔隙的關鍵

採用熔模鑄造製程時，務必瞭解所有影響零件成功製造的因素。避免零件失效的首要步驟之一，是在鑄造前確保零件具備所需的健全性。熔模鑄造是少數可預先驗證零組件可行性的製造製程之一。

澆口系統

設計熔模鑄造零件時，必須考量澆口的位置與尺寸。澆口是讓熔融金屬自由流入型腔的小開口，可視為補縮來源（即主澆道）與零件之間的連接點。理想情況下，澆口應設於鑄件最厚、最重的部位，使金屬能持續流動並在凝固前完全充填零件。

金屬在鑄造過程中的凝固方式

金屬凝固是瞭解澆口設計的關鍵因素。熔融鋼材從約 3000°F 的初始澆注溫度冷卻至約 2500°F 的凝固溫度時，會發生體積收縮。金屬凝固時會持續收縮，之後冷卻至室溫時，也會因受熱膨脹而再次收縮。

舉例而言，1" x 1" x 1" 的立方體充填熔融鋼材後，在室溫下會收縮至約 0.96" x 0.96" x 0.96"。此體積變化使零件幾何形狀、澆口位置及尺寸必須經過審慎考量。適當的設計可確保鑄件在凝固過程中持續獲得液態金屬補充，以補償收縮。

成功鑄件的要素為何？

澆口位置與尺寸

瞭解金屬凝固的基本原理後，即可開始確定澆口的尺寸與位置。若未考量澆口細節，澆口可能在金屬尚未完全充填鑄件並補足流失體積前就已凝固。這可能導致零件內部產生未完全充填的大型空隙，亦稱為內部孔隙。孔隙是指零件所達成的緻密程度，也就是零件內部是否存在空腔或孔洞。若零組件的澆口設計未充分考量零件功能，可能導致零件失效。

零件設計

澆口並非消除孔隙的唯一決定因素。零件幾何形狀會影響金屬的定向凝固。設計必須使熱梯度足夠陡峭，以維持從主澆道至零件的補縮路徑暢通。由於零件不會同時凝固，且是由外向內冷卻，優質設計應使金屬優先從遠離澆口的部位冷卻。冰柱形狀是理想鑄件的典型例子，其尖端最先凍結，其餘部分則從最小截面一路往最厚截面（水源）凝固。

對於初步出現孔隙的設計，增加補縮肋等特徵可消除不必要的空隙。零件設計也可透過結構變更加以改善，例如使底板採漸縮設計，以減少孔隙。然而，在某些情況下，零件幾何形狀無法變更。我們可利用輻射熱，將澆口設計為不影響功能的支臂，使薄壁部位及端板在凝固時維持足夠溫度，以便為零件補縮。

透過與客戶密切合作，Signicast 設計工程師能更深入瞭解零件功能，並最佳化零件幾何形狀，以符合應用需求。

鑄造材料選擇

除設計考量外，材料選擇會直接影響零件內部的孔隙及鑄件的凝固。合金中的每種元素皆有不同的凝固溫度；由於合金中含有多種元素，17-4 stainless steel 從液態轉為固態時的溫度範圍較大。較大的溫度範圍會抑制流動性，使其對製程條件的容許度低於低碳鋼。在專案初期掌握材料需求，可讓設計工程師更有機會預測零件是否成功，並在進入模具開發階段前限制孔隙。

在依據零件設計進入全面量產前，識別潛在的孔隙問題十分重要。Signicast 使用凝固與流動軟體來判定澆口位置的有效性、預測鑄件孔隙，並驗證設計。我們的設計工程師可協助提出有益的設計建議，在不延誤上市時程的情況下，製造出成功的零件。