在现代工业的广阔领域中，铝铸造作为一种关键的金属成型工艺，发挥着举足轻重的作用。从日常使用的电子产品，到高速行驶的汽车，再到翱翔天际的飞机，铝铸件的身影无处不在。它以其独特的优势，为各行业的发展提供了坚实的支撑，成为推动现代工业进步的重要力量。

  一、铝铸造的基本概念

  铝铸造，简而言之，是将液态的铝或铝合金注入特定模具型腔，待其冷却凝固后，获得具有预定形状、尺寸和性能的铝制零件或产品的过程。这一工艺利用了铝及铝合金在液态时良好的流动性，能够填充复杂模具的各个角落，从而制造出形状各异的铸件。铝及铝合金具有密度低、比强度高、导电性和导热性良好、耐腐蚀性强等一系列优异特性，这些特性使得铝铸造产品在众多领域备受青睐。与其他金属铸造工艺相比，铝铸造在轻量化方面具有显著优势，这对于航空航天、汽车等对重量敏感的行业来说至关重要。例如，在航空领域，采用铝铸件制造飞机部件，可以有效减轻飞机重量，提高燃油效率，增加航程。

  二、铝铸造的发展历程

  铝铸造的历史源远流长，其发展历程见证了人类科技的不断进步。早期，受限于技术水平，铝的提取和加工难度极大，铝的价格昂贵，仅用于制作一些高端装饰品和奢侈品。随着电解铝技术的发明，铝的生产成本大幅降低，产量迅速增加，为铝铸造工艺的发展奠定了坚实的物质基础。20 世纪以来，尤其是二战期间，由于军事工业对轻量化、高强度材料的迫切需求，铝铸造技术迎来了快速发展的黄金时期。在这一时期，各种新的铸造工艺不断涌现，如砂型铸造、金属型铸造、压力铸造等逐渐成熟并广泛应用。战后，随着民用工业的蓬勃发展，铝铸造技术在汽车、建筑、电子等领域得到了更为广泛的应用和进一步的改进。如今，随着计算机模拟技术、自动化控制技术和新材料技术的飞速发展，铝铸造工艺正朝着高精度、高性能、高效率和绿色环保的方向不断迈进。例如，通过计算机模拟，可以在铸造前对铝液的流动、凝固过程进行模拟分析，预测可能出现的缺陷，从而优化铸造工艺参数，提高铸件质量。

  三、铝铸造的主要工艺

  (一)砂型铸造

  砂型铸造是一种较为传统且应用广泛的铝铸造工艺。它以砂(如黏土砂、树脂砂等)作为铸型材料，通过制作与铸件形状相匹配的砂型，将液态铝液浇入其中，待冷却凝固后获得铸件。砂型铸造的优点十分显著。首先，其模具材料成本低廉，对于大型铸件而言，这一优势尤为突出，能够有效降低生产成本。其次，该工艺灵活性高，可用于生产形状复杂的零件，能够满足多样化的产品需求。此外，砂型铸造对铝合金的种类适应性强，像常见的 A356、ZL101 等铝合金都能适用。然而，砂型铸造也存在一些不足之处。由于砂型的表面粗糙度相对较高，导致铸件表面较为粗糙，尺寸精度较低，一般只能达到 CT10 - CT12 级，往往需要进行后续的机械加工来提高表面质量和尺寸精度。而且，砂型通常需要手工制作，生产效率较低，不适合大批量生产。在铸造过程中，砂型的透气性也会对铸件质量产生影响，容易使铸件产生气孔、夹砂等缺陷。砂型铸造主要适用于大型铝铸件，如发动机缸体、机床底座等，以及新产品的试制件，因为这些情况对生产成本和产品灵活性的要求较高，而对生产效率和尺寸精度的要求相对较低。

  (二)金属型铸造(永久模铸造)

  金属型铸造采用金属模具(如铸铁或钢模)，依靠重力使铝液充型，适用于中小批量生产。与砂型铸造相比，金属型铸造具有诸多优势。由于金属模具的表面光洁度高，且在铸造过程中能够对铝液的冷却速度进行更好的控制，因此铸件的表面质量较高，表面粗糙度可达 Ra6.3 - 12.5μm，尺寸精度也能达到 CT6 - CT8 级。金属模具可重复使用，寿命长达数万次，这大大提高了生产效率，降低了模具成本。在金属型铸造过程中，铝液的冷却速度相对较快，使得铸件的组织更加致密，力学性能得到提升，强度较高。不过，金属型铸造也存在一定的局限性。金属模具的制造成本较高，初期投资较大，因此更适合批量生产，以分摊模具成本。对于一些具有复杂内腔的零件，金属型铸造难以直接成型，通常需要配合砂芯来实现，但这会增加工艺的复杂性和成本。在汽车工业中，金属型铸造广泛应用于汽车轮毂、活塞、泵壳等中小型铝铸件的生产。这些零件对尺寸精度、表面质量和力学性能都有一定的要求，金属型铸造能够较好地满足这些需求，同时其生产效率也能适应汽车零部件中小批量生产的特点。

  (三)压力铸造(压铸)

  压力铸造是在高压(几十至几百 MPa)作用下，将铝液高速注入金属模具型腔的铸造工艺，特别适合大批量生产精密零件。压力铸造具有极高的生产效率，其生产周期极短，每分钟可生产多个零件，能够满足大规模工业化生产的需求。由于在高压下铝液能够快速、充分地填充模具型腔，因此铸件的尺寸精度极高，可达 CT4 - CT6 级，表面光洁度也非常好，表面粗糙度 Ra1.6 - 3.2μm，能够满足一些对表面质量和尺寸精度要求苛刻的产品需求。压力铸造还能够实现薄壁成型，可生产壁厚 0.5mm 以下的复杂零件，这对于电子产品外壳等对轻量化和结构复杂性有较高要求的产品来说具有重要意义。然而，压力铸造的模具成本极其昂贵，需要专门的压铸设备，且设备的维护成本也较高，因此只有在大批量生产(通常 10 万件以上)的情况下才具有较好的经济性。在 3C 电子行业，手机、平板电脑等电子设备的外壳大量采用压力铸造工艺生产。这些外壳不仅要求具有轻薄、美观的特点，还需要具备一定的强度和散热性能，压力铸造能够满足这些要求，并且其高生产效率能够满足电子行业产品更新换代快、市场需求量大的特点。在汽车行业，压力铸造也用于生产一些复杂的汽车零部件，如变速箱壳体、支架等，这些零部件对尺寸精度和力学性能要求较高，压力铸造能够保证产品质量的稳定性和一致性。

  (四)低压铸造

  低压铸造利用低压(0.01 - 0.1MPa)将铝液平稳地充入模具型腔，该工艺兼具金属型铸造和压铸的部分优点。低压铸造能够使铝液在较低压力下平稳充型，减少了铝液在充型过程中的紊流和卷入气体的可能性，从而使铸件组织更加致密，无气孔、缩松等缺陷，力学性能接近锻件。低压铸造的铸件表面质量较好，优于砂型铸造，接近金属型铸造的水平。该工艺还适合生产带有砂芯的复杂空心结构件，能够满足一些特殊结构产品的制造需求。低压铸造需要配备专用的低压铸造机，设备成本较高，这在一定程度上限制了其应用范围。低压铸造在汽车轮毂、气缸盖、航空航天结构件等产品的生产中应用较为广泛。汽车轮毂作为汽车行驶系统的重要部件，对强度和动平衡性能要求极高，低压铸造生产的轮毂能够满足这些要求，并且在保证质量的同时，具有较好的生产效率。在航空航天领域，对于一些承受较大载荷的结构件，低压铸造能够提供高质量的铸件，确保产品在极端环境下的可靠性和安全性。

  (五)熔模铸造(精密铸造)

  熔模铸造是一种使用蜡模和陶瓷壳造型的精密铸造工艺，适用于制造高精度、复杂结构的铝铸件。在熔模铸造过程中，首先制作与铸件形状相同的蜡模，然后在蜡模表面逐层涂覆陶瓷浆料，形成陶瓷壳。待陶瓷壳干燥硬化后，将蜡模熔化排出，得到中空的陶瓷型壳。最后将液态铝液浇入型壳中，冷却凝固后去除陶瓷壳，即可获得高精度的铝铸件。熔模铸造的精度极高，可达 CT4 - CT6 级，表面粗糙度 Ra1.6 - 6.3μm，能够满足一些对尺寸精度和表面质量要求极高的产品需求。该工艺能够铸造出形状极为复杂的零件，如涡轮叶片、精细网格等，这些复杂结构采用其他铸造工艺往往难以实现。熔模铸造的铸件无分型面，减少了飞边的产生，大大减少了后续加工的工作量。熔模铸造的工艺过程较为复杂，生产周期较长，成本较高，主要适用于航空航天、医疗精密零件、艺术铸件等对产品质量和精度要求极高，且对成本相对不敏感的领域。在航空航天领域，发动机的涡轮叶片需要承受高温、高压和高速气流的冲击，对叶片的形状精度、表面质量和力学性能要求极为苛刻，熔模铸造能够满足这些要求，生产出符合航空发动机高性能需求的涡轮叶片。在医疗领域，一些精密的医疗器械部件，如人工关节等，也采用熔模铸造工艺生产，以确保产品的高精度和高质量，保障患者的使用安全和效果。

  (六)挤压铸造(液态模锻)

  挤压铸造是一种将铸造与锻造相结合的工艺，铝液在高压下凝固成型，从而使铸件获得致密的组织和优异的力学性能。在挤压铸造过程中，铝液被注入模具型腔后，通过压力装置对铝液施加高压，使铝液在压力作用下凝固结晶。这种工艺能够有效消除铸件内部的气孔和缩松缺陷，使铸件组织均匀，力学性能得到显著提升。挤压铸造的铸件抗拉强度比普通铸件高 20% - 30%，并且具有良好的可热处理性能，适合制造对高强度要求较高的零件。挤压铸造需要专用的挤压铸造机，设备结构复杂，投资成本高。模具在高压下工作，对模具的强度和耐磨性要求极高，导致模具成本也较高。因此，挤压铸造主要适用于生产高附加值产品，如汽车安全件(转向节、悬挂部件)、军工部件等。在汽车行业，转向节和悬挂部件作为汽车行驶安全的关键部件，需要具备极高的强度和可靠性。挤压铸造生产的这些部件能够满足汽车在高速行驶和复杂路况下对零部件强度和性能的严格要求，确保汽车的行驶安全。在军工领域，对于一些在恶劣环境下使用的武器装备部件，挤压铸造能够提供高质量、高性能的铸件，满足军工产品对可靠性和耐久性的特殊需求。

  四、铸造铝合金的主要类型

  (一)铝 - 硅系合金

  铝 - 硅系合金是铸造铝合金中最为常见且应用广泛的一类合金，常被称为 “硅铝明” 或 “矽铝明”。其主要成分是铝和硅，硅的含量一般在 4% - 13% 之间，不同的硅含量赋予了合金不同的性能特点。当硅含量较低时，合金的延展性较好，适合用于制造变形合金;而当硅含量较高时，合金熔体的流动性极佳，填充模具型腔的能力强，因此常用于铸造合金。例如，ZL101 合金是铝 - 硅系合金的典型代表之一，它具有成分简单、易于铸造的特点，并且具备较好的气密性、流动性和抗热裂性能。同时，其力学性能、焊接性能和耐腐蚀性能也较为适中，能够满足多种零件的制造需求。在航空工业中，ZL101 合金可用于制造飞机的一些承受中等负荷的复杂零件;在汽车和船舶工业中，汽车及船舶的零件、汽缸体等也常常采用该合金制造。ZL102 合金同样属于铝 - 硅系合金，它的最大优势在于流动性极佳，气密性比 ZL101 更好。虽然 ZL102 合金不能通过热处理强化，抗拉强度相对较低，但这并不影响它在特定领域的应用。它主要用于制造承受低负荷、形状复杂的薄壁铸件，如各种仪表壳体、汽车机匣等。铝 - 硅系合金在航空航天和汽车制造等领域具有广泛的应用。在航空航天领域，由于其具有低密度、高强度、优良的抗腐蚀性和抗氧化性等特点，能够满足航空航天器对材料轻量化和高性能的严格要求，常用于制造飞机结构件、发动机部件和航天器外壳等。在汽车制造业，铝 - 硅系合金可用于生产发动机部件(如气缸头、活塞等)、车身结构件和轮毂等，有助于实现汽车的轻量化设计，提高燃油效率，降低尾气排放。随着汽车行业对节能化和轻量化的追求不断提高，A356 铝硅合金等铝 - 硅系合金在汽车工业中的应用愈发广泛，不仅用于传统的汽车零部件制造，还逐渐应用于汽车的底盘、车身、发动机等重要部位，为汽车行业的发展提供了有力的支持。

  (二)铝 - 铜系合金

  铝 - 铜系合金是应用历史较为悠久的一种铸造铝合金。当合金中铜的含量处于 4.5% - 5.3% 范围时，合金能够获得较好的强化效果。除了铜元素外，适当添加锰和钛等元素，可显著提升合金在室温和高温环境下的性能。在室温下，合金的强度得到提高，使其更加坚固耐用;在高温环境中，合金的耐热性增强，能够在高温条件下保持良好的力学性能。这些元素的加入还有助于改善合金的铸造性能，使铸造过程更加顺利。然而，铝 - 铜系合金也存在一些不足之处。其铸造性能相对较差，在铸造过程中，合金的流动性不如一些其他类型的铝合金，这可能导致在填充复杂模具型腔时出现困难，影响铸件的成型质量。该合金的耐蚀性相对较低，由于富铜的相与基体间存在较大的电位差，在一些腐蚀性环境中，容易发生电化学腐蚀，从而降低合金的使用寿命。ZL201 合金是铝 - 铜系合金的典型代表。它以铝为基体，添加了适量的铜、锰、钛等元素，形成了独特的化学成分和性能特点。在航空航天领域，铝 - 铜系合金凭借其较高的室温和高温力学性能，常用于制造发动机部件等关键零件，这些部件需要在高温、高压和高机械应力的极端条件下可靠运行，铝 - 铜系合金能够满足这些严苛的性能要求。铝 - 铜系合金的铸造工艺相对简单，切削加工性能较好，这为其在工业生产中的应用提供了一定的便利，使其在一些对耐热性和强度有较高要求的工业领域中也有一定的应用。

  (三)铝 - 镁系合金

  铝 - 镁系合金以镁为主要合金元素，镁的含量通常在 3% - 10% 之间。该合金具有一些独特的性能优势。首先，它在铸造铝合金中密度最小，约为 2.55g/cm³，这使得它在追求轻量化的应用场景中具有很大的优势。同时，铝 - 镁系合金的强度并不低，最高可达 355MPa 左右，具有良好的比强度，即在保证一定强度的前提下，能够有效减轻零件的重量。铝 - 镁系合金在大气和海水中都表现出出色的抗腐蚀性能，这一特性使其在航海领域得到了广泛应用。在船舶制造中，常用于制造船体、结构件和各种零部件，能够有效抵抗海水的侵蚀，延长船舶的使用寿命。在航空航天领域，铝 - 镁系合金也有一定的应用，例如用于制造飞机的一些零部件，既能满足对强度的要求，又能减轻飞机的整体重量，提高飞行性能。在日常用品领域，一些高档建筑装饰材料也会采用铝 - 镁系合金，其独特的性能使其比普通铝合金更具美观性和耐久性，能够为建筑增添独特的魅力。

  (四)铝 - 锌系合金

  铝 - 锌系合金为了改善性能，常常会加入硅、镁等元素，这类合金常被称为 “锌硅铝明”。在铸造条件下，铝 - 锌系合金具有 “自行淬火” 的特性，即不需要经过专门的热处理工序，就能够获得一定的强度，这为其加工应用提供了便利。经过变质热处理后，铸件的强度能够进一步提高;经稳定化处理后，合金的尺寸稳定性良好，能够保证在长期使用过程中零件的尺寸精度。铝 - 锌系合金具有良好的铸造性和加工性，生产成本相对较低，这使得它在一些对成本较为敏感的领域具有很强的竞争力。在日常用品制造中，许多小五金、装饰品等都会用到铝 - 锌系合金，其能够满足产品对外观和一定性能的要求，同时控制成本。在工业设备制造中，铝 - 锌系合金也可用于制作一些结构件和外壳等，为工业生产提供了经济实用的材料选择。

  在中国，铸造铝合金采用 ZL + 3 位数字的标记法，这种标记方式清晰地反映了合金的类别和序号等重要信息。其中，第一位数字代表合金系，1 表示铝硅合金系，2 表示铝铜合金系，3 表示铝镁合金系，4 表示铝锌合金系。例如，ZL102 中，“ZL” 表示铸造铝合金，“1” 表明该合金属于铝 - 硅系合金，“02” 则是该合金在铝 - 硅系中的序号。如果在代号后面加上 “A”，则表示这是优质铸造铝合金。这种标记方法有助于准确识别和选用不同类型的铸造铝合金，促进了铝合金材料在工业生产中的合理应用。