金属鋳造 – 定義、プロセス、種類

金属鋳造とは が含まれます。 金属を溶かして型に流し込む作業 特定の形状を形成するために.主に製造業で様々な部品を製造するために使用されますが、彫刻や宝飾品製造などの美術品にも使用されます。2020年、鉄鋼金属鋳物市場は1,459億7,000万米ドルと評価されました。市場の成長率は 2021年から2027年までのCAGRは5.4%です。.

金属鋳造の歴史は7000年以上にさかのぼります。何世紀にもわたり、鋳造プロセスは絶えず開発され、改良されてきました。今日では 非常に複雑な形状の繰り返し生産他の方法では不可能なものもあります。

現在では、どのような環境であっても、鋳造製品を避けることは不可能なほど広範囲に使用されています。鋳物製品の例としては、エンジンブロック、消火栓、モーター、工具、信号機、マンホール、パイプライン、バルブ、各種継手などがあります。

この記事では、金属鋳造プロセスとは何かを理解し、その種類と仕組みを探ります。

キャスティングとは？

鋳造プロセスでは、金属を溶融温度以上に加熱し、液体金属を鋳型に流し込むことで、希望する形状の金属部品を製造することができます。溶融金属は、鋳型の形状に合わせて空の空洞に流れ込みます。金属が冷えて固まると、型から取り出され、後処理に回されます。後加工では、表面仕上げと外観を向上させ、必要な保護コーティングを施します。

金属鋳造は、製造者の想像力によってのみ制限されます。非常に複雑な形状を形成することができます。

鋳造が複雑な形状に好まれるのは、そのような場合、例えばCNC機械加工に比べ、費用対効果が高く、プロセスが簡単だからです。しかし、短納期で大きな生産能力を持つため、最も単純な形状にも広く使用されています。

最新の鋳造方法では、ニアネットシェイプを製造できるため、バリ取りなどの後処理作業の必要性が大幅に減少します。

金属鋳造プロセス

金属鋳造法がこれほど普及した理由は、その本質的な単純さにあります。 完成品を得るために近代的な機械や複雑な工程は必要ありませんでした。

そのため、古代の軍隊でさえ、武器や道具の生産に鋳造を活用することができました。しかし、長い年月の間に、鋳造の進歩は、最終製品が可能な限り最高の品質であることを保証するために、プロセスにいくつかのステップを追加しました。今日の産業で使用されている典型的な金属鋳造プロセスを見てみましょう。

ステップ1：鋳型の作成

鋳型の作成は、金属鋳造プロセスで最も重要なステップです。 鋳型の品質は完成品の品質に直接影響します。.金型の作成方法は、金属の種類、部品の形状、生産能力、希望する仕上げによって異なります。これらの仕様が決まれば、適切な材料と方法を決定できます。

金型は、希望する部品のネガ型として作成されます。溶融材料の高温に耐えるだけでなく、冷却後に固体の金属部品から容易に分離できる材料で作られます。鋳型に使用される材料には、砂、石膏、耐火性スラリー、セラミック液体などがあります。一度しか使用できない鋳型もあれば、繰り返し使用できる鋳型もあります。

ステップ2：金属の溶解と注入

鋳造金属を融点以上に加熱し、流動性のある液体にします。この液体には、汚染物質やドロスができるだけ含まれていないことが必要です。鋳型にドロスの侵入を防ぐ工夫を加えることもできます。溶融金属は鋳型の上部にある注湯皿に注がれます。その後、液化した金属はスプルー（垂直の溝）に入り、ランナー（水平の溝）とゲート（空洞の入り口）を通って鋳型の空洞に分配されます。

粘度の低い金属は鋳型に流れ込みやすく、より微細なパターンが形成されます。高粘度の金属は非乱流を示し、気孔のような欠陥の排除に役立ちます。凝固速度と駆動力も溶融金属の粘性に影響されます。

ステップ3：鋳型からの金属鋳物の取り出し

シングルユースの鋳型の場合、鋳型を壊して金属鋳物を取り出します。

永久鋳型鋳造の場合、鋳型にさまざまな開口部があり、鋳型にアクセスして鋳物を取り出します。鋳型は次のバッチに再利用できます。

ステップ4：仕上げと後処理

鋳型から取り出された鋳物は、そのままの状態では使用できません。溶けた金属を鋳型に流し込むと、スプルー、ランナー、ライザー、ベント内の液体金属も凝固します。これらの付属物はすべて切断されます。表面仕上げが必要な場合もあります。

その後、部品は洗浄に回され、用途によってコーティングが必要な場合はコーティングが施されます。

鋳造プロセスの種類

鋳物は、アルミニウム、亜鉛、鋼、鉄など様々な金属から作ることができます。それぞれの金属には固有の特性があり、最良の製品を得るためには鋳造技術の調整が必要です。

鋳造技術は、合金組成、部品の形状、コスト、希望する最終品質、生産量、性能基準などのパラメータによっても異なります。

鋳造工程は2つに分けられます。 鋳型の寿命に基づいて (消耗型鋳造と非消耗型鋳造）、2つ目は 合金射出方法 (重力鋳造、圧力鋳造、真空鋳造）。この記事では、鋳造プロセスを消耗型鋳造と非消耗型鋳造に分類します。

消耗鋳型鋳造プロセス

エクスペンダブルモールド鋳造法は 一度しか使用できない鋳型.これらの鋳型は、砂型鋳造、シェルモールド鋳造、インベストメント鋳造など、さまざまな鋳造工程で使用されます。しかし、これらの鋳型は使用後に廃棄されるとは限らないことに注意が必要です。鋳型の再生が可能な場合、製造業者は鋳型の回収を試みることがあります。

再利用不可能な鋳型を使用するいくつかのプロセスを詳しく見てみましょう：

砂型鋳造

砂型鋳造では、鋳型の材料として砂を使用します。砂は安価で入手しやすく、柔軟性があり、他の材料よりも高熱に耐えることができます。生砂（湿った砂）と乾燥砂が鋳造プロセスに最も適した材料です。

目的の部品のマイナス形状の砂型を作り、そこに溶融金属を流し込みます。金属が凝固したら、砂を取り除いて鋳物を取り出します。

砂型鋳造は最も古い鋳造方法のひとつです。そのため、今日でも非常に人気があります。 シンプルさ、汎用性、手頃な価格.

砂型鋳造では、数センチから数十メートルの製品を製造することができます。製品の重さは75gから数トンにもなります。

しかし、砂型鋳造は最良の表面仕上げを提供しないため、後でより滑らかな仕上げのために精錬することができる、より大きな製品に適しています。

石膏型鋳造は砂型鋳造法の一種で、砂の代わりに石膏を使って型を作ります。

シェルモールド

シェルモールドは砂型鋳造の一種です。しかし、緩い砂の代わりに、金属鋳造は薄肉で硬い砂の殻の中で行われます。

このシェルを作成するには、まずパターンを作成する必要があります。パターンとは、目的の部品の形をした物体のことです。パターンを熱し、熱硬化性樹脂バインダーを混ぜた砂の中に入れます。パターンの周りの砂が部品の形になり、樹脂が固まります。シェルはさらにオーブンで硬化させます。シェルの準備ができたら、焼成材料の中に入れ、溶融金属を注ぎます。鋳物は凝固すると回収されます。

シェルモールドには、（自動化された場合の）必要人員の削減、生産能力の向上、寸法精度の向上などの利点があります。

しかし、シェル成形は 砂型鋳造より若干高価です。 樹脂を使用するためです。また、材料強度が低く、気孔率が高いという問題もあります。また、工程が自動化されていない場合、人件費が非常に高くなることもあります。

インベストメント鋳造

ロストワックス鋳造や精密鋳造としても知られるインベストメント鋳造は、ワックスを使用して正確な鋳物を一貫して製造します。

このプロセスは、金型を通して得られるワックスパターンから始まります。いくつかのワックスパターンは、ゲート、ランナー、スプルーと組み合わされます。これにより、複数の部品を同時に鋳造することができます。

ワックスパターンの集合体は、集合体の形状になる耐火物スラリーに浸漬または「インベストメント」されます。

ワックスパターンはスラリーのシェルと共に加熱されます。ワックスはシェルから流出し、再利用が可能です。

その後、スラリーシェルが鋳造プロセスの鋳型を形成します。溶融金属は鋳型に注がれ、そこで凝固して必要な部品になります。

インベストメント鋳造は高精度.ターボチャージャーのローターなど、正確な部品を必要とする複雑な部品に使用されます。また、非常に良好な表面仕上げが得られます。

一方、このプロセスは砂型鋳造やシェルモールドよりも高価です。穴の大きさや深さなど、いくつかの特徴には制限があります。インベストメント鋳造は、中子を含む場合、実行するのが難しい場合があります。

非伸長鋳型鋳造プロセス

これらの鋳造技術では、永久鋳型を使用します。 何度も再利用できる鋳型.消耗鋳型鋳造のように、鋳造のたびに新しい鋳型を用意する必要はありません。これは、精巧な表面仕上げ、高い寸法精度、複雑な形状を必要とする鋳造品に有利です。

以下の鋳造プロセスは、非消耗型に分類されます：

ダイカスト

ダイカストプロセスでは、金属の金型を使って他の金属を鋳造します。金型は通常、アルミニウム、銅、亜鉛の非鉄合金で作られますが、鉄金属の金型も使用されます。

ダイカスト 金型が高価 しかし、非常に長持ちします。そのため、ダイカストは 大量生産に適しています。.

ダイカスト鋳造は、他の金属鋳造技術に比べ、高品質の表面仕上げを必要とする小型から中型の部品に適しています。

ダイカストプロセスには、主に2つのタイプがあります： 重力ダイカストと圧力ダイカスト.重力ダイカストは、重力の力を利用して金型に溶融金属を充填します。流路と金型キャビティは、金属がポケットに自然に流れ込むように設計されています。

圧力ダイカストは、溶融金属を高圧で注入して金型に充填します。この製法は、金型設計の自由度が高くなりますが、より高価で、熟練を要します。

圧力ダイカストは複雑な形状に適していますが、重力ダイカストはより単純な設計に大きな価値を提供します。

遠心鋳造

遠心鋳造 遠心力を利用して円形部品を鋳造します。.このプロセスは、一般的にパイプなどの標準サイズの鋳物を作るために使用され、完成品ではありません。

このプロセスは重力と圧力を利用するため、非常に精巧なデザインを驚くべき精度で作成します。

溶融金属は中心から供給され、金型の回転運動によって金属が端に押し出され、環状の形状が形成されます。さまざまな材料を次々に加えることで、多層構造のパイプを製造することができます。例えば、遠心鋳造では、腐食とその後の結露を防ぐため、内側にセメントライニングを施した鋳鉄管を作ることができます。

遠心力は、粘性のある溶融金属を極めて微細な空洞に押し込むこともできます。金属は複雑な形状に成形され、複雑なデザインを形成することができます。そのため、このコンセプトはジュエリーの制作にもよく使われています。

鋳造機には水平型と垂直型があります。横型機はパイプのような長い製品に適しており、縦型機はベアリングのような短い製品に適しています。

遠心鋳造には、中子が不要であること、優れた結晶粒組織が得られること、長さ、肉厚、直径などの寸法に制限がないことなどの利点があります。

遠心鋳造は、薄肉シリンダーなどの特定の用途に最適です。しかし、形状の制約、小径の加工ができない、限られた合金しか使用できないなどの欠点があります。遠心鋳造では中心部に不純物が集まり、その除去が困難です。

連続鋳造

連続鋳造は、ストランド鋳造またはスラブ鋳造としても知られています。 一定断面の連続鋳造.

炉から溶融金属をタンディッシュに注意深く注ぎ、そこから目的の断面を持つ水冷鋳型に金属を移します。冷却は溶融金属の凝固を早めます。

金属が凝固する間に、ローラーを通して鋳型から引き抜かれ、そこで鋳物が冷却され、さらに最終寸法に成形されることもあります。凝固が完了すると、鋳物は標準寸法に切断されます。

連続鋳造は、高い生産率、精度の向上、廃棄物の削減、結晶粒構造の強化を実現します。

しかし、このプロセスには高い初期投資が必要であり、最終製品には内部欠陥や表面品質が劣る場合があります。

まとめ

金属鋳造は、信頼性の高い金属製品を生産するための、熟練した費用対効果の高い方法です。鋳造には幅広い工程があります。各プロセスには、特定の用途に適した長所と短所があります。

例えば、砂型鋳造は一品ものの複雑な部品に最適ですが、ダイカストは複雑な製品を高い生産速度で必要とする場合に適しています。

鋳造に使用される金型は、消耗型と非消耗型に分類されます。消耗型は砂型鋳造のように使用後に破棄されますが、非消耗型はより永久的で、数日から数年使用できます。

金属鋳造の汎用性により、自動車から航空宇宙まで、さまざまな産業で不可欠な金属加工技術となっています。