ダイカスト

ダイカストは、溶融金属を高圧下で金型のキャビティに押し込むことを特徴とした金属鋳造プロセスです。金型のキャビティは、機械加工された2 つの硬化工具鋼ダイを使用して作成され、プロセス中は射出成形金型と同様に機能します。ほとんどのダイカストは、亜鉛、銅、アルミニウム、マグネシウム、鉛、ピューター、スズベースの合金などの非鉄金属で作られています。鋳造する金属の種類に応じて、ホットチャンバーマシンまたはコールドチャンバーマシンが使用されます。

鋳造設備と金型は多額の資本コストを必要とするため、大量生産に限定される傾向があります。ダイカストによる部品の製造は比較的簡単で、主な工程は 4 つだけなので、部品 1 個あたりの増分コストは低く抑えられます。ダイカストは特に小型から中型の鋳物を大量に製造するのに適しており、他のどの鋳造方法よりも多くの鋳物を生産できるのはこのためです。^[1]ダイカストは、表面仕上げが非常に良好(鋳造基準による) で、寸法が一定していることが特徴です。

ダイカスト装置は、印刷業界向けの活字を製造する目的で 1838 年に発明されました。ダイカストに関する最初の特許は、機械化された印刷用活字製造を目的とした小型の手動機械に対して 1849 年に付与されました。1885 年にオットマー・メルゲンターラーがライノタイプ機を発明しました。これは、ダイカスト プロセスを使用して、活字の行全体を 1 つのユニットとして鋳造する機械です。これにより、出版業界における手作業による活字の組付けがほぼ完全に置き換えられました。ニューヨーク州ブルックリンで製造されたソス ダイカスト機は、北米で初めて公開市場で販売された機械でした。^[2]その他の用途も急速に成長し、ダイカストは、複雑な部品の大量生産コストを大幅に削減することで、消費財や電化製品の成長を促進しました。^[3] 1966 年、^[4]ゼネラルモーターズはAcuradプロセスをリリースしました。^[5]

主なダイカスト合金は、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、銅、鉛、スズです。まれに鉄ダイカストも可能です。^[6]具体的なダイカスト合金には、亜鉛アルミニウム、アルミニウム（例：アルミニウム協会（AA）規格：AA 380、AA 384、AA 386、AA 390）、AZ91Dマグネシウムなどがあります。^[7]各合金の利点をまとめると次のようになります。^[8]

• 亜鉛: 最も鋳造しやすい金属。延性が高く、衝撃強度が高く、メッキしやすく、小型部品に経済的で、金型の寿命が長くなります。
• アルミニウム: 軽量、非常に複雑な形状や薄壁でも高い寸法安定性、優れた耐腐食性、優れた機械的特性、高い熱伝導性と電気伝導性、中程度の高温でも強度を維持します。
• マグネシウム: 最も機械加工しやすい金属。優れた強度対重量比。最も軽い合金で、一般的にダイカストされます。
• 銅: 硬度が高く、耐腐食性が高く、合金ダイカストの中で最も高い機械的特性を持ち、耐摩耗性に優れ、寸法安定性に優れ、鋼部品に近い強度を備えています。
• シリコン トムバック: 銅、亜鉛、シリコンで作られた高強度合金。精密鋳造鋼部品の代替品としてよく使用されます。
• 鉛とスズ: 高密度、寸法精度が非常に高い、特殊な耐腐食性に使用される。このような合金は、公衆衛生上の理由から食品サービス用途には使用されない。活字金属は、鉛、スズ、アンチモン(銅の痕跡が含まれる場合もある)の合金で、活版印刷や熱箔印刷で手組活字を鋳造するために使用される。伝統的に手押し型で鋳造されていたが、活字鋳造所の工業化後、現在では主にダイカストで鋳造されている。 ^{[説明が必要]} 1900 年頃にはスラグ鋳造機が市場に登場し、さらに自動化が進み、1 つの新聞社に鋳造機が数十台あることもあった。

2008年現在、アルミニウム、真鍮、マグネシウム、亜鉛鋳物^{[アップデート]}の最大重量制限は、それぞれ約70ポンド（32 kg）、10ポンド（4.5 kg）、44ポンド（20 kg）、75ポンド（34 kg）と推定されています。 ^[9] 2019年後半までに、100キログラム（220ポンド）を超える単一部品をダイカストできるプレス機が、自動車用のアルミニウムシャーシ部品の製造に使用されていました。^[10]

使用される材料によって、鋳造に必要な最小断面厚さと最小ドラフトが決まり、以下の表に概説されています。最も厚い断面は13 mm（0.5インチ）未満である必要がありますが、それより厚くてもかまいません。^[11]

ダイカストのパラメトリック モデルを作成するときに考慮すべき幾何学的特徴がいくつかあります。

• ドラフトとは、鋳物を金型から容易に取り出すために、ダイキャビティのコアやその他の部分に与えられる傾斜またはテーパの量です。ダイの開口方向と平行なすべてのダイカスト表面は、鋳物を金型から適切に取り出すためにドラフトを必要とします。 ^[12]適切なドラフトを備えたダイカストは、金型から取り外しやすく、高品質の表面とより正確な完成品が得られます。
• フィレットとは、本来は鋭い角またはエッジで接するはずの 2 つの表面の湾曲した接合部です。簡単に言えば、ダイカストにフィレットを追加することで、不要なエッジや角を取り除くことができます。
• パーティングラインは、金型の2つの異なる側面が合流する点を表します。パーティングラインの位置によって、金型のどちら側がカバーでどちら側がエジェクターであるかが決まります。 ^[13]
• ボスはダイカストに追加され、取り付ける必要のある部品のスタンドオフおよび取り付けポイントとして機能します。ダイカストの完全性と強度を最大限に高めるには、ボスの壁厚がユニバーサルである必要があります。
• リブはダイカストに追加され、壁の厚さを増やすことなく最大限の強度を必要とする設計に追加のサポートを提供します。
• 穴と窓は、凝固中にこれらの特徴の周囲がダイス鋼に引っかかるため、ダイカストの際には特別な配慮が必要です。この影響を抑えるには、穴と窓の特徴に十分な抜き勾配を追加する必要があります。

ダイカストマシンには、ホットチャンバーマシンとコールドチャンバーマシンの2つの基本的なタイプがあります。^[14]これらは、適用できるクランプ力の大きさによって評価されます。一般的な定格は400〜4,000 st（2,500〜25,400 kg）です。^[8]

ホットチャンバーダイカストは、グースネックマシンとも呼ばれ、溶融金属のプールを利用して金型に供給します。サイクルの開始時に、マシンのピストンが引き込まれ、溶融金属が「グースネック」を満たすようになります。次に、空気圧または油圧で駆動するピストンが、この金属をグースネックから金型に押し出します。このシステムの利点は、サイクル時間が速いこと (1 分間に約 15 サイクル) と、鋳造機内で金属を溶かす便利さです。このシステムの欠点は、低融点金属にしか使用できないことと、溶融プール内で鉄の一部を吸収するためアルミニウムが使用できないことです。したがって、ホットチャンバーマシンは主に亜鉛、スズ、鉛ベースの合金に使用されます。^[14]

これらは、鋳造合金がホットチャンバーマシンで使用できない場合に使用されます。これには、アルミニウム、アルミニウム、マグネシウム、銅を多く含む亜鉛合金が含まれます。これらのマシンのプロセスは、別の炉で金属を溶かすことから始まります。^[15]次に、正確な量の溶融金属がコールドチャンバーマシンに運ばれ、非加熱ショットチャンバー（または射出シリンダー）に供給されます。このショットは、油圧または機械ピストンによって金型に打ち込まれます。このシステムの最大の欠点は、溶融金属を炉からコールドチャンバーマシンに移す必要があるため、サイクルタイムが遅くなることです。^[16]

• 
  オープンツールと射出ノズル
• 
  完全な作業セル

ダイカストでは 2 つのダイが使用されます。1 つは「カバー ダイ ハーフ」、もう 1 つは「エジェクタ ダイ ハーフ」と呼ばれます。これらのダイが出会う場所はパーティング ラインと呼ばれます。カバー ダイには、溶融金属がダイに流れ込むためのスプルー(ホット チャンバー マシンの場合) またはショット ホール (コールド チャンバー マシンの場合) が含まれます。この機能は、ホット チャンバー マシンのインジェクタ ノズルまたはコールド チャンバー マシンのショット チャンバーと一致します。エジェクタ ダイには、エジェクタ ピンと、通常はスプルーまたはショット ホールから金型キャビティまでの経路であるランナーが含まれます。カバー ダイは、鋳造機の固定プラテンまたは前面プラテンに固定され、エジェクタ ダイは可動プラテンに取り付けられます。金型キャビティは2 つのキャビティ インサートに切断されます。これらは別個の部品で、比較的簡単に交換でき、ダイ ハーフにボルトで固定できます。^[17]

金型は、金型が開くと完成した鋳物が金型のカバー半分から滑り落ち、エジェクタ半分に留まるように設計されています。エジェクタ半分には鋳物を金型半分から押し出すエジェクタピンが含まれているため、これにより鋳物がサイクルごとに排出されることが保証されます。エジェクタピンはエジェクタピンプレートによって駆動され、すべてのピンを同時に同じ力で正確に駆動するため、鋳物が損傷することはありません。エジェクタピンプレートは、鋳物を排出した後、次のショットに備えるためにピンを引っ込めます。鋳物はまだ熱く、過度の力によって損傷する可能性があるため、各ピンにかかる全体的な力を低く保つために十分な数のエジェクタピンが必要です。ピンは跡を残すため、これらの跡が鋳物の目的を妨げない場所に配置する必要があります。^[17]

その他の金型部品には、コアとスライドがあります。コアは通常、穴や開口部を作成する部品ですが、他の詳細を作成するためにも使用できます。コアには、固定、可動、およびルーズという 3 つのタイプがあります。固定コアは、金型の引き方向 (つまり、金型が開く方向) と平行に配置されているため、固定されているか、金型に恒久的に取り付けられています。可動コアは、引き方向と平行以外の方向に配置されているコアです。これらのコアは、ショットが固化した後、金型が開く前に、別のメカニズムを使用して金型キャビティから取り外す必要があります。スライドは可動コアに似ていますが、アンダーカット面を形成するために使用されます。可動コアとスライドを使用すると、金型のコストが大幅に増加します。^[17]ルーズコアはピックアウトとも呼ばれ、ねじ穴などの複雑な機能を鋳造するために使用されます。これらのルーズコアは、各サイクルの前に手で金型に挿入され、サイクルの最後にパーツと一緒に排出されます。その後、コアを手で取り外す必要があります。ルーズコアは、余分な労力とサイクルタイムの増加のため、最も高価なタイプのコアです。^[11]金型の他の機能には、水冷通路と分割線に沿った通気孔があります。これらの通気孔は通常、幅が広く薄い（約0.13 mmまたは0.005インチ）ため、溶融金属が通気孔を満たし始めると、金属はすぐに固まり、スクラップを最小限に抑えます。高圧によりゲートから金属が連続的に供給されるため、ライザーは使用されません。 ^[18]

金型にとって最も重要な材料特性は、耐熱衝撃性と高温での軟化です。その他の重要な特性には、焼入れ性、機械加工性、耐熱割れ性、溶接性、可用性（特に大型の金型の場合）、およびコストがあります。金型の寿命は、溶融金属の温度とサイクル時間に直接依存します。^[17]ダイカストで使用される金型は通常、硬化工具鋼で作られています。鋳鉄は高圧に耐えることができないため、金型が非常に高価になり、初期費用が高くなります。^{[18]高温で鋳造される金属には、より}合金の強い鋼で作られた金型が必要です。^[19]

ダイカスト金型の主な故障モードは摩耗または侵食です。その他の故障モードはヒートチェックと熱疲労です。ヒートチェックは、サイクルごとに大きな温度変化により金型に表面亀裂が発生することです。熱疲労は、多数のサイクルにより金型に表面亀裂が発生することです。^[20]

以下は、伝統的なダイカストの4つのステップです。高圧ダイカスト^[5]では、これらはダイカストのバリエーションのすべて、すなわち金型の準備、充填、排出、およびシェイクアウトの基礎でもあります。金型の準備は、金型キャビティに潤滑剤をスプレーすることで行います。潤滑剤は、金型の温度を制御するのに役立つだけでなく、鋳物の取り出しにも役立ちます。次に金型を閉じ、溶融金属を10～175メガパスカル（1,500～25,400 psi）の高圧下で金型に注入します。金型キャビティが充填されると、鋳物が固まるまで圧力が維持されます。次に金型を開き、ショット（金型内に複数のキャビティがあり、ショットごとに複数の鋳物が得られるため、ショットは鋳物とは異なります）をエジェクタピンで排出します。最後に、シェイクアウトでは、ゲート、ランナー、スプルー、フラッシュショットから分離します。これは、パワープレスまたは油圧プレスの特殊なトリムダイを使用して行われることが多い。他のシェイクアウト方法には、鋸引きや研磨がある。ゲートが薄くて壊れやすい場合は、ショットをタンブルするという労働集約的でない方法があり、その後にゲートを完成品から分離する必要がある。このスクラップは再溶解してリサイクルされる。^[14]収率は約67％である。^[22]

高圧射出により金型が素早く充填される。これは、鋳物の一部が固まる前にキャビティ全体が充填されるために必要なことである。このようにして、充填しにくい薄い部分を必要とする形状であっても、不連続性は回避される。これにより、金型が素早く充填されると空気が逃げる時間がほとんどないため、空気が閉じ込められるという問題が生じる。この問題は、パーティングラインに沿って通気口を設けることで最小限に抑えられるが、高度に洗練されたプロセスであっても、鋳物の中心部にはいくらかの気孔が残る。^[23]

ほとんどのダイカスト業者は、穴あけ、研磨、メッキ、バフ研磨、塗装など、簡単に鋳造できない特徴を生み出すために、その他の二次加工も行います。

鋳物のシェイクアウト後、欠陥がないか検査されます。最も一般的な欠陥は、ミスランとコールドシャットです。これらの欠陥は、冷たい金型、低い金属温度、汚れた金属、通気不足、または潤滑剤の過剰によって発生する可能性があります。その他の可能性のある欠陥には、ガスポロシティ、収縮ポロシティ、熱間ティア、フローマークがあります。フローマークは、不十分なゲート、鋭い角、または過剰な潤滑剤のために鋳物の表面に残る跡です。^[24]

水性潤滑剤は、健康、環境、安全上の理由から、最も多く使用されている潤滑剤です。溶剤ベースの潤滑剤とは異なり、水を適切に処理してすべてのミネラルを取り除けば、金型に副産物が残ることはありません。水が適切に処理されていない場合、ミネラルによって表面の欠陥や不連続が生じる可能性があります。

今日では「油中水型」および「水中油型」のエマルジョンが使用されています。これは、潤滑剤を塗布すると、水が蒸発して金型の表面を冷却し、ショットを放出するのに役立つ油が付着するからです。このタイプのエマルジョンの一般的な混合比は、水 30 に対して油 1 ですが、極端な場合には 100 対 1 の比率が使用されます。^[25]使用される油には、重質残留油(HRO)、動物性脂肪、植物性脂肪、合成油、およびこれらのあらゆる混合物が含まれます。HRO は室温ではゼラチン状ですが、ダイカストの高温では薄い膜を形成します。これらのエマルジョンの粘度と熱特性を制御するために、グラファイト、アルミニウム、マイカなどの他の物質が追加されます。その他の化学添加物は、錆や酸化を防ぐために使用されます。さらに、石鹸、アルコールエステル、エチレンオキシドなどの乳化剤が追加され、エマルジョンの製造プロセスが改善されます。^[26]

歴史的には、ディーゼル燃料や灯油などの溶剤ベースの潤滑剤が一般的に使用されていました。これらは金型から部品を外すのに優れていましたが、ショットごとに小さな爆発が発生し、金型キャビティの壁に炭素が蓄積しました。しかし、水性潤滑剤よりも均一に塗布するのが簡単でした。^[27]

ダイカストの利点：^[11]

• 優れた寸法精度（鋳造材料によって異なりますが、通常は最初の 2.5 cm で 0.1 mm（最初の 1 インチで 0.004 インチ）、それ以降は 1 センチメートルごとに 0.02 mm（1 インチごとに 0.002 インチ）です）。
• 滑らかな鋳造表面（Ra 1～2.5マイクロメートルまたは0.04～0.10ミルム）。
• 砂型鋳造や永久鋳型鋳造に比べて、より薄い壁を鋳造できます (約 0.75 mm または 0.030 インチ)。
• インサートは鋳込み可能です (ねじ付きインサート、加熱要素、高強度ベアリング面など)。
• 二次加工作業を削減または排除します。
• 生産速度が速い。
• 鋳造引張強度は415 メガパスカル (60 ksi) にも達します。
• ダイカスト鋳物の流動長は、永久鋳型、砂型鋳造、その他の鋳物とは異なり、凝固範囲の影響を受けません。^[28]

ダイカストの主な欠点は、資本コストが非常に高いことです。必要な鋳造設備と金型および関連部品は、他のほとんどの鋳造プロセスと比較して非常に高価です。したがって、ダイカストを経済的なプロセスにするには、大量の生産が必要です。その他の欠点は次のとおりです。

• このプロセスは高流動性金属に限定されます。流動性不良によりスクラップ率が上昇する可能性があり、ダイカストにおけるスクラップコストは高くなります。^[29]
• ダイカストには多数の部品が含まれるため、再現性の問題は特に重要です。^[30]
• 鋳造重量はこれまで30グラム（1オンス）から10キログラム（20ポンド）までに制限されていましたが^{[注3] [11]}、2018年からは80キログラム（180ポンド）のショットが可能になりました。^[31]
• 標準的なダイカスト工程では、最終的な鋳造品には少量の多孔性があります。これにより熱処理や溶接ができなくなります。熱によって気孔内のガスが膨張し、部品内部に微小な亀裂が生じ、表面が剥離するからです。しかし、一部の企業は部品の多孔性を低減し、溶接や熱処理を限定的に可能にする方法を見つけました。^{[4]したがって、ダイカストの関連する欠点は、柔らかさが許容される部品にしか使用できないことです。}硬化（焼き入れまたは表面硬化による）と焼き戻しが必要な部品は、金型で鋳造されません。
• 冷却過程で、材料の一部が圧力を受けて金型の小さな隙間に入り込み、余分なバリが発生し、それをトリミングするために余分な作業が必要になります。^[32]

アキュラッドとは、1950年代後半から1960年代にかけてゼネラルモーターズが開発したダイカスト法である。この名称は、正確、信頼性、高密度の頭文字をとったものである。安定した充填と方向性凝固を、従来のダイカスト法の高速サイクルタイムと組み合わせるために開発された。このプロセスは、熱分析、流動および充填モデリング、熱処理可能で高信頼性のダイカスト、間接スクイーズ鋳造（以下で説明）という、ダイカストにおける4つの画期的な技術の先駆けとなった。^[5]

熱分析は、鋳造プロセスで最初に行われたものです。これは、熱システムの電気的アナログを作成することによって行われました。金型の断面がテレデルトス紙に描かれ、次に熱負荷と冷却パターンが紙に描かれました。水線はさまざまなサイズの磁石で表されました。熱伝導率は、紙の抵抗率の逆数で表されました。 ^[5]

Acuradシステムは、安定したフローフロントを必要とするボトムフィルシステムを採用しました。コンピュータによる分析はまだ存在していなかったため、論理的な思考プロセスと試行錯誤が使用されましたが、このモデリングはコンピュータによるフローおよび充填モデリングの先駆けとなりました。^[5]

アキュラッドシステムは、A356やA357などの低鉄アルミニウム合金を鋳造できる最初のダイカストプロセスでした。従来のダイカストプロセスでは、これらの合金は金型にはんだ付けされていました。同様に、アキュラッド鋳造品は熱処理が可能で、米国軍事規格MIL-A-21180-Dに準拠しています。^[5]

最後に、Acurad システムは特許取得済みのダブルショットピストン設計を採用しました。そのアイデアは、ショットが鋳造キャビティとショットスリーブの周囲で部分的に固まった後に、第 2 のピストン (プライマリピストン内) を使用して圧力をかけるというものでした。このシステムはあまり効果的ではありませんでしたが、Acurad マシンの製造元である宇部興産は、サイクルの後半でプライマリピストンを使用して適切なタイミングで十分な圧力をかけることが同様に効果的であることを発見しました。これが間接スクイーズ鋳造です。^[5]

鋳造部品に気孔が許されない場合には、気孔のない鋳造法が用いられる。これは、各ショットの前に酸素を金型内に注入して、金型の空洞から空気を排出する点を除いて、標準法と同一である。これにより、溶融金属が金型を満たすときに小さな分散酸化物が形成され、実質的にガス気孔が排除される。これによるさらなる利点は、強度が増すことである。標準ダイカストとは異なり、これらの鋳物は熱処理および溶接が可能である。このプロセスは、アルミニウム、亜鉛、鉛合金に対して実行できる。^[16]

真空高圧ダイカスト（VHPDC）とも呼ばれる真空補助高圧ダイカストでは、^[33]真空ポンプが射出前と射出中に金型キャビティと金属供給システムから空気とガスを除去します。真空ダイカストは気孔率を低減し、熱処理と溶接を可能にし、表面仕上げを改善し、強度を高めることができます。

加熱マニホールド直噴ダイカストは、直噴ダイカストまたはランナーレスダイカストとも呼ばれ、溶融亜鉛を加熱マニホールドに通し、次に加熱ミニノズルから鋳型キャビティに流し込む亜鉛ダイカストプロセスです。このプロセスには、スクラップの削減（スプルー、ゲート、ランナーの排除による）とエネルギーの節約による部品あたりのコスト削減、および冷却サイクルの遅延による表面品質の向上などの利点があります。^[16]

半固体ダイカストでは、液相線と固相線（または液相線と共晶温度）の間で加熱された金属が使用され、金属は「どろどろ」の状態になります。これにより、より複雑な部品やより薄い壁が可能になります。^{[引用が必要]}

低圧ダイカスト（LPDC）は、部品の一貫性と完全性を向上させるために開発されたプロセスですが、サイクルタイムが大幅に遅くなります。^[34] LPDCでは、材料はダイの下のリザーバーに保持され、リザーバー内の空気圧が上昇すると、そこからキャビティに流れ込みます。^[34]一般的な圧力は0.3 bar（4.4 psi）から0.5 bar（7.3 psi）の範囲です。^{[34] [35]}材料がダイに入った後、キャビティの細部に材料を浸透させ、気孔を排除するために、やや高い圧力（最大1 bar（15 psi））が適用される場合があります。^[34]

低圧ダイカストプロセスの典型的なサイクル時間は他のダイカストプロセスよりも長く、エンジンブロックの場合は最大15分かかります。^[34]主にアルミニウムに使用されますが、炭素鋼にも使用されています。^[34]

一体型ダイカスト^[36]とは、複数の別々に分散した合金部品を大型ダイカストマシンで高度に統合し、1～2個の大型鋳物に成形することを指します。1回の成形で製造コストを削減し、自動車の組み立てに必要な部品数を大幅に減らし、全体的な効率を向上させることを目的としています。^[37] イーロン・マスクのチームは、テスラの製造プロセスであるギガプレスプログラムでこの処理方法を初めて提案しました。^[38]

• 可融性コア射出成形
• ダイキャスト玩具

• デイビス、J.（1995）、ツールマテリアル、マテリアルパーク：ASMインターナショナル、ISBN 978-0-87170-545-7。
• デガーモ、E. ポール; ブラック、J. T.; コーサー、ロナルド A. (2003)、製造における材料とプロセス(第 9 版)、Wiley、ISBN 0-471-65653-4。
• アンドレセン、ビル（2005）、ダイカストエンジニアリング、ニューヨーク：マルセルデッカー、ISBN 978-0-8247-5935-3。

• 北米ダイカスト協会
• ダイカストの許容範囲（DIN 1688 GTA 13、ドイツ規格に準拠）
• 一般的なダイカスト設計データシート