永久鋳型鋳造

永久鋳型鋳造は、再利用可能な鋳型（「永久鋳型」）を使用する金属鋳造プロセスであり、通常は金属で作られています。最も一般的なプロセスでは、重力を使用して鋳型を満たしますが、ガス圧または真空も使用されます。典型的な重力鋳造プロセスのバリエーションであるスラッシュ鋳造では、中空の鋳物が製造されます。一般的な鋳造金属は、アルミニウム、マグネシウム、銅合金です。その他の材料には、スズ、亜鉛、鉛合金があり、鉄と鋼もグラファイト鋳型で鋳造されます。^{[1] [2]}

代表的な製品としては、ギア、スプライン、ホイール、ギアハウジング、パイプ継手、燃料噴射ハウジング、自動車エンジンピストンなどの部品があります。^[1]

永久鋳型鋳造には、重力鋳造、スラッシュ鋳造、低圧鋳造、真空鋳造の 4 つの主なタイプがあります。

重力法は、鋳型を 150～200 °C (302～392 °F) に予熱することから始まります。これは、鋳物の流動を緩和し、熱による損傷を軽減するためです。次に、鋳型の空洞に耐火材または塗型剤を塗布します。これにより、鋳物が鋳型にくっつくのを防ぎ、鋳型の寿命を延ばします。次に、砂または金属コアを取り付け、鋳型を締めます。次に、溶融金属を鋳型に注ぎます。凝固後すぐに、鋳型を開き、鋳物を取り出して、熱割れの可能性を減らします。その後、このプロセスを最初からやり直しますが、前回の鋳造の熱で十分であり、耐火コーティングは数回の鋳造に耐えるため、予熱は必要ありません。このプロセスは通常、大量生産のワークピースに対して実行されるため、自動化された装置を使用して鋳型のコーティング、金属の注入、鋳物の取り出しが行われます。^{[3] [4] [5]}

金属は、ひび割れや多孔性を最小限に抑えるために、実用的な最低温度で鋳造されます。^[4]鋳造温度は鋳造材料によって大きく異なります。たとえば、亜鉛合金は約370℃（698℉）で鋳造されますが、ねずみ鋳鉄は約1,370℃（2,500℉）で鋳造されます。^[1]

鋳造工程の鋳型は、2 つの半分から構成されます。鋳型は通常、熱疲労耐性が最も優れているため、ねずみ鋳鉄で作られますが、他の材料には鋼、青銅、グラファイトなどがあります。これらの金属は、侵食と熱疲労に対する耐性があるために選択されます。鋳型は収縮を補うために折り畳み式ではないため、通常、それほど複雑ではありません。代わりに、鋳物が固まるとすぐに鋳型が開かれ、熱による裂け目を防ぎます。中子を使用することもできますが、通常は砂または金属で作られています。^{[4] [5]}

前述のように、鋳型は最初の鋳造サイクルの前に加熱され、その後はサイクル中に可能な限り均一な温度を維持するために継続的に使用されます。これにより、熱疲労が軽減され、金属の流れが促進され、鋳造金属の冷却速度を制御するのに役立ちます。^[5]

通気は通常、2つの鋳型の半分の間のわずかな隙間から行われますが、これでは不十分な場合は非常に小さな通気孔が使用されます。通気孔は空気を逃がすのに十分な大きさですが、溶融金属は逃がしません。収縮を補うためにライザーも含める必要があります。これにより、通常、歩留まりは60%未満に制限されます。^[5]

ピンの形をした機械式エジェクターは、コーティングだけでは鋳型から鋳物を取り出すのに十分でない場合に使用されます。これらのピンは鋳型全体に配置され、通常は鋳物に小さな丸い跡を残します。^{[引用が必要]}

スラッシュ鋳造は、中空鋳造または中空鋳物を作成するための永久成形鋳造の変形です。このプロセスでは、材料を型に注ぎ、材料の殻が型の中に形成されるまで冷却します。残りの液体を注ぎ出して中空の殻を残します。結果として得られる鋳物は表面のディテールが良好ですが、壁の厚さは異なる場合があります。このプロセスは通常、低融点材料から燭台、ランプの台座、彫像などの装飾品を鋳造するために使用されます。 ^{[2]同様の技術が、}イースターやクリスマス用の中空のチョコレート人形を作るのに使用されます。^[6]

この方法は、1893 年にウィリアム ブリテンによって鉛のおもちゃの兵隊の製造のために開発されました。中実鋳造よりも材料が少なくて済むため、より軽量で安価な製品になります。中空鋳造の人形には通常、余分な液体を注ぎ出すための小さな穴があります。^{[引用が必要]}

同様に、スラッシュ成形と呼ばれるプロセスは、自動車のダッシュボード製造において、人工皮革を使用したソフトパネル内装に使用されています。このプロセスでは、自由に流動する（液体のように振る舞う）粉末プラスチック化合物（PVCまたはTPU）を熱い中空の金型に注ぎ、粘性のある皮膜を形成します。その後、余分なスラッシュを排出し、金型を冷却して、成形品を剥がします。^[7]

低圧永久鋳型鋳造（LPPM）では、通常3～15psi（20～100kPa）の低圧ガスを使用して溶融金属を鋳型のキャビティに押し込みます。圧力は液体プールの上部に適用され、溶融金属は耐火性の注入管を通って上昇し、最終的に鋳型の底に押し込まれます。注入管は取鍋の底まで伸びているため、鋳型に押し込まれる材料は非常にクリーンです。適用された圧力により溶融金属が収縮を補うために押し込まれるため、ライザーは必要ありません。ライザーがなく、注入管内の金属はすべて取鍋に戻って再利用されるため、歩留まりは通常85％以上です。^{[2] [8]}

LPPM 鋳造の大部分はアルミニウムとマグネシウムから作られていますが、一部は銅合金です。利点としては、一定の圧力により鋳型に充填する際の乱流が非常に少なく、ガスの多孔性とドロスの形成が最小限に抑えられることが挙げられます。機械的特性は重力永久鋳型鋳造よりも約 5% 優れています。欠点は、サイクル時間が重力永久鋳型鋳造よりも長いことです。^[8]

真空鋳型鋳造は、LPPM鋳造の利点をすべて保持し、さらに溶融金属中の溶解ガスが最小限に抑えられ、溶融金属の清浄度がさらに向上します。このプロセスは薄肉プロファイルを扱うことができ、優れた表面仕上げが得られます。機械的特性は通常、重力鋳型鋳造よりも10〜15％優れています。このプロセスの重量は0.2〜5 kg（0.44〜11.02ポンド）に制限されています。^[8]

主な利点は、金型が再利用可能であること、表面仕上げが良好であること、寸法精度が良好であること、生産速度が速いことです。一般的な許容誤差は、最初の 25 mm (0.98 インチ) が 0.4 mm、それ以降の 1 センチメートルごとに 0.02 mm (1 インチあたり 0.002 インチ) です。寸法がパーティング ラインを越える場合は、さらに 0.25 mm (0.0098 インチ) を加算します。一般的な表面仕上げは 2.5 ～ 7.5 μm (100～250 μin) RMSです。2 ～ 3° の抜き勾配が必要です。壁の厚さは 3 ～ 50 mm (0.12 ～ 1.97 インチ) に制限されています。一般的な部品サイズは 100 g ～ 75 kg (数オンス ～ 150 ポンド) です。その他の利点としては、金型の壁の厚さを変更したり、金型の一部を加熱または冷却したりすることで、方向性凝固を簡単に誘発できることが挙げられます。金属鋳型を使用することで冷却速度が速くなり、砂型鋳造よりも細かい粒子構造が得られます。引き込み式の金属コアを使用すると、素早い動作の鋳型を維持しながらアンダーカットを作成できます。^{[2] [3]}

主な欠点は 3 つあります。ツール コストが高いこと、低融点金属に限られること、および金型寿命が短いことです。ツール コストが高いため、このプロセスは小規模生産では不経済です。このプロセスを使用して鋼または鉄を鋳造すると、金型寿命が極めて短くなります。低融点金属の場合、金型寿命は長くなりますが、熱疲労と浸食により、通常、寿命は 10,000 ～ 120,000 サイクルに制限されます。金型寿命は、金型材料、鋳込み温度、金型温度、および金型構成の 4 つの要素によって決まります。ねずみ鋳鉄で作られた金型は、より経済的に製造できますが、金型寿命は短くなります。一方、H13 工具鋼で作られた金型は、金型寿命が数倍長くなる可能性があります。鋳込み温度は鋳造金属によって異なりますが、鋳込み温度が高いほど、金型寿命は短くなります。また、鋳込み温度が高いと収縮の問題が発生し、サイクル時間が長くなる可能性があります。金型温度が低すぎるとミスランが発生しますが、金型温度が高すぎるとサイクルタイムが長くなり、金型の浸食が増加します。金型または鋳造品の断面の厚さに大きな差があると、金型寿命も短くなります。^[5]

• デガーモ、E. ポール、ブラック、JT、コーザー、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。
• カルパクジャン、セロペ、シュミッド、スティーブン（2006）、製造エンジニアリングとテクノロジー（第5版）、ピアソン、ISBN 0-13-148965-8。
• トッド、ロバート H.; アレン、デル K.; アルティング、レオ (1994)、製造プロセスリファレンスガイド、インダストリアルプレス社、ISBN 0-8311-3049-0。

• Efunda: エンジニアリングの基礎
• 永久金型プロセスに関する記事