金属鋳造

金属加工や宝飾品製造において、鋳造とは、意図する形状のネガ型（つまり、3次元のネガ像）が入った鋳型（通常はるつぼ）に液体金属を流し込む工程である。金属は、湯口と呼ばれる中空の溝を通って鋳型に流し込まれる。その後、金属と鋳型は冷却され、金属部分（鋳物）が取り出される。鋳造は、他の方法では製造が困難または不経済な複雑な形状を製造する場合に最もよく使用される。^[1]

鋳造プロセスは数千年前から知られており、彫刻（特に青銅）、 貴金属製の宝飾品、武器や道具に広く使用されてきました。高度にエンジニアリングされた鋳造品は、自動車、トラック、航空宇宙、電車、採鉱および建設機械、油井、家電製品、パイプ、消火栓、風力タービン、原子力発電所、医療機器、防衛製品、玩具など、耐久財の90％に使用されています。 ^[2]

伝統的な技法としては、ロストワックス鋳造（さらに遠心鋳造と真空直接注入鋳造に分類される）、石膏型鋳造、砂型鋳造などがあります。

現代の鋳造プロセスは、消耗鋳造と非消耗鋳造の2つの主要なカテゴリに分けられます。さらに、砂や金属などの鋳型の材料と、重力、真空、低圧などの注入方法によって分類されます。^[3]

使い捨て鋳型鋳造は、砂、プラスチック、貝殻、石膏、およびインベストメント (ロストワックス法) の鋳型を含む一般的な分類です。この鋳型鋳造法では、一時的な再利用できない鋳型を使用します。

砂型鋳造は、最も一般的で最も単純な鋳造方法の 1 つであり、何世紀にもわたって使用されてきました。砂型鋳造では、永久鋳型鋳造よりも少量のバッチで非常にリーズナブルなコストで製造できます。この方法では、メーカーが低コストで製品を作ることができるだけでなく、非常に小さなサイズの作業など、砂型鋳造には他の利点もあります。このプロセスでは、手のひらに収まるほど小さな鋳造品から、列車のベッドに収まるほど大きな鋳造品まで (1 回の鋳造で鉄道車両 1 台のベッド全体を作成できます) が可能です。砂型鋳造では、鋳型に使用する砂の種類に応じて、ほとんどの金属を鋳造することもできます。^[4]

砂型鋳造は、高生産率 (1～20 個/時 - 鋳型) で生産する場合、数日、場合によっては数週間のリードタイムが必要であり、大型部品の生産では他に類を見ない方法です。緑色 (湿った) 砂は黒色で、部品の重量制限はほとんどありませんが、乾燥砂の実質的な部品質量制限は 2,300～2,700 kg (5,100～6,000 ポンド) です。部品の最小重量は 0.075～0.1 kg (0.17～0.22 ポンド) です。砂は粘土、化学結合剤、または重合油 (モーター オイルなど) を使用して結合されます。ほとんどの操作で砂を何度もリサイクルでき、メンテナンスもほとんど必要ありません。

ローム成形は、大砲や教会の鐘など、左右対称の大きな物体の製造に使用されてきました。ロームは、粘土と砂を藁や糞と混ぜたものです。製造物の型は、砕けやすい材料 (シュミーズ) で作られます。シュミーズの周りにロームをかぶせて型を作ります。次に、ロームを焼いて (焼成して)、シュミーズを取り除きます。次に、溶融金属を流し込むために、型を炉の前の穴に立てます。その後、型を折り取ります。型は 1 回しか使用できないため、ほとんどの用途では他の方法が好まれます。

石膏鋳造は砂型鋳造に似ているが、砂の代わりに焼石膏が鋳型の材料として使用される。通常、鋳型の準備には1週間もかからず、その後は1～10個/時の生産速度が達成され、非常に良好な表面仕上げと厳密な公差を備えた最大45 kg（99ポンド）のアイテムから最小30 g（1オンス）のアイテムまでが製造される。^{[5]石膏鋳造は、石膏のコストが低く、}ほぼネットシェイプの鋳物を製造できるため、複雑な部品を成形するための他の成形プロセスに比べて安価な代替手段である。最大の欠点は、アルミニウム、銅、マグネシウム、亜鉛などの低融点の非鉄金属でしか使用できないことである。^[6]

シェル成形は砂型鋳造に似ていますが、成形キャビティは砂が入ったフラスコではなく、砂でできた硬化した「シェル」で形成されます。使用される砂は砂型鋳造用の砂よりも細かく、樹脂と混合されているため、パターンによって加熱され、パターンの周囲でシェルに硬化します。樹脂と細かい砂のため、表面仕上げがはるかに細かくなります。このプロセスは簡単に自動化でき、砂型鋳造よりも正確です。鋳造される一般的な金属には、鋳鉄、アルミニウム、マグネシウム、銅合金などがあります。このプロセスは、小型から中型の複雑なアイテムに最適です。

インベストメント鋳造 (美術ではロストワックス鋳造として知られています) は、何千年もの間実践されてきたプロセスであり、ロストワックス プロセスは最も古い金属成形技術の 1 つです。5,000 年前に蜜蝋でパターンを形成したころから、今日のハイテク ワックス、耐火材料、特殊合金に至るまで、鋳造により、精度、再現性、汎用性、完全性という重要な利点を備えた高品質のコンポーネントが製造されます。

インベストメント鋳造は、パターンが耐火材料で覆われている、または囲まれていることからその名前が付けられています。ワックスパターンは、鋳型製作中に発生する力に耐えるほど強くないため、細心の注意が必要です。インベストメント鋳造の利点の1つは、ワックスを再利用できることです。^[5]

このプロセスは、さまざまな金属や高性能合金からネットシェイプ部品を繰り返し製造するのに適しています。一般的には小型鋳造に使用されますが、このプロセスは、最大 300 kg の鋼鉄鋳造と最大 30 kg のアルミニウム鋳造で、航空機のドアフレーム全体を製造するために使用されています。ダイカストや砂型鋳造などの他の鋳造プロセスと比較すると、高価なプロセスになる可能性があります。ただし、インベストメント鋳造を使用して製造できる部品には複雑な輪郭を組み込むことができ、ほとんどの場合、部品はニアネットシェイプで鋳造されるため、鋳造後の再加工はほとんどまたはまったく必要ありません。

耐久性のある石膏中間体は、ブロンズ彫刻の制作段階として、または石の彫刻を作成する際の指示ガイドとしてよく使用されます。石膏が完成すると、ひび割れを防ぐために湿らせておく必要のある粘土のオリジナルよりも耐久性が増します (屋内で保管する場合)。安価な石膏が手元にあるため、ブロンズ鋳造や石の彫刻などの高価な作業は、パトロンが見つかるまで延期できます。また、このような作業は芸術的プロセスというよりは技術的なプロセスであると考えられるため、アーティストの生涯を超えて延期されることもあります。

廃材鋳型では、サイザル麻または黄麻布で補強されたシンプルで薄い石膏型を、元の粘土混合物の上に鋳造します。硬化したら、湿った粘土から取り出します。その際、粘土に存在していたアンダーカットの細かいディテールが偶然に破壊されますが、そのディテールは鋳型に取り込まれます。その後、鋳型はいつでも (ただし 1 回のみ)、元の粘土と同一の石膏ポジ画像を鋳造するために使用できます。この石膏の表面をさらに精製し、完成した青銅鋳物に似せるために塗装やワックスを塗ることもできます。

これは、鋳造中に蒸発するパターン材料を使用する鋳造プロセスの一種です。つまり、鋳造前にパターン材料を型から取り出す必要はありません。主な 2 つのプロセスは、ロストフォーム鋳造とフルモールド鋳造です。

ロストフォーム鋳造は、ワックスの代わりにフォームをパターンとして使用する点を除いて、インベストメント鋳造に似た蒸発パターン鋳造プロセスの一種です。このプロセスでは、フォームの沸点が低いことを利用し、ワックスを鋳型から溶かす必要がなくなり、インベストメント鋳造プロセスを簡素化します。

フルモールド鋳造は、砂型鋳造とロストフォーム鋳造を組み合わせた蒸発パターン鋳造プロセスです。砂型鋳造と同様に、発泡ポリスチレンフォームパターンを使用し、その周囲を砂で囲みます。次に、金属を鋳型に直接注ぎ、接触するとフォームが蒸発します。

非消耗鋳型鋳造は、各生産サイクル後に鋳型を再形成する必要がないという点で消耗プロセスとは異なります。この技術には、永久鋳造、ダイ鋳造、遠心鋳造、連続鋳造の少なくとも 4 つの異なる方法が含まれます。この鋳造方法では、製造される部品の再現性も向上し、ほぼ正確な形状が得られます。

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に充填します。ただし、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、中空の鋳物が生成されます。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。永久鋳型は、1回以上の鋳造に耐えますが、摩耗するまでの寿命は限られています。

ダイカスト プロセスでは、溶融金属を高圧下で金型のキャビティ (金型に機械加工されている) に押し込みます。ほとんどのダイカストは非鉄金属、具体的には亜鉛、銅、アルミニウム ベースの合金で作られていますが、鉄金属のダイカストも可能です。ダイカスト法は、優れたディテール、優れた表面品質、寸法の一貫性を備えた小型から中型の部品が多数必要な用途に特に適しています。

半固体金属 (SSM) 鋳造は、ほとんどのダイカストに存在する残留気孔を減らすか、またはなくす改良されたダイカスト プロセスです。SSM 鋳造では、供給材料として液体金属を使用する代わりに、部分的に固体で部分的に液体である高粘度の供給材料を使用します。改良されたダイカスト マシンを使用して、再利用可能な硬化鋼ダイに半固体スラリーを注入します。半固体金属の高粘度と、制御されたダイ充填条件の使用により、半固体金属が乱流のない状態でダイに充填され、有害な気孔が実質的に排除されます。

SSM 鋳造は主にアルミニウムとマグネシウム合金の商業用途で、T4、T5、または T6 の焼き入れ度に熱処理することができます。熱処理、高速冷却速度 (コーティングされていない鋼製金型の使用による)、および最小限の多孔性の組み合わせにより、優れた強度と延性の組み合わせが得られます。SSM 鋳造のその他の利点には、複雑な形状の部品をネットシェイプで製造できること、耐圧性、厳しい寸法公差、および薄壁を鋳造できることなどがあります。^[7]

この工程では、溶融金属を鋳型に注ぎ、鋳型を回転させながら凝固させます。金属は鋳型の中心の回転軸に沿って注がれます。慣性力により、溶融金属は周囲に向かって放出されます。

遠心鋳造は、回転チャンバー内に保持された一時的な砂型を使用して独自の力供給を作成するため、重力と圧力の両方に依存しません。リードタイムはアプリケーションによって異なります。半遠心および真遠心処理では、1 時間あたり 30 ～ 50 個の鋳型を製造できます。バッチ処理の実際の制限は、総質量約 9000 kg、アイテムあたりの制限は通常 2.3 ～ 4.5 kg です。

工業的には、鉄道車輪の遠心鋳造^[8]はドイツの工業会社クルップ社によって開発された方法の初期の応用であり、この能力により企業の急速な成長が可能になりました。

ジュエリーなどの小さな芸術作品は、ロストワックス法を使用してこの方法で鋳造されることが多く、その力により、かなり粘性のある液体金属が非常に小さな通路を流れ、葉や花びらなどの細かい部分まで流れ込むことができるためです。この効果は、ジュエリーの鋳造にも適用される真空鋳造の利点に似ています。

連続鋳造は、鋳造工程を改良したもので、一定の断面積を持つ金属片を連続的に大量生産するものである。主に、さらなる加工のための半製品の製造に用いられる。^{[9] : 339} 溶融金属を開放型の水冷鋳型に流し込むと、まだ液体である中心部に固体金属の「皮膜」が形成され、外側から内側に向​​かって金属が徐々に凝固する。凝固後、ストランド（と呼ばれることもある）が鋳型から連続的に引き出される。ストランドの所定の長さは、機械式せん断機または移動式酸素アセチレントーチによって切断され、さらなる成形工程またはストックパイルに送られる。鋳造サイズは、ストリップ（厚さ数ミリメートル、幅約5メートル）からビレット（90〜160ミリメートル四方）、スラブ（幅1.25メートル、厚さ230ミリメートル）まで多岐にわたる。場合によっては、ストランドは切断される前に 最初の熱間圧延処理を受けることがあります。

連続鋳造は、標準製品を連続的に生産することでコストが削減され、最終製品の品質も向上するため使用されます。鋼鉄、銅、アルミニウム、鉛などの金属が連続鋳造されますが、この方法で鋳造される金属の中で最もトン数が多いのは鋼鉄です。

アップキャスティング（アップキャスト、上流、上向き鋳造）は、直径8～30mmのさまざまな形状（円筒形、正方形、六角形、スラブなど）の棒やパイプを垂直または水平に連続鋳造する方法です。^[10] 銅（Cu）、青銅（Cu・Sn合金）、ニッケル合金は、鋳造速度が速い（垂直アップキャスティングの場合）ため、また、得られる物理的特性が優れているため、通常使用されます。この方法の利点は、金属がほとんど酸素を含まず、結晶化（凝固）の速度を結晶化装置（成長する金属棒やパイプを水で冷却する耐高温装置）で調整できることです。^[10]

この方法は、半金属であるシリコン（Si）結晶を成長させるチョクラルスキー法に似ています。

金属鋳造プロセスでは以下の用語が使用される。^[11]

• パターン: 金型のキャビティを形成するために使用される最終鋳造品のおおよその複製。
• 成形材料: パターンの周りに詰められた材料で、その後パターンが取り除かれ、鋳造材料を注ぐための空洞が残ります。
• フラスコ: 成形材料を保持する堅い木製または金属製のフレーム。
  • コープ: パターン、フラスコ、鋳型、またはコアの上半分。
  • ドラッグ: パターン、フラスコ、モールド、またはコアの下半分。
• コア: 鋳物に穴などの内部特徴を生成する金型内のインサート。
  • コア プリント: コアを配置してサポートするために使用されるパターン、コア、またはモールドに追加される領域。
• 金型キャビティ: 鋳造品を製造するために金属を流し込む、成形材料とコアを組み合わせた開口部。
• ライザー: 凝固中の収縮を補うために溶融材料で満​​たされる金型内の追加の空隙。
• ゲート システム: 溶融材料を金型のキャビティに送る接続されたチャネルのネットワーク。
  • 注ぎ口カップまたは注ぎ口盆: 注ぎ口容器から溶融材料を受け取るゲート システムの部分。
  • スプルー: 注ぎ口カップは、ゲート システムの垂直部分であるスプルーに取り付けられます。スプルーのもう一方の端はランナーに取り付けられます。
  • ランナー: スプルーをゲートに接続するゲート システムの水平部分。
  • ゲート: ランナーから金型キャビティへの制御された入口。
• 通気口: 注入中に発生したガスを排出するための追加のチャネル。
• パーティング ラインまたはパーティング サーフェス: 金型、フラスコ、またはパターンのコープ半分とドラッグ半分の間のインターフェイス。
• ドラフト: 鋳物または模型のテーパーで、鋳型から取り出すときに便利です。
• コアボックス: コアを製造するために使用される金型。
• チャプレット: 鋳造後に鋳造の不可欠な部分となり、コアを支える、コア用の長い垂直保持ロッド。

ダイカストなどの一部の特殊なプロセスでは、追加の用語が使用されます。

鋳造は凝固プロセスであり、凝固現象が鋳物の特性のほとんどを制御します。さらに、鋳造欠陥のほとんどは、ガスポロシティや凝固収縮など、凝固中に発生します。^[12]

凝固は、核形成と結晶成長の 2 つの段階で起こります。核形成段階では、液体内に固体粒子が形成されます。これらの粒子が形成されると、その内部エネルギーは周囲の液体よりも低くなり、両者の間にエネルギー界面が形成されます。この界面の表面の形成にはエネルギーが必要なため、核形成が発生すると、界面を形成するために必要な余分なエネルギーのために、材料は実際には過冷却 (つまり、凝固温度より低く冷却) されます。その後、結晶成長段階のために、再熱、つまり凝固温度まで加熱されます。核形成は既存の固体表面で発生します。これは、部分的な界面表面に必要なエネルギーは、完全な球状の界面表面に必要なエネルギーほどではないためです。これは、細粒の鋳物は粗粒の鋳物よりも優れた特性を持つため、有利です。細粒構造は、核形成を誘発するために不純物を添加するプロセスである結晶粒微細化または接種によって誘発できます。 ^[13]

核生成はすべて結晶を表し、結晶は液体から融解熱が抽出されるにつれて成長し、液体がなくなるまで成長します。成長の方向、速度、種類を制御することで、鋳造物の特性を最大化できます。方向性凝固とは、材料が一方の端で凝固し、もう一方の端まで凝固し続けることです。これは、液体材料が収縮を補うことができるため、最も理想的なタイプの結晶成長です。^[13]

冷却曲線は鋳物の品質管理に重要です。冷却曲線の最も重要な部分は、微細構造と特性に影響を与える冷却速度です。一般的に、鋳物の急速に冷却される領域は微細な結晶構造を持ち、ゆっくりと冷却される領域は粗い結晶構造を持ちます。以下は、定義用語を含む純金属または共晶合金の冷却曲線の例です。^[14]

熱停止前は物質は液体で、熱停止後は固体であることに注意してください。熱停止中は物質が液体から固体に変化します。また、過熱が大きいほど、液体物質が複雑な細部に流れ込む時間が長くなることに注意してください。^[15]

上記の冷却曲線は純金属の基本的な状況を示していますが、ほとんどの鋳造品は合金製であり、その冷却曲線は以下に示すような形状になります。

熱停止はなくなり、代わりに凝固範囲が存在することに注意してください。凝固範囲は、特定の合金 の状態図にある液相線と固相線に直接対応します。

局所凝固時間は、次の Chvorinov の法則を使用して計算できます。

${\displaystyle t=B\left({\frac {V}{A}}\right)^{n}}$

ここで、tは凝固時間、Vは鋳物の体積、Aは鋳型に接触する鋳物の表面積、nは定数、Bは鋳型定数です。これは、ライザーが鋳物より先に凝固するかどうかを判断するのに最も役立ちます。ライザーが先に凝固すると価値がなくなるからです。^[16]

ゲートシステムには多くの目的があるが、最も重要なのは液体材料を鋳型に運ぶことであるが、収縮、液体の速度、乱流、ドロスの捕捉を制御することでもある。ゲートは通常、収縮を制御するために鋳物の最も厚い部分に取り付けられる。特に大型の鋳物では、鋳型のキャビティ内の複数のポイントに金属を導入するために、複数のゲートまたはランナーが必要になることがある。材料の速度が重要であるのは、材料の移動が遅すぎると、完全に充填される前に冷えてしまい、ミスランやコールドシャットにつながる可能性があるためである。材料の移動が速すぎると、液体材料が鋳型を侵食し、最終的な鋳物を汚染する可能性がある。ゲートシステムの形状と長さによっても、材料がどれだけ速く冷えるかを制御することができ、短い円形または正方形のチャネルは熱損失を最小限に抑える。^[17]

鋳造する材料によっては、乱流を最小限に抑えるようにゲート システムを設計できます。たとえば、鋼、鋳鉄、およびほとんどの銅合金は乱流の影響を受けにくいですが、アルミニウムとマグネシウムの合金は乱流の影響を受けやすいです。乱流の影響を受けにくい材料では、通常、できるだけ早く金型を充填するために、短くて開いたゲート システムが使用されます。ただし、乱流の影響を受けやすい材料の場合は、材料が金型に入るときに落下する距離を最小限に抑えるために短いスプルーが使用されます。長方形の注ぎ口とテーパー スプルーは、材料が金型に流れ込むときに渦が形成されるのを防ぐために使用されます。これらの渦は、ガスと酸化物を金型に吸い込む傾向があります。大きなスプルー ウェルは、液体材料がスプルーを落下するときにその運動エネルギーを消散させ、乱流を減らすために使用されます。流れを制御するために使用されるゲート システムで最小の断面積であるチョークをスプルー ウェルの近くに配置して、流れを遅くして滑らかにすることができます。いくつかの鋳型では、部品の分離を容易にするためにチョークがゲート上に取り付けられていますが、極端な乱流を引き起こします。^[18]ゲートは通常、乱流と飛散を最小限に抑えるために鋳物の底に取り付けられます。^[17]

ゲートシステムはドロスを捕捉するように設計されることもある。1つの方法は、ドロスの一部はベース材料よりも密度が低いため、ゲートシステムの上部に浮かぶという事実を利用することである。したがって、ゲートがランナーの下部から出る長く平らなランナーは、ドロスをランナー内に捕捉することができる。長く平らなランナーは、円形または四角形のランナーよりも材料を急速に冷却する点に注意すること。アルミニウムなど、ドロスの密度がベース材料と同程度の材料の場合、ランナー延長部とランナーウェルが有利となることがある。これらは、ドロスが通常注入の最初にあるという事実を利用して、ランナーを最後のゲートを超えて延長し、汚染物質をウェル内に閉じ込める。スクリーンまたはフィルターを使用して汚染物質を捕捉することもできる。^[18]

鋳物から切り離して再溶解し再利用する必要があるため、ゲートシステムのサイズを小さく保つことが重要です。効率、つまり鋳造システムの歩留まりは、鋳物の重量を鋳造した金属の重量で割ることで計算できます。したがって、数値が高いほど、ゲートシステム/ライザーの効率が高くなります。^[19]

収縮には、液体の収縮、凝固収縮、パターンメーカーの収縮の3種類があります。液体の収縮は、その背後の金型に多くの材料が流れ込むため、ほとんど問題になりません。凝固収縮は、金属は液体のほうが固体よりも密度が低いため、凝固中に金属の密度が劇的に増加するため発生します。パターンメーカーの収縮は、材料が凝固温度から室温に冷却されるときに発生する収縮を指し、熱収縮によって発生します。^[20]

ほとんどの材料は凝固すると収縮しますが、次の表に示すように、ねずみ鋳鉄など、凝固しない材料もいくつかあります。凝固時に収縮する材料の場合、収縮の種類はその材料の凝固範囲がどれだけ広いかによって異なります。凝固範囲が狭い、50 °C (122 °F)未満の材料の場合、^{[23]外側のシェルが最初に凝固し、徐々に中心に向かって凝固するため、鋳物の中心に}パイプと呼ばれる空洞が形成されます。純粋金属と共晶金属は通常、凝固範囲が狭いです。これらの材料は開放型の鋳型で皮膜を形成する傾向があるため、皮膜形成合金として知られています。^[23]凝固点範囲が110℃（230℉）を超える広い材料の場合、^[23]鋳物の多くの部分がドロドロした領域（固相線と液相線の間の温度範囲）を占め、小さな液体のポケットが全体に閉じ込められ、最終的に多孔性になります。これらの鋳物は、延性、靭性、疲労耐性が低い傾向があります。さらに、これらのタイプの材料を流体密封にするには、鋳物を低融点の金属または樹脂で含浸させる二次操作が必要です。^{[21] [24]}

凝固範囲が狭い材料の場合、方向性凝固を促進するように鋳物を設計することでパイプの問題を克服できます。方向性凝固とは、鋳物が最初にゲートから最も遠い地点で凍結し、その後ゲートに向かって徐々に凝固することを意味します。これにより、凝固点に液体材料を連続的に供給して収縮を補うことができます。最終的な材料が凝固する場所には収縮ボイドがまだ存在することに注意してください。ただし、適切に設計されていれば、これはゲートシステムまたはライザー内にあります。^[21]

ライザーはフィーダーとも呼ばれ、方向性凝固を行う最も一般的な方法です。凝固収縮を補うために凝固中の鋳物に液体金属を供給します。ライザーが適切に機能するには、鋳造後にライザーが凝固する必要があります。そうでなければ、鋳造物内の収縮に液体金属を供給できません。ライザーは各鋳造の歩留まりを下げるため、鋳造コストを増加させます。つまり、各鋳造でより多くの金属がスクラップとして失われます。方向性凝固を促進するもう1つの方法は、鋳型にチルを追加することです。チルとは、鋳造に使用される材料よりも速く鋳物から熱を伝導する材料です。^[25]

ライザーは3つの基準で分類されます。1つ目はライザーが大気に開放されているかどうかです。開放されている場合はオープンライザー、開放されていない場合はブラインドタイプと呼ばれます。2つ目の基準はライザーの位置です。鋳物上にある場合はトップライザー、鋳物の横にある場合はサイドライザーと呼ばれます。最後に、ライザーがゲートシステム上にあり、成形キャビティの後に充填される場合はライブライザーまたはホットライザーと呼ばれますが、成形キャビティをすでに通過した材料でライザーが充填される場合はデッドライザーまたはコールドライザーと呼ばれます。^[19]

ライザー補助具は、方向性凝固の作成や必要なライザーの数の削減のためにライザーを補助するために使用されるアイテムです。これらのアイテムの 1 つは、金型の特定の部分で冷却を加速するチルです。外部チルと内部チルの 2 種類があります。外部チルは、成形キャビティの端に置かれる高熱容量および高熱伝導性の材料の塊です。内部チルは、注入される同じ金属の破片で、金型キャビティ内に配置され、鋳造品の一部になります。ライザーの凝固を遅らせるために、ライザーキャビティの周囲に断熱スリーブとトッピングを取り付けることもできます。凝固を遅らせるために、ヒーターコイルをライザーキャビティの周囲または上部に設置することもできます。^[26]

凝固後の収縮は、使用する合金に合わせて特別に設計された特大のパターンを使用することで対処できます。短縮規則s、または収縮定規は、この種の収縮を補うためにパターンを大きめに作るために使用されます。^[27]これらの定規は、鋳造される材料に応じて最大2.5％大きめのサイズになります。^[26] これらの定規は主にパーセンテージの変化によって参照されます。既存の部品に合わせて作られたパターンは、次のように作られます。まず、既存の部品を標準定規を使用して測定し、パターンを作成するときに、パターンメーカーは収縮定規を使用して、鋳造品が正しいサイズに収縮するようにします。

パターンメーカーの収縮は相変化変態を考慮していないことに注意してください。例えば、共晶反応、マルテンサイト反応、グラファイト化は膨張や収縮を引き起こす可能性があります。^[27]

鋳物の金型キャビティは、いくつかの理由により、完成品の正確な寸法を反映していません。金型キャビティへのこれらの変更は許容差と呼ばれ、パターンメーカーの収縮、ドラフト、機械加工、歪みを考慮に入れたものです。非消耗型プロセスでは、これらの許容差は永久型に直接与えられますが、消耗型プロセスでは、後に金型キャビティを形成するパターンに与えられます。^[27]非消耗型では、動作温度への加熱による金型の寸法変化に対する許容差が必要であることに注意してください。^[28]

鋳型のパーティングラインに垂直な鋳物の表面には、抜き勾配が必要です。これは、鋳物を非消耗プロセスで取り外すことができるように、または消耗プロセスで鋳型を破壊することなくパターンを鋳型から取り外すことができるようにするためです。必要な抜き勾配角度は、フィーチャのサイズと形状、鋳型のキャビティの深さ、部品またはパターンを鋳型から取り外す方法、パターンまたは部品の材料、鋳型の材料、およびプロセスの種類によって異なります。通常、抜き勾配は1％以上です。^[27]

加工代は工程によって大きく異なります。砂型鋳造は一般的に表面仕上げが粗いため、より大きな加工代が必要ですが、ダイカストは表面仕上げが非常に細かいため、加工公差は必要ありません。また、ドラフトによって十分な加工代が得られる場合もあります。^[28]

歪み許容度は特定の形状にのみ必要です。例えば、U字型の鋳物は、脚が金型によって拘束されている間に形状の底部が収縮するため、脚が外側に広がって歪みがちです。これは、脚が内側に傾斜するように金型キャビティを設計することで克服できます。また、リブが組み込まれていない場合、長い水平部分は中央でたわむ傾向があるため、歪み許容度が必要になる場合があります。^[28]

コアは、消耗型成形プロセスで内部構造を作成するために使用されることがあります。コアは金属製でも構いませんが、通常は砂で作られます。

金型キャビティを充填する方法としては、重力、低圧、高圧、真空などいくつかの一般的な方法がある。^[29]

真空充填は反重力充填とも呼ばれ、ゲートシステムで固まる材料が少ないため、重力注入よりも金属効率がよい。重力注入の金属収率は真空注入の60～95％に対して15～50％にすぎない。乱流も少ないため、乱流を制御する必要がないため、ゲートシステムを簡素化できる。さらに、金属はプールの上部より下から引き出されるため、金属にはドロスやスラグが含まれない。これらは密度が低く（軽い）、プールの上部に浮かぶからである。圧力差により、金属は鋳型のあらゆる複雑な部分に流れ込む。最後に、より低い温度を使用できるため、粒子構造が改善される。^[29]最初の特許取得済みの真空鋳造機とプロセスは1879年にさかのぼる。^[30]

低圧充填では、5～15 psig（35～100 kPag）の空気圧を使用して、液体金属をフィードチューブから鋳型の空洞に押し込みます。これにより、重力鋳造で見られる乱流がなくなり、密度、再現性、許容誤差、粒子の均一性が向上します。鋳物が固まった後、圧力が解放され、残っている液体はるつぼに戻り、歩留まりが向上します。^[31]

傾斜充填は傾斜鋳造とも呼ばれ、るつぼをゲートシステムに取り付け、両方をゆっくりと回転させて、金属がほとんど乱流なく鋳型のキャビティに入る珍しい充填技術です。目標は、乱流を制限することで気孔率と介在物を減らすことです。ほとんどの用途では、傾斜充填は次のような固有の問題があるため実現可能ではありません。システムが乱流を誘発しないほどゆっくりと回転すると、金属の流れの前面が固まり始め、流れが乱れます。システムがより速く回転すると、乱流が誘発され、目的が達成されません。フランスのデュルヴィルは、1800年代に傾斜鋳造を初めて試しました。彼は、アルミニウム青銅から貨幣を鋳造する際の表面欠陥を減らすために傾斜鋳造を使用しようとしました。^[32]

インゴットおよびほとんどの鋳物の粒子マクロ構造には、チルゾーン、柱状ゾーン、等軸ゾーンという 3 つの異なる領域またはゾーンがあります。以下の画像はこれらのゾーンを示しています。

チルゾーンは、鋳型の壁で材料を冷却する部分に発生するため、このように呼ばれています。ここで凝固プロセスの核形成段階が起こります。熱が除去されるにつれて、結晶粒は鋳物の中心に向かって成長します。これらは鋳物の表面に対して垂直な細長い柱状で、異方性があるため望ましくありません。最後に、中心の等軸ゾーンには球状でランダムに配向した結晶が含まれます。これらは等方性があるため望ましいものです。このゾーンの形成は、低い鋳込み温度、合金介在物、または接種剤の使用によって促進できます。^[16]

鋳鋼品の一般的な検査方法は、磁性粒子試験と浸透探傷試験である。^[33]アルミニウム鋳物の一般的な検査方法は、放射線検査、超音波検査、浸透探傷試験である。^[34]

鋳造プロセス中に発生する可能性のある問題は数多くあります。主な種類としては、ガス多孔性、収縮欠陥、鋳型材料欠陥、鋳込み金属欠陥、冶金欠陥などがあります。

鋳造プロセスのシミュレーションでは、数値的手法を使用して、鋳型の充填、凝固、冷却を考慮した鋳造部品の品質を計算し、鋳造の機械的特性、熱応力、歪みを定量的に予測します。シミュレーションでは、生産開始前に鋳造部品の品質を正確に表します。鋳造リギングは、必要な部品特性を考慮して設計できます。完全な鋳造システムの正確なレイアウトにより、エネルギー、材料、ツールの節約にもつながるため、これには生産前のサンプルの削減以外にも利点があります。

このソフトウェアは、部品の設計、溶解方法と鋳造方法の決定から、パターンと鋳型の作成、熱処理、仕上げ まで、ユーザーをサポートします。これにより、鋳造製造工程全体にわたってコストを節約できます。

鋳造プロセスのシミュレーションは、 1970年代初頭から主にヨーロッパと米国の大学で開発され、過去50年間の鋳造技術における最も重要な革新と見なされています。 1980年代後半からは、鋳造工場が鋳造プロセス中に金型内で何が起こっているかについて新しい洞察を得ることを可能にする商用プログラムが利用可能になりました。^[35]

• 青銅と真鍮の装飾品
• ブロンズ彫刻
• 鍛造
• 鋳造所
• 多孔性の封止
• スピンキャスティング
• スプレー成形
• 石鋳型

• ブレア、マルコム、スティーブンス、トーマス L. (1995)、鋳鋼ハンドブック (第 6 版)、ASM インターナショナル、ISBN 978-0-87170-556-3。
• 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。
• 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。
• Kissell, J. Randolph; Ferry, Robert L. (2002)、アルミニウム構造：その仕様と設計のガイド（第2版）、John Wiley and Sons、ISBN 978-0-471-01965-7。
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• インタラクティブな鋳造設計/製造例 2020-06-09 にWayback Machineでアーカイブされました
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• 50グラムのアーク鋳造合金が凝固するビデオクリップ