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鋳造欠陥とは、金属鋳造工程における望ましくない不規則性のことです。一部の欠陥は許容できますが、他の欠陥は修復可能であり、そうでない場合は除去する必要があります。これらは主に次の 5 つのカテゴリに分類されます。ガス気孔、収縮欠陥、鋳型材料欠陥、注湯金属欠陥、冶金欠陥。[ 1 ]
「欠陥」および「不連続性とは、鋳造品における 2 つの特定の別々の事柄を指します。欠陥とは、鋳造品において修正または除去しなければならない状態、あるいは鋳造品を廃棄しなければならない状態と定義されます。不連続性、別名「不完全性」は、「鋳造品の物理的な連続性の中断」と定義されます。したがって、鋳造品が完全ではないものの、まだ使用可能で許容範囲内であれば、その不完全性は「不連続性」とみなされるべきです。 [ 2 ]
欠陥にはさまざまな種類があり、さまざまな原因から発生します。ある欠陥に対する解決策が、別の種類の欠陥の原因となる場合もあります。[ 3 ]
砂型鋳造では、以下のような欠陥が発生する可能性があります。これらのほとんどは、他の鋳造プロセスでも発生します。
収縮欠陥は、厚い金属が凝固する際に収縮を補償するための標準供給金属が利用できない場合に発生する可能性があります。収縮欠陥は、ギザギザまたは線状の外観を呈します。収縮欠陥は通常、鋳造品の上型または下型のいずれかに発生します。[ 4 ]収縮欠陥は、開放型収縮欠陥と閉鎖型収縮欠陥の 2 種類に分類できます。開放型収縮欠陥は大気に開放されているため、収縮空洞が形成されると、空気が補償します。開放型空気欠陥には、パイプと凹面の 2 種類があります。パイプは鋳造品の表面に形成され、鋳造品内部に潜り込みますが、凹面は鋳造品の表面全体に形成される浅い空洞です。[ 5 ]
閉じた収縮欠陥、または収縮多孔性とは、鋳造品内部に発生する欠陥です。凝固した金属内部に孤立した液体のプールが形成され、これをホットスポットと呼びます。収縮欠陥は通常、ホットスポットの上部に発生します。収縮欠陥は核生成点を必要とするため、不純物や溶解ガスが閉じた収縮欠陥を引き起こす可能性があります。この欠陥は、マクロ多孔性とミクロ多孔性（またはミクロ収縮）に分類され、マクロ多孔性は肉眼で確認できますが、ミクロ多孔性は肉眼では確認できません。[ 5 ] [ 6 ]
ガス気孔とは、鋳造品が冷却された後に内部に気泡が形成される現象です。これは、ほとんどの液体材料は大量の溶解ガスを保持できますが、同じ材料の固体は保持できないため、冷却時に材料内部にガスが気泡を形成するためです。[ 7 ]ガス気孔は、鋳造品の表面に気孔として現れる場合もあれば、金属内部に気孔が閉じ込められる場合もあり、[ 8 ]その付近の強度が低下します。窒素、酸素、水素は、ガス気孔の場合によく見られるガスです。[ 6 ]アルミニウム鋳造では、水素がかなりの量溶解する唯一のガスであり、水素ガス気孔を引き起こす可能性があります。[ 9 ]重量が数キログラムの鋳造品の場合、気孔のサイズは通常0.01～0.5 mm (0.0004～0.02インチ)です。より大きな鋳造品では、直径が最大1ミリメートル (0.04インチ)になることがあります。[ 8 ]
ガス多孔性を防ぐために、材料は真空中、アルゴン[ 10 ]や二酸化炭素[ 11 ]などの溶解度の低いガスの環境中、または空気との接触を防ぐフラックスの下で溶融されることがある。ガス溶解度を最小限に抑えるために、過熱温度を低く保つことができる。溶融金属を鋳型に注ぐ際の乱流によってガスが混入する可能性があるため、鋳型はしばしばこのような乱流を最小限に抑えるために流線型に設計される。その他の方法としては、真空脱ガス、ガスフラッシング、または沈殿がある。沈殿とは、ガスを別の元素と反応させて化合物を形成し、それがドロスとなって表面に浮上するものである。例えば、リンを添加することで銅から酸素を除去できる。アルミニウムやシリコンを鋼に添加することで酸素を除去できる。[ 7 ] 3つ目の原因は、溶融金属と鋳型内のグリースやその他の残留物との反応である。
水素は、金属と湿気または鋳型内の残留水分との反応によって生成される。鋳型を乾燥させることで、この水素生成源を排除することができる。[ 12 ]
ガス気孔は、微小収縮空洞にもガスが含まれることがあるため、微小収縮と区別するのが難しい場合があります。一般的に、鋳造品の立ち上がりが適切でない場合、または凝固範囲の広い材料を鋳造した場合に、微小気孔が形成されます。これらのどちらにも該当しない場合は、気孔はガスの発生によるものである可能性が最も高いです。[ 13 ]
小さな気泡は多孔質と呼ばれますが、大きな気泡はブローホール[ 14 ]またはブリスターと呼ばれます。このような欠陥は、溶融金属に混入した空気、鋳造砂からの蒸気や煙、または溶融金属や鋳型からのその他のガスによって引き起こされる可能性があります。（金属の収縮によって生じる真空穴（上記参照）も、大まかに「ブローホール」と呼ばれることがあります）。溶融金属の準備や鋳型の設計など、適切な鋳造工程により、これらの欠陥の発生を減らすことができます。ブローホールは健全な金属の層に囲まれていることが多いため、検出が困難な場合があり、高調波、超音波、磁気、またはX線（工業用CTスキャンなど）分析が必要になります。
溶融金属の注湯における欠陥には、流れの乱れ、冷間閉鎖、介在物などがあります。流れの乱れは、溶融金属が鋳型キャビティを完全に満たさず、未充填部分が残る場合に発生します。冷間閉鎖は、溶融金属の2つの先端が鋳型キャビティ内で適切に融合せず、弱い部分が残る場合に発生します。どちらも、溶融金属の流動性不足、または断面が狭すぎることが原因です。流動性は、金属の化学組成を変更するか、注湯温度を上げることで向上させることができます。もう1つの原因として考えられるのは、鋳型キャビティの通気不良による背圧です。[ 15 ]
流れ不良と冷間閉鎖は密接に関連しており、どちらも材料が金型キャビティを完全に満たす前に凝固してしまうことが原因です。これらの欠陥は、欠陥周辺の領域が意図したよりも著しく弱くなるため、深刻な問題となります。 [ 16 ]材料の鋳造性と粘度は、これらの問題において重要な要素となる可能性があります。流動性は、鋳造可能な最小断面厚さ、薄肉部の最大長さ、鋳造可能な細部の精細度、金型端部の充填精度に影響します。材料の流動性を測定する方法はいくつかありますが、通常は標準的な金型形状を使用し、材料が流れる距離を測定します。流動性は、材料の組成、凝固温度または凝固範囲、酸化膜の表面張力、そして最も重要な注湯温度によって影響を受けます。注湯温度が高いほど流動性は高くなりますが、過度の高温は有害であり、材料と金型との反応を引き起こす可能性があります。多孔質金型材料を使用する鋳造プロセスでは、材料が金型材料に浸透することさえあります。[ 17 ]
材料が流動できなくなる点をコヒーレンス点と呼びます。この点は、固体分率、凝固粒子の構造、流体の局所的なせん断ひずみ速度に依存するため、金型設計において予測するのが困難です。通常、この値は 0.4 ～ 0.8 の範囲です。[ 18 ]
介在物とは、固体の場合はドロス、液体の場合はスラグなどの金属不純物のことです。これらは通常、注湯金属中の不純物（一般的には酸化物、まれに窒化物、炭化物、硫化物）、炉や取鍋の内張りから侵食された物質、または鋳型からの汚染物質です。アルミニウム合金の場合、溶融アルミニウム中の介在物の濃度を測定し、必要なレベルに維持するための対策を講じることで、介在物の濃度を管理することが重要です。
介在物の濃度を低減する方法はいくつかあります。酸化物の形成を低減するために、金属をフラックス、真空、または不活性雰囲気で溶融することができます。混合物に他の成分を加えることで、ドロスを上部に浮かせ、金属を鋳型に注ぐ前にすくい取ることができます。これが実用的でない場合は、底から金属を注ぐ特殊な取鍋を使用できます。別の選択肢として、ゲートシステムにセラミックフィルターを取り付ける方法があります。そうでない場合は、溶融金属を注ぎ込む際に旋回させる旋回ゲートを形成し、軽い介在物を中央に押し込み、鋳造品から排除することができます。[ 19 ] [ 20 ]ドロスやスラグの一部が溶融金属に折り込まれると、巻き込み欠陥になります。
このカテゴリーには、ホットティアとホットスポットという 2 つの欠陥があります。ホットティアは、高温割れ[ 21 ]は、鋳造品が冷却される際に発生する鋳造不良です。これは、金属が高温時に弱く、材料に残留する応力によって冷却時に鋳造品が破損する可能性があるためです。適切な金型設計により、この種の欠陥を防ぐことができます。 [ 3 ]
ホットスポットとは、周囲の材料よりも体積が大きいため、周囲の材料よりも冷却が遅い鋳造部分のことです。これにより、この領域で異常な収縮が発生し、気孔や亀裂が生じる可能性があります。この種の欠陥は、適切な冷却方法や金属の化学組成を変更することで回避できます。[ 3 ] ホットティアを最小限に抑えるその他の方法としては、鋳造材料を過熱しないことや、鋳型の温度を上げることが挙げられます。[ 22 ]
ダイカストで最も一般的な欠陥は、流れ不良と冷間閉鎖です。これらの欠陥は、金型の冷たさ、金属温度の低さ、金属の汚れ、通気不足、または潤滑剤の過剰によって引き起こされる可能性があります。その他の可能性のある欠陥は、ガス気孔、収縮気孔、熱間割れ、およびフローマークです。フローマークは、ゲート不良、鋭利な角、または潤滑剤の過剰により鋳造品の表面に残るマークです。[ 23 ]
縦方向の表面割れは、連続鋳造プロセスでのみ発生する特殊な欠陥です。この欠陥は、一次冷却と二次冷却の両方における不均一な冷却によって引き起こされ、溶鋼の品質、例えば化学組成の規格外、材料の清浄度、均質性などが含まれます。
砂型鋳造では、鋳型の不具合により多くの欠陥が発生する可能性があります。鋳型が不具合を起こす原因は通常、次の2つのいずれかです。間違った材料が使用されているか、または適切に突き固められていないかのいずれかです。[ 24 ]
最初のタイプは鋳型侵食で、これは溶融金属が鋳型を満たす際に鋳型が摩耗する現象です。この種の欠陥は通常、砂型鋳造でのみ発生します。他のほとんどの鋳造プロセスでは、より頑丈な鋳型が使用されるためです。製造された鋳物には、粗い部分や余分な材料があります。鋳型砂が鋳造金属に取り込まれ、鋳物の延性、疲労強度、および破壊靭性が低下します。これは、強度が低すぎる砂、または注湯速度が速すぎることが原因となる可能性があります。注湯速度は、より大きなランナーまたは複数のゲートを使用するようにゲートシステムを再設計することで低下させることができます。[ 24 ] [ 25 ]関連する欠陥の原因はドロップで、これは上型からの鋳型砂の一部が、まだ液体の鋳造物に落下する現象です。これは、鋳型が適切に突き固められていない場合にも発生します。[ 26 ]
2 つ目のタイプの欠陥は金属浸透で、溶融金属が鋳型砂に浸透したときに発生します。これにより表面が粗くなります。これは、砂の粒子が粗すぎる、鋳型洗浄剤が不足している、または注湯温度が高すぎることが原因です。[ 26 ]鋳型への金属浸透の別の形態である脈状模様は、砂のひび割れによって発生します。
鋳造温度が高すぎる場合、または融点の低い砂を使用すると、砂が鋳物に溶け込んでしまうことがあります。この場合、製造された鋳物の表面はもろく、ガラスのような外観になります。[ 26 ]
溶融金属が鋳型やフラスコの欠陥により鋳型から漏れ出すと、溶融金属の流出が発生する。[ 26 ]
かさぶたは鋳造品から突き出た薄い金属層です。簡単に取り除くことができ、常に下部のバックルとは、鋳造面のくぼみのことです。ラットテールはバックルに似ていますが、細い線状のくぼみで、かさぶたとは関係ありません。もう1つの類似した欠陥はプルダウンとは、砂型鋳造品のコープに発生する座屈のことです。これらの欠陥はすべて目視できるものであり、ワークピースを廃棄する理由にはなりません。 [ 27 ]これらの欠陥は、過度に高い注湯温度または炭素質材料の不足によって引き起こされます。 [ 26 ]
膨張は、金型壁が面全体にわたって崩れることで発生し、金型の突き固めが不適切であることが原因で起こります。[ 26 ]
バーンオンは、金属酸化物がシリカ砂中の不純物と反応するときに発生します。その結果、完成した鋳造品の表面に砂の粒子が埋め込まれます。この欠陥は、溶融金属の温度を下げること、鋳型洗浄を使用すること、砂混合物に添加剤を使用することによって回避できます。 [ 28 ]
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