鋳造欠陥

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である。欠陥の中には許容できるものもあれば、修復可能なものもあるが、そうでなければ排除しなければならないものがある。欠陥は、ガスポロシティ、収縮欠陥、鋳型材料欠陥、鋳込み金属欠陥、冶金欠陥の5つの主なカテゴリーに分類される。^[1]

「欠陥」および「「不連続性」とは、鋳造品における2つの特定の別個のものを指します。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、また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。不連続性は「欠陥」とも呼ばれ、「鋳造品の物理的連続性の中断」と定義されます。したがって、鋳造品が完璧ではないが、それでも有用で許容範囲内である場合、欠陥は「不連続性」とみなされるべきです。 ^[2]

欠陥には多くの種類があり、さまざまな原因によって生じます。特定の欠陥に対する解決策の中には、別の種類の欠陥の原因となるものもあります。^[3]

砂型鋳造では以下の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うための標準的な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、ギザギザまたは直線状の外観になります。収縮欠陥は通常、鋳物のコープ部分またはドラッグ部分のいずれかで発生します。^{[4]収縮欠陥は、}開いた収縮欠陥と閉じた収縮欠陥の2つの異なるタイプに分けられます。開いた収縮欠陥は大気に開いているため、収縮空洞が形成されると、空気がそれを補います。開いた空気の欠陥には、パイプと陥没表面の2種類があります。パイプは鋳物の表面に形成され、鋳物に穴を掘りますが、陥没表面は鋳物の表面全体に形成される浅い空洞です。^[5]

閉鎖収縮欠陥は、収縮ポロシティとも呼ばれ、鋳造物内に形成される欠陥です。凝固した金属の内部に孤立した液体のプールが形成され、ホットスポットと呼ばれます。収縮欠陥は通常、ホットスポットの上部に形成されます。核生成点が必要なので、不純物や溶解ガスが閉鎖収縮欠陥を引き起こす可能性があります。欠陥はマクロポロシティとミクロポロシティ（またはミクロ収縮）に分類され、マクロポロシティは肉眼で確認できますが、ミクロポロシティは肉眼で確認できません。^{[5] [6]}

ガス多孔性とは、鋳物が冷却された後に内部に気泡が形成されることである。これは、ほとんどの液体材料は多量の溶解ガスを保持できるが、同じ材料の固体は保持できないため、冷却すると材料内にガスが泡を形成するために発生する。^[7]ガス多孔性は、鋳物の表面に多孔性として現れる場合もあれば、金属内部に閉じ込められる場合もあり、^[8]その付近の強度が低下する。ガス多孔性の場合、最もよく見られるガスは窒素、酸素、水素である。 ^[6]アルミニウム鋳物では、水素だけが大量に溶解するガスであり、水素ガス多孔性を引き起こす可能性がある。^[9]重量が数キログラムの鋳物の場合、気孔のサイズは通常 0.01 ～ 0.5 mm (0.0004 ～ 0.02 インチ) である。より大きな鋳物では、気孔の直径は最大 1 mm (0.04 インチ) になることがある。^[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解される場合があります。ガスの溶解度を最小限に抑えるには、過熱温度を低く保つことができます。液体金属を鋳型に注ぐときに乱流によってガスが導入される可能性があるため、乱流を最小限に抑えるために鋳型は多くの場合流線型になっています。その他の方法には、真空脱ガス、ガスフラッシング、または沈殿などがあります。沈殿では、ガスが他の元素と反応して化合物が形成され、ドロスが浮上します。たとえば、銅から酸素を取り除くにはリンを加えます。また、鋼にアルミニウムやシリコンを加えて酸素を取り除くことができます。 ^[7] 3番目の原因は、鋳型内の溶融金属とグリースやその他の残留物との反応です。

水素は金属と湿気や金型内の残留水分との反応によって生成されます。金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ます。^[12]

ガス多孔性と微小収縮性の区別が難しい場合があります。微小収縮性の空洞にもガスが含まれている可能性があるためです。一般に、鋳造が適切に昇温されなかった場合、または凝固範囲の広い材料が鋳造された場合に、微小多孔性が形成されます。これらのいずれにも当てはまらない場合、多孔性はガス形成によるものである可能性が最も高いです。^[13]

小さなガス泡は多孔性と呼ばれますが、大きなガス泡はブローホール^[14]またはブリスターと呼ばれます。このような欠陥は、溶解物に混入した空気、鋳物砂からの蒸気や煙、または溶解物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孔（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）。溶解準備や鋳型設計などの適切な鋳造慣行により、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皮膜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）による分析が必要になります。

鋳込み欠陥には、ミスラン、コールドシャット、介在物などがある。ミスランは、溶融金属が鋳型の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する。コールドシャットは、溶融金属の2つの前面が鋳型の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する。どちらも、溶融金属の流動性の欠如または断面が狭すぎることによって引き起こされる。流動性は、金属の化学組成を変えるか、鋳込み温度を上げることで高めることができる。別の考えられる原因は、不適切に通気された鋳型のキャビティからの背圧である。 ^[15]

ミスランとコールドシャットは密接に関連しており、どちらも材料が鋳型のキャビティを完全に満たす前に凝固する。これらのタイプの欠陥は、欠陥の周囲の領域が意図したよりも大幅に弱いため深刻である。^[16]材料の鋳造性と粘度は、これらの問題の重要な要因となる可能性がある。流動性は、鋳造可能な最小断面厚さ、薄肉部の最大長さ、鋳造可能な細部の細かさ、および鋳型の端部の充填精度に影響する。材料の流動性を測定する方法はさまざまであるが、通常は標準的な鋳型形状を使用し、材料が流れる距離を測定する。流動性は、材料の組成、凝固温度または範囲、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る。注湯温度が高いほど、流動性は高くなるが、過度の温度は有害であり、材料と鋳型との反応を引き起こす可能性がある。多孔質鋳型材料を使用する鋳造プロセスでは、材料が鋳型材料に浸透することもある。^[17]

材料が流動できない点はコヒーレンスポイントと呼ばれます。この点は、固体分率、固化粒子の構造、流体の局所せん断ひずみ速度に依存するため、金型設計では予測が困難です。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の金属汚染物質です。これらは通常、鋳込み金属内の不純物（一般的には酸化物、まれに窒化物、炭化物、または硫化物）、炉や取鍋のライニングから浸食された物質、または鋳型からの汚染物質です。アルミニウム合金の特定のケースでは、液体アルミニウム内の介在物を測定し、必要なレベルに保つための措置を講じて、介在物の濃度を制御することが重要です。

介在物の濃度を減らす方法はいくつかある。酸化物の形成を減らすために、金属をフラックスを使って、真空中または不活性雰囲気中で溶かすことができる。混合物に他の成分を加えてドロスを上に浮かせ、金属を鋳型に流し込む前にすくい取ることができる。これが現実的でない場合は、金属を下から注ぐ特別な取鍋を使用することができる。別の選択肢は、ゲートシステムにセラミックフィルターを設置することである。あるいは、流し込む液体金属を渦巻き状にして、軽い介在物を中央に追いやって鋳物に入らないようにする渦流ゲートを形成できる。^{[19] [20]}ドロスやスラグの一部が溶融金属に巻き込まれると、巻き込み欠陥となる。

このカテゴリには、ホットティアとホットスポットの2つの欠陥があります。ホットティアは、高温割れ^[21]は、鋳造品が冷えるときに発生する鋳造品の欠陥です。これは、金属が高温のときに弱くなり、材料の残留応力によって鋳造品が冷えるときに破損する可能性があるために発生します。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物の部分のことです。この部分で異常な収縮が発生し、多孔性や亀裂が生じる可能性があります。このタイプの欠陥は、適切な冷却方法や金属の化学組成の変更によって回避できます。^[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ようにし、鋳型の温度を上げないことが挙げられます。^[22]

ダイカストにおける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、金型の冷間、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発生します。その他の可能性のある欠陥としては、ガスポロシティ、収縮ポロシティ、熱間亀裂、フローマークなどがあります。フローマークは、不十分なゲート、鋭い角、または潤滑剤の過剰により鋳物の表面に残る跡です。^[23]

縦方向の面割れは、連続鋳造工程でのみ発生する特殊なタイプの欠陥です。この欠陥は、一次冷却と二次冷却の両方の不均一な冷却によって発生し、化学組成が規格外であること、材料の清浄度、均質性などの溶鋼の品質が含まれます。

砂型鋳造では、鋳型の欠陥によって多くの欠陥が発生する可能性があります。鋳型が失敗する原因は通常、間違った材料が使用されているか、不適切に押し込まれているかの2つです。^[24]

最初のタイプは鋳型の浸食で、これは液体金属が鋳型を満たすときに鋳型が摩耗するものです。このタイプの欠陥は通常、砂型鋳造でのみ発生します。これは、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。生産された鋳物には粗い部分と余分な材料があります。鋳型砂が鋳物金属に取り込まれ、鋳物の延性、疲労強度、破壊靭性が低下します。これは、強度が低すぎる砂や、鋳込み速度が速すぎることによって引き起こされる可能性があります。鋳込み速度は、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、滴下です。これは、鋳型砂の一部がまだ液体である間にコープから鋳物に滴下するものです。これは、鋳型が適切に押し込まれていない場合にも発生します。^[26]

2つ目の欠陥は、液体金属が鋳物砂に浸透することで発生する金属浸透です。これにより表面が粗くなります。これは、砂粒子が粗すぎる、塗型剤が不足している、または鋳込み温度が高すぎることなどが原因で発生します。^[26]鋳型への金属浸透のもう1つの形態である脈状現象は、砂の割れによって引き起こされます。

鋳込み温度が高すぎたり、融点の低い砂を使用したりすると、砂が鋳物に溶けてしまうことがあります。そうなると、鋳物の表面は脆くガラスのような外観になります。^[26]

漏れは、鋳型や鋳枠の欠陥により液体金属が鋳型から漏れ出すことで発生します。^[26]

かさぶたは、鋳造物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は鋳造面のくぼみです。ラットテールはバックルに似ていますが、細い線のくぼみであり、かさぶたとは関係ありません。同様の欠陥としては、プルダウンは砂型鋳造の鋳型に発生する座屈である。これらの欠陥はすべて目に見える性質のものであり、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、鋳込み温度が高すぎるか、炭素質材料が不足していることが原因です。^[26]

膨れは、鋳型壁が全面にわたって崩れたときに発生し、鋳型の締め付けが不適切であることが原因です。^[26]

焼き付きは、金属酸化物が珪砂中の不純物と相互作用することによって発生します。その結果、完成した鋳物の表面に砂粒子が埋め込まれます。この欠陥は、液体金属の温度を下げる、鋳型洗浄剤を使用する、砂混合物に添加剤を^[28]

• 水素ガス多孔性
• アルミニウム合金中の介在物
• 鋼中の介在物に対する非金属介在物
• 多孔性の封止

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