ロストワックス鋳造法

1. 導入

失われたワックス (投資) 鋳造 セラミックシェルを介して正確な犠牲パターン（伝統的にワックス）を金属部品に変換します.

その核となる強みは、: 優れた表面仕上げ, 高次元精度, 複雑な形状と高性能合金を鋳造する能力.

プロセスのバリエーション (ワックスグレード, シェル化学とコアメソッド) エンジニアはコストと忠実性をトレードして、ステンレス鋼に適したルートを選択できます。, 銅合金, アイアン, そして、特別な注意を払って、チタンとニッケルの超合金.

2. ロストワックス鋳造法

典型的なシーケンス (ハイレベル):

1. パターン: ワックスを作る (またはキャスタブル樹脂) パターン(s) — 単体または木/束.
2. 組み立て: パターンをランナー/ゲートに取り付けてクラスターを形成します.
3. 投資する / シェルビルド: 結合剤スラリーへの浸漬アセンブリ + スタッコ; シェルをビルドするために繰り返します.
4. 治す / ドライ: コーティングの間にジェルと部分的に乾燥したシェル; 最終乾燥.
5. デュワックス: ワックスを取り除く (蒸気または溶け出す).
6. 燃え尽き症候群 / 発砲: 有機物を燃焼させて殻を安定させるためのランプ.
7. 注ぐ: 金属を溶かして予熱したシェルに流し込みます.
8. シェイクアウト & クリーニング: シェルを削除する, ゲートを切る, クリーン.
9. ポストプロセス: 熱処理, ヒップ (必要に応じて), 機械加工, 表面仕上げ, 検査.

3. 柄素材: 低い-, 中くらい-, および高温ワックス

注意事項 & ガイダンス

• パーツのサイズでワックスを選ぶ, 工具寿命と予想されるシェル/ビルドシーケンス. 低温ワックスは細部や少量の作業には最適ですが、長いサイクルや暖かい店舗エリアではクリープが発生します。.
  中温はエンジニアリング鋳造の主力製品です. 高温ワックス (およびエンジニアリングパターンポリマー) 取り扱いや長いシェルの構築により歪みの危険がある場合に使用されます。.
• パターン添加剤: 可塑剤, 安定剤, 流動性向上剤と着色剤は射出挙動に影響を与えます, 脱蝋残留物とバーンアウトガスの発生 - 鋳造工場が承認した配合を指定.

4. パターン制作: ツーリング, 射出ワックス, および追加パターン

• 射出成形: ワックス用のスチール/アルミニウムダイス - 高い表面品質を備えながら、大量のピースあたりのコストが低い. ツールのコスト規模は複雑さによって決まります.
• 3D プリントされたキャスタブルワックス/樹脂パターン: SLA, DLP, マテリアルジェッティングまたはキャスタブルワックスプリンターにより、プロトタイプや少量生産のための工具が不要になります.
  最新のキャスタブル樹脂はきれいに脱蝋し、射出ワックスの表面品質に近づきます。.
• パターンツリーイングとゲート設計: 効率的な注入と供給のために中央のスプルーにパターンを配置; シュリンクフィード用の犠牲ライザーを含む.
  大規模なクラスターのゲートとフィーディングのバランスにシミュレーションを使用する.

5. シェルシステム: シリカソル, 水ガラス, とハイブリッドシェル

シェル システムは、表面の忠実度を決定する唯一の最も重要な変数です。, 熱抵抗, 透過性/通気性, ロストワックス鋳造における真空適合性と合金適合性.

実用的な 3 つのファミリーが現代の店舗で使用されています:

• シリカソル (コロイドシリカ) 貝殻 — プレミアム, 忠実度の高いルート.
• 水ガラス (ケイ酸ナトリウム) 貝殻 — 経済的, 大型向けの堅牢なルート / 鉄鋼・鉄工品.
• ハイブリッドシェル — 罰金を組み合わせる, 耐薬品性インナーコート (シリカゾルまたはジルコン) コストとパフォーマンスのバランスをとるために水ガラスの外側コートを採用.

シリカゾルシェル (コロイドシリカ)

それは何ですか、そしてそれはどのように機能しますか

シリカゾルシェルは サブミクロンのシリカ粒子のコロイド懸濁液 バインダーとして.

最初のコート (とても細かい洗い上がり) コロイドを使用して超微細スタッコを運び、詳細を記録します; その後のコーティングは厚みを増し、乾燥と高温焼成によって強化されます。 (焼結) それは高密度を生み出す, 強い殻.

主な特徴:

• 表面の忠実性: 最も入手可能なもの — 鋳放し Ra が一般的 ～0.6～3μm 丁寧な洗いで.
• 熱安定性 / 発砲: シェルは次の場所で統合できます。 600–1,000°C (店舗の慣行は漆喰によって異なります). 高温焼成によりシェルの強度と耐熱衝撃性が向上.
• 真空/不活性互換性:素晴らしい — シリカゾルシェルは真空および不活性雰囲気での注入に適合しており、チタンの通常の選択肢です。, ニッケルおよびコバルト超合金.
• 透過性の制御: スタッコのグレーディングと焼成によって調整して、高価値の通気を制御できます。, タイトな鋳物.
• 汚染に対する感度:高い — コロイドの安定性はイオン汚染によって損なわれます (塩, 金属微粒子) そしてオーガニック; スラリーとプラントの清浄度は重要です.
• 典型的な初塗り漆喰: 10 µm 以下の溶融シリカ, 反応性界面にはジルコンまたはジルコニア.
• 典型的なユースケース: 航空宇宙用タービン部品, スーパーアロ, 真空注入チタン, 医療用インプラント, 精密小物部品.

水ガラスの貝殻 (ケイ酸ナトリウム)

それは何ですか、そしてそれはどのように機能しますか

水ガラスシェルは ナトリウム水溶液 (またはカリウム) ケイ酸塩溶液 バインダーとして.

CO₂ ガスまたは化学硬化剤によってゲルをシリカ様ネットワークにコーティングします (酸塩), 段階的耐火スタッコと組み合わせると、硬質セラミックシェルが生成されます。.

主な特徴:

• 表面の忠実性: 一般的なエンジニアリングに適しています。通常は鋳放し Ra です。 ～2.5～8μm ウォッシュとスタッコに応じて.
• 発砲: 通常は次で安定します ～400～700℃; シェルはシリカゾル系ほど焼結されません。.
• 真空適合性:限定 — 真空/不活性注入または最も反応性の高い合金には理想的ではありません.
• 透過性 / ベント: 一般的にスチール/アイアンに適しています; 透過性は最適化されたシリカゾルシェルよりも粗くなる傾向があります.
• 硬化方法:CO₂ ガス処理 (急速なゲル化) または酸硬化剤 - 速い, 作業現場の堅牢なセット.
• 汚染に対する感度: 中程度 - イオン汚染は硬化とゲルの均一性に影響しますが、一般に水ガラスの方がシリカゾルより耐性があります。.
• 典型的な初塗り漆喰: 微細な溶融シリカ; ジルコンは表面保護を改善するために使用できます.
• 典型的なユースケース: バルブ本体, ポンプハウジング, 大型のスチール/鉄部品, 船舶用ハードウェア, 一般工業用鋳物.

ハイブリッドシェル (シリカゾルまたはジルコンインナーコート + 水ガラス製アウターコート)

それは何ですか、そしてそれはどのように機能しますか

一般的な経済的妥協: ある プレミアムインナーコート (シリカゾルまたはジルコン/ジルコニア洗浄) 最初に適用されて細部を捉え、耐薬品性のバリアを作成します。, それから 水ガラス製アウターコート 低コストでバルク強度を提供するように構築されています.

主な特徴:

• 表面の忠実性 & 化学バリア: 内部のシリカゾル/ジルコンはシリカゾルに近い表面品質を与え、金属界面での金属シェル反応の防止に役立ちます。.
• 料金 & 取り扱い: 外側の水ガラスコ​​ートにより、シリカゾルの総使用量が削減され、シェルが取り扱いや大型サイズに対してより堅牢になります。.
• 真空適合性: 純水ガラスに対して改良 (インナーコートのおかげで) ただし、完全なシリカゾル シェルほど理想的ではありません。溶解/注入雰囲気が制御されている場合、多くのステンレス合金や一部のニッケル合金に役立ちます。.
• 代表的な用途: 高品質の接液面を備えたバルブボディ, ある程度の真空互換性が必要な中価格帯のタービン部品, コストとパフォーマンスのバランスをとる必要があるアプリケーション.

6. コア技術

• 可溶性コア (溶解するように作られたワックスまたはポリマーコア): 内部通路を作り出す (冷却チャネル); 熱水または溶剤で除去.
• バインダー焼成セラミックコア (シリカ, アルミナ, ジルコン): 超合金の高温でも安定; シェルとコアの互換性が必要.
• 3Dプリントコア: バインダージェットまたは SLA セラミックコアにより、工具なしで複雑な内部形状を実現.

コア向けの設計ではコアのサポートを考慮する必要がある, ベント, 熱膨張と溶融金属との化学的適合性.

7. 脱線, 燃え尽き症候群 & 砲弾の発射 — 実際のスケジュールと制御ポイント

脱線

• 蒸気/オートクレーブ脱蝋: 従来のワックスツリーに共通. 典型的な表面温度 100 ～ 120 °C; ワックスの量と木のサイズに応じて数分から数時間のサイクル.
• 熱脱蝋 / 溶剤が溶ける: 一部のポリマーに使用 - 溶媒の回収と制御を使用.

燃え尽き症候群 / 燃え尽き症候群のスケジュール (典型的なエンジニアリングの例)

• ランプ: 100 ～ 200 °C までゆっくり昇温して、水分やワックスの残留物を除去します (蒸気膨れを避けるために厚い殻の場合は 3 ～ 5 °C/分以下を推奨).
• 所有 1: 150–250°C (1–4時間) 低沸点有機物を追い出すため.
• ランプ 2: ~3 °C/min ～ 350 ～ 500 °C.
• ファイナルホールド: 4シェルシステムと合金に応じて、350 ～ 700 °C で –8 時間. シリカゾル シェルは、焼結/強度を高めるために 600 ～ 1000 °C で焼成される場合があります。; 水ガラスシェルは通常 400 ～ 700 °C で安定化されます.
• キーコントロール: ランプレート, 酸素の利用可能性 (反応性金属シェルの過度の酸化を避ける), 有機物を完全に除去して注入中のガス発生を回避します.

注ぐ前にシェルを予熱します: 熱衝撃を最小限に抑え、金属の流れを改善するために、合金に応じてシェルを 200 ～ 800 °C に予熱します。; 例えば, ステンレス注湯 通常 200 ～ 450 °C 予熱; 超合金はシェルに応じてより高い値を必要とします.

8. 注ぐ: 溶かす練習, 真空/不活性オプションと注入パラメータ

• 溶解炉: 誘導または抵抗; 清浄のための脱気/ろ過およびフラックス処理.
• 温度について (典型的な):

• • アルミニウム合金: 650–720℃
  • 銅合金: 1000–1200°C
  • スチール: 1450–1650℃
  • ニッケル超合金: 1400-1600℃以上 (合金に依存します)

• 真空および不活性注入: チタンおよび高反応性合金には必須; 真空により酸化と金属シェル反応が減少します.
• ファッション用: 重力注入 vs 底注ぎ取鍋 vs 真空補助 - 乱流と同伴ガスを最小限に抑えることを選択します. 包含制御のためのゲートでフィルターを使用する.

9. 一般的に鋳造される材料 & 特別な考慮事項

• ステンレス鋼 (300/400, デュプレックス): 水ガラスの両方に適しています & シリカソル; シェルの透過性と最終予熱を制御.
• 炭素 & 低合金鋼, 延性鉄: 水ガラスシェルによく適しています; 高注入エネルギーでのスケールとシェルの侵食に注意してください.
• 銅合金 (ブロンズ, 私たちと): 一般; 過熱を制御してシェルの洗浄を避ける.
• アルミニウム合金: 可能ですが、多くの場合、他の鋳造方法の方が安価です; 通気性/透過性を確保する.
• チタン & 合金よ: 反応性 — シリカゾルシェルを好む, ジルコン/アルミナのファーストコート, 真空が溶ける, および不活性雰囲気. バリアコートや専門の制御を使用しない限り、水ガラスの使用は避けてください。.
• ニッケル & コバルト超合金: シリカゾルシェルを使用する, 必要に応じて高温焼成および真空/不活性処理.

10. 典型的な寸法, 表面および公差の機能

• 寸法許容差 (典型的なキャストのまま): 公称寸法の±0.1～0.3% (例えば, ±0.1～0.3mm 100 MM機能).
• 表面仕上げ (Ra キャスト): シリカゾル ~0.6 ～ 3.2 µm; 水ガラス ~2.5 ～ 8 µm.
• 線収縮許容値: ～1.2～1.8% (合金 & 鋳物工場は正確に指定する).
• 実用的な最小肉厚: ジュエリー/マイクロパーツ: <0.5 mm; エンジニアリング部品: 1.0–1.5 mm（代表値）; 構造的に厚い部分が一般的.
• 再現性: 適切な鋳造慣行により、重要なデータでの実行ごとの歩留まりが ±0.05 ～ 0.15% になります。.

11. よくある欠陥, 根本的な原因と解決策

12. 鋳造後のプロセス

• シェイクアウト & セラミック除去: 機械的または化学的方法.
• 熱処理: 溶液処理, エージング (T6), 焼きなまし - 合金に依存. 典型的な溶液温度: Al 合金 ~520 ～ 540 °C; 鋼より高い.
• ホットアイソスタティックプレス (ヒップ): 疲労に敏感な部品の内部収縮気孔を削減します。; 一般的な HIP サイクルは合金によって異なります (例えば, 100–200 MPa および 450 ～ 900 °C).
• 機械加工 & 仕上げ: クリティカルボア, 公差に合わせて機械加工されたシール面; 研磨, 必要に応じて不動態化またはコーティングを適用.
• NDT & テスト: 静水圧, プレッシャー, リークテスト, X線・CT, 超音波, 染料浸透剤, 仕様ごとの機械的テスト.

13. プロセス制御, 検査 & 資格

• ショップの QC 指標: スラリー固体, 粘度, ジェルタイム, オーブンカーブ, 脱蝋丸太, バーンアウトランプチャート, 溶解化学物質とガス抜きログ.
• サンプルクーポン: 引張, 硬度 & 代表的な微細構造と機械的特性を得るためにゲートに鋳造された金属組織学クーポン.
• NDTサンプリング: 重要なコンポーネントの X 線撮影と CT スキャン; 気孔率の許容レベルを指定する (vol% または最大欠陥サイズ).
• 統計的プロセス管理 (SPC): 重要な入力に適用する (固形物を洗浄する, シェルの厚さ, 水素を溶かす) そして出力 (寸法変化, 気孔率の数).

14. 一般的な誤解 & 説明

「ロストワックス鋳造は高精度部品専用」

間違い. 水ガラスベースのロストワックス鋳造は中精度の部品にとってコスト効率が高い (±0.3–0.5 mm) - 40% 自動車用ロストワックス鋳造品の多くがこのバリアントを使用しています.

「低温ワックスは中温ワックスに劣る」

コンテキスト依存. 低温ワックスは安価で低精度の加工に適しています。, 大量の部品 (例えば, ハードウェア) — 中温ワックスは公差が厳しい場合にのみ必要です.

「シリカゾルは常に水ガラスより優れています」

間違い. 水ガラスは、中精度の用途では 50 ～ 70% 安く、高速です。シリカゾルは、±0.1 mm の公差を必要とする航空宇宙/医療部品にのみ正当化されます。.

「ロストワックス鋳造はスクラップ率が高い」

間違い. シリカゾルロストワックス鋳造のスクラップ率は 2 ～ 5% (ダイカストに匹敵する) — 水ガラスには 5 ～ 10% (砂型鋳造の 10 ～ 15% よりもまだ低い).

「3D プリントによりロストワックス鋳造は時代遅れになる」

間違い. AM は試作品/少量生産に最適です, ただし、中量から大量の場合はロストワックス鋳造の方が 5 ～ 10 倍安価です (>1,000 部品) より大きな部品も扱います (まで 500 kg).

15. 結論

ロストワックス鋳造プロセスは、依然として複雑な部品を製造するための主要な方法です。, 高忠実度の金属コンポーネント.

右をペアリングすると パターン素材, シェルの化学 そして メルト/雰囲気の練習 規律あるプロセス制御による, ロストワックス鋳造は、他の方法では困難または不可能な部品を確実に作成します.

最新の機能強化 (3D プリントパターン, ハイブリッドシェル, 真空注湯とHIP) プロセスを新しい合金や用途に拡張しますが、慎重な仕様の必要性も高まります, トライアルとQA.

 

よくある質問

チタンにはどのシェルシステムを選択すればよいですか?

シリカソル (ジルコン/アルミナファーストコート付き) + 真空/不活性溶解と注入. 水ガラスは一般に、広範なバリア対策がなければ不適切です.

ロストワックス鋳造でどこまで微細な形状を実現できるか?

特徴 <0.5 mm 可能です (ジュエリー/精密); エンジニアリング部品で目指すのは ≧1mm 試験によって証明されない限り、堅牢性については保証されません.

期待できる典型的な表面仕上げ?

シリカソル: ~0.6 ～ 3.2 μm Ra; 水ガラス: ~2.5 ～ 8 μm Ra. ワックス型の細かい洗浄と研磨により、仕上がりが向上します.

HIP が推奨されるのはどのような場合ですか?

疲労が深刻な場合, 圧力がかかる, 内部気孔率を最小限に抑える必要がある航空宇宙部品 - HIP は疲労寿命を劇的に改善します.

ワックスツールの代わりに 3D プリントされたパターンを使用できますか?

はい - キャスタブル樹脂 および印刷されたワックスにより、試作/少量生産のツーリング時間とコストが削減されます。. 樹脂の脱蝋特性とシェルの適合性が検証されていることを確認する.