6 つの主要な鋳造方法: 総合比較 & 洞察

導入

鋳造, 人間が最も早く習得した金属熱間加工プロセスの 1 つとして, 約の歴史を誇ります 6,000 年.

中国は、 1700 BCと 1000 紀元前, 鋳造の職人技はかなり高度なレベルに達しています.

現代の製造の中核プロセスとして, 鋳造では、鍛造や機械加工では製造が難しい複雑な形状の金属部品の成形が可能になります。, 航空宇宙分野で広く応用されています, 自動車, 機械, 精密機器産業.

鋳造方法の選択は鋳造の品質に直接影響します, 生産効率, そして製造コスト.

1. 緑の砂鋳造 (従来の砂型鋳造)

コアの定義 & プロセス原理

緑 砂型鋳物 最も伝統的で世界中で広く使用されている鋳造法です.

その中核原料は鋳物砂です (主に珪砂; 珪砂では高温要件を満たせない場合は、ジルコン砂やコランダム砂などの特殊な砂が採用されます。) そして砂バインダー (粘土が最も一般的です; 乾性油, 水溶性ケイ酸塩, リン酸塩, 合成樹脂も代替オプションです).

外砂型は結合剤と強度形成機構により3種類に分類される: 緑色の粘土砂型, 乾燥粘土砂型, と化学結合砂型.

溶かした金属を砂型に流し込みます, 凝固して鋳物を形成する, 型は一度注入しただけで破損し、再利用できません。.

利点

• コスト効率の高い原材料: 粘土は資源が豊富で価格も安い; 以上 90% 使用済みの緑色粘土砂は、砂処理後にリサイクルして再利用できます。, 材料の無駄を減らす.
• プロセスの高い柔軟性: 短い金型製作サイクルと高効率; 混合鋳物砂は長寿命です; それは小さなものに適応します, 大きい, 単純, 複雑な鋳物, 単品でも, 小ロット, および量産シナリオ.
• 機器の敷居が低い: ハイエンドの専用機器は必要ありません, 中小規模の鋳造工場に適しています.

短所 & 制限事項

• 生産効率が低い: 各砂型は 1 回のみ使用でき、その後の鋳造では再成形する必要があります。, 連続生産効率の低下につながる.
• 寸法精度が悪い: 砂型の剛性が低い, その結果、鋳造寸法公差グレードは CT10 ～ CT13 になります。, 高精度の要求に応えられない.
• 高い欠陥リスク: 鋳物は砂洗いなどの典型的な欠陥が発生しやすい, 砂の混入, ガス気孔率, 砂型の緩い構造による収縮気孔.
• 表面品質が劣る: 鋳肌は比較的粗いです, 仕上げを改善するには追加の機械加工が必要.

2. インベストメント鋳造 (ロストワックス鋳造)

コアの定義 & プロセス原理

インベストメント鋳造, 一般にロストワックス鋳造として知られています, 洗練されたプロセスフローが特徴:

可融性材料を使用してワックスパターンを製作する, パターン表面に耐火材料の複数の層をコーティングしてセラミックシェルを形成します, ワックスパターンを溶かして除去し、分割面のない型を取得します。, 溶湯を注ぐ前に高温で焙煎を行います。.

幅広い合金に適用可能です, 炭素鋼を含む, 合金鋼, 耐熱合金, ステンレス鋼, 銅合金, アルミニウム合金, チタン合金, そして延性鉄, 特に鍛造や切削では加工が難しい材質に適しています。.

利点

• 優れた寸法精度: 鋳造公差 グレードは CT4 ～ CT6 に達します, 生砂鋳造よりもはるかに高い (CT10 -CT13) ダイカストに匹敵する (CT5～CT7), 鋳造後の機械加工を最小限に抑える.
• 高い材料利用率: 成形面および合わせ面の加工量を大幅に削減, 加工時間と切削工具の消費量を節約, 材料利用率を超える 90%.
• 強い形状適応性: 非常に複雑なコンポーネントをキャストできる, 薄肉部品 (最小肉厚 0.5mm), およびマイクロサイズの鋳物 (最小重量 1g);
  組み立て部品の一体鋳造にも対応, その後の組み立て工程を簡素化.
• 幅広い合金互換性: ほぼすべての金属材料に適しています, 高温合金を含む, マグネシウム合金, チタン合金, 他の方法では加工が難しい貴金属など.
• 柔軟な生産規模: 量産にも対応, 小ロット生産, 単体のカスタマイズも可能, 強力な拡張性を備えた.

短所 & 制限事項

• 複雑なプロセスの流れ: 鋳造法の中で最も複雑な工程を経る, ワックスパターン作成を伴う, シェルコーティング, 脱線, 焙煎, そして注ぐ, 厳密なプロセス管理が必要.
• 限定された鋳造サイズ: 大型鋳物には不向き; 従来のインベストメント鋳造の最大重量は通常 50kg 以内です。, 大きな殻はロースト中や注ぐ際に割れやすいため.
• 冷却速度が遅い: セラミックシェルは熱伝導率が低い, 溶融金属の凝固が遅くなる, 一部の合金では粗粒構造が発生する可能性があります.
• 製造コストが高い: ワックスパターンの費用, 耐火物, プロセス制御は比較的高度です; 機械加工の削減と材料の節約を組み合わせた場合にのみ経済的に実行可能です。.

3. ダイカスト

コアの定義 & プロセス原理

ダイカスト 精密金型のキャビティ内に溶融金属を高速で注入する高圧鋳造法です。 (10–50m/秒) 高圧下で (20–150MPa), 金属を圧力下で固めて鋳物を形成します.

2 つの基本的なプロセスがあります: ホットチャンバーダイキャスティング (溶融金属は自動的に圧力室に流れ込みます) コールドチャンバーダイカスト (溶融金属は手動または自動で圧力チャンバーに注入されます).

金型は高張力ダイス鋼製, 繰り返し使用できるようにする.

利点

• 優れた製品品質: 鋳物の寸法精度は6～7級に達します (偶数等級 4 精密製品用) 表面粗さRa5～8μm;
  圧力凝固により、生砂型鋳物よりも強度と硬度が25〜30％高くなります。, 伸びは約減少しますが 70%.
• 超高生産効率: 横型コールドチャンバー ダイカスト マシンは、1 回あたり 600 ～ 700 サイクルを完了できます。 8 時間,
  一方、小型ホットチャンバーダイカストマシンは 3,000 ～ 7,000 サイクルを達成できます。, 他の鋳造法をはるかに上回る.
• 金型の長寿命: 亜鉛合金ダイカストの金型は数十万回、さらには数百万回も耐久性があります。, 長期的な生産コストの削減.
• 簡単な自動化: 機械化・自動化との親和性が高いプロセスです, 人件費の削減と生産の安定性の向上.
• 優れた経済的メリット: 鋳造品には最小限の機械加工が必要か、まったく必要ありません, 金属利用の改善と加工設備への投資の削減;
  金属材料と非金属材料を組み合わせたダイカストにより、組み立て時間と原材料を節約します.

短所 & 制限事項

• ガス多孔性による高い欠陥リスク: 高速充填により溶湯の流れが不安定になる,
  ガスを捕捉しやすく内部気孔を形成する, そのため、鋳造品は熱処理を受けることができません。 (熱処理によりガス膨張や亀裂が発生する).
• 複雑な内部凹部への適応性が低い: 内部の凹状の複雑な構造の脱型が困難, 鋳造形状の設計を制限する.
• 高融点合金の金型寿命が短い: 銅合金、鉄金属などの高融点合金用, 金型は熱疲労や摩耗を起こしやすい, 耐用年数を大幅に短縮する.
• 小ロット生産には不向き: 金型製作費が高い, ダイカストマシンの効率が高いため、小ロット生産は経済的に不可能になります。.

4. 永久鋳型鋳造 (ハードモールド鋳造)

コアの定義 & プロセス原理

永久鋳型鋳造, ハードモールド鋳造とも呼ばれます, 溶かした金属を金型に流し込んで鋳物を作る作業です.

金型は鋳鉄または鋳鋼で作られており、数百〜数千回再利用できます。, したがって「永久型」という名前が付けられています。.

鋳物の内部空洞には金属中子または砂中子を使用できます, 金型構造は水平パーティングに分割されます。, 縦の見切り, さまざまな鋳造形状に適応する複合パーティング:

垂直分割によりゲートと型抜きが容易になります, 水平パーティングは薄肉ホイール形状パーツ用です, 複合パーツは複雑なコンポーネント用です.

利点

• 優れた金型の再利用性: 「1つの金型で複数の鋳造が可能」で何度も金型を作る必要がありません, 成形材料と時間を節約する, 生産効率の向上.
• 高いキャスト性能: 金型は強力な冷却能力を持っています, 砂型鋳造と比較して緻密な鋳造組織と優れた機械的特性を実現します。.
• 優れた寸法精度と表面品質: 鋳造公差等級は IT12 ～ IT14 に達します, 表面粗さRa≦6.3μm, 後処理の作業負荷を軽減する.
• 労働条件の改善: 砂をほとんどまたはまったく使用しません, 粉塵汚染を回避し、作業者の作業環境を最適化します。.

短所 & 制限事項

• 金型コストが高く、製造サイクルが長い: 高強度の素材と精密な加工が必要な金型,
  高額な先行投資と長いリードタイムが必要, 単品生産や小ロット生産には不向き.
• 適用可能な合金と鋳造サイズが限られている: 主に非鉄合金鋳物の量産に適しています。 (アルミピストン, シリンダーブロック, シリンダーヘッド, 銅合金ブッシュ, 等) 自動車用, 航空機, および内燃機関;
  鉄合金鋳物用, 単純な形状の中小型部品のみに適用可能.
• 厳格なプロセス要件: コールドシャットや金型の亀裂を避けるために、金型は予熱と温度制御が必要です; 長期間使用すると熱疲労が起こりやすい, 鋳造品質に影響を与える.

5. 低圧鋳造

コアの定義 & プロセス原理

低圧鋳造とは、溶融金属を低圧力下で鋳型に充填し凝固させる鋳造法です。 (0.02-0.06MPa).

コアプロセスには以下が含まれます: 断熱されたるつぼに溶融金属を注入する, るつぼを密閉する, ライザーチューブを金型に接続する, 乾燥した圧縮空気をるつぼに導入して、溶融金属をライザーチューブを通して上方に押し上げ、金型キャビティを充填します。,
一定の圧力下で金属を凝固させる, 圧力を解放して残留溶融金属をるつぼに戻す, そして最後に型を開けて鋳物を取り出します.

利点

• 柔軟なプロセス制御: 溶湯の上昇速度と凝固圧力を調整可能, さまざまな金型に適しています (金属型, 砂型) および合金, さまざまなサイズの鋳物も同様に.
• 安定した充填と低い不良率: ボトムアップ充填により、溶融金属が飛散することなくスムーズに流れます。, ガスの閉じ込めや金型の壁とコアの浸食を回避;
  ガス気孔やスラグ混入などの鋳造欠陥が大幅に減少します。, 資格取得率以上 95%.
• 高品質の鋳物: 加圧凝固により外側から内側への指向性凝固を実現, 緻密な鋳造組織が得られます,
  明確な輪郭, 滑らかな表面, 優れた機械的特性, 特に大型の薄肉部品に適しています.
• 高い材料利用率: 供給ライザーは不要です, 材料利用率は90～98%に達します, 金属廃棄物の削減.
• フレンドリーな労働環境: 低い労働強度, シンプルな設備, 機械化・自動化を容易に実現, 現代の生産要件に適合する.

短所 & 制限事項

• ライザーチューブの寿命が短い: ライザーチューブは高温の溶融金属と長時間直接接触します。, 酸化して摩耗しやすい, 定期的な交換が必要な.
• 溶融金属汚染のリスク: 保温中, 溶融金属は酸化しやすく、スラグと混合します。, 厳密な保温環境管理と溶湯の浄化が必要.
• 限られた適用範囲: 主に高品質のアルミニウム合金およびマグネシウム合金鋳物の鋳造に使用されます。, シリンダーブロックなど, シリンダーヘッド, クランクケース, および高速内燃エンジンのアルミニウムピストン; 高温要件があるため、鉄合金にはほとんど使用されません。.

6. 遠心鋳造

コアの定義 & プロセス原理

遠心鋳造では、回転する鋳型に溶融金属を流し込みます。, 金属が金型に充填され、遠心力によって固化する場所.

金型の回転軸の向きに応じて, それは3つのタイプに分けられます: 横型遠心鋳造 (軸が水平または <4°から水平, 長い円筒部品に適しています),

縦型遠心鋳造 (垂直軸, 短い円筒形または環状の部品に適しています), および傾斜軸遠心鋳造 (操作が複雑なためほとんど使用されない).

遠心力が溶融金属の方向性の動きを駆動します, 鋳造構造の最適化.

利点

• 簡略化された金型構造: 中空回転部品用, コアがありません, ゲーティングシステム, またはライザーが必要です, 金型設計の簡素化と製造コストの削減.
• 高品質の鋳物: 遠心力により低密度ガスとスラグを内面に分離します。,
  外側から内側への方向性凝固を促進します, 緻密な鋳造組織が得られます, 欠陥が少ない, 優れた機械的特性.
• バイメタル部品のコスト削減: ブッシュやベアリングなどのバイメタル部品を鋳造しやすい (例えば, 薄い銅の裏地が付いたスチールスリーブ), パフォーマンスを確保しながら高価な非鉄金属を節約.
• 強力な充填能力: 遠心力により溶湯の流動性が向上, 薄肉部品や流動性の悪い合金の鋳造に適しています.
• 材料廃棄物の削減: ゲートシステムとライザーを排除, 材料利用のさらなる向上.

短所 & 制限事項

• 内面の品質が悪い: 鋳物の内部自由表面は粗い, 寸法誤差が大きく、均一性が低い, 寸法要件を満たすために後続の機械加工が必要になる.
• 特定の合金には不向き: 密度偏析が激しい合金には適用不可 (例えば, 鉛青銅), 遠心力により偏析が悪化するため;
  また、密度が低く、遠心分離効果が低いため、アルミニウムおよびマグネシウム合金には適していません。.
• 限られた鋳物形状: 回転対称部品にのみ適しています (シリンダー, 指輪, 袖); 不規則な輪郭を持つ複雑な形状の部品を鋳造することはできません.
• 高度な設備要件: 安定した回転数制御が可能な専用の遠心鋳造機が必要, 設備投資の増加.

7. 一般的な鋳造方法の比較表

8. 結論

各鋳造方法には、特定の用途に適した独自の利点と制限があります。.

砂型鋳造は、依然として大規模な鋳造において最も用途が広く経済的な方法です。, 複雑な鋳物, 一方、インベストメント鋳造は高価値部品に優れた精度を提供します.

ダイカストは薄肉部品の大量生産に優れています, 永久鋳型鋳造により、中量の非鉄生産に安定した品質を提供します.

低圧鋳造は、高品質のアルミニウムおよびマグネシウム部品に最適です, 遠心鋳造は中空の対称部品には比類のないものです.

適切な鋳造方法の選択は、部品の形状などの要因によって決まります。, 要求される寸法精度, 表面仕上げ, 材料タイプ, 生産量, およびコストの考慮事項.

現代の製造では、これらの技術を組み合わせて、相互に補完的な利点を活用することが増えています。, 航空宇宙全体にわたる複雑なコンポーネント製造の革新を推進, 自動車, および産業部門.