1. 導入
インベストメント鋳造, しばしばとして知られています 紛失したワックスキャスティング または 精密鋳造, 複雑な金属部品を並外れた精度で届けます.
使い捨てのワックスパターンと耐火性セラミックシェルを採用することにより, このプロセスは、ステンレス鋼からスーパーアロに至るまでの材料の複雑な幾何学と厳しい許容範囲を再現します.
歴史的に, メソポタミアと中国の職人は、失われたワックス技術の初期の形態を使用しました 5,000 数年前;
ロバートBが20世紀初頭に現代の産業用途が登場しました. W. テイラーはワックスパターンメソッドを特許しました 1907.
今日, 投資キャスティングは、重要な産業、つまり航空宇宙を支えています, 医療機器, エネルギー - デザインの自由と再現性のある精度を組み合わせているからです.
2. 投資キャスティングとは何ですか?
投資キャスティングは、精密なワックスのパターンとセラミックシェル金型を組み合わせた.
初め, 技術者は溶融ワックスを金属ダイに注入します, 最終部分を複製するパターンを作成します. 次, 彼らは、複数のワックスパターンを中央のスプルーに取り付けます, 「ツリー」を形成します。
それから, 彼らはこのアセンブリをセラミックスラリーと細かい砂の交互の層に浸します. セラミック層が硬化した後, オペレーターはワックスを溶かします (「デワックス」), 硬いシェルを残します.
ついに, 彼らは溶融金属を空洞に注ぎます, 固化させてください, シェルを壊して、ネット系シェイプコンポーネントに近いことを明らかにします.
2つのバインダーシステムが業界を支配しています:
- ウォーターグラス (ケイ酸ナトリウム) プロセス: エンジニアは、この経済的ルートを大規模なバッチに好みます.
ウォーターガラスバインダーの費用は約USDです 2.50 キログラムあたり, 大量の自動車部品に最適です. - シリカソルプロセス: メーカーは、より細かいセラミック穀物が必要なときにシリカソルを選択します, 優れた表面仕上げ, そして薄いシェル.
しかし, シリカソルは約USDです 6.50 キログラムあたり, 約2.6×ウォーターグラスの費用.
3. インベストメント鋳造プロセス
投資キャスティングプロセスは、一連の厳密に制御されたステップを通じて、単純なワックスモデルを高精度の金属コンポーネントに変換します.
合計サイクル時間は異なりますが、ほんの少しです 24 標準的なシリカソルシステムのために、ウォーターグラスシェルを約7日間に急速に7日間にする時間 - この方法では、優れた表面仕上げのネット近くの部品を一貫して生成します.
ワックスパターン製造
最初は, 技術者は、排気されたワックスを注入します (通常、パラフィンとマイクロ結晶添加剤のブレンド) 精密鋼のダイに.
彼らは間にワックス温度を維持します 60 °Cおよび 80 °Cおよび2〜4 MPaの圧力を適用します. 各噴射サイクルは、約10〜30秒で完了します.
排出後, オペレーターは、欠陥のパターンを視覚的に検査します, 臨界寸法で±0.1 mm以上を逸脱するものを拒否する.
パターンアセンブリとセラミックシェルビルディング
次, ワーカーは個々のワックスパターンをセントラルスプルーに「ツリーアップ」します, までのアセンブリを作成します 50 部品.
次に、木を交互に耐衝撃性のスラリーに交互に浸し、細かいシリカの砂に交互に浸してセラミック型を構築します.
ファウンドリーは通常、6〜8個のスラリーとスタッコサイクルを適用して、6〜10 mmのシェル厚を達成します.
ウォーターガラスバインダー付き, このシェルビルドには約24〜72時間かかります; 高温シリカソルシステムが必要になる場合があります 7 完全に治療する日.
脱線と燃え尽き症候群
その後, ファウンドリは、周りのオートクレーブまたはスチームオートクレーブで溶融ワックスを削除します 150 ℃, 多くの場合、一晩浸漬として完全なワックスの避難を確保する.
その後、温度を1〜2°C/minまで600〜900°Cまで上昇させ、4〜6時間保持して残留有機物を分解します, シェルの割れを防ぎ、きれいな空洞を確保します.
金属の注ぎとシェルの除去
燃え尽きた後, 技術者は、セラミックシェルを760〜870°Cに予熱します.
1,500〜1,550°Cのステンレス鋼など、溶融合金を注ぎます。, 遠心, または乱流を最小限に抑えるための真空アシストの方法.
金属が固まると, 労働者は振動または高圧ウォータージェットを介してセラミックシェルを壊します, 通常、95〜98％の使用可能な鋳物をもたらします.
熱処理と最終機械加工
ついに, 鋳物は、溶液アニーリングなど、熱処理を受けます 1,050 °Cまたは年齢硬化 700 °C-微細構造を改良し、応力を緩和するために.
その後、機械工はCNCミリングを行います, 放電加工, または研削, ±0.05 mmのタイトな許容範囲を達成し、表面がRAに終了します 0.8 μm.
ワックスの温度やスラリーの粘度から燃え尽きプロファイルや注入速度まで、各変数を積極的に制御することにより,
投資キャスティングは一貫して複雑になります, スクラップが最小限で、マシン後の要件が低下した高性能部品.
インベストメント鋳造プロセス 完全なビデオ https://www.youtube.com/watch?v=NugdCiQ0uU8
4. 投資キャストとなる資料?
投資キャスティングは、すべての鋳造プロセスの中で最も広い範囲の合金に対応します,
エンジニアが強度のバランスをとることで、要求の厳しいアプリケーションのために部品を調整できるようにする, 温度抵抗, 腐食性能と, 必要に応じて, 生体適合性.
鉄合金
- ステンレス鋼 (300, 400 & pHシリーズ): 一般的なグレードにはCF ‑ 8が含まれます (AISI 304), 316Lおよび17‑4 pH.
彼らは引張強度を提供します 600 に 1,300 MPAと間の降伏強度 500 そして 1,100 MPa, 過酷な環境での耐性成分に理想的にします. - 炭素 & 低合金鋼: などの成績 4140 そして 4340 低コストでタフネスと疲労抵抗を提供します, 通常、引張強度があります 700 に 1,200 MPa.
ニッケルベースの超合金
高温強度とクリープ抵抗が重要な場合, ファウンドリはインコールに変わります 718 そして 625.
例えば, 沈殿型インコール 718 回帰強度を最大で提供します 1,035 近くのMPAおよび究極の引張強度 1,240 室温でのMPA, 上記の大きな強さを保持しながら 650 ℃.
コバルトクローム合金
COCRMOブレンドは、例外的な耐摩耗性と生体適合性を組み合わせています, 医療用インプラントとガスタービン成分の主食を作る.
これらの合金は通常、1,000〜1,350 MPaの究極の引張強度を示し、700〜1,000 MPaの降伏強度を示します.
チタン 合金
TI -6AL -4V (学年 5) 航空宇宙と生物医学の部分で際立っています.
間に究極の引張強度を提供します 862 そして 1,200 MPa, からの降伏強度 786 に 910 MPa, そして周りの密度 4.43 g/cm3, 優れた強度と重量の比率を提供します.
アルミニウム 合金
A356などの合金 (al -si -mg) 航空宇宙の軽量コンポーネントで人気を博しています, 自動車, そしてエレクトロニクス.
それらは通常、約250〜350 MPaの引張強度と固有の腐食抵抗を提供します.
銅ベースの合金
ブロンズと 真鍮 バリアントは、耐摩耗性と装飾的な用途を提供します, 一般に350〜600 MPaに及ぶ引張強度, 特定の構成に応じて.
さらに, ファウンドリーはガラスおよびセラミックコアシステムに拡大して、高度な複合材料と次世代材料を生産しています.
シェル化学を調整します, バーンアウトプロファイル, そして注ぐ温度, 彼らは各素材の独自の要件に対応します.
選択基準
投資鋳造用の合金を選択するとき, エンジニアは焦点を合わせます:
- 機械的性能: 必要な引張強度と降伏強度, 硬度と疲労の寿命
- 熱安定性: 動作温度範囲, クリープ抵抗と熱伝導率
- 耐食性: 化学環境, 孔食とストレス腐食感受性
- 生体適合性: 細胞毒性, インプラントのイオン放出と不動態化挙動
5. キャスト用のデザイン (DFC)
キャストに効果的なデザイン (DFC) より高い収量に直接変換します, 低コスト, より速いターンアラウンド.
次のガイドラインを適用します, エンジニアは通常、スクラップレートを20〜30％削減し、マシン後の時間を減らす 40%.
均一な壁の厚さを維持します
- おすすめ: 2–ほとんどの合金で10 mm (変動±0.5 mm)
- 根拠: 均一なセクションがより均等に冷却されます, ホットスポットを防ぎ、多孔性のリスクを減らす. その結果, 内部欠陥が少なくなり、寸法制御が狭くなることがあります.
適切なドラフト角度を組み込みます
- おすすめ: 0.5垂直面で°〜2°サイドあたり
- 根拠: 小さなテーパーでさえ、セラミックシェルの除去を緩和し、シェルの損傷を最小限に抑えます. 結果として, あなたの収穫量が増加し、やり直しが減少します.
寛大な切り身と半径を使用してください
- おすすめ: フィレット半径≥壁の厚さまたは≥ 1 mm, どちらか大きい方
- 根拠: 丸い遷移は金属の流れを改善します, ストレス濃度が低くなり、セラミック層が均一に付着します. 順番に, より一貫した微細構造とより高い疲労強度を達成します.
アンダーカットや内部空洞を避けてください
- 戦略: 可能な限り, アンダーカットをスルーホールまたは分割機能として再設計します; コアの使用を最小限に抑えます.
- 利点: ジオメトリを簡素化すると、ツールの複雑さが削減されます, リードタイムを短縮し、パートごとのコストをトリムまでに短縮します 15%.
ゲーティングとライザーの場所を最適化します
- ベストプラクティス: 最も重いセクションに門を置き、リスクの高いホットスポットの上にライザーを置きます.
- 結果: 制御された金属の流れと固化は、収縮気孔率を低下させます, 5〜10％の典型的なスクラップ削減をもたらす.
フィニッシュマシニング手当の計画
- 手当: 重要な表面に0.5〜1.5 mmのストックを追加します
- 推論: CNCまたは研削のための十分な材料を確保することで、許容範囲を満たすことが保証されます (多くの場合±0.05 mm) 小型の鋳物を追いかけることなく.
対称性とモジュラー設計を活用します
- 技術: ミラーイメージの特徴または複雑な部品をよりシンプルなサブアセンブリに分割します
- アドバンテージ: 一意のパターンとシェルの少ないツールコストを10〜20％削減する, 複数の部品にわたってプロセスを標準化します.
6. 投資キャスティングプロセスの利点
投資キャスティングは、精度の強力な組み合わせを提供します, 柔軟性と効率. 主な利点は次のとおりです。:
- 例外的な寸法精度
厳しい許容範囲を達成します (多くの場合、±0.1 mm以内) 非常に複雑な幾何学について, そのため、部品は金型から直接仕様を満たしています. - 優れた表面仕上げ
滑らかなアスキャスト表面を生成します (RA 1.2-3.2 µm), これにより、大規模な研磨または機械加工の必要性が低下します. - 幅広い物質的汎用性
ステンレス鋼やニッケルベースのスーパーアロイからチタンやアルミニウムまで、すべてを投げかける, 各アプリケーションに理想的な合金を選ぶことができます. - 複雑なジオメトリ機能
カビのアンダーカット, 薄い壁と1回の注ぎの内部通路, これにより、アセンブリステップとファスナー要件が排除されます. - モノリシック, シームレスな部分
ラインまたは溶接継ぎ目を分割せずにシングルピースコンポーネントを作成します, これにより、構造の完全性が向上し、仕上げ操作が簡素化されます. - 任意のボリュームのスケーラビリティ
小さなプロトタイプの実行と大量生産の両方に簡単に適応する, ユニット経済学とのバランスツールコスト. - ニアネットシェイプ効率
最終的な寸法に非常に近い部品を生成することにより、スクラップと材料の使用を最小限に抑える, 廃棄物と機械加工時間を削減します. - デザインの自由
鋭い角を組み込みます, 余分な収縮手当のない右角の機能と複雑な詳細, CADからキャストパーツへのパスを合理化します. - 環境とコストの利点
減算的な方法と比較して、エネルギー消費と生の材料廃棄物を減らす, 生産コストと環境への影響の両方を削減するのに役立ちます.
7. 投資キャスティングの制限
投資キャスティングには大きな利点があります, また、適切な生産方法を選択する際にエンジニアとメーカーが考慮しなければならない特定の制限が付属しています:
- より高い初期ツールコスト
精密ワックスインジェクションダイとセラミックシェルシステムの作成には、かなりの前払い投資が必要です, 設計の複雑さがそれを正当化しない限り、低容量やプロトタイプの生産の経済性を低下させる. - より長いリードタイム
ワックスパターンの作成からシェルビルディングまでのマルチステッププロセス, 燃え尽き症候群, 鋳造, そして仕上げ - 数日から数週間かかることがあります.
この延長されたサイクル時間は、迅速なターンアラウンドを必要とするプロジェクトの適合性を制限します. - サイズの制約
投資キャスティングは、小規模から中規模のコンポーネントに最適です. までの部品があります 100 KGを作成できます, サイズが大きくなるにつれて、寸法精度とシェルの完全性は維持が難しくなります. - 限られた壁の厚さ
非常に薄い壁 (通常は以下の 1.5 mm) 一貫してキャストするのは困難です, 特に大きな部分の場合, 急速な冷却とシェルの破損のリスクのため. - 反応合金による材料制限
純粋なチタンのような特定の反応金属, 特殊な環境が必要です (例えば, 真空鋳造) 汚染を避けるため, 複雑さとコストを追加します. - 大量には理想的ではありません, 低複合部品
非常に大量に生成される単純なジオメトリ用, ダイキャスティングや砂の鋳造などのプロセスは、パートあたりのパフォーマンスが優れていることが多いことがよくあります. - ハンドリング中のシェルの脆弱性
セラミックシェルは、発射する前に壊れやすいです. 乾燥段階や脱線中に誤って亀裂を引き起こす可能性があります, 鋳造欠陥またはスクラップにつながります.
8. インベストメント鋳造の用途
投資キャスティングは、複雑な生産能力により、高性能産業全体で広く採用されています, さまざまな材料の高精度コンポーネント.
その汎用性により、次元の精度があるセクターで特に価値があります, マテリアルパフォーマンス, 表面仕上げが重要です.
航空宇宙
- タービンブレード: 複雑な空力プロファイルと内部冷却チャネルは、高温やストレスに耐えるために投げかけられています.
- 燃料ノズル & 燃焼成分: 精密鋳造は、緊密な許容範囲と耐熱性を保証します.
- 構造ハウジング: 軽量, 強い, 腐食耐性合金 (例えば, チタンとインコール) 一般的に使用されます.
自動車
- ターボチャージャーホイール: 投資キャスティングは、高RPM操作に必要な複雑な羽根と耐久性のある材料を生産します.
- 排気マニホールド: 極端なサーマルサイクリングと腐食性ガスを処理できます.
- ギアコンポーネント: 精密鋳造は、二次機械加工の必要性を減らします.
医学
- 整形外科用インプラント: チタンやコバルトクロームなどの生体適合性合金は股関節に投げ込まれます, 膝コンポーネント, および歯科枠組み.
- 手術器具: 滑らかな仕上げを備えた複雑な形状は、衛生をサポートします, 機能性, および人間工学に基づいたデザイン.
エネルギー, 油 & ガス
- バルブボディ & ポンプインピーラー: 腐食- 耐摩耗性の鋳物は高圧を処理します, 高温環境.
- 掘削機器コンポーネント: 高強度合金は、極端な機械的負荷の下で耐久性を確保します.
新興セクター
- ロボット工学: 軽量, 正確なコンポーネントは、アセンブリの複雑さを減らし、動きの効率を向上させるために鋳造されます.
- 再生可能エネルギー: 風力タービンコンポーネント, 油圧制御部品, ソーラーマウントは耐食性と構造的精度の恩恵を受けます.
- 家電: プレミアムデバイスの住宅コンポーネントと小さな機械部品は、設計と機能の統合のためにアルミニウムとステンレス鋼の鋳物を利用しています.
9. 投資キャスティングをいつ選ぶか
いつ投資キャスティングを選択する必要があります:
- 複雑な形状が必要です: 内部パッセージ, 薄い壁, または複雑な機能.
- 緊密な許容範囲が必要です: ±0.1 mm以内の部分精度.
- ボリュームはスケールに適合します: 通常 50 に 100,000 ユニットは、ツール投資を正当化します.
- 材料の要求は高く走ります: 合金は、正確な制御と細かい穀物構造を必要とします.
10. 革新 & 今後の動向
業界 4.0 そして、デジタル化は投資キャスティングを再構築しています:
- ハイブリッドワークフロー: 現在、プロデューサーは3Dプリントワックスまたはポリマーパターンになっています, 低容量の走行で鋼のダイを排除します.
- IoT対応監視: スマートセンサーはシェルの温度と湿度を追跡します, プロセスパラメーターをリアルタイムで最適化するAIモデルの供給.
- Next -Gen材料: 研究者は、耐火物と金属マトリックスの複合材料を探索します, 温度制限を超えて押し込みます 1,000 ℃.
- 自動シェルハンドリング: ロボット工学は肉体労働を減らし、安全性を向上させます, デジタル双子は、鋳造サイクル全体をシミュレートして、それらが発生する前に欠陥を予測する.
11. 結論
投資キャスティングは、アートとハイテクの交差点にあります.
複雑な生産能力, 緊密な許容範囲を持つ高性能部品は、航空宇宙で不可欠です, 医学, 自動車, およびエネルギー産業.
デジタルツールとして, 積層造形, 高度な材料が収束します, 投資キャスティングは進化し続けます。イノベーションを燃やし、将来の精密な製造を促進する.
で これ, 設計プロセスの早い段階であなたのプロジェクトについて話し合うために、合金が選択されていないか、キャスティング後の治療が適用されることを確認してください, 結果は、機械的およびパフォーマンスの仕様を満たします.
あなたの要件を議論するため, メール [email protected].
よくある質問 (よくある質問)
1. 投資キャスティングは何に使用されていますか?
投資キャスティングは、優れた寸法精度と表面仕上げの複雑な金属部品を生産するために使用されます.
一般的に航空宇宙に適用されます, 自動車, 医学, エネルギー, および産業機械産業.
2. 投資キャスティングはどれほど正確ですか?
投資キャスティングは、小さな機能で±0.1 mmのようにタイトな寸法許容範囲を達成できます. 適切な設計とプロセス制御を備えています, 最小限の後処理が必要です.
3. 投資キャスティングで使用できる資料?
広範囲の鉄と非鉄合金を鋳造できます, ステンレス鋼を含む, 炭素鋼, アルミニウム, チタン, コバルトクロム, ニッケルベースの超合金.
4. 投資キャスティングは費用対効果が高いです?
ツールコストは他の鋳造方法よりも高くなりますが, 投資キャスティングは、複雑な部品にとって費用対効果が高くなります, 高性能合金, そして、最小限の機械加工が必要な場合.
5. 投資キャスティングにおけるシリカソルとウォーターグラスの違いは何ですか?
シリカソルキャスティングは、より高い精度とより良い表面仕上げを提供します, 重要な航空宇宙または医療部品に適しています.
ウォーターグラス鋳造はより経済的であり、通常、緩やかな許容範囲を備えた産業用途に使用されます.
6. 投資キャスティングは、機械加工または溶接に代わることができます?
はい. 投資キャスティングは、多くの場合、ネットシェープ近くのコンポーネントを単一として生成することにより、機械加工または溶接の必要性を排除することがよくあります, モノリシックな部分 - 強度を改善し、アセンブリ時間を短縮します.
7. 投資キャスティングの規模の制限は何ですか?
ほとんどの投資キャスティングは、数グラムからまで及びます 100 kg, 小さな部品は、プロセスが提供する精度と詳細から最も恩恵を受けますが.
