金属鋳造はどのように行われるのか？

人類文明の長い歴史において、金属鋳造技術は疑いなく極めて重要な役割を果たしてきました。古代のシンプルな青銅器から現代産業の複雑で高度な機械部品に至るまで、金属鋳造は古くから存在するダイナミックな製造プロセスとして、人類の技術進歩の輝かしい歴史を目の当たりにしてきました。この技術は、私たちの生産方法に大きな影響を与えるだけでなく、人類社会の物質文化を大きく豊かにしてきました。では、金属鋳造はどのように機能するのでしょうか？今日は、 Longshengチームが皆さんを金属鋳造に関する知識の海へとご案内します。

金属鋳造とは何ですか？

金属鋳造とは、溶融金属を型に流し込んで立体的な金属部品を成形する製造工程である。型には所望の形状の空洞があり、溶融金属が冷却されて凝固し、部品が形成される。
「鋳造」という言葉は、鋳造プロセスによって作られた部品も指します。このプロセス自体は6000年前に遡ります。歴史的に、鋳造プロセスは、他の製造プロセスでは製造が困難または高コストとなるような、複雑で大型の部品を製造するために用いられてきました。

鋳造は、例えばCNC加工に比べてコスト効率が良く、工程も簡便なため、複雑な形状の製品を作る際の第一選択肢となっています。しかし、鋳造は納期が短く生産量も多いため、単純な形状の製品にも広く用いられています。今日では、鋳造製品の使用は非常に広範に及んでおり、どのような環境においても鋳造製品の使用を避けることはできません。鋳造金属製品の例としては、エンジンブロック、消火栓、電気モーター、工具、信号機、マンホール、パイプ、バルブ、各種継手などが挙げられます。

金属鋳造のメリットとデメリットは何ですか？

長い歴史を持つ金属成形プロセスである鋳造は、現代の製造業において重要な役割を果たしています。複雑な形状と精密な寸法を持つ金属部品を製造できるだけでなく、材料利用率が高く、コスト効率にも優れています。しかし、鋳造には固有の課題や限界も存在します。

金属鋳造の利点

1. 金属鋳造プロセスは、箱やシリンダーブロックなど、複雑な形状、特に複雑な内部空洞を持つワークピースを製造することができる。
2. 幅広い適応能力。
3. 金属鋳造プロセスでは、低コストの鉄鋼スクラップ、粉砕残渣などを利用でき、鋳造設備も比較的低コストである。
4. 金属鋳造品の場合、サイズや重量にはほとんど制限がない。
5. 鋳造品の形状とサイズは、加工対象物と非常に近い。そのため、金属鋳造プロセスは、その後の機械加工の量を減らし、金属材料を節約する。

金属鋳造の欠点

1. 比較的複雑な製造工程が必要となるため、鋳造工程を完全に制御することはより困難になる。
2. 鋳造品は鋳造欠陥が生じやすい。
3. 寸法の一貫性と精度が比較的低い。
4. 同サイズ・同形状の鍛造品と比較すると、鋳造品は本来の品質が劣り、耐荷重能力も鍛造品より低い。
5. 高温、粉塵、高負荷といった劣悪な労働環境。

金属鋳造はどのように行われるのか？

金属鋳造プロセスとは、金属を一定の要件を満たす液体に溶融し、それを鋳型に流し込むプロセスです。冷却、凝固、洗浄の後、所定の形状、サイズ、性能を持つ鋳造品が得られます。以下に、金属鋳造プロセスの詳細な説明を示します。

1. 型作り：金属鋳造工程の最初の段階では、多くの場合、型（パターン）を作成します。型とは、後続の金型製作に使用される最終部品の正確な複製です。鋳造のニーズに応じて、木材やプラスチックなどの耐久性のある素材から、使い捨てのワックス素材まで、さまざまな素材の型が用意されています。
2. コア設計：中空構造を持つ部品を鋳造する場合、コアの設計は非常に重要です。コアとは、鋳型内部に配置される固体材料で、鋳造品の内部形状を規定するものです。例えば、管状の物体を鋳造する場合、円筒形のコアをより大きな円筒形の鋳型内に配置することで、鋳造品内部に適切な中空構造が形成されるようにします。
3. 金型製作：金型の製作方法は、鋳造工程によって異なります。永久金属金型はCNCマシンを用いて精密加工されますが、砂型は砂の混合物をモデルの表面に層状に塗布して作られます。金型製作は、設計から成形までの全工程を網羅する専門的な技術です。
4. 金型充填：金属を溶融状態に加熱し、重力または圧力によって金型キャビティに注入します。重力鋳造では、溶融金属が自然に金型内に流れ込みます。高圧ダイカストでは、金属が高圧で金型内に押し込まれるため、金型の完全性と安全性を確保するために高い型締め力が必要となります。
5. 部品の取り出し：鋳造品が冷却・凝固したら、型から取り出すことができます。砂型鋳造の場合、通常は鋳型を破壊して鋳造品を取り出す必要がありますが、永久鋳型を使用する鋳造プロセスでは、鋳型の2つの部分を分離して再利用することができます。
6. 後処理：鋳造金属部品を使用する前に、部品の品質と性能を確保するために、洗浄（金型残留物の除去など）やその他の必要な後処理工程が必要になる場合があります。

金属鋳造にはどのような種類がありますか？

1.砂型鋳造

砂型鋳造は、鉄系金属合金であろうと非鉄金属合金であろうと、あらゆる金属合金の鋳造に使用できる汎用性の高い鋳造プロセスです。自動車用金属鋳造部品（エンジンブロック、シリンダーヘッド、クランクシャフトなど）をはじめとする産業分野での大量生産に広く用いられています。

この製法では、天然結合砂や合成砂などのシリコン系材料で作られた型を用いて、滑らかな型表面を形成します。型表面は上型（上部）と下型（下部）の2つの部分から構成されています。注ぎ口から溶融金属を型に注ぎ込み、そこで金属が固化して最終形状を形成します。最後に、余分な金属をトリミングして、鋳造された最終製品が完成します。

2. キャスティング

砂型鋳造では融点の高い合金を溶かすことができますが、ダイカストでは融点の低い金属を成形できます。固体から高温の​​溶融液に変化させた材料を、硬化鋼製の長寿命ダイカスト金型に射出します。これらの金型は、キャビティ、コア、そして場合によってはインサートで構成されています。プラスチック射出成形とは異なり、鋳造後に側面を機械加工する方が、側面加工を行うよりも容易な場合があります。ダイカストの歴史は19世紀に遡ります。

製造業界に登場して以来、2種類のプログラムが開発されてきました。1つ目はホットチャンバー方式で、機械内部に内蔵された炉で材料を溶融します。2つ目はコールドチャンバー方式で、別の炉で材料を溶融し、溶融した材料を射出チャンバーに送り込みます。ダイカストは、航空宇宙部品や自動車部品、玩具、家具、電子機器などの大量生産に活用できます。ダイカストはLongshengのコアサービスとして提供され、即時見積もりエンジンで見積もりを作成できます。

3.インベストメント鋳造

ロストワックス鋳造とも呼ばれるインベストメント鋳造は、使い捨てのワックス型にセラミック材料をコーティングし、それを固めて鋳造品の形状にする鋳造方法です。この鋳造プロセスの最初のステップは、通常ワックスまたはプラスチックで作られたワックス型を作成することです。このプロセスでは精密な測定が必要となるため、試行錯誤を繰り返す必要があり、インベストメント鋳造は高価な製造プロセスとなります。ワックスを型に流し込み、慎重に取り除いた後、接着剤または耐火材料でコーティングして厚いシェルを形成します。さらに、複数のモデルをメインゲートに組み立てます。シェルが固まったら、モデルをひっくり返してオーブンで加熱し、ワックスを取り除きます。溶融金属を残ったシェルに流し込み、ワックス型の形状に固めます。最後に、耐火シェルを割って完成した鋳造品を取り出します。この鋳造プロセスは、発電、自動車、航空宇宙部品の製造によく用いられます。

4.遠心鋳造

遠心鋳造（スピン鋳造とも呼ばれる）は、遠心力を利用して円筒形の部品を工業的に製造するプロセスです。このタイプの金属鋳造では、予熱された回転鋳型に溶融金属を流し込みます。遠心力によって、鋳型内の溶融金属が高圧下で均一に分散されます。
遠心鋳造には、真遠心鋳造、半遠心鋳造、垂直遠心鋳造の3種類があります。半遠心鋳造は、ゲートを使用して鋳型を完全に満たす点で真遠心鋳造とは異なります。一方、真遠心鋳造では、連続回転により溶融金属が鋳型の側面に付着します。対照的に、垂直遠心鋳造は、その名の通り、真遠心鋳造と同じプロセスに従い、方向性のある成形を行います。
一般的に、遠心鋳造では円筒形に似た回転形状の部品が製造されます。特に、ベアリング、クラッチプレート、ピストンリング、シリンダーライナーなどの部品に適しています。また、鋳型の中心に金属を流し込むことで、気孔、収縮、気泡などの欠陥を低減できます。ただし、すべての種類の金属合金に適用できるわけではありません。

5.連続鋳造

連続鋳造は、高度な鋳造方法です。その原理は、溶融金属を結晶化装置と呼ばれる特殊な金属型に連続的に注ぎ込むことです。凝固した（固まった）鋳物は、結晶化装置の反対側から連続的に注ぎ出され、片方の端から引き抜かれることで、任意の長さ、または特定の長さの鋳物が得られます。

6.ロストフォーム鋳造

ロストフォーム鋳造は、ワックスの代わりに発泡体を用いる点を除けば、精密鋳造とよく似ています。型が完成したら、浸漬、塗布、スプレー、またはブラシ塗りによって耐火セラミックでコーティングします。その後、溶融金属を型に流し込み、目的の製品を成形します。