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モノマド辞典:鋳造加工

鋳造加工とは

鋳造加工とは、高温でドロドロに溶かした金属を型に流した込み、冷やし固めて目的の形状を作る加工方法を言います。

弥生時代に出現する青銅鏡や青銅刀などは鋳造によって作られています。鋳造は太古より用いられてきた加工方法と言えます。

この記事では、鋳造について解説を致します。

鋳造で作られているもの

街を歩くと目に入って来る色々な物に鋳造技術が使われています。

例えば、丸型郵便ポスト、マンホールの蓋、お寺の鐘楼や上野公園の西郷隆盛像などの銅像も鋳造で作られています。

また、自動車、船舶、航空機など産業機械にも用いられており、特に自動車のエンジン周りの部品には多く採用されています。

鋳型の種類

鋳造の型の事を鋳型と呼びますが、大きく分けて砂型と金型の2種類があります。

また、砂型鋳造でも下記のように2つの方法に分かれます。

砂型鋳造法

砂型は、人の手により木型に砂を詰め突き硬め硬化剤を用いて雌雄型を作ります。

砂型に材料を流し込み鋳造しますが、金型に比べると生産効率が低い事からコストが掛かる代わりに型代が安く抑えられます。

中子を使用する事で複雑な形状も成形が可能になります。

消失模型型鋳造法

通常の砂型は、分割、合わせ、中子作り、中子入れを行います。

それらの工程を省略でき、発泡スチロールなどで作った模型を砂型の中央に入れる方法を焼失模型鋳造法と言います。

湯(溶融材料)を流し込むと材料の熱で模型が溶ける為、歩留まりが良く生産効率が上がるメリットがあります。

次に、金型を用い鋳造する鋳造方法ですが、下記の通り、製法によっても色々な特徴があります。

重力金型鋳造法

重力金型鋳造法は、重力を利用して材料を流し込むのは砂型と同じですが、1回の成形ごとに型を壊す砂型と違い繰り返し成形が可能となります。

低圧鋳造法

低圧鋳造法は重力を使わず、金型に空気や不活性ガスを用いて低圧を加えて材料を流し込みます。

高圧鋳造法

高圧鋳造法は低速で材料を流し込み、冷え固まるまで金型に機械的圧力を加えます。

冷却速度が速いので、細やかな組織が生成されて機械的性質が向上するのが特徴になります。

ロストワックス精密鋳造法

ロストワックス精密鋳造法は、原型をより精密にする為に金型で製作します。ロストワックスの原理は、加工が簡単な蝋で原型を作ります。

原型を石膏など台材に仕込み、蝋を溶かしてできた空洞に材料を流し込む成形方法です。

ロストワックス精密鋳造法は、寸法精度が高く、鋳肌がきれいでステンレスや炭素鋼などいろんな材料で鋳造できることが大きな特徴です。

遠心鋳造法

遠心鋳造法は型を高速で回転させ、遠心力を用いて金型の内側に材料を貼り付けて成形する方法です。中子が不要になるので、安価でパイプ材などを作る事が出来ます。

連続鋳造法

連続鋳造法は、大量生産に適した鋳造方法で解けた材料を切れ間なく連続的に流し込みます。

冷え固まる際に一定の形になる原理を応用したもので、一定の形になった固まりを引き出して型で成形します。型を常時冷却することで生産効率が上がります。

ダイカスト法

ダイカスト鋳造法は、スライド機構が設けられる複雑な金型を使う成形方法です。高い圧力をかけて材料を隅々まで押し込む事が出来るので、複雑な形状を安定的に得られる利点があります。

寸法精度が高いので、自動車のエンジン回りの部品や工業製品の大半を占める鋳造法になります。

鋳造のメリット

大量生産が可能

鋳型を使って何度も繰り返し成形、同じものを作ることができるので大量生産が可能になります。ダイカスト金型などを使うことで鋳肌が細密になる為、仕上加工が省略できますので生産効率が上がります。

鋳物の強度が高い

鋳造の製造工程上、金属を圧縮するため、金属内部の結晶が整い強度が非常に高くなります。

金属の特性を活かしやすい

様々な金属での鋳造ができ、耐食性や耐熱性の高かったり、金属独自の特性でそれらを活かした製品を作ることができます。

薄い製品やデザイン性の高いの製造も可能である

中子を用いて中空の製品を作れるので薄肉製品の製造が可能になります。また3次元形状の鋳型を用いることで、デザイン性に富んだ製品製造が可能となります。

鋳造に使われる材質

鋳造に使用される材料は、主に次に挙げる7種類になります。

・鉄
・鋼
・銅
・アルミニウム
・マグネシウム
・チタン
・亜鉛

鋳造の注意点

寸法不良

鋳造は、溶融金属を型の中に流し込み、冷え固めて目的の形状に成形します。溶けた材料が冷え固まる時に収縮する為、収縮率を考慮して型の設計を行わないと寸法精度が出なくなり寸法不良となってしまいます。

材料によって収縮率が異なる為、型設計時に考慮する事が必要となります。

ひけ巣

製品形状により、収縮の影響で肉が引っ張られてしまう事でくぼみができてしまう欠陥をヒケといいます。

凝固するまでの間に、不足した材料を供給できる適切な湯量が必要です。また材料を流し込むときに一緒に引きこんでしまう空気やガスによる空洞、巣ができてしまい内部不良欠陥となってしまう場合には、ガス抜きなどを適宜追加する必要があります。

割れ、亀裂

材料の収縮により割れやひびが発生する事とがあります。

収縮により応力が残存するので製品角部などの応力が集中する部分に欠陥が起こり易くなります。Rを設けるなど応力が集中しない形状を考慮することが必要となります。

まとめ

鋳造は比較的安価なコストで大量生産が可能な製造方法です。色々な金型構造や製法がありますので作りたい製品の目的に合ったものを選ぶ必要があります。技術の学習が求められる分野と言えます。

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