永久鋳型鋳造
永久鋳型鋳造

永久鋳型鋳造は、再利用可能な鋳型（「永久鋳型」）を用いる金属鋳造プロセスであり、通常は金属製です。最も一般的なプロセスでは、重力を利用して鋳型に鋳物を充填しますが、ガス圧や真空も使用されます。典型的な重力鋳造プロセスのバリエーションであるスラッシュ鋳造では、中空鋳物が生成されます。一般的な鋳造金属は、アルミニウム、マグネシウム、銅合金です。その他の材料としては、スズ、亜鉛、鉛合金があり、鉄や鋼もグラファイト鋳型で鋳造されます。[ 1 ] [ 2 ]

代表的な製品としては、ギア、スプライン、ホイール、ギアハウジング、パイプ継手、燃料噴射ハウジング、自動車エンジンピストンなどの部品があります。[ 1 ]

プロセス

永久鋳型鋳造には、重力鋳造、スラッシュ鋳造、低圧鋳造、真空鋳造の 4 つの主なタイプがあります。

重力プロセス

重力鋳造法は、まず鋳型を150～200℃（302～392℉）に予熱する。これは、鋳物の流動をスムーズにし、熱による損傷を軽減するためである。次に、鋳型キャビティに耐火材または塗型剤を塗布する。これにより、鋳物が鋳型に付着するのを防ぎ、鋳型の寿命を延ばす。次に、砂または金属の中子を設置し、鋳型を締め付ける。次に、溶融金属を鋳型に流し込む。凝固後すぐに鋳型を開き、鋳物を取り出して熱割れを防ぐ。この工程を最初からやり直すが、前回の鋳造で十分な熱が得られており、耐火コーティングは数回の鋳造に耐えるため、予熱は不要である。この工程は通常、大量生産のワークピースに対して行われるため、鋳型のコーティング、金属の注入、鋳物の取り出しには自動化された装置が用いられる。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

金属は、ひび割れや気孔を最小限に抑えるために、実用的な最低温度で鋳造されます。[ 4 ]鋳造温度は鋳造材料によって大きく異なります。例えば、亜鉛合金は約370℃（698℉）で鋳造されますが、ねずみ鋳鉄は約1,370℃（2,500℉）で鋳造されます。[ 1 ]

型

鋳造工程用の鋳型は、2つの半分から構成されます。鋳型は通常、耐熱疲労性が最も優れているねずみ鋳鉄で作られますが、鋼、青銅、グラファイトなどの材料も使用されます。これらの金属は、侵食と耐熱疲労性に優れているため選ばれています。鋳型は収縮を補うための折り畳み式ではないため、通常はそれほど複雑ではありません。その代わりに、鋳物が固化するとすぐに鋳型を開くため、熱割れを防ぎます。中子も使用でき、通常は砂または金属で作られています。[ 4 ] [ 5 ]

前述のように、鋳型は最初の鋳造サイクルの前に加熱され、その後も継続的に使用されることで、サイクル中は可能な限り均一な温度を維持します。これにより、熱疲労が軽減され、金属の流れが促進され、鋳造金属の冷却速度が制御されます。[ 5 ]

ガス抜きは通常、鋳型の両側にあるわずかな隙間から行われますが、それでも不十分な場合は、非常に小さなガス抜き穴が使用されます。これらの穴は、空気は抜けますが、溶融金属は抜けません。また、収縮を補正するために押湯を設ける必要があります。これにより、歩留まりは通常60%未満に制限されます。[ 5 ]

ピン状の機械式エジェクターは、コーティングだけでは鋳型から鋳物を取り出せない場合に使用されます。これらのピンは鋳型全体に配置され、通常、鋳物に小さな丸い跡を残します。

スラッシュ

スラッシュ鋳造は、中空鋳物またはホローキャストを作成するための永久成形鋳造の変形です。この工程では、材料を鋳型に流し込み、鋳型内に材料の殻が形成されるまで冷却します。その後、残りの液体を注ぎ出して中空の殻を残します。結果として得られる鋳物は表面のディテールは良好ですが、壁の厚さは変化する可能性があります。この工程は通常、低融点材料から燭台、ランプ台、彫像などの装飾品を鋳造するために使用されます。 [ 2 ]同様の技術は、イースターやクリスマス用の中空チョコレートフィギュアを作るのにも使用されます。[ 6 ]

この製法は、 1893年にウィリアム・ブリテンによって鉛のおもちゃの兵隊の製造のために開発されました。中空鋳造よりも材料の使用量が少なく、軽量で安価な製品となります。中空鋳造の人形には通常、余分な液体を流し出すための小さな穴が開いています。

同様に、スラッシュ成形と呼ばれるプロセスは、自動車のダッシュボード製造において、人工皮革を使用したソフトパネル内装に用いられています。このプロセスでは、流動性（液体のように挙動する）のある粉末状のプラスチック化合物（PVCまたはTPU）を高温の中空金型に流し込み、粘性のある表皮を形成します。その後、余分なスラッシュを排出し、金型を冷却した後、成形品を剥離します。[ 7 ]

低気圧

低圧永久鋳型鋳造プロセスの概略図

低圧永久鋳型鋳造（LPPM）では、通常3～15psi（20～100kPa）の低圧ガスを用いて溶融金属を鋳型のキャビティに押し込みます。圧力は液体プールの上部に加えられ、溶融金属は耐火性の注湯管を通って上昇し、最終的に鋳型の底部に流れ込みます。注湯管は取鍋の底まで伸びているため、鋳型に押し込まれる材料は非常にクリーンです。加えられた圧力によって溶融金属が収縮を補うために押し込まれるため、ライザーは不要です。ライザーがなく、注湯管内の金属はすべて取鍋に戻って再利用されるため、歩留まりは通常85%以上です。[ 2 ] [ 8 ]

LPPM鋳造の大部分はアルミニウムとマグネシウムから作られていますが、一部は銅合金から作られています。利点としては、一定圧力のため鋳型への充填時に乱流が非常に少なく、ガスの混入やドロスの生成が最小限に抑えられることが挙げられます。機械的特性は重力鋳型鋳造よりも約5%優れています。欠点は、サイクルタイムが重力鋳型鋳造よりも長いことです。[ 8 ]

真空

真空鋳型鋳造は、LPPM鋳造の利点をすべて備えているだけでなく、溶融金属中の溶存ガスが最小限に抑えられ、溶融金属の清浄度がさらに向上します。このプロセスは薄肉プロファイルに対応し、優れた表面仕上げを実現します。機械的特性は通常、重力鋳型鋳造よりも10～15%優れています。このプロセスでは、重量は0.2～5 kg（0.44～11.02ポンド）に制限されます。[ 8 ]

メリットとデメリット

主な利点は、金型の再利用可能、良好な表面仕上げ、良好な寸法精度、および高生産率です。一般的な許容差は、最初の 25 mm (0.98 インチ) に対して 0.4 mm、追加の 1 センチメートルごとに 0.02 mm (1 インチあたり 0.002 インチ) です。寸法がパーティング ラインを越える場合は、さらに 0.25 mm (0.0098 インチ) が追加されます。一般的な表面仕上げは 2.5 ～ 7.5 μm (100～250 μin) RMSです。2 ～ 3° の抜き勾配が必要です。壁の厚さは 3 ～ 50 mm (0.12 ～ 1.97 インチ) に制限されています。一般的な部品サイズは、100 g ～ 75 kg (数オンス ～ 150 ポンド) です。その他の利点としては、金型の壁の厚さを変更したり、金型の一部を加熱または冷却したりすることで、方向性凝固を簡単に誘発できることが挙げられます。金型を使用することで冷却速度が速くなり、砂型鋳造よりも微細な結晶構造が得られます。引き込み式の金属コアを使用することで、金型の高速動作を維持しながらアンダーカットを形成することができます。 [ 2 ] [ 3 ]

主なデメリットは 3 つあります。金型コストが高いこと、低融点金属に限られること、および金型寿命が短いことです。金型コストが高いため、このプロセスは少量生産では非経済的です。このプロセスを鋼または鉄の鋳造に使用すると、金型寿命が極めて短くなります。低融点金属の場合、金型寿命は長くなりますが、熱疲労と浸食により、通常は 10,000 ～ 120,000 サイクルが寿命となります。金型寿命は、金型材料、鋳込み温度、金型温度、および金型構成の 4 つの要素によって決まります。ねずみ鋳鉄で作られた金型は、より経済的に製造できますが、金型寿命は短くなります。一方、H13 工具鋼で作られた金型は、金型寿命が数倍長くなる可能性があります。鋳込み温度は鋳造金属に依存しますが、鋳込み温度が高いほど、金型寿命は短くなります。また、鋳込み温度が高いと収縮の問題が発生し、サイクル時間が長くなることもあります。金型温度が低すぎるとミスランが発生し、高すぎるとサイクルタイムが長くなり、金型の浸食が増加します。金型や鋳物の断面厚さの差が大きいと、金型寿命も短くなる可能性があります。[ 5 ]

参考文献

参考文献

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