金属鋳造の初心者向けガイド

鋳造所での金属鋳造の概要

私たちの生活は鋳造金属製品で満たされています。電車の車輪、トレーラーヒッチ、ランプポスト、大規模な産業機器、さらには彫刻など、私たちが当たり前と思っている金属製の物体の多くは、鋳造所で鋳造されています。鋳造金属のさまざまな用途の膨大な数は、その多様性を示しています。金属は、最小限の機械加工または溶接で耐久性のある複雑な金属部品に鋳造できるため、高価な労力の必要性が少なくなります。さらに重要なことに、金属鋳造ファウンドリは、リサイクルされたスクラップメタルの重要なユーザーになり、古い金属オブジェクトを取り出して、それらを有用な製品に変えています。

金属鋳造とは何ですか？

鋳造とは、金型の隙間に液体金属を充填し、対象物を冷やして、中実の金属形状（鋳造）を作る工程です。鋳造品の製造に必要な基本的な手順は、パターン作成、成形、溶解と注入、冷却、シェイクアウトとクリーニング、熱処理、および検査です。

パターン作成

鋳造用語では、「パターン」は、金型キャビティを成形するために使用される鋳造対象のレプリカです。それらは、木、金属、またはプラスチックを含む幅広い材料から作ることができます。パターン作成は、これらのパターンを作成するためのプロセスです。パターンが鋳造形態を決定するので、鋳造はそれが作られるパターンより良くなることはできません。高品質の鋳造品を製造するには、パターンを慎重に設計、構築、仕上げすることが不可欠です。

パターンの主な機能は次のとおりです。

• 金型キャビティの成形
• メタルキャストの特性に対応
• 正確な寸法を提供する
• 液体金属を金型に送る手段を提供します（ゲートシステム）

それが固化するにつれて、金属は収縮および/または歪む傾向があります（金属の鋳造に応じて程度は異なります）。パターンは、組み込みの収縮と歪みの許容値を使用して設計されています。また、型壁を乱さずにパターンを抽出するために必要な、ドラフトと呼ばれる垂直壁のテーパーを使用して構築する必要があります。

中空の鋳物は、コア（鋳物の内部の穴と通路を形作る追加の砂または金属片）を使用して作成できます。溶融金属が注がれる前に、各コアが金型内に配置されます。各コアを所定の位置に保つために、パターンにはコアプリントと呼ばれるくぼみがあり、コアを所定の位置に固定できます。

成形

成形は、溶融金属を受け入れるための金型を準備するプロセスです。金型プロセスには、再利用可能と再利用不可の2つの異なるタイプがあります。

名前が示すように、再利用可能な金型は繰り返し使用できます。鋳造プロセスは、金属の凝固および冷却プロセス中に金型を破壊しません。再利用可能な金型は通常、金属で作られています。

対照的に、再利用不可能な金型は、金属の凝固および冷却プロセス中に破壊される一時的なオブジェクトです。最も広く使用されている再利用不可能なモールド方法は、砂型鋳造です。これは、特別に処理された砂（「グリーン」サンド）をパターンの周りに押し込み、サポート（フラスコ）に配置するプロセスです。次に、パターンが削除され、コアが所定の位置に設定され、溶融金属を金型に導くためのゲートシステムが確立されます。

これらの一般的な成形方法の各カテゴリには、さまざまな鋳造金属とさまざまなレベルのパターンの複雑さに最適化された多くの特殊なサブタイプがあります。このような方法には、スラッシュ鋳造、圧力鋳造、シェルモールド、インベストメント鋳造が含まれます。

溶けて注ぐ

鋳物が製造される金属には、鉄（鉄を含む金属）と非鉄（鉄を含まない金属）の2つのカテゴリーがあります。鉄合金には、鋼、可鍛鋳鉄、ねずみ鋳鉄が含まれます。鋳造で最も一般的に使用される非鉄合金はアルミニウムと銅ですが、マグネシウム、ニッケル、チタンベースの合金が特殊な用途に使用されることもあります。

溶解および鋳造される金属（通常はリサイクルされたスクラップと合金金属の混合物）は、炉を「充電」するためにロードされます。炉内に入ると、金属は融点（華氏2500度[1370°C]を超えることが多い）に達するまで非常に高温にさらされます。このような高温に到達するには、専用の炉が必要です。

鋳造所で採用されている2つの主要なタイプの溶解炉は、電気アークと誘導です。

電気アーク炉はバッチ溶解プロセスとして動作し、「熱」として知られる溶融金属のバッチを生成します。金属は、グラファイト電極を介して炉内部に電気エネルギーを供給することによって溶融されます。追加の化学エネルギーは、酸素燃料バーナーと酸素ランスによって供給されます。溶融プロセス中に不純物やその他の溶存ガスを除去するために酸素が注入されます。金属が溶けると、スラグが形成され、溶けた金属の上部に浮きます。望ましくない不純物を含むことが多いスラグは、タップアウト（炉から金属を除去するプロセス）の前に除去されます。

誘導炉は、誘導によって電気エネルギーを転送します。一次コイルからの高電圧電源は、鋼製チャージまたは二次コイルに低電圧、高電流を誘導します。誘導炉は、さまざまな金属を最小限の溶融損失で溶融および合金化することができますが、金属の精製に関しては、電気アーク炉よりも能力が劣ります。

それぞれの長所と短所により、電気アーク炉は鉄金属の溶解に広く使用されていますが、非鉄用途では誘導炉がより優​​勢です。

凝固、排出、および洗浄

るつぼ、ロボットアーム、および重力誘導注入機を使用して、溶融金属をある場所から別の場所に移動します。熟練した金属労働者はまた、取鍋を使用して溶融金属を注ぎます。溶融金属は、ゲートとライザーのシステムを介して金型に注がれます。金属は冷却して固化し、金型内部の形状（ボイド）を恒久的に採用し、それを占有します。その後、鋳物は型から排出されるか、シェイクアウトによって砂型から取り出されます。

金型内部に溶融金属を供給するゲートとライザーも、プロセス中に溶融金属で満たされます。金型内の金属は、ゲートおよびライザーシステム内の金属とともに固化し、単一の部品を形成します。排出/シェイクアウトの直後、ゲートおよびライダーシステムからの金属はまだメインキャスティングボディに取り付けられています。その余分な金属は、洗浄プロセスで除去されます（チッピングハンマーまたはバンドソーが一般的に使用されます）。タンブリングバレル、エアブラストユニット、および高圧洗浄機を組み合わせて、残っている砂やスケールを取り除きます。

結果として得られる鋳造物は、金属の収縮のためにわずかに小さくなる可能性がありますが、形状と元のパターンとの比率が同じである必要があります。

熱処理と検査

一部の鋳造品は、要求の厳しい産業用途で使用されます。凍結温度で正確な形状を維持したり、湿潤環境での腐食に耐えたり、巨大な重量に耐えたりする必要がある場合があります。熱処理は、金属の物理的特性を必要な仕様に変更するために使用されます。

熱処理には、鋳造部品の応力を低減するため、および/または金属の物理的特性を変更するために、多くの場合極端な温度まで加熱および冷却することが含まれます。目的の物理的特性を実現するには、温度を正確に制御する必要があります。

鋳造品の生産が完了したと見なす前に、その物理的特性と構造的完全性がテストされます。テスト対象の鋳物の破壊を必要とする試験方法は破壊検査と呼ばれ、鋳物に損傷を与えない方法は非破壊検査に分類されます。

使用されるテスト方法は、仕様がどれほど厳しいかによって異なります。一部の純粋に審美的な製品の場合、寸法精度、亀裂、および表面仕上げの簡単な目視検査のみが必要です。一方、鋳造が工業的能力で機能する必要がある場合は、そのすべての物理的特性（延性、引張強度、伸び、衝撃特性、硬度など）を徹底的にテストすることができます。

耐用年数とリサイクル

鋳物は検査に合格した後、出荷、販売、使用されます。鋳造金属製品、特に熱処理された製品は耐久性があります。金属合金と用途に応じて、それらの耐用年数は数ヶ月から数十年に及ぶ可能性があります。鋳造の耐用年数が終了すると、サイクルが再開されます。スクラップヤードで収集され、リサイクルされ、新しいオブジェクトに再キャストされます。

カスタム金属鋳造生産についてもっと知りたいですか？金属鋳造プロセスをより深く理解し、ニーズを生産ファウンドリに伝える方法は、鋳造プロジェクトを確実に成功させるのに役立ちます。

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