鉄および非鉄金属

鋳造設計のための金属特性と組成

溶けることができるどんな固体金属でも鋳造することができます。ファウンドリは、この鋳造作業を行い、少数の金属と方法で専門知識を開発し、生産の価値と効率を最大化するための標準製品を設計する工場です。

金属と鋳造方法は相互に影響を及ぼします。製品に最適な鋳造の選択は、金属が溶融状態、冷却状態、および固体状態でどのように動作するかによって影響を受けます。これらの依存関係については、ファウンドリの専門分野は、ファウンドリがどのような種類の製品を製造するかを決定する一環です。ダイキャストの子供のおもちゃを製造している鋳造所は、通常、高品質のエンジン部品を製造している鋳造所とは異なります。

専門分野における主な違いの1つは、鋳造所が鉄金属、非鉄金属、またはその両方で機能するかどうかです。鉄金属の定義は、鉄を含む任意の金属です。非鉄金属はそうではありません。鉄精錬は、世界の金属生産量の約90％を占めています。ねずみ鋳鉄は、鋳造所で最も一般的な金属鋳造品です。鋳造所以外では、鉄鋼は産業、建設、輸送で最も使用されている鉄合金です。

砂型鋳造のような一般的な鋳造方法を専門とする鋳造所は、通常、溶解と注入の容易さ、金型内の詳細のキャプチャ、冷却中の予測可能な動作、機械加工または仕上げの準備など、特定の品質のために選択された金属で動作します。

鉄金属とその特性

鉄の特徴は、密度が高く、炭素と混合すると強く、豊富で精製が容易で、腐食しやすく、磁性があることです。鉄を他の元素と異なる比率で合金化すると、これらの要因の1つ以上を軽減または排除できます。

何百もの鉄合金がよく知られています。それらは、それらの構成における各要素の比率、ならびにそれらの溶融および仕上げの方向によって指定されます。炭素を含む鉄合金は通常、鉄または鋼と呼ばれ、仕様に基づいて、アルミニウムからバナジウムまで、他の任意の数の元素を含むことができます。これらの金属は通常、その機械的特性のために選択されます。エンジニアや設計者は、降伏強度、靭性、延性、溶接性、弾性、せん断、および熱膨張に関心があるかもしれません。これらはすべて、特定の応力下で材料がどのように動作するかを示しています。

鉄のこれらの特徴的な側面は、鉄を他の元素と混合する合金で変えることができます。ステンレス鋼は良い例であり、ステンレス鋼のいくつかの合金は非磁性と非腐食性の両方です。金属が鋼であるかどうかを判断する一般的な方法は、合金に含まれる鉄によって磁石がくっつくため、磁石を金属に当てることです。しかし、ステンレス製の冷蔵庫に磁石を貼り付けようとした人は、これが絶対確実なテストではないことを知っています。この鉄合金にはまだ鉄が含まれていますが、ニッケルの割合が高いと、磁気反応を防ぐのに十分なほど鋼の微細構造が変化します。ステンレス鋼は錆びることがありますが、他の種類の鉄合金よりもはるかに耐食性があります。これはクロムの添加によるものです。クロムは、不動態化と呼ばれるプロセスを通じて錆から保護します。このプロセスでは、金属の最上部の分子が酸化しますが、下の金属と強く結合したままで、侵入できないシェルを形成します。

鉄金属では、鉄と鋼が最も一般的な鋳造材料です。

鉄

鋳鉄 炭素含有量が2％を超える鉄合金のカテゴリーです。それらは比較的安価で高密度のアイアンです。加熱して鋳造すると、鋼よりも低温での流動性がはるかに高くなります。つまり、複雑な金型の部品に効率よく流れ込み、充填することができます。鋳鉄も冷却中に鋼の半分の速度で収縮します。

基本的な鋳鉄は優れた圧縮特性を備えていますが、脆いため、曲がったり歪んだりする前に破損します。この脆弱性は、これらの機能が欠ける可能性があるため、脆いグレードの鋳鉄が、押し出しや精巧なディテールを備えたデザイン、または非常に鋭いエッジを備えたデザインに使用されないことを意味する場合があります。

ねずみ鋳鉄 は現在製造されている最も一般的なタイプの鋳鉄で、マンホールの蓋から車のディスクブレーキまであらゆるものに使用されています。その名前は、炭素添加剤としてグラファイトが存在するために灰色である、破壊時にとる色に由来しています。ねずみ鋳鉄は、重量で2.5〜4％の炭素であり、さらに1〜3％のシリコンを含み、グラファイトを安定させます。溶けたときの鋼に比べて安価で流動性が高いという点で、基本的な鋳鉄の多くの特性を備えていますが、グラファイトの存在により、鉄の脆性がやや低くなり、機械加工が容易になります。ねずみ鋳鉄はまだ柔軟性がありません。壊れる前にほとんど曲がりません。

ダクタイル鋳鉄 は、添加された炭素が球状（結節状）のグラファイトである鋳鉄の一種です。ダクタイル鋳鉄は通常、3.2〜3.6重量％の炭素であり、シリコンやその他の元素を含んでいます。フェライトレベルが高いということは、機械加工中に切削工具に蓄積することを意味するため、主に鋳造製造でよく使用されます。この場合、流動性が非常に高いため、細かく細かい作業に最適です。ダクタイル鋳鉄に鋳鉄やねずみ鋳鉄よりも高い耐衝撃性と引張強度を与えるグラファイトの回転楕円体形状により、詳細な設計やエッジのある設計が可能になります。ダクタイル鋳鉄は、1943年に最初に発見されたため、アイアンの仕様では比較的新しいものです。

鋼

鋼 あらゆる種類のキャストも時々行われます。一般に、鋼の炭素含有量は2.14重量％未満であり、他の元素と合金化されることがよくあります。鋼は鋳鉄よりも強い機械的性質を持っていますが、靭性で得られたものは流動性で失われます。溶鋼は、詳細な金型に流入するために溶鉄よりもはるかに高温である必要があり、鋼での作業に必要な高温は管理が難しく、金型から出てくる物体の設計と仕上げに支障をきたす可能性があります。すべての鋳物と同様に、部品のさまざまな部分がさまざまな速度で冷却される可能性があり、この差により製品内に応力が発生します。鋼は鋳鉄よりも広範囲かつ急速に収縮するため、これらの応力は鋳鋼でより詳細に管理する必要があります。

これらの課題は、鋼がうまく鋳造するためにはるかに労働集約的である可能性があることを意味します。製造のすべての段階で専門家の注意が必要です。それでも、最終製品の高い機械的強度により、一部の用途では合金鋼が明確な選択肢となり、機械加工によって最終段階の仕上げが可能になります。

その他の鉄合金

他の鉄合金はこれらの一般的なタイプの外に存在し、それらの機械的挙動が有用である特定の用途で使用されます。たとえば、エリンバーは熱で膨張および収縮しないニッケル-鉄合金であり、時計やその他の精密機器の非常に小さな部品に使用されます。

非鉄金属とその用途

これらの金属には、鉄を含まないすべての金属と合金が含まれます。一般的な非鉄金属の短いリストには、次のものが含まれます。

• 銀、プラチナ、金などの貴金属
• 銅とその合金（青銅や真ちゅうなど）
• ニッケル、パラジウム、プラチナ
• チタン
• アルミニウム
• 錫、鉛
• 亜鉛

このグループに含まれるこのような幅広い材料により、鉄を推奨する機械的特性の多くは、非鉄金属で発見できます。たとえば、アルミニウムやチタンの合金は、コストがかさむものでなければ、多くの場合、鋼の代わりに使用できます。鉄の磁気能力は、ニッケル、コバルト、または他の金属と合金化された希土類元素でエミュレートできます。

ただし、非鉄金属はコストがかかることが多いため、鋼のように振る舞う方法ではなく、固有の属性のために選択される傾向があります。非鉄金属を選択する理由のいくつかは、軽量化、導電性、耐食性、非磁性、伝統、または装飾的価値です。一部の金属は、希少であるという理由だけで高く評価されています。アルミニウムの製造が普及する前は、アルミニウムは高級食器に使用される高級金属でした。

あらゆる種類の特殊素材が鋳造されています。ただし、従来の砂型鋳造鋳造所には、注目に値する3つの非鉄鋳物金属があります。

ブロンズとブラス

青銅器と真ちゅうは青銅器時代に人類によって鋳造された最初の金属であり、これらの銅合金は今日でも砂鋳造されています。それらは鉄系材料よりもはるかに低い温度で溶け、細部をうまく鋳造するため、彫像などの装飾用途でよく使用されます。青銅と真ちゅうは鋼よりも柔らかいですが、塩の存在下でも耐食性があるため、これらの金属はボートのフィッティングなどの標準的な海洋用途で使用されます。真ちゅうは、それ自体に対する金属の摩耗である「かじり」にも耐性があるため、真ちゅうは、船舶用プロペラなどの機械部品に鋳造されたり、ベアリングやジッパーに機械加工されたりすることがあります。どちらの合金も、電気的特性が求められる金属である銅に依存しているため、非常に高価です。

アルミニウム

アルミニウムは鉄よりもはるかに密度の低い金属であるため、航空宇宙産業など、重量のない強度が必要な用途で不可欠な材料になっています。ステンレス鋼のように、アルミニウムはそれを保護する金属酸化物シェルを作成することによって酸化に反応するため、耐食性があります。

アルミニウムはまた、それが置き換える可能性のある多くの鋼や鉄よりも融点が低いため、鋼よりも鋳造が容易であり、複雑な形状の監視が少なくて済みます。アルミニウムの最大の欠点は費用です。

鋳造材料の検討

鋳物を設計するとき、価値と形のバランスをとるのに最適な金属を見つけることは芸術と科学です。仕事に適した金属は、アプリケーションの美的要件と機械的要件の両方を満たし、これはプロトタイプを最終製品に持ち込むために必要な製造方法に影響を与えます。

鋳物には鉄金属が最も一般的な選択肢であり、費用対効果と機械的特性から選ばれることがよくあります。選択を決定するのは金属の強度ではなく、重量、耐食性、非磁性などの特性である場合があります。青銅や真ちゅうなどの非鉄合金も、伝統や美しさのために選ぶことができます。

エンジニアと相談することで、設計者はプロジェクトのさまざまな側面の調和を見つけ、アプリケーションと予算の両方を尊重するのに最適な金属を選択することができます。

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