リム、スズ、飛行機：アルミニウムおよびアルミニウム鋳物
鋳造所での抽出、処理、鋳造
アルミニウムの人気の高まり
アルミニウムは世界で3番目に豊富な元素であり、地球の地殻で最も豊富な金属です。アルミニウムは、地球のコア質量の8％以上を占めています。しかし、鉄などの他の金属に比べて精製は困難です。このため、アルミニウムの使用は他の金属製品に遅れをとっていますが、これらの複雑さを克服するために効率的で費用効果の高い方法が開発されました。
アルミニウム産業と鉄鋼産業の間には多くの類似点があります。どちらも、地表で発生する鉱石からの金属の抽出に依存しています。両方の製造プロセスはエネルギーを大量に消費し、液体金属を鋳造物に注ぐか、連続鋳造機を使用する必要があります。アルミニウムと鉄鋼も、自動車および航空宇宙産業の同様の市場で競争しています。ただし、これらの金属の処理と特性には大きな違いがあります。
アルミニウム加工
ボーキサイトは、アルミニウム含有量の高い堆積岩です。通常、約46〜60％です。ボーキサイトは多くの場合、数メートルの岩や粘土で覆われています。これらは、ボーキサイトを回収する前に最初に取り除く必要があります。その後、ボーキサイトは、処理のために輸送される前に、植物を粉砕または洗浄します。
1880年代半ばに、2つの異なる方法が発明され、アルミニウムを製造するために連続して使用されました。バイエル法は、化学プロセスを使用してボーキサイトからアルミニウムを抽出します。 Hall-Heroultプロセスは、電気分解を使用して、バイヤープロセスによって生成されたアルミナまたは酸化アルミニウムからアルミニウムを抽出します。
バイヤープロセス
ボーキサイト鉱石を粉砕し、苛性ソーダと混合して、鉱石の微粒子を含むスラリーを生成します。スラリーは、処理される特定の鉱石に応じて、140℃〜280℃の温度に保たれます。この間、アルミニウムは苛性ソーダ溶液に溶解します。すべての不純物が溶液から沈殿して、赤泥と呼ばれる残留物になります。
プロセスの最後のステップは、苛性ソーダ溶液に種結晶を追加することです。溶解したアルミナがこれらの種結晶に付着します。バイヤー法の最終製品は、白色の粉末の外観を持つアルミナまたは酸化アルミニウムです。
ホール・エルー法
アルミニウムプラントの還元ユニットは、直列に接続された還元ポットまたはセルで構成されています。各ポットは、カーボンで裏打ちされたスチールシェルで作られています。酸化アルミニウムを含む溶融氷晶石（フッ化物鉱物）を各ポットに注ぎ、カーボン電極を上から溶液に挿入します。電流が氷晶石溶液を通過すると、アルミニウムが酸素から分離し、二酸化炭素ガスを形成します。液体のアルミニウムが鍋の底に集まります。
次に、液体アルミナが還元ポットから定期的に真空バケツに吸い込まれます。これを炉に移し、金型内のインゴットに鋳造するか、連続鋳造機で鋳造します。このプロセスで製造されたアルミニウムの純度は約99.8％です。アルミニウム製造の電解プロセスは非常にエネルギーを消費し、出力1トンあたり15MWHを必要とします。したがって、ほとんどの製錬所は、水力発電所などの発電機の隣にあります。
アルミ鋳造
アルミニウムが抽出されて処理されたら、次のステップでは、アルミニウムを製品の形に鋳造します。アルミニウム鋳物は、所望の最終製品のパターンによって成形された型に溶融金属を注ぐことによって形成されます。鋳造品の製造には、ダイカスト、永久鋳型鋳造、砂型鋳造の3つの一般的な成形方法が使用されます。
ダイカスト
ダイカストは、圧力を使用して溶融アルミニウムを鋼のダイに押し込みます。このタイプの鋳造は、最小限の仕上げと機械加工を必要とする部品の大量生産によく使用されます。ダイカストのサイクルタイムは短いですが、工具のコストが高くなります。加圧鋳造システムは、高強度のスキンを作成しますが、永久的なモールド鋳造よりも内部が弱くなります。ダイカストには、低圧ダイカストと高圧ダイカストの2種類があります。
ダイカスト
低圧
高圧
良好な強度値
より低い強度値
自動化に適しています
自動化に適しています
シンプルな金型と機械技術
複雑で高価なダイ
キャストサイクルが遅い
短い鋳造サイクル
投資と運用コストの削減
高い投資と運用コスト
最小肉厚約3mm
薄肉部品に適しています
永久鋳型鋳造
恒久的な金型鋳造では、鋼またはその他の金属製の金型とコアを使用します。金型にアルミニウムを注入することにより、強力な鋳物が形成されます。恒久的な金型を使用して、一貫性のある再現性の高い部品を作成します。それらの急速な冷却速度は、より一貫した微細構造を生成し、機械的特性を大幅に向上させることができます。
永久鋳型鋳造は、合金ホイールの作成に使用されます。アルミホイールはスチールホイールよりも軽量で、回転に必要なエネルギーが少なくて済みます。それらは、より優れた燃料効率、ならびにより良いハンドリング、加速、およびブレーキングを提供します。ただし、頑丈な産業用トラックの用途では、スチールホイールがより一般的に使用されます。それらの耐久性により、曲がったり割れたりすることはほとんど不可能です。トラックで使用すると、スチールホイールはトラックの不規則性をより許容し、安全性を高めます。
砂型鋳造
砂型鋳造は、目的の製品のパターンの周りに細かい砂の混合物を詰めることによって作成されます。パターンは最終製品よりもわずかに大きく、冷却中のアルミニウムの収縮を可能にします。砂型鋳造は、砂を複数回再利用できるため、経済的です。また、大型の成形品や緻密な設計の成形品の作成にも効果的です。先行工具費は安いですが、部品あたりの価格が高いため、砂型鋳造は大量生産よりも特殊な鋳造に適しています。
溶融アルミニウムの制御は、達成される鋳造の品質に直接関係します。溶融アルミニウムに合金元素を添加して、アルミニウムのグレードと特性を実現します。アルミニウム全体への合金の添加と分配を制御することで、製品が健全で、期待される機械的特性を備えていることが保証されます。
アルミニウムは柱状の粒子構造で固化します。これらのカラムは、別の粒子との接触点まで成長します。粒子が多いほど、分子構造は細かくなります。結晶粒微細化では、チタンとホウ素を使用して結晶粒核サイトを作成し、この微細構造を実現します。
水素ガスは不純物であり、製品が固化するときに細孔を形成することにより、アルミニウム鋳造に欠陥を引き起こす可能性があります。鋳造中は、最終製品に悪影響を与える可能性のある不純物がない環境を維持するために、デガッシングガスとパージガスが必要です。
鋳造合金
最終用途に合わせて、さまざまな鋳造合金を利用できます。これらの鋳造合金にはそれぞれ、溶接性、被削性、耐食性、熱処理特性などの独自の特性があります。
溶融アルミニウムには、鋳造特性を最大化するために制御できるいくつかの特性があります。溶融アルミニウムは、溶融状態で水素ガスと酸化物を吸収する傾向があり、微量元素に敏感である可能性があります。一部の装飾用または商業用の鋳物は追加の処理を必要としない場合がありますが、さらに仕上げることがしばしば有益です。厳密な溶融制御と特殊な溶融金属加工技術により、機械的特性を向上させることができます。
アルミニウム仕上げとコーティング
アルミニウムの美的魅力の1つは、その高い反射率です。この特性を利用して、表面がきれいに仕上げられたハイエンドの消費者向け製品を製造しています。これは、表面に薄い酸化物層が自然に形成されることによってさらに強化されます。この層は、製品を陽極酸化することによって厚くすることができます。酸化物層の存在は、アルミニウムをそれ以上の酸化から効果的に密閉し、非常に耐食性にします。さまざまな仕上げとコーティングにより、アルミニウムはこの光沢がありながら耐久性のある品質を実現できます。
終了
特定のアルミニウム合金は、特定の用途向けの特性を強化するために熱処理されています。固体鋳造アルミニウムは所定の温度に加熱され、これにより分子の微細構造が材料全体に均一に分布するようになります。その後、急速に冷却すると、微細構造パターンが所定の位置に残り、理想的な特性が達成されます。
熱処理できない合金は、主に圧延による冷間加工で仕上げられます。分子をしっかりと圧縮することで微細構造の欠陥が最小限に抑えられるため、金属強度が大幅に向上します。
コーティング
アルミニウムは、すでに美的に心地よい高品質の表面仕上げをしています。ただし、コーティングが異なると、仕上げにさらにメリットがあります。
PVDFコーティング
PVDFコーティングは、耐候性が非常に高い溶剤ベースの塗料です。ただし、傷がつく可能性があります。 PVDFは日光にさらされても色あせせず、金属の外観で作ることができます。
液体塗料
液体塗料はPVDFコーティングよりも経済的ですが、その特性もあまり望ましくありません。仕上がりの品質は低く、耐候性はそれほど強くありません。
粉体塗装
粉体塗装は、PVDF塗装と同じレベルの最も厳しい耐久性仕様を満たしています。それらは優れた仕上げの外観を持ち、窓やドアのフレームの建築用途だけでなく、ボラードや自転車ラックなどの現場の家具にも人気があります。それらはより多くの摩耗に耐え、ホテルや店舗などの交通量の多い地域で指定されることがよくあります。
陽極酸化
陽極酸化は、酸化された表面層を厚くし、製品の耐食性を高めるために使用されます。コーティングは硬く、耐久性があり、自己修復するため、建築家に人気があります。陽極酸化処理は、一連の浸漬タンクを使用して実行されます。
アルミニウムの特性
アルミニウムは軽量であることでよく知られています。実際、鉄のほぼ3倍の軽量で、密度は2,700 kg / m 3 です。 。驚くべきことに、アルミニウムの密度が低いことは、その強度に影響を与えません。アルミニウム合金は、引張強度が70〜700 MPaの範囲で、幅広い強度特性を備えています。低温ではアルミニウムの強度が増し、高温ではアルミニウムの強度が低下します。
アルミも加工が容易で、密度が低いため必要な電力が少なくて済みます。アルミニウムの高い可鍛性により、簡単に押し出すことができます。これにより、製品を曲げたり丸めたりすることができ、アルミホイルを作成する際の重要な特徴です。
https://www.reliance-foundry.com/wp-content/uploads/aluminum-rolling.mov
アルミニウムの品質と基準
アルミニウム製品は、製品に使用されている合金材料に従って認定されています。最も一般的な合金元素は次のとおりです。
- シリコン
- 鉄
- 銅
- マグネシウム
- 亜鉛
特性と組成のあるシリーズに分類されるアルミニウム
シリーズ
アルミニウム％
合金
熱処理可能
プロパティ
アプリケーション
1xyz
> 99.yz
- 優れた耐食性と作業性
- 高い熱伝導率と電気伝導率
- 送信
- 電力グリッドライン
2xyz
> 99.yz
銅
はい
- 高強度と靭性
- 耐食性が低い
- 航空機
3xyz
> 99.yz
マンガン
いいえ
- 中程度の強さ
- 優れた作業性
- 熱交換器
- 調理器具
- 飲料缶
4xyz
> 99.yz
シリコン
いいえ
- 脆性のない低融点
- 溶接ワイヤー
- ろう付け棒
5xyz
> 99.yz
マグネシウム
いいえ
- 中強度から高強度
- 海洋環境での腐食に対する耐性
- 良好な溶接性
- 構築と建設
- 貯蔵タンク
- 圧力容器
- マリンアプリケーション
6xyz
> 99.yz
シリコンとマグネシウム
はい
- 中程度の高強度
- 優れた耐食性
- 高い溶接性
- アーキテクチャ
- 構造
- トラック
- マリンフレーム
7xyz
> 99.yz
亜鉛
はい
- 非常に高い強度
- 航空機
- Apple Watch
シリーズ
アルミニウム％
1xyz
> 99.yz
2xyz
> 99.yz
3xyz
> 99.yz
4xyz
> 99.yz
5xyz
> 99.yz
6xyz
> 99.yz
7xyz
> 99.yz
シリーズ
合金
1xyz
2xyz
銅
3xyz
マンガン
4xyz
シリコン
5xyz
マグネシウム
6xyz
シリコンとマグネシウム
7xyz
亜鉛
シリーズ
熱処理可能
1xyz
2xyz
はい
3xyz
いいえ
4xyz
いいえ
5xyz
いいえ
6xyz
はい
7xyz
はい
シリーズ
プロパティ
1xyz
- 優れた耐食性と作業性
- 高い熱伝導率と電気伝導率
2xyz
- 高強度と靭性
- 耐食性が低い
3xyz
- 中程度の強さ
- 優れた作業性
4xyz
- 脆性のない低融点
5xyz
- 中強度から高強度
- 海洋環境での腐食に対する耐性
- 良好な溶接性
6xyz
- 中程度の高強度
- 優れた耐食性
- 高い溶接性
7xyz
- 非常に高い強度
シリーズ
アプリケーション
1xyz
- 送信
- 電力グリッドライン
2xyz
- 航空機
3xyz
- 熱交換器
- 調理器具
- 飲料缶
4xyz
- 溶接ワイヤー
- ろう付け棒
5xyz
- 構築と建設
- 貯蔵タンク
- 圧力容器
- マリンアプリケーション
6xyz
- アーキテクチャ
- 構造
- トラック
- マリンフレーム
7xyz
- 航空機
- Apple Watch
健康と安全
ホール・エルー法の過程で、大量のガスが放出されます。これらのガスは、大気中に放出される前に有毒なフッ化物化合物を除去する必要があるため、捕捉されて処理されます。アルミニウム製造プロセスはCO2を生成します 、その結果、アルミニウム製品の二酸化炭素排出量が増加します。多くのメーカーは、化石燃料から電力を生成するのではなく、水力発電所などの再生可能エネルギー源と一緒にアルミニウム製錬所を配置しています。
可溶型のAl 3+ 、アルミニウムは植物に有毒です。酸性土壌はAl 3+ の放出を加速する傾向があります その鉱物からそしてこれらの分野からの製品収量を下げます。世界中の耕作可能な土地のほぼ半分が酸性であるため、アルミニウムが作物の収穫量に与える悪影響は深刻な場合があります。
人体もアルミニウムの影響を受ける可能性があります。アルミニウムの蓄積による健康への影響には、アルツハイマー病や一部の癌のリスクの増加が含まれますが、決定的に証明されているわけではありません。高濃度では、アルミニウムは神経毒であり、脳と骨の構造に作用します。アルミニウムは、パン種、乳化剤、着色剤、および一部の制酸剤製品に含まれています。
アルミニウムアプリケーション
アルミニウムは、さまざまな商品や家庭用品を含む多様な市場に対応する、明るい仕上げの丸みのある金属です。
航空宇宙
航空宇宙産業の進歩は、アルミニウム製品の開発に大きく依存してきました。それらの特性、特に軽量と強度の組み合わせにより、人類は地球の大気から逃れるのに十分な強度と軽量の車両を開発することができました。ライト兄弟は、最初の木製フレーム複葉機のエンジンクランクケースにアルミニウムを使用しました。現代の商用輸送機は80％のアルミニウムで構成されており、特に胴体や翼の機体に多く見られます。アルミニウムは、宇宙産業で国際宇宙ステーションのシャトルや構造物に広く使用されています。
構造とアーキテクチャ
送電網と送電線は、ベースとして銅ではなくアルミニウムに移行しました。これは、延長されたケーブル配線に対する優れた導電性と軽量性によるものです。アルミニウム合金はまた、大きなガラス板のかなりの重量を処理できる強力なフレームを提供するために建設に使用されます。建築家はこれらの特性を空港や高層ビルで広く使用しています。
サイトの備品
ほとんどの現場備品（ベンチ、ごみ容器、自転車ラックなど）は所定の位置に固定されていますが、取り外し可能なボラードは、車両へのアクセスを防ぐために所定の位置に配置したり、取り外して許可したりできる交通誘導装置です。アルミニウムは、金属が軽いため、取り外し可能なボラードの用途によく使用されます。イベントスタッフが場所に出入りするのははるかに簡単です。
飲食物
缶詰食品および飲料は、アルミニウムが支配的なもう1つの市場です。アルミ缶はすぐに冷え、印刷性の高い表面を提供します。リサイクル性の高さも、アルミニウムをこの業界に魅力的なものにしています。また、酸素、光、その他の汚染物質から保護するため、内部に密封された内容物の風味と完全性を保護します。
アプライアンスとテクノロジー
家電製品もアルミニウムの特性から恩恵を受けています。その熱特性により、冷蔵用途に理想的であり、軽量であるため、アプライアンスの移動や輸送が容易になります。 「ブラッシュドアルミニウム」仕上げの開発により、ハイエンド市場向けに非常に美しい製品を作成できます。テクノロジー企業のアップルは、アルミニウムの単一ブロックから作られるアルミニウムラップトップの作成を先導してきました。フラットスクリーンテレビは、アルミニウムの軽量性の恩恵も受けています。同等の鉄鋼製品は重すぎて壁に掛けることができません。
自動車
自動車メーカーは、自動車の二酸化炭素排出量を削減するというより大きなプレッシャーにさらされています。軽量アルミフレーム、ボディパネル、エンジンは燃費を向上させることでこの原因を助けます。自動車のアルミニウムスクラップの90％近くがリサイクルのために収集されるため、他の環境上の利点もあります。
アルミニウムのリサイクル
ほとんどのアルミニウムはリサイクルできます。飲料缶や自動車部品は、材料が効果的に収集され、リサイクルされる高集水産業です。使用済みアルミニウムは回収された後、処理施設に運ばれ、グレード分けされて洗浄されます。次に、金属を溶かしてコーティング、インク、その他の不純物を取り除きます。この段階で、必要に応じて合金を追加し、その後インゴットに鋳造します。これらのインゴットは、鋳造に使用される鋳造所に供給したり、他のメーカーに移動してさらに処理したりすることができます。リサイクルされたアルミニウムは、わずか6週間で新製品として市場に戻すことができます。
アルミニウムのクリーニングとメンテナンス
ほとんどのアルミニウム製品は、普通の水または中性洗剤または洗剤を使用して清潔に保つことができます。汚れがより頑固な場合は、テレビン油またはエッチングされていない化学クリーナーを使用できます。より多くの洗浄力を得るには、ワックスベースのポリッシュ、研磨ワックス、または研磨クリーナーを使用できます。ストリーキングを避けるために、クリーニング後にアルミニウム製品を乾燥させることが重要です。また、クリーニングの残留物をエッジやジョイントから取り除く必要があります。
アルミニウムの詳細について、またはカスタムプロジェクトの見積もりをリクエストするには、お問い合わせください。
金属