金属鋳造の基礎：初心者向けガイド

ファウンドリ（鋳造所）における金属鋳造の概要

私たちの生活は鋳造金属製品で溢れています。当たり前のように使っている多くの金属製品（列車の車輪、トレーラーヒッチ、街灯、大型産業機器、彫刻さえも）は、ファウンドリで鋳造されています。鋳造金属の多様な用途の数々は、その汎用性を示しています：金属は、最小限の機械加工や溶接で耐久性のある複雑な金属部品に鋳造でき、高価な労働力の必要性を減らせます。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スクラップ金属の主要なユーザーとなり、時代遅れの金属製品を有用な製品に変えています。

金属鋳造とは

鋳造は、液体金属を金型の空洞に流し込み、冷却させることで固体金属形状（鋳造品）を作るプロセスです。鋳造品製造の基本ステップは、パターン製作、造型、溶解・注湯、冷却、シェークアウト・洗浄、熱処理、検査です。

パターン製作

鋳造用語で「パターン」とは、鋳造する対象物のレプリカで、金型空洞を形作るために使用されます。木材、金属、プラスチックなど幅広い材料から作れます。パターン製作はこれらのパターンを生産するプロセスです。パターンが鋳造形状を決定するため、鋳造品はそれを作ったパターン以上の品質にはなりません。品質の良い鋳造品を生産するには、パターンが慎重に設計、製作、仕上げられていることが不可欠です。

パターンの主な機能は：

• 金型空洞を形作る
• 鋳造金属の特性に対応する
• 正確な寸法を提供する
• 液体金属を金型に導く手段を提供する（ゲートシステム）

凝固時に金属は収縮および/または歪みます（鋳造金属により程度は異なります）。パターンには、これを補償するための収縮余裕と歪み余裕が組み込まれています。また、垂直壁にテーパー（ドラフト）を設け、金型壁を崩さずにパターンを抜き取れるようにする必要があります。

中空鋳造品は、コア（砂または金属の追加ピース）を使用して、鋳造品の内部穴と通路を形作ることで作れます。各コアは溶湯注湯前に金型内に配置されます。各コアを固定するため、パターンにはコアプリントと呼ばれる凹部があり、そこでコアを固定します。

造型

造型は、溶湯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、再利用可能と非再利用可能の2つの異なるタイプがあります。

名前が示す通り、再利用可能金型は繰り返し使用できます。鋳造プロセスは、金属の凝固と冷却プロセス中に金型を破壊しません。再利用可能金型は通常金属製です。

対照的に、非再利用可能金型は、金属の凝固と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。最も広く使用される非再利用金型法は砂型鋳造で、特別に処理された砂（「緑砂」）をパターン周りに締め固め、フラスコ（型枠）に入れます。その後パターンを取り出し、コアをセットし、ゲートシステムを確立して溶湯を金型に導きます。

これらの一般的な金型方法カテゴリーそれぞれに、異なる鋳造金属と様々なレベルのパターン複雑さに最適化された多くの専門的サブタイプがあります。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などが含まれます。

溶解と注湯

鋳造品の製造に使用される金属には、鉄系（鉄を含む）と非鉄系（鉄を含まない）の2カテゴリーがあります。鉄系合金には、鋼、可鍛鋳鉄、灰鉄があります。鋳造で最も一般的に使用される非鉄系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用途で使用されることもあります。

溶解・鋳造される金属（通常はリサイクルスクラップと合金金属の混合物）を炉に「チャージ」します。炉内で、金属は非常に高温にさらされ、融点（しばしば2500°F［1370℃］超）に達するまで加熱されます。このような高温に達するには専用炉が必要です。

ファウンドリで採用されている2大溶解炉は、電気アーク炉と誘導炉です。

電気アーク炉はバッチ溶解プロセスとして動作し、「ヒート」と呼ばれる溶湯バッチを生産します。グラファイト電極を通じて炉内に電気エネルギーを供給して金属を溶かします。酸素燃料バーナーと酸素ランスにより追加の化学エネルギーが供給されます。溶解プロセス中に酸素を吹き込み、不純物と溶解ガスを除去します。金属が溶けるとスラグが形成され溶湯の上部に浮上します。スラグ（しばしば望ましくない不純物を含む）は、タップアウト（炉から金属を取り出すプロセス）前に除去されます。

誘導炉は、一次コイルからの高電圧電源が、鋼チャージ（二次コイル）に低電圧・大電流を誘導することで、誘導により電気エネルギーを伝達します。誘導炉は、最小限の溶損で多種多様な金属を溶解・合金化できますが、金属精錬においては電気アーク炉ほど高性能ではありません。

それぞれの長所と短所により、電気アーク炉は鉄系金属の溶解により広く使用され、誘導炉は非鉄系用途で優勢です。

凝固、離型、洗浄

溶湯の移動には、るつぼ、ロボットアーム、重力注湯機が使用されます。熟練金属作業員はレードルで溶湯を注ぐこともあります。溶湯はゲートとライザーのシステムを通じて金型に注がれ、金属は冷却・凝固し、金型内部（空洞）の形状を永久的に採用します。鋳造品は金型から離型されるか、砂型からシェークアウトで取り出されます。

溶湯を金型内部に導くゲートとライザーも、このプロセスで溶湯で満たされます。金型内の金属はゲート・ライザーシステム内の金属とともに凝固し、単一のピースを形成します。離型/シェークアウト直後に、ゲートとライザーシステムの金属がメインの鋳造本体に付着したままです。こ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やバンドソーが一般的）。タンブリングバレル、エアブラスト装置、高圧洗浄機の組み合わせで、残留砂やスケールを洗浄します。

結果として得られる鋳造品は、元のパターンと形状と比例が同一であるべきですが、金属収縮によりわずかに小さくなる場合があります。

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：凍結温度下で正確な形状を維持する必要がある、湿潤環境での耐食性が必要、莫大な重量に耐える必要がある、などです。熱処理は、金属の物理的特性を要求仕様に変更するために使用されます。

熱処理には、加熱と冷却（しばしば極端な温度まで）を用いて、鋳造品の応力を除去し、または金属の物理的特性を変更します。目的の物理的特性を得るには、温度を精密に制御する必要があります。

鋳造品の生産ロットが完了と見なされる前に、その物理的特性と構造的完全性が試験されます。試験対象の鋳造品を破壊する試験方法は破壊試験、損傷を与えないものは非破壊試験に分類されます。

使用される試験方法は、仕様がどれほど要求厳しいかによります。純粋に美観目的の製品では、寸法精度、クラック、表面仕上げの簡単な目視検査のみで十分な場合があります。一方で、産業用途で性能を発揮する必要がある鋳造品では、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）が徹底的に試験されることがあります。

製品寿命とリサイクル

検査に合格した鋳造品は、出荷、販売され、使用されます。特に熱処理を受けた鋳造金属製品は耐久性があります。金属合金と用途により、製品寿命は数か月から数十年に及びます。 鋳造品の製品寿命が終わると、サイクルは再び始まります。スクラップヤードで回収され、リサイクルされ、新しいオブジェクトに再鋳造されます。

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