金属凝固の解説: 溶解から鋳造まで

金属凝固とは、液体が固体へ変化する包括的変態プロセスであり、鋳造技術の基盤です。金属または合金を溶解、注湯、型内で再凝固させ、最終製品を得る一連の工程を指します。

1. 溶解

鋳造プロセスは、金属合金を坩堝で加熱し溶解させることから始まります。金属は融点に達すると液体になります。融点は金属や合金の種類によります。例えば亜鉛合金は約900°F（約482℃）、青銅合金によっては2000°F（約1093℃）以上です。純金属は一定温度で溶けますが、合金は組成に応じて温度範囲で溶けます。溶湯状態では高エネルギーを保持し、融点以上に過熱することで、冷却前に型へ注湯する時間を確保します。

2. 脱ガスと改質

注湯前、亜鉛合金とアルミ合金は脱ガスが必要です。グラファイトランスを溶湯に挿入し高速回転させ、アルゴンや窒素をランスから吹き込み溶湯全体に分散させます。アルゴン/窒素が溶存水素や他の汚染物を溶湯表面に浮上させ、これを除去してから注湯します。

多くの合金は注湯前に改質処理が必要です。これらは湯流れ性向上、結晶粒微細化、汚染物除去などを目的とします。チタン-ホウ素、銅-リン、ストロンチウム、マンガンなどが使用されます。

3. 注湯

脱ガスと改質後、溶湯温度を測定し、所望の注湯温度より約50〜150°F（約28〜83℃）高いことを確認します。この余分な温度が、注湯中に溶湯が部品全体に行き渡る前に凝固するのを防ぎます。坩堝やレードルを注湯ラインへ移動し、準備された型へ溶湯を注ぎます。型の空洞部が最終製品形状となります。単一部品の場合も、複数個同時の場合もあります。坩堝の注湯口を砂型にできるだけ近づけ、型腔への溶湯流入速度を抑えることが重要です。