鋳造プロセスの4大ステップ：パターン準備から検査まで徹底解説
鋳造プロセスの4つの主要ステップ
- パターンと型の準備
- 溶解と注湯
- 冷却と凝固
- 欠陥と検査
ステップ1：パターンと型の準備
パターンの役割と材料
パターンは鋳造品のレプリカであり、型腔を形成するために用いられます。材料は木材または金属です。型は2つ以上の金属ブロック、または結合した耐火粒子（砂）からなり、主型腔を持ちます。主型腔は溶湯を保持し、目的製品のネガティブ形状となります。また、注湯・流路用の副型腔や、必要に応じて湯道（リザーバ）を含みます。
砂型を作る四方枠をフラスクと呼び、複数パートで構成される場合、上半分をコープ、下半分をドラグと呼びます。中空部を作るにはコアを用い、パターン上のコア位置決め突起をコアプリントと呼びます。材料、製品形状、生産数量に応じ多様なパターンと型が存在します。
パターン允許（寸法補正）
パターンは完成品より大きく作られます。この余分な寸法をパターン允許と呼び、主に収縮允許と機械加工允許の2種類があります。
収縮允許
鋳造品の収縮を補正するもので、全収縮は以下の3段階で起こりますが、允許が必要なのは最後の固体収縮のみです。
- 注湯温度から凝固温度までの液体収縮
- 液相から固相への相変化に伴う収縮
- 凝固温度から室温までの固体収縮（線膨張係数αₗに依存）
寸法lの鋳物に対する収縮允許は αₗ·l·(θ_f – θ₀) で与えられ、材料ごとに単位長さあたりの値で表されます（表2.1参照）。
機械加工允許
鋳肌は粗いため仕上げ加工が必要です。加工代としてパターンに上乗せする寸法で、材料と製品全体寸法に依存します（表2.1参照）。内面はマイナス允許となり、表の値より通常1mm大きく取ります。
斜度（ドラフト）
パターンを型から引き抜きやすくするため、引き抜き方向に平行な面にテーパーを付けます。平均0.5°〜2°程度です。
型の製作
少数なら手作業、多数なら造型機を用います。パターンに離型剤（タルク等）を塗布し、面砂で仕上げ面を確保します。コープフラスクにはデッドウェイトを載せ、浮き上がりを防ぎます。大型型ではガッガーで砂崩れを防止し、リエントラント形状にはチーク（中間フラスク）を用います。ガス抜き用ベントホールも必須です。
造型機の原理にはジョルトランミング（型を持ち上げ落下）、スクイージング（圧搾）、サンドスリンギング（砂投射）があり、それぞれ特徴が異なります。
ステップ2：溶解と注湯
溶解管理
良質な鋳造には溶解管理が不可欠です。考慮すべき因子：金属中のガス、スクラップ選定・管理、フラックス、炉、温度。
金属中のガス
ガスは機械的に捕捉されるか、温度・相による溶解度変化で析出するか、化学反応で生成されます。主なガスは水素と窒素。金属は水素溶解度の温度依存性により吸熱性（Al, Mg, Cu, Fe, Ni等）と発熱性（Ti, Zr等）に分けられます。吸熱性金属では温度上昇で水素溶解度が増大し、凝固時にガスが発生しやすくなります。シーベルトの法則により水素溶解量は水蒸気分圧の平方根に比例します。
水素除去には、乾燥不溶性ガス（非鉄ならCl₂, N₂, He, Ar；鉄系ならCOガス）を溶湯にバブリングさせ部分圧を下げる方法が一般的です。真空溶解もガス防止に有効です。レードルでの添加が溶湯添加より効果的とされます。
炉の選定
金属成分、最高温度、溶湯供給レート・モード、原料形状・大きさにより選定します。金属成分は標準元素制御だけでなく、切削性など機械的特性にも影響します。
流動性と注湯温度
最適注湯温度は金属の流動性で決まります。流動性とは、与えられた温度で型腔隅々まで充填する相対的能力で、粘度が低いほど高くなります。標準スパイラル試験で測定し、流動性が高い金属ほど注湯温度と融点の差を小さくできます。複雑薄肉部を充填するにはこの差を最小にすべきです。差が大きいとコスト増とガス溶解を招きます。
注湯（ゲーティング設計）
良好なゲーティング設計は、溶湯を適切なレートで型腔に分配し、過度な温度低下、乱流、ガス・スラグ巻き込みを防ぎます。注湯が遅すぎると充填前に凝固が始まり、速すぎると型面を侵食します。最適速度での妥協が必要です。
ステップ3：冷却と凝固
溶湯の凝固・冷却機構の理解は健全鋳造の前提です。凝固中に結晶構造、偏析組織が決まり、収縮キャビティ、コールドシャット、ミスラン、ホットティア等の欠陥も発生し得ます。
ライザー（湯道）の設計と配置
凝固時間は主に V/A 比（体積/放熱表面積）に依存します。ライザーは鋳物より遅く凝固するよう設計され、注湯温度から凝固までの収縮（材質により2.5〜7.5%）を補償します。過大なライザーは不経済なので、鋳物より冷却が遅くなる最小体積で設計します。
高 A/V 比の鋳物（薄板等）では、冷却速度のみならず収縮補償量からもより大きなライザーが必要です。鋼板25cm×25cm×0.25cmの例では、単純計算のライザー体積1.95cm³では不足し、実用上は収縮考慮体積の約3倍が目安となります。
ライザー適否判定にはケインの関係式が用いられます。凝固時間は (V/A)² に比例し、ケイン曲線上で鋳物・ライザー組み合わせの点が曲線の右側にあれば適切です。複雑形状では形状因子 (l+w)/h を用いたライザー曲線（図2.32）で簡易判定可能です。
ライザーからの給湯距離には限界があり、鋼板厚tで最大4.5t（ライザー縁から）、角棒側面sで最大30√sです。チル（冷却ブロック）を用いると熱勾配が鋭くなり給湯距離が延びます。単一ライザーならチルを端に、複数なら中間に配置します（図2.35）。
エキゾチック化合物（酸化鉄・クロム・ニッケル・銅＋アルミ粉末等）をライザーに添加し発熱させ、溶湯状態を長く保つ手法もあります。断熱パッド・スリーブで保温することも有効です。
ステップ4：欠陥と検査
砂型鋳造の主な欠陥（21種類）
- ブロー：コープ面の大きな丸いガス孔。適切なベントと透気性、水分・揮発分管理で防止。
- スカーフ：平坦面の浅いブロー。
- ブリスター：薄い金属層で覆われたスカーフ。
- ガスホール：溶湯中の過剰溶解ガスによる球状ボイド。
- ピンホール：表面直下の微小ブロー、多数均一に分布。
- ポロシティ：凝固時ガス溶解度低下による微細孔の均一分散。
- ドロップ：コープから落下した砂による不規則突起。砂強度確保とガッガーで防止。
- インクルージョン：金属基地中の非金属粒子。偏在すると有害。
- ドロス：表面の軽量不純物。ストレーナー、スキムボブで除去。
- ダート：コープから落下した砂粒が表面に埋まり、除去後に残る角張った小孔。重要面はドラグ側に配置すべき。
- ウォッシュ：底部ゲーティングの高速ジェットによるドラグ面侵食。
- バックル：高温金属の平板鋳物で、型面砂の熱膨張がフラスクに阻害されV字凹みとなる。揮発性添加剤で緩和。
- スカブ：盛り上がった砂層と金属ストリンガーを伴う粗い薄層突起。
- ラットテイル：薄肉鋳物の長い浅い角張った凹み。バックルと同機構で砂層がずれて発生。
- ペネトレーション：柔らか多孔質な型面に溶湯が砂粒間へ浸透し粗面化。融着砂で光沢粗面となる。
- スウェル：高水分砂の静水圧で垂直面が変形。
- ミスラン：過熱不足で最遠部到達前に凝固し未充填となる欠陥。
- コールドシャット：両側ゲートからの溶湯が中央で合流せず未融合となる欠陥。
- ホットティア：高残留応力による凝固割れ。
- 収縮キャビティ：不適切なライザーによる収縮空孔。
- シフト：型半分またはコアのミスアライメントによる寸法ズレ。
鋳造品の非破壊検査
- 目視検査：粗面、シフト、コア欠落、表面割れを検出。木槌で叩き音色で割れ判定も可能。
- 圧力試験：圧力容器用鋳物に実施。フランジ・ポートを塞ぎ水・油・圧縮空気を充填、石鹸水浸漬で漏れを泡で確認。
- 磁粉探傷：強磁性材料の表面・近表面微小ボイド・割れ検出。磁場漏れに磁粉が集まり不連続部を可視化。
- 浸透探傷：非磁性材料の表面微小欠陥検出。蛍光染料を塗布・拭き取り暗所観察で欠陥発光確認。
- 放射線透過試験：内部欠陥探査に用いる高コスト手法。X線・γ線でボイド、介在物、ポロシティ、割れを検出。欠陥部はフィルム上で濃淡差として現れる。
- 超音波探傷：超音波パルスを送信し、不連続面での反射波到達時間で欠陥位置特定。高減衰材（鋳鉄等）には不向き。
産業技術