金属鋳造プロセス：溶湯から完成部品へ

金属鋳造は、金属で作られた材料を製造するプロセスです。熱い液体金属の成形のための成形プロセスです。ニアネットシェイプ製品への最もシンプルで直接的なルートであり、しばしば最も安価です。液体金属を、所望形状の空洞キャビティを含む型（モールド）に注湯し、冷却凝固させるプロセスです。凝固した部品も鋳物（キャスティング）と呼ばれ、型から取り出しまたは排出されてプロセスが完了します。鋳造は、他の方法では困難または非経済的な複雑形状の製造に非常によく使用されます。

金属鋳造プロセス（図1）には、2つの明確な細分類があります。（1）非消耗型鋳造、（2）消耗型鋳造。さらに型材料（砂または金属）、注湯方法（重力、真空、低圧）で細分化されます。

非消耗型鋳造プロセス

非消耗型鋳造は、各生産サイクル後に型を再形成する必要のない鋳造プロセスです。非消耗型鋳造は、少なくとも4つの異なる鋳造プロセスを持つ鋳造技術です。これらは（1）連続鋳造、（2）遠心鋳造、（3）ダイカスト、（4）永久型鋳造。この形態の鋳造も、生産部品の再現性向上とニアネットシェイプ鋳造を実現します。

連続鋳造プロセス

金属連続鋳造は、一定断面の金属形状を大量に連続生産するための洗練された鋳造プロセスと定義できます。プロセス中、液体金属を水冷式開放端銅型に注湯。これにより「まだ液体の」中心部の上に固体金属の薄皮が形成されます。連続鋳造では液体金属が外側から中心に向かって徐々に凝固。初期凝固後、ストランド（しばしばそう呼ばれる）が型から連続的に引き抜かれます。所定長さのストランドがメカニカルシアーまたは移動式酸素燃料トーチで切断され、さらなる成形プロセスまたは中間貯蔵へ移送。鋳造サイズはスラブ、薄板スラブ、ストリップ、ブルーム、ビレットに対応。連続鋳造は、標準製品の連続生産が要求され、最終製品品質の向上も必要な場合に通常使用。費用対効果が高いため広く使用されています。連続鋳造される金属は鋼、アルミニウム、銅、鉛。

遠心鋳造プロセス

遠心鋳造はアルフレート・クルップによって発明され、1852年に鉄道車輪用鋳鋼タイヤ製造に使用されました。このプロセスでは液体金属を型に注湯し、型を回転させながら凝固させます。金属は型の回転軸上、中心に注がれます。遠心力により、液体金属が外周方向に投げ出されます。

遠心鋳造は、液体金属注湯時に高速回転（300〜3000 rpm）する永久型を使用。遠心力で金属が型内壁側に投げ出され、冷却後に凝固。この方法で鋳造された部品は、型表面でのチリング効果により外径側に微細結晶粒ミクロ組織を持ちます。外表面の微細結晶粒組織により鋳造部品は大気腐食に耐性を持つため、この方法は管製造に使用されてきました。金属は不純物より重いため、大半の不純物と介在物は内径側に近く、機械加工で除去可能。内径側の表面仕上げは外表面よりはるかに劣ります。

遠心鋳造機は水平軸または垂直軸のいずれか。水平軸機は長尺薄肉シリンダーに、垂直機はリングに好まれます。遠心鋳造では鋳造品が外側から先に凝固。この側面を利用して鋳造品の方向性凝固を促進し、有用な冶金的特性を付与。場合によっては内外層を除去し、中間の柱状結晶部分のみを使用。

ダイカストプロセス

ダイカストは、液体金属を高圧で型キャビティに押し込むことで特徴づけられる金属鋳造プロセスです。型キャビティは、工具鋼製の2つの硬化ダイを使用して作成。これらのダイは形状に機械加工され、プロセス中は射出成型型と同様に機能。ダイカストの大半は、特定の亜鉛、銅、アルミニウム、マグネシウム、鉛、ピューター（スズ・銅・アンチモン合金）、スズベース合金から製造。鉄系金属ダイカストも可能。

鋳造金属/合金タイプに応じて、ホットチャンバーまたはコールドチャンバーマシンを使用。ホットチャンバープロセス（亜鉛合金、マグネシウム用）では、ダイキャビティに接続された圧力室が液体金属で常時満たされます。基本操作サイクル：（1）ダイ閉鎖とグースネックシリンダーへの液体金属充填、（2）プランジャーが液体金属をグースネック通路とノズルを通してダイキャビティに押し込み、金属が凝固するまで圧力保持、（3）ダイ開放、コアがあれば後退、鋳物はエジェクタダイに残留、プランジャー戻り、ノズルとグースネックを通じて液体金属を吸い戻し、（4）エジェクタピンが鋳物をエジェクタダイから押し出し。プランジャーが吸入孔を露出させると、液体金属がグースネックシリンダーを再充填。ホットチャンバープロセスは、（1）低融点、（2）ダイ材料（鋼）と合金化しない金属に使用。例：スズ、亜鉛、鉛。

コールドチャンバープロセスでは、液体金属を各サイクルでコールドチャンバーに湯注。操作サイクル：（1）ダイ閉鎖と液体金属をコールドチャンバーシリンダーに湯注、（2）プランジャーが液体金属をダイキャビティに押し込み、高圧で保持して凝固、（3）ダイ開放、プランジャーがシリンダーから凝固スラグを押し出し、コアがあれば後退、（4）エジェクタピンが鋳物をエジェクタダイから押し出し、プランジャーが元位置に戻る。このプロセスはアルミニウム、銅（とその合金）など高融点金属に特に有用。

鋳造設備と金属ダイに多額の設備投資が必要なため、このプロセスは大量生産に限定される傾向があります。ダイカストを用いた部品製造は、主要4ステップのみで比較的シンプルであり、アイテムあたりの増分コストを低く抑制。特に多数の小〜中型鋳造品に適しています。このため、ダイカストは他の鋳造プロセスより多くの鋳造品を生産します。

ダイカストには2つのバリエーションがあります：（1）ポアフリーダイカスト：ガス気孔欠陥を排除、（2）ダイレクトインジェクションダイカスト：亜鉛鋳造でスクラップ削減と歩留まり向上に使用。

ダイカスト法は、より精密な部品が必要な場合に使用。多数の小〜中型部品が、良好なディテール、優れた表面品質、寸法安定性とともに必要な用途に特に適しています。

半固相金属（SSM）鋳造は、多くのダイカストに通常存在する残留気孔を低減・排除する改良ダイカストプロセス。液体金属を原料とする代わりに、SSM鋳造は部分的に固体で部分的に液体の高粘度原料を使用。改良ダイカストマシンで、再利用可能な硬化鋼ダイに半固相スラリーを射出。半固相金属の高粘度と制御されたダイ充填条件の使用により、半固相金属が非乱流でダイを充填し、有害気孔を本質的に排除可能。SSM鋳造は主にアルミニウムとマグネシウム合金で商業利用。これらの鋳造品はT4、T5、T6テンパーに熱処理可能。熱処理、高速冷却（無コート鋼ダイ使用）、最小気孔の組み合わせにより、優れた強度と延性の組み合わせを提供。SSM鋳造のその他利点：複雑形状部品生産能力、ニアネットシェイプ、気密性、厳密寸法公差、薄肉鋳造能力。

永久型鋳造プロセス

永久型鋳造は、再利用可能な型（永久型）を使用する金属鋳造プロセスで、通常金属製。最も一般的なプロセスは重力で型を充填。しかしガス圧や真空も使用。典型的重力鋳造プロセスの変種であるスラッシュ鋳造は、中空鋳造品を生産。一般的鋳造金属：アルミニウム、マグネシウム、銅合金。その他材料：スズ、亜鉛、鉛合金。鉄と鋼もグラファイト型で鋳造可能。永久型は1回以上の鋳造に耐えるが、摩耗する前の寿命は限定的。

ここでは、型の2半分が金属製、通常鋳鉄、鋼、耐火合金。キャビティ（ランナーとゲートシステム含む）が型半分に機械加工。中空部品には永久コア（金属製）または砂結合コアが通常使用され、コアが鋳造後、部品から損傷なしで抜き取れるかどうかに依存。型表面は粘土や他の硬質耐火材でコーティングされ、型寿命向上。鋳造前、表面にグラファイトまたはシリカスプレーで覆い、潤滑剤として機能。これには2つの目的：（1）液体金属流動改善、（2）鋳造部品を型からより容易に引き抜き可能。プロセスは自動化可能、したがって高スループット率達成。また、非常に良好な公差と表面仕上げを生産。

鋳造用型は2半分で構成。鋳造型は一般にグレイ鋳鉄から形成され、これが最良の熱疲労耐性を持つため。その他材料：鋼、青銅、グラファイト。これらの金属は耐食食と熱疲労耐性のため選択。型は通常それほど複雑ではない。型は収縮補償のための崩壊性を提供しないため。代わりに鋳造凝固直後に型を開放し、ホットティア（熱割れ）を防止。コア使用可能、通常砂または金属製。型は初回鋳造サイクル前に予熱、その後連続使用し、サイクル間で可能な限り均一温度維持。これにより熱疲労低減、金属流動促進、鋳造金属冷却速度制御に寄与。ベント（ガス抜き）は通常2型半分の微細な隙間で発生、十分でない場合は非常に小さなベントホール使用。空気は逃がすが液体金属は逃がさない十分小さなサイズ。ライザー（湯道）も収縮補償で使用。通常歩留まりを60%未満に制限。ピン形機械イジェクタが、コーティングだけでは鋳物を型から取り出せない場合に使用。これらのピンは型全体に配置され、通常鋳物に小さな丸い跡を残す。

永久型鋳造の4つの主要タイプ：（1）重力、（2）スラッシュ、（3）低圧、（4）真空。

重力プロセスは、型を150-200℃に予熱して流動性向上と鋳造品への熱的ダメージ軽減で開始。型キャビティを耐火材料または型洗浄剤でコーティング、鋳造品の型付着防止と型寿命延長。砂または金属コアを設置し、型をクランプ閉鎖。液体金属を型に注湯。凝固直後に型を開放し鋳造品を取り出し、ホットティア発生機会減少。プロセスを繰り返すが、前回鋳造の熱が十分で耐火コーティングも通常数回鋳造持続するため予熱不要。金属は実用的な最低温度で注湯し、クラックと気孔を最小化。

スラッシュ鋳造プロセスは、中空鋳造品作成のための永久型鋳造変種。プロセスでは液体金属を型に注湯し、型内に材料シェルが形成されるまで冷却。残りの液体金属を注ぎ出し、中空シェルを残す。結果として得られる鋳造品は良好な表面ディテールだが、肉厚は変動可能。通常低融点金属に使用。ソリッド鋳造より少ない材料使用、より軽量で安価な製品。中空鋳造フィギュアは一般に余剰液体を注ぎ出した小さな穴を持つ。同様に「スラッシュモールディング」は自動車熱可塑性ダッシュボード製造で使用され、液体樹脂を熱い中空型に注ぎ、粘性スキン形成後、余剰スラッシュを排出、型冷却、成形品をストリップアウト。

低圧永久型鋳造は、通常20-100kPaの低圧ガスを使用して液体金属を型キャビティに押し込み。圧力を液体プール頂部に加え、液体金属を耐火注湯管を通って上昇させ、最終的に型底部へ。注湯管はレードル底部まで延び、型に押し込まれる液体金属が非常に清浄。ライザー不要、印加圧力が収縮補償のため液体金属を押し込むため。歩留まり通常85%以上、ライザーなしで注湯管内金属はレードルに戻り再利用。低圧永久型鋳造の大半はアルミニウムとマグネシウム、一部銅合金。利点：定圧による型充填時の乱流極めて少なく、ガス気孔とドロス形成を最小化。機械的特性は重力永久型鋳造より約5%向上。欠点：サイクルタイムが重力永久型鋳造より長い。

真空永久型鋳造は、低圧永久型鋳造のすべての利点を保持し、さらに液体金属中の溶解ガスを最小化、液体金属清浄度がさらに向上。薄肉プロファイル対応可能、非常に良好な表面仕上げ。機械的特性は通常重力永久型鋳造より10-15%向上。

消耗型鋳造プロセス

消耗型鋳造は、砂、プラスチック、シェル、プラスター、インベストメント（ロストワックス法）型鋳造を含む総称分類。この型鋳造方法は、一時的で非再利用可能な型の使用を伴います。

砂型鋳造プロセス

砂型鋳造プロセス（砂型鋳造とも呼ばれる）は、最も人気がありシンプルな鋳造タイプの一つ。プロセスは型材料として砂を使用。数世紀にわたり使用されてきました。砂型鋳造は永久型鋳造より小ロットを低コストで可能。使用砂タイプに依存してほとんどの金属を鋳造可能。砂型鋳造品はファウンドリと呼ばれる専門工房で生産。全金属鋳造の70%以上が砂型鋳造プロセスで生産されています。

鋳造用砂は比較的安価で、鋼鋳造生産でも十分な耐火度。砂に加え、適切な結合剤（通常粘土）が混合または砂と共存。混合物は通常水で湿潤、時には他物質で、粘土の強度と可塑性を発現させ、型造りに適した骨材に。砂は通常フレームまたは型箱システムに収容。型キャビティとゲートシステムは、砂に直接彫刻されたパターン周りに砂を締め固めることで作成。

砂型鋳造は、高出力レート（1-20個/時・型）生産で数日、時には数週間のリードタイム必要、大型部品生産では比類なきもの。湿潤（グリーン）砂には実質的部品重量制限なし、乾燥砂では実用的部品質量限界2,300-2,700kg。最小部品重量0.075-0.1kg。砂は粘土、化学バインダー、重合油（モーターオイル等）で結合。砂はほとんどの操業で多回リサイクル可能、メンテナンス少なめ。

砂型鋳造は天然または合成砂（湖砂）を使用、主にシリカ（SiO₂）と呼ばれる耐火材料。砂粒は密に充填できるほど小さく、金属注湯時に形成されるガスが孔隙を通じて逃げられるほど大きくなければならない。大型型はグリーンサンド（砂、粘土、水の混合物）使用。砂は再利用可能、余剰注湯金属も切断再利用。典型的砂型は2部分：上半分はコープ、下半分はドラッグ。液体は2部分間の隙間、型キャビティに流入。キャビティ形状は、所望部品形状と（ほぼ）同一の木製形状、パターンで作成。漏斗形キャビティあり。漏斗頂部が注湯カップ、漏斗管状首部がスプルー。液体金属を注湯カップに注ぎ、スプルーを流下。ランナーはスプルー底部と型キャビティを接続する水平中空チャネル。ランナーがキャビティと接合する領域をゲートと呼ぶ。余分なキャビティを型上面に接続して作成。余剰液体金属がこれらのキャビティ、ライザーに流入。これらは貯留槽として機能。キャビティ内で金属凝固時に収縮し、ライザーから余分な金属が流れ戻り、鋳造部品の穴を防止。ベントはキャビティと大気を接続する狭い穴で、キャビティ内のガスと空気逃がし用。コアを挿入して鋳造部品の内部表面作成。多くの鋳造部品が内部穴（中空部品）や、型のどちらの部分からも直接アクセスできない他のキャビティを形状に持つため必要。コアは砂をバインダーと共に焼成し、取り扱い時に形状保持可能にして作成。型はコアをドラッグキャビティに配置し、コープを上に載せて組立。組立後型をロック。鋳造完了後、砂を振落とし、コアを引き抜き通常破砕。

プラスター型鋳造プロセス

プラスター型鋳造プロセスは砂型鋳造と類似だが、型材料として砂の代わりにプラスターオブパリ（石膏、CaSO₄）を使用。プラスターは純粋なプラスターオブパリではなく、グリーン強度、乾燥強度、透過性、鋳造性向上のための添加剤を含む。例：タルクまたは酸化マグネシウム添加でクラック防止と凝固時間短縮。石灰とセメント添加で焼成時膨張制限、ガラス繊維添加で強度向上。砂を充填材として使用可能。成分比：石膏70-80%、添加剤20-30%。

プラスターオブパリは微細白色粉末で、水と混ぜると粘土状になりパターン周りに成形可能。プラスター鋳型は非常に良好な表面仕上げと寸法精度で仕上げ可能。しかし、比較的軟らかく1200℃以上では十分な強度がないため、主に亜鉛、銅、アルミニウム、マグネシウムなど非鉄金属鋳造に使用。

プラスター型鋳造では、まずプラスターを混合し、パターンに薄い剥離剤フィルムをスプレーしてプラスターのパターン付着防止。プラスターをパターン上に注ぎ、ユニットを振動させ微細特徴にプラスター充填。プラスターは一般に約15分で凝固、パターンを除去。型を120-260℃で焼成、余分な水分除去。乾燥型を組立、予熱、金属注湯。最終的に金属凝固後、プラスターを鋳造部品から破砕除去。使用済みプラスターは再利用不可。

プラスターは熱伝導率が低いため、鋳造品はゆっくり冷却され、より均一な結晶粒構造（すなわち歪み減少、残留応力減少）を持ちます。

一般に型準備に1週間未満、その後生産レート1-10個/時・型達成、45kgまでの大型品から30gの小型品まで、非常に良好な表面仕上げと厳密公差で製造可能。プラスター型鋳造は、プラスターの低コストとニアネットシェイプ鋳造生産能力により、複雑部品の他鋳造プロセスへの安価な代替手段。

シェルモールディングプロセス

シェルモールディングプロセス（シェルモールド鋳造とも呼ばれる）は、樹脂被覆砂で型を形成する消耗型鋳造プロセス。シェルモールディングは砂型鋳造と類似だが、モールディングキャビティがフラスク充填砂ではなく、硬化した砂の「シェル」で形成される点が異なる。使用砂は砂型鋳造砂より微細で、パターンで加熱されパターン周りにシェルとして硬化するよう樹脂と混合。樹脂と微細砂により、遥かに優れた表面仕上げを実現。プロセスは容易に自動化可能で砂型鋳造より高精度。高精度が必要な小〜中型複雑品に理想的。砂型鋳造と比較して、このプロセスはより良い寸法精度、高い生産性、低い労働要求を実現。

シェルモールディングプロセスでは、砂型鋳造と同様に液体金属を消耗型に注湯。型はパターン周りに砂-樹脂混合物を適用して作成される薄肉シェル。パターンは所望部品形状の金属片で、複数のシェルモールド形成に再利用。再利用可能パターンで高生産率実現、使い捨て型で複雑形状鋳造可能。シェルモールディングプロセスには金属パターン、オーブン、砂-樹脂混合物、ダンプボックス、液体金属が必要。

シェルモールディングプロセスでは鉄系・非鉄系両金属使用可能、最も一般的に鋳鉄、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、銅合金。典型部品は小〜中型で高精度要求、ギアハウジング、シリンダーヘッド、コンロッド、レバーアーム等。

シェルモールディングプロセスはより良い表面品質と公差を実現。プロセスは金属2分割パターン（アルミニウムや鋼等）作成、175-370℃に加熱、潤滑剤（シリコンスプレー等）コーティングで構成。加熱された各半分パターンを砂と熱硬化性樹脂/エポキシバインダー混合物で被覆。バインダーが砂層をパターンに接着しシェル形成。プロセス繰り返しでより厚いシェル可能。その後組立を焼成し硬化。パターン除去、2半分シェル結合で型形成。金属を型に注湯。金属凝固後、シェルを破砕して部品取り出し。

インベストメント鋳造プロセス

インベストメント鋳造プロセスはロストワックス鋳造プロセスとしても知られます。数千年にわたり実践されてきたプロセスで、ロストワックスプロセスは最古の金属成形技術の一つ。5000年前にミツロウがパターンだった時代から、今日のハイテクワックス、耐火材料、特殊合金まで、鋳造品は精度、再現性、汎用性、完全性という主要メリットで高品質コンポーネント生産を保証します。

インベストメント鋳造の名は、パターンが耐火材料でインベスト（投資・包囲）される事実に由来。ワックスパターンは極めて慎重な取り扱いが必要で、型製造中に遭遇する力に耐える十分な強度がないため。インベストメント鋳造の利点の一つはワックスが再利用可能なこと。

インベストメント鋳造プロセスのステップ：（1）ワックスパターンを射出成形で生産、（2）複数パターンを中央ワックススプルーに組立、（3）組立を液体セラミックスラリーに浸漬、次に極微細砂床に浸漬、複数層必要な場合あり、（4）セラミック乾燥、ワックス溶出、セラミック焼成で全ワックス除去、（5）重力注湯でシェルに液体金属充填。凝固時、部品、ゲート、スプルー、注湯カップが一体の鋳造品に。余剰金属を凝固前に注ぎ出すことで中空鋳造も可能、（6）金属凝固後、セラミックシェルを振動またはウォーターブラストで破砕除去、（7）部品を高速摩擦鋸でスプルーから切断、最終部品に微細仕上げ。

このプロセスは、多様な金属と高性能合金からニアネットシェイプコンポーネントの反復生産に適しています。一般に小型鋳造品に使用されますが、このプロセスで航空機ドアフレーム全体（鋼鋳造300kgまで、アルミニウム鋳造30kgまで）を生産した実績も。ダイカストや砂型鋳造など他鋳造プロセスと比較すると高コストプロセスとなり得ます。しかし、インベストメント鋳造で生産可能なコンポーネントは複雑な輪郭を組み込め、ほとんどの場合ニアネットシェイプで鋳造されるため、鋳造後ほとんどまたは全くリワーク不要。

真空鋳造プロセス

このプロセスはカウンターグラビティ鋳造とも呼ばれます。空気巻き込みが問題、複雑なディテールやアンダーカットがある、材料が繊維・ワイヤー強化されている場合に使用。基本的にインベストメント鋳造と同一プロセス、ただし型充填ステップ（上記ステップ5）が異なります。この場合、真空ポンプで材料を上向きに型へ吸引。型は通常鋳造プロセスから見て反転位置に現れ、液体金属入りフラスクに降下。真空鋳造の利点：型充填後短時間圧力解放で、未凝固金属をフラスクに戻せる。これにより中空鋳造品作成可能。熱の大半が型と金属間表面から伝導除去されるため、型表面に最も近い金属部分が常に最初に凝固。凝固フロントがキャビティ内部へ進行。したがって充填直後に液体を排出すれば、非常に薄肉の中空物体を得ることが可能。

消失パターン鋳造プロセス

消失パターン鋳造プロセスは、液体金属を型キャビティに注湯すると蒸発する材料で作られたパターンを使用する鋳造プロセスタイプ。これは鋳造前にパターン材料を型から除去する必要がないことを意味。最も一般的な消失パターン材料はポリスチレンフォーム。2つの主要プロセスはロストフォーム鋳造とフルモールド鋳造。

ロストフォーム鋳造は、ワックス代わりにフォームをパターンに使用する点を除きインベストメント鋳造と類似の消失パターン鋳造プロセス。フォームの低沸点を利用し、ワックスを型から溶出させる必要を除去することでインベストメント鋳造プロセスを簡素化。

フルモールド鋳造は、砂型鋳造とロストフォーム鋳造を組み合わせた消失パターン鋳造プロセス。膨張ポリスチレンフォームパターンを使用し、砂型鋳造のように砂で囲む。金属を直接型に注湯し、接触時にフォームを気化。

主な違いは、ロストフォーム鋳造が非結合砂を使用、フルモールド鋳造が結合砂（またはグリーンサンド）を使用する点。この違いは非常に小さいため、用語に多くのオーバーラップがあります。これらのプロセスを記述する多くの非独自用語が使用されてきました。キャビティレス鋳造、蒸発フォーム鋳造、フォーム気化鋳造、ロストパターン鋳造、キャストラルプロセス、発泡スチロールモールディング等。独自用語：スタイロキャスト、フォームキャスト、レプリカスト、ポリキャスト等。