アルミニウム鋳造方法の解説：適切な技術の選択

アルミニウム鋳造方法は、砂型鋳造、ダイカスト、圧力ダイカスト、連続鋳造、シェルモールド鋳造など、様々な製造プロセスで異なります。各アルミニウム鋳造プロセスにはそれぞれ利点と欠点があります。鋳造のサイズと複雑さに応じて、最も適した方法を選択できます。

アルミニウムは、非産業用と産業用の両方で、様々な鋳造部品に幅広く適用されています。「アルミニウム部品をどう鋳造するか」と疑問に思う方々への答えは、アルミニウム鋳造所が様々な鋳造技術を使用しており、品質がどの技術が適しているかを決める重要な要因の一つだということです。

鋳造品質は、鋳造の内外両面とその強度・延性の尺度です。エンジニアは常にアルミニウム鋳造方法の利点を伸ばし、欠点を克服して、製品品質を向上させ、顧客ニーズを最適に満たさなければなりません。

アルミニウム鋳造方法の比較：

鋳造プロセス	サイズ範囲	公差	金型コスト	大量生産時の相対コスト	少量生産時の相対コスト	表面仕上げ	最小テーパー角	最小肉厚
砂型鋳造	全サイズ	0-3″=1/32″ 3″-6″=3/64″ 6+″=1/18″. パーティングライン越えで小型鋳造に0.020″、大型に0.090″追加	$50-$15,000	低	最低	175-350 RMS	1-5°	0.125″-0.25″
圧力ダイカスト	小型	0.002″未満ではない. パーティングライン影響寸法に.010″追加	$5,000-$150,000	最低	最高	20-90 RMS	1-3°	0.050″ 小部品 0.080″ 中部品
シェルモールド鋳造	通常最大80cm²使用可能金型面積	1″=0.004″ 1″-3″=0.010″ 3″-6″=0.013″ 6″-12″=0.016″ 12″-20″=0.020″. パーティングライン越えで0.005″-0.010″追加	$1,500-$25,000	中	中	75-125	外側: 0-1.5° 内側: 0-2°	0.100″
金型鋳造（パーマネントモールド）	0.25kg-50kg	0.015″-1″. パーティングライン越えで小型±0.010″、大型±0.030″追加	$1,500-$55,000	低	最低	125-200 RMS	2-4°	0.100″-0.150″
インベストメント鋳造（ロストワックス）	1オンス-100ポンド	±0.005″-3″ ±0.002″以降	$500-$20,000	最高	中	60-120 RMS	不要	0.3″
遠心鋳造	直径: 1-120″. 長さ: 最大50ft. 重量: 最大5トン	円筒形±0.01″. 複雑形状±0.002″	情報なし	低	中	円筒形63-500μin 複雑形状32-500μin	不要	0.1-5.0″
連続鋳造	最大0.2-1m	ー	ー	低	高	ー	不要	形状依存

アルミニウム鋳造方法の議論

1. アルミニウム砂型鋳造

砂型鋳造は約2000年前に登場した最古の鋳造方法の一つです。アルミニウム金属が20世紀初頭から普及し始めて以来、アルミニウム鋳造に使用されてきました。

アルミニウム砂型鋳造では、金型は砂と結合剤で作られ、パターンが金型内に配置されて締め付けられます。

パターンを引き抜くと、アルミニウム鋳造形状のレプリカである金型空洞が形成されます。

ゲーティングシステムを通じて溶融アルミニウムが金型空洞に注湯され、凝固します。鋳造が冷却されると、鋳造工は砂型を破壊し、鋳造品を取り出します。

今日、砂型鋳造技術の改良により、アルミニウム砂型鋳造の重量と平均サイズが増加しています。多くの砂型鋳造アルミニウム製品は50kg以上、中には100m³ほどの大型鋳造もあります。

砂型鋳造に関する記事はこちらを参照してください。

アルミニウム砂型鋳造の利点

• 低コスト
• 少量・大量注文を問わず製造数の柔軟性
• ホットショートネスを持つ合金を含め、あらゆるアルミニウム合金を砂型鋳造可能
• グリーンサンドは圧縮強度が低く、ホットクラック欠陥のリスクを最小化
• パターン設計の調整に柔軟に対応可能

アルミニウム砂型鋳造の欠点

• 表面仕上げが滑らかではない。サンドブラスト処理で表面品質を向上可能
• 他のアルミニウム鋳造方法より鋳造サイズの公差が大きい

アルミニウム鋳造収縮の計算方法：https://vietnamcastiron.com/aluminum-casting-shrinkage/

アルミニウム砂型鋳造の用途

このアルミニウム鋳造プロセスはほぼすべての部品をあらゆるサイズで製造可能であるため、ほとんどの用途を挙げるのは困難です。

適度な予算があり、表面仕上げにそれほど高い要求のないアルミニウム製品を鋳造したい場合、砂型鋳造が第一選択です。

2. アルミニウム圧力ダイカスト

ダイカストにはアルミニウム高圧ダイカストとアルミニウム低圧ダイカストの2種類があります。

高圧アルミニウムダイカスト

高圧アルミニウムダイカストは、溶融アルミニウムを高圧（約1200 bar）でシリンダー・ピストンを通じて鋼製金型に圧入することで鋳造部品を製造するアルミニウム鋳造プロセスです。

液体アルミニウムは高速で注入され、急速に凝固してアルミニウム鋳造部品を形成します。

高圧アルミニウムダイカストには2種類の鋳造室があります：

• ホットチェンバー：シリンダーとピストンが炉システム内に位置し、アルミニウム合金の融点と同じ温度を持つ鋳造室。
• コールドチェンバー：溶融アルミニウム合金をシリンダーに注ぎ、ピストンが高圧で金属を金型に押し込む鋳造室。このピストンは炉に配置されず、冷たいと見なされる。コールドチェンバーは主にアルミニウム合金で使用される。

アルミニウム高圧ダイカストは、約5kg、薄い切断面、約0.4mm厚の小型ディテールの大量生産に適しています。アルミニウム鋳造部品が大きくなるほどコストは高くなります。

低圧アルミニウムダイカスト

低圧アルミニウムダイカストでは、圧力調整可能な坩堝（通常0.7 bar）から液体金属で金型が充填されます。

金属アニーリング炉は下部に位置し（高圧ダイカストの水平配置とは異なり）、溶融アルミニウムは底部から直接金型を充填するようポンプアップされます。

アルミニウム低圧ダイカストは、肉厚3mm以上のアルミニウム鋳造部品製造に適しており、重量は最大150kgまで可能です。

ダイカストでは、アルミニウム合金が最も頻繁に鋳造される金属の一つで、他の金属鋳造方法の2倍の使用量を占めています。

ダイカスト法で使用されるアルミニウム合金の種類

• 380.0 (Al + Si + Cu + Mg)：鋳造アルミニウム合金、高機械的強度、良好な耐食性、高流動性、低価格。ギアボックス鋳造によく使用。現在、プレスダイアルミニウム鋳造で使用されるアルミニウム合金の85%を占める。
• A360.0（Cu量減少）：高級鋳造アルミニウム合金、不純物が少なく、380より優れた耐食性。楽器、耐食ディテール鋳造に使用。
• 413.0 (Al + Si)：鋳造合金、360より優れた耐食性。ピストル、クランクシャフト鋳造によく使用。
• 518 (Al + Mg)：最高のインゴット合金、最高の耐摩耗性だが流動性が低く鋳造困難、高コスト。

ダイカストの利点

• アルミニウム鋳造の厳しい公差
• 表面が滑らかで光沢があり、表面欠陥が少なく、塗装コーティングの適用が容易
• アルミニウム結晶粒が緻密で小さく滑らかで、高い機械的特性と良好な耐摩耗性を実現
• 自動生産ラインに適している

ダイカストの欠点

• 溶融アルミニウムが高速で注入され急冷するため、凝縮ガスが鋳造内に巻き込まれ、溶接と熱処理が困難。鋳造内のガス対策には真空脱気技術を使用可能。凝固温度範囲の狭いアルミニウム合金を選択すべき。
• 運用と金型の投資コストが高く、大量注文のみに適する
• 砂型鋳造法のように製品設計の調整が非常に困難
• 高圧合金流により金型が急速に摩耗

ダイカストの用途

このアルミニウム鋳造プロセスは、照明部品のようなシンプルなコンポーネントから、エンジン、トランスミッションハウジング、ホイール、自動車サスペンション、宇宙船のような複雑なコンポーネントまで幅広い用途を持ちます。

3. シェルモールドアルミニウム鋳造

シェルモールディングは、熱硬化性フェノール樹脂で作られた金型を用いる成形技術です。

まず、パターンの2半分が金属から設計・作成され、加熱され潤滑剤でコーティングされます。次に、上記で準備した樹脂砂チャンバーにパターンを配置し、逆さまにします。樹脂砂の混合物がパターンに付着し硬化してシェルを形成します。

パターンを取り除くとシェルが残ります。パターンの2半分で約10-20mm厚の2つのシェルモールドが形成されます。これら2つのシェルモールドを組み立てて完全な金型を形成します。液体アルミニウムを金型に注湯し、鋳造形状に凝固させます。

この時点で、金型のシェルを破壊するだけで鋳造品を回収できます。

シェルモールドアルミニウム鋳造は、中空コアまたはダイカストの製造に適したアルミニウム鋳造方法の一つです。

シェルモールド鋳造の利点

• 表面仕上げの完成度が比較的高い
• 鋳造サイズがより正確で、公差が厳しい
• パターンが再利用可能

シェルモールド鋳造の欠点

• 高い生産コスト
• 大型・複雑な鋳造では鋳造が容易ではない

シェルモールド鋳造の用途

このアルミニウム鋳造プロセスは、シリンダーヘッド、コンロッド、エンジンブロックとマニホールド、マシンベース、トラックフード、バルブボディなどの鋳造に適用可能です。

4. 金型鋳造（パーマネントモールド）アルミニウム鋳造

金型鋳造アルミニウム鋳造は、金属型鋳造としても知られ、圧力ダイカストと同様に金属を金型材料として使用するアルミニウム鋳造方法の一つです。したがって、液体アルミニウムは重力によって金型に押し込まれるため、注湯速度はかなり低くなります。

金属製金型のため、鋳造冷却速度は速いです。金型は長寿命であるため、パーマネントモールド（永久金型）と呼ばれます。

金型鋳造アルミニウム鋳造は、高圧ダイカストより大きな質量、約10kgの鋳造に適しています。体積が大きくなるほどコストは高くなります。

熱処理方法と組み合わせれば、金属型の機械的特性は向上します。小型鋳造は急速に冷却するため、熱処理は不要です。

最大機械的特性を得るには、高温で特殊溶液処理を行い、冷却して自然または人工時効を行います。

金型鋳造アルミニウム鋳造で使用されるアルミニウム合金

• 366：ピストルと自動車製造
• 355.0、C355.0、A357.0：ギアボックス製造、ロケット部品などの高強度コンポーネント
• 356.0、A356.0：機械部品、航空機ホイールなど

金型鋳造アルミニウム鋳造の利点

• 鋳造の急速冷却によりアルミニウム鋳造特性が高い
• アルミニウム収縮率とガス気孔欠陥が低い。寸法公差は約1mmのみ
• 良好な表面品質 1-6μm Ra
• スクラップが少ない

金型鋳造アルミニウム鋳造の欠点

• 高コスト
• 高複雑性・大型のアルミニウム鋳造製品の製造が困難
• 製品設計の調整が困難

金型鋳造アルミニウム鋳造の用途

自動車産業では、ギア、鋳造品、サスペンション、燃料噴射ハウジング、エンジンピストンなどの部品製造に。航空機部品も金型鋳造アルミニウム鋳造でよく作られます。

このアルミニウム鋳造プロセスは、自動車と航空機産業でギア、サスペンション、ピストル、燃料ハウジングなどの部品製造に使用されます。

5. アルミニウムインベストメント鋳造（ロストワックス鋳造）

アルミニウムインベストメント鋳造、別名アルミニウムロストワックス鋳造は、プレハブ金属またはゴム金型にワックスまたは熱可塑性プラスチックを挿入するアルミニウム鋳造方法です。

ワックスパターンは収集されツリー枝状に組み立てられ、ゲーティングシステムに接続されて同一バッチで鋳造されます。ワックスパターンには今、耐火材料でインベストメント（被覆）が施されます。このプロセスは外殻が5-15mmの厚さになるまで繰り返されます。このシェルがインベストメントモールドです。

その後、ツリーを乾燥・加熱し、内部のワックスを溶かし出し、所望の鋳造形状の金型内腔を残します。

インベストメントモールドは溶湯注湯前に加熱されます。金型に現れる亀裂はセラミックや特殊材料で修復できます。

溶融アルミニウムを金型に注湯し、乾燥したら外側のセラミックシェルのみを破壊します。鋳造品をツリーから取り外し、仕上げ工程に移します。

アルミニウムインベストメント鋳造の利点

• 高い仕上げ表面、高い寸法精度
• 複雑なアルミニウム鋳造部品の鋳造が可能
• 多くのアルミニウム鋳造物を一括鋳造可能

アルミニウムインベストメント鋳造の欠点

• 高い生産コスト
• コアを含む鋳造では複雑で困難
• より長い生産サイクルを必要とする
• 通常、小型アルミニウム鋳造部品のみに適する

アルミニウムインベストメント鋳造の用途

ロストワックス鋳造技術は、航空宇宙産業、電気産業、兵器、自動車、軍事、ガス・石油などでのアルミニウム鋳造部品製造など、多くの用途があります。

6. アルミニウム遠心鋳造

アルミニウム遠心鋳造は、金属、プラスター、グラファイトで金型を作るアルミニウム鋳造プロセスです。金型を遠心鋳造機で回転させながら、外側から溶融アルミニウムを金型に注湯します。液体アルミニウムは遠心力に基づいて金型壁に均等に分布し、金型形状に従って硬化します。

遠心鋳造金型には2種類あります：垂直軸の垂直遠心鋳造と水平軸の水平遠心鋳造。金型の回転モーターが金型を回転させ、金属を金型表面に均等に広げます。

アルミニウム遠心鋳造の利点

• 限定された遠心力と金属の密閉により、アルミニウム鋳造部品のサイズ精度が高い
• アルミニウム鋳造は高い機械的特性、外側に微細な金属組織を持つ
• コアを使用せずに中空にでき、コア製造コストを節約
• 注湯システムが不要で金属を節約

アルミニウム遠心鋳造の欠点

• アルミニウム遠心鋳造部品の内面仕上げが悪く、不純物が多く、内径が不正確
• 通常、円形または円筒形アルミニウム部品の鋳造のみに適する。複雑な鋳造形状ではシェルモールド鋳造法との組み合わせが必要

遠心鋳造の用途

遠心鋳造は、ジェットエンジンコンプレッサー、石油化学炉管、多くの軍事・防衛装備のアルミニウム鋳造部品製造にアルミニウム鋳造所で採用されています。

7. アルミニウム連続鋳造

アルミニウム連続鋳造は、循環水冷却システムを持つ金型にアルミニウム合金が連続的に注湯される鋳造プロセスです。鋳造される場所で即座に冷却され、取り出されます。

鋳造システムの直後に連続スタンピングと圧延ラインが配置されます。鋳造製品は最大0.2×1mのアルミニウムバー、プレート、パイプです。

非常に効率的な鋳造システムで、アルミニウムと鉄鋼鋳造所で広く使用されています。

連続鋳造の利点

• 急速冷却により、アルミニウム連続鋳造は高い機械的特性を持つ
• 容易に自動化可能で高生産性
• 鋳造表面は完璧、金属結晶粒が緻密に整列

アルミニウム連続鋳造の欠点

• シンプルな形状のアルミニウム鋳造製品のみに適する
• 断面長さを持つ物体の鋳造は不可能
• 高い初期建設コスト

アルミニウム連続鋳造の用途

アルミニウム連続鋳造は、様々なサイズの金属バー、金属パイプの鋳造に使用されます。

このほか、真空密封成形プロセス、アブレーション鋳造、ロストフォームなど、アルミニウム鋳造用途を製造するための他のアルミニウム鋳造方法もいくつかあります。これらも上記の鋳造プロセスと同様の多くの利点を持っています。

適切なアルミニウム鋳造技術の検討

各アルミニウム鋳造プロセスにはそれぞれ利点と欠点があります。記事内の異なるアルミニウム鋳造方法の比較情報を注意深く参照した後、予算、対象とするアルミニウム鋳造製品のタイプ、精度要求、年間生産量に基づいて、貴社の鋳造所に最適な選択を行ってください。

アルミニウム鋳造技術の選択に影響を与える他の多くの要因があります。しかし、記事で提供された情報を通じて、VICは読者がアルミニウム鋳造方法をよりよく理解し、正しい決定を下せるよう部分的にお手伝いできれば幸いです。

VICでは、様々な加工技術を持つ金属鋳造所システムを保有しています。特にアルミニウム鋳造では、VICはグリーンサンドとロストフォーム鋳造技術を使用し、市場要求に合致する他の鋳造技術で生産ラインを拡大する軌道にあります。

VICは、世界中のパートナーと協力し、合理的な品質と価格で金属鋳造製品の販売をお手伝いできることを嬉しく思います。

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