金属鋳造所で用いられる6つの主要鋳造プロセスを徹底解説

金属鋳造所において広く採用されている6種類の鋳造プロセスをリストアップし、それぞれの特徴、メリット・デメリット、適用分野について詳しく解説します。

鋳造プロセスの概要

鋳造は、金属を溶かして型に流し込み、凝固させることで鋳造品を製造する鋳造所における基本的な金属加工プロセスです。機械工学、自動車部品、航空宇宙部品から日用品まで、幅広い産業に供給されています。

金属鋳造は非常に柔軟性が高く、金属の硬度に関わらず複雑な形状の部品を製造可能です。溶融温度さえクリアできれば、あらゆる金属を鋳造できるといっても過言ではありません。

鋳造所によって得意とする鋳造技術は異なり、それぞれ設備投資や専門分野が分かれています。本記事では、金属鋳造所で一般的な6つの鋳造方式を紹介し、それぞれの工程と長短所を明らかにします。

1. 緑砂鋳造（グリーンサンド鋳造）

緑砂鋳造とは

緑砂鋳造は鋳造業界において長い伝統を持ち、その有効性から現在でも広く採用されている最も伝統的かつ好ましい鋳造手法の一つです。

この工法では砂型を量産し、各砂型は1回限り使用され、鋳造品回収時に破壊されます。

樹脂砂鋳造とは異なり、緑砂の特徴は「湿潤含有量」にあります。「緑（グリーン）」という用語は色を指すものではなく、砂中の水分による湿潤な質感を意味します。粘土系バインダーにより自然な結合力を発揮します。

緑砂型の組成

緑砂型を作るには以下の成分を配合します：

• 砂：珪砂（SiO₂）、クロム鉱砂（FeCr₂O₄）、ジルコン砂（ZrSiO₄）など（約75〜85％）
• ベントナイト粘土：（5〜11％）
• 水：（2〜4％）
• その他：（3〜5％）

緑砂鋳造の工程

1. ステップ1：所定の配合比で砂を混合。混合比は砂の結合力を決定する重要要素。各鋳造所独自の秘密配合（添加剤の調整）を持つ。
2. ステップ2：砂を型枠（コープ・ドラッグ装置）に充填し、パターンを押し付けて型腔を形成。
3. ステップ3：パターンを引き抜き、目的の鋳造品と同形状の型腔が完成。
4. ステップ4：型表面にコーティング剤を塗布し、表面光沢と耐熱性を向上。
5. ステップ5：溶湯を型腔に注湯、冷却凝固。荒鋳品を取り出し、必要に応じて機械加工へ。
6. ステップ6：量産に必要な数だけ上記工程を繰り返す。

緑砂鋳造の特徴

メリット

• 低コストで経済的、特に少量生産に適する
• 高度な設備投資が不要
• 中〜大量生産オーダーにも対応可能
• 鉄系・非鉄系を問わずあらゆる合金を注湯可能。ほぼ全てのパターン・設計に適用可
• 使用済み砂を再生利用でき、材料コストを削減

デメリット・制約

• 鋳造サイズに制限あり。概ね1〜500ポンド（約0.45〜227kg）程度。大型品には他工法を検討
• 複雑で精緻なディテールの鋳造には不向き
• 寸法公差が大きく、追加機械加工が必要になりやすい
• 吹孔、ガス孔などの鋳造欠陥リスクがあるが、鋳造所の技術ノウハウで制御可能

緑砂鋳造の用途

アメリカでは鋳造品の42％が緑砂鋳造で製造されており（第2位はノーベーク鋳造の40％）、最もポピュラーな工法です。

屋外装飾品（灯柱、ベンチ、ゴミ箱）、エンジニアリング部品、自動車部品、航空宇宙部品、ポンプハウジング、海洋用ブイウェイトなど、用途は極めて広範囲にわたります。

2. フラン樹脂砂鋳造（フランサンド鋳造）

フラン樹脂砂鋳造とは

緑砂が自然結合力を利用するのに対し、フラン樹脂砂鋳造は触媒とバインダーによる化学反応で砂を自硬化させます。砂、フラン樹脂、触媒を混合し、化学硬化によって型を作ります。

仕上がりの荒鋳品は優れた表面粗さと高精度が特徴です。

フラン樹脂砂型の組成

• 砂：珪砂（SiO₂）（40〜60％）
• フラン樹脂：0.7〜1.3％（鋳造品質量により調整。鋳造要求と構造に応じて窒素含有量を調整）
• 触媒：硬化剤と付加剤（30〜50％）

フラン樹脂はこの工法の要です。フルフリルアルコール75％、ホルムアルデヒド11％、尿素9％、水5％のポリマー化合物で、ホルムアルデヒドと尿素の比率が硬化時間と強度に、フルフリルアルコールが耐熱性に影響します。

フラン樹脂砂鋳造の工程

工程フローは専用チャート（画像参照）に従います。

フラン樹脂砂鋳造の特徴

メリット

• 厳しい公差と高精度が実現可能
• 他工法と比較して優れた滑らかな表面仕上げ
• 砂孔、ガス孔、収縮欠陥などを最小限に抑制
• 鋳造サイズの自由度が高く、数十kgから数トン級の大型品まで対応

デメリット・制約

• 他の鋳造プロセスよりコストが高い
• 原材料への厳格な要求がある
• 環境負荷の懸念がある

フラン樹脂砂鋳造の用途

高精度・厳公差が求められる複雑・精緻な部品に最適です。自動車部品、農業機械部品、航空宇宙部品、船舶エンジンなどに採用されます。

3. ロストフォーム鋳造（消失模型鋳造）

ロストフォーム鋳造とは

ロストフォーム鋳造は、インベストメント鋳造（ロストワックス鋳造）と類似した消失模型鋳造の一種です。ワックスの代わりに発泡スチロール（ポリスチレンフォーム）をパターンとして使用します。

砂鋳造ではパターンを引き抜いて再利用しますが、ロストフォームではパターンは1回限り使用され、注湯時に気化消失して鋳造品が形成されます。

砂鋳造ほど普及していませんが、中小型の精密鋳造品の量産に優れた特徴を持つ工法です。

ロストフォーム鋳造の工程

1. ステップ1 パターン作製：切削加工またはポリスチレンビーズ射出成形でパターンを作製。シンプルな形状なら一体成形、複雑なら分割パターンを接着して一体化。
2. ステップ2 断熱塗料コーティング：型表面の耐久性向上、浸食・破損防止のため塗布。
3. ステップ3：フォームパターンをフラスクに配置し、無結合砂で周囲を充填・締固め。
4. ステップ4：溶湯を注湯。フォームパターンが気化燃焼し、鋳造品が形成される。
5. ステップ5：残砂を除去し、必要に応じて機械加工。

ロストフォーム鋳造の特徴

メリット

• 設計自由度が高い
• 他工法では不可能な複雑形状の鋳造が可能
• 高精度・厳公差
• コア欠陥、型ズレがなく、優れた表面仕上げ
• 工程短縮が可能
• 生産コストと設備投資を削減

デメリット・制約

• 他工法よりコストが高い傾向
• セットアップコストが高く、少量オーダーには不向き

ロストフォーム鋳造の用途

設計や合金種に制限がなく、他工法では困難な複雑部品に採用されます。自動車精密部品、高精度機械要素、複雑なコア製品など。

4. インベストメント鋳造（ロストワックス鋳造・精密鋳造）

インベストメント鋳造とは

インベストメント鋳造は、複雑形状や薄肉形状の鋳造に適した先進的な鋳造工法です。ロストフォームと同様の消失模型法ですが、パターンがワックスで、射出成形で作製し、耐火材を複数層コーティングします。

ワックスを溶かし出して型腔を形成し、溶湯を注湯します。パターンは1回限り使用され、1鋳造品につき1パターンが必要です。

高精度なディテール鋳造が可能なため、工作機械産業向けの小型・高精度・機械加工不要または不能な製品製造に好まれます。

インベストメント鋳造の工程

1. マスターパターンと金型の作製
2. 金型にワックスを射出しワックスパターンを作製
3. パターンの組み立て（ツリー組み）
4. シェル作製（耐火材コーティングと砂撒きの繰り返し）
5. 脱ワックス（加熱によりワックスを溶出・焼却）
6. 溶湯注湯
7. シェル破壊（シェルを砕いて鋳造品を取り出し）
8. ゲート切断・仕上げ
9. 完成鋳造品

インベストメント鋳造の特徴

メリット

• 砂鋳造より複雑なディテール、薄肉、高表面品質が可能。機械加工を大幅削減し、完成品として即使用可能なケースも多い
• 数グラム〜1トン程度まで幅広い重量に対応
• ステンレス鋼、耐熱鋼など難溶融合金も鋳造可能
• 鋳肌が高精度で光沢がある
• 割れや歪みが生じにくい

デメリット・制約

• 労働集約的で手間がかかる
• 生産サイクルが長い
• 金型製造コストが高い

インベストメント鋳造の用途

複雑鋳造品、量産品（ギア、自転車トランク、バイクディスク、ブラスト機械部品など）。鋳造重量0.02〜100kg、肉厚0.3mm、穴径2mm程度まで対応可能。

5. ダイカスト（金型鋳造）

ダイカストとは

ダイカストは、高圧力を用いて非鉄金属・合金を金型に充填・凝固させる鋳造法です。

全自動ラインの導入により高生産性と工程簡素化を実現するため、大量生産オーダーに適しています。 荒鋳品は厳しい公差、高精度、良好な光沢表面を持ちます。

ダイカストの工程

1. 金属を溶解して溶湯とする
2. 溶湯をショットスリーブ（チャンバー）に注湯
3. 高圧ピストンにより溶湯を金型キャビティへ高速射出充填
4. 凝固待ち後、コアを抜く
5. 金型開型・イジェクタで製品を排出
6. ビスケット・スラッグ除去し、次のサイクルへ

高圧ピストンと強固な締め付け装置が必須です。自動ライン化により品質は溶湯組成、機械システム、鋳造圧力等の諸因子に依存します。

ダイカストの特徴

メリット

• 厳公差・高精度
• 薄肉鋳造が可能（1mm程度でも可）
• 高光沢な鋳肌
• 寸法安定性と均一性に優れる
• 機械加工工数を削減
• 大量生産効率が極めて高い
• 全自動ラインで人件費削減

デメリット・制約

• 金型コストが高額
• 高度な機械設備投資が必要
• 金型構造上、設計自由度に制約がある

ダイカストの用途

小型部品の大量生産に採用：ピストン、クランクシャフト、ギアボックス等。一般的に5kg程度まで、特例で50kg級も可能だがコスト高。使用合金は溶湯流動性が良く、金型への付着が少なく、高温での塑性強度を持つ銅、アルミニウム、ステンレス鋼が主流。

特にアルミニウム合金が最も多用され、米国だけで年間25億ドル規模。アルミダイカストは他全工法合計の2倍のシェアを占めます。

6. 永久型鋳造（金型重力鋳造・グラビティダイカスト）

永久型鋳造とは

永久型鋳造は、ダイカスト同様に金属製型（金型）を使用しますが、高圧射出ではなく重力注湯で充填します。1つの金型を繰り返し使用して大量生産するため「永久型」と呼ばれます。

ダイカストより大型鋳造品に適し、概ね10kg以上、20〜50kg級も可能（コスト上昇を伴う）。

永久型鋳造の工程

1. 溶湯を金型に注湯
2. 冷却凝固を待つ
3. 金型を開き鋳造品を取り出し
4. 上記を繰り返し量産

金型材には連続的な加熱冷却サイクルに耐える鋳鉄等の耐熱金属材料を使用します。

永久型鋳造の特徴

メリット

• 高精度・厳公差
• 砂鋳造より欠陥が少なく良好な表面仕上げ
• 鋳造品の強度、靭性、延性に優れる
• 金型寿命が長い
• 金型製作時間を節約でき、高生産性でコスト削減

デメリット・制約

• 複雑形状、大肉厚、重量物には不向き
• 金型製造コストが高い
• 抜き勾配・イジェクタ機構が必要で、製品に押し跡（凹み）が生じる場合がある

永久型鋳造の用途

アルミニウム、マグネシウム、銅合金、灰鋳鉄など融点の低い材料に最適。シンプルな中小型品の量産に適し、ピストン、ギアブランク、厨房用品、工作機械部品、航空機車輪、ポンプ部品等（25kg程度まで）。複雑な内部形状には砂コアを併用推奨。

まとめ

以上、金属鋳造所で一般的な6種類の鋳造プロセスを解説しました。各工法にはそれぞれ強みと制約があり、鋳造要求・プロジェクト要件に応じて最適工法を選定することが重要です。

VICは世界市場へ卸販売する大手鋳造企業として、緑砂鋳造、フラン樹脂砂鋳造、ロストフォーム鋳造の3工法を主力とし、小型〜大型、シンプル〜複雑形状まで幅広い鋳造品製造に対応しています。OEM鋳造プロジェクトのご相談は ADMIN@MFGROBOTS.COM まで。