金属硬度比較表：HV、HB、HRC
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金属鋳造は製造業の基本的なプロセスですが、砂型鋳造と比較してどうなのか疑問に思ったことはありませんか？この記事では、両製法の技術的・経済的な長所と短所を掘り下げ、その性能、コスト、具体的な用途を明確に比較します。読者は、どちらの鋳造法がさまざまな製造ニーズに最も適しているかを包括的に理解し、製造における意思決定を十分な情報に基づいて行うことができるようになります。
金型鋳造と砂型鋳造を比較すると、技術的にも経済的にも多くの利点がある：
(1)金型による鋳造品は、砂型による鋳造品に比べて機械的性質が優れている。同じ合金で引張強さは約25%、降伏強さは約20%向上し、耐食性、硬度も大幅に向上する。
(2)鋳造品の精度と表面平滑性は砂型で作られたものよりも高く、品質と寸法はより安定している。
(3)鋳造のプロセス歩留まりはより高く、液体金属の消費を減らし、一般に15-30%を節約する。
(4)砂の使用を排除または最小限に抑え、一般的に金型材料の80〜100%を節約する。
さらに、金型鋳造は生産効率が高い。 鋳造欠陥 工程は単純で、機械化や自動化が容易である。
金型鋳造の利点にもかかわらず、次のような欠点もある：
(1) 金型製造のコストが高い。
(2)金型は通気性がなく、公差がないため、鋳鉄部品では注湯不足、ひび割れ、白口などの鋳造欠陥の原因となる。
(3)金型鋳造の際、金型の作業温度、合金の注湯温度と速度、鋳物が金型内に滞留する時間、使用されるコーティングの種類などの要因は、鋳物の品質に大きく影響する可能性があり、厳密な管理が必要である。
そのため、金型鋳造を採用する場合は、鋳物の形状や重量が適切であること、十分なバッチサイズがあること、生産納期が可能であること、などを総合的に検討する必要がある。
金属型と砂型では、その性質に大きな違いがある。例えば、砂型は通気性があるが、金属型は通気性がない。
砂型は熱伝導率が悪いが、金型はこの点で優れている。砂型は開閉式だが、金型は開閉式ではない。金型のこれらの特性は、鋳造形成プロセスにおける独自の原理を決定する。
鋳型キャビティ内のガス状態の変化が鋳造形成に及ぼす影響：金属を充填する際、金型キャビティ内のガスは速やかに排出されなければならない。しかし、金属は非通気性であるため、この工程でのわずかな過失が鋳物の品質に悪影響を及ぼす。
熱の特徴 鋳造凝固時の熱交換：溶融金属が金型キャビティに入ると、金型壁に熱が伝わります。液体金属は金型壁を通して熱を失い、凝固と収縮につながる。
一方、金型壁は加熱されるにつれて膨張し、鋳物と金型壁の間に「隙間」を作ります。鋳物-隙間-鋳型」システムが均一な温度に達するまで、鋳物は「隙間」内で冷却され、鋳型壁は「隙間」を通じて加熱されると考えることができる。
鋳物の収縮を妨げる金型の影響：メタルモールドやメタルコアモールドは、鋳物の凝固過程で引っ込むことがないため、鋳物の収縮を妨げる-これもメタルモールドの特徴である。
未加熱の金型は熱伝導率が高いため、鋳造には使用できない。液体金属が急速に冷えると流動性が極端に低下し、コールドシャット、注湯不足、ポロシティなどの鋳造欠陥が発生する。
予熱されていない金型は、鋳造時の熱衝撃や応力の増大により破損しやすい。したがって、金型は使用前に予熱する必要があります。
適切な 予熱温度 (すなわち動作温度）は、合金の種類、鋳物の構造およびサイズに依存し、一般に試験を通じて決定される。経験則として、金型の予熱温度は1500℃を下回ってはならない。
金型を予熱する方法には次のようなものがある：
(1) ブロートーチまたはガス火で予熱する。
(2) 抵抗ヒーターを使う。
(3) 加熱にオーブンを使う。これは均一な温度を提供するが、小さな金型にしか適さない。
(4) 鋳型を炉で予熱した後、液体金属を鋳込んで鋳型を加熱する方法。この方法は、液体金属を無駄にし、鋳型の寿命を縮める可能性があるため、小さな鋳型にしか適さない。
金型の注湯温度は、一般的に砂型鋳造よりも高く、合金の種類、化学成分、鋳物の大きさや厚さなどをもとに、試験によって決定することができます。下記のデータが参考になります。
各種合金の注湯温度：
金属型は急速に冷却され、無孔質であるため、注湯の速度は最初はゆっくり、次に速く、そして最後にまた遅くする。注湯の間、液体の安定した流れを維持することが不可欠である。
中子が鋳物内に長く留まれば留まるほど、鋳物の収縮による中子のグリップが強くなり、より大きな中子引き抜き力が必要となる。
金属中子が鋳物内に留まる最適な期間は、鋳物が塑性変形温度範囲まで冷却され、十分な強度を持ったときであり、その時点で中子を引き抜くのが最適なタイミングである。
もし、キャスティングが 金型そのため、金型壁の温度が上昇し、冷却時間が長くなり、金型の生産性が低下する。
中子の引き抜きと鋳物の除去に最適な時間は、通常、実験的手法によって決定される。
金型鋳物の品質安定と正常な生産を確保するためには、生産中の金型内の温度変化を一定に保つことが極めて重要です。
そのため、注湯が終わるたびに金型を開き、次の注湯の前に所定の温度まで冷めるまで一定時間放置しなければならない。
自然冷却に頼ると所要時間が長くなり、生産性が低下するため、強制冷却が一般的である。一般的に冷却方法はいくつかある：
1.空冷： 金型の外側に空気を吹き付けて対流放熱を高める。空冷金型は構造が簡単で製造しやすく、コストも低いが、冷却効果は特に理想的なものではない。
2.間接水冷： 金型の背面や特定の部分にウォータージャケットを取り付けること。その冷却効果は空冷よりも優れており、銅部品や鍛造可能な鋳鉄部品の鋳造に適している。ただし、薄肉のねずみ鋳鉄の鋳造には、激しい冷却が必要です。 鋳鉄品 またはダクタイル鋳鉄鋳物は、鋳造欠陥を増加させる可能性がある。
3.直接水冷： 金型の背面や特定部位に直接ウォータージャケットを作り、ジャケット内を水流で冷却する方法。主に鉄鋼部品などの鋳造に用いられる。 合金鋳物金型を強力に冷却する必要がある。コストが高いため、大規模生産にしか適用できない。
鋳物の肉厚が大きく変化する場合、金型を使って生産する場合、金型の一部を加熱しながら別の部分を冷却し、金型壁の温度分布を調整する方法が一般的だ。
その間に 鋳造工程 金型の加工面にはコーティングを施すのが一般的である。
コーティングは、鋳物の冷却速度を調整し、高温の金属液による浸食や熱衝撃から金型を保護し、コーティング層を介したガス放出を促進する機能を果たす。
合金によって、コーティングは様々な配合があり、一般的に3種類の物質で構成されている：
1.粉末状耐火物（酸化亜鉛、タルカムパウダー、ジルコンサンドパウダー、珪藻土パウダーなど）；
2.結合剤（一般的には水ガラス、シロップ、紙パルプの廃液など）；
3.溶媒（水）。具体的な配合は、関連マニュアルを参照することができる。コーティングは以下の技術的要件を満たす必要がある：スプレーしやすいように一定の粘度を有し、金型表面に均一な薄い層を形成できること；乾燥後、コーティングにひび割れや剥離がなく、除去が容易であること；高い耐火性を有すること；高温で多量のガスを発生しないこと；合金と化学反応しないこと（特別な要件の場合は例外）。
コーティングによって金型内での鋳物の冷却速度を下げることはできるが、それでも鋳物の冷却速度が速すぎるため、コーティングを使用した金型でダクタイル鋳鉄部品（クランクシャフトなど）を製造すると、鋳物に白口が発生しやすいという難点がある。
砂型を使用した場合、鋳物の冷却速度は遅くなるが、熱間接合部に収縮やポロシティが発生しやすくなる。
金型の表面に4～8mmの砂の層を塗ることで、満足のいくダクタイル鋳鉄鋳物ができる。
砂層は鋳物の冷却速度を効果的に調整し、一方では鋳鉄ボディの白口の発生を防ぎ、他方では砂型鋳造よりも冷却速度を速くする。
金型は崩壊しないが、樹脂砂の薄い層は鋳物の収縮抵抗を適切に減少させることができる。また、金型は剛性が高く、球状黒鉛の膨張を効果的に抑制し、押湯のない鋳造を実現し、緩みをなくし、鋳物のコンパクト性を向上させます。
金型の砂層が樹脂砂の場合は、一般にサンドブラストで覆うことができる。金型の温度は180～200℃が望ましい。樹脂砂金型はダクタイル鋳鉄、ねずみ鋳鉄、鋼鉄鋳物の製造に使用でき、その技術的効果は大きい。
金型の寿命を向上させる方法には、以下のようなものがある：
1.熱伝導率が高く、熱膨張率が小さく、強度の高い材料を選んで金型を製造すること；
2.プロセス仕様に厳密に従った適切なコーティング技術；
3.金型の構造は合理的であるべきであり、製造工程で残留応力を排除すべきである；
4.金型材料の粒は小さくなければならない。
鋳物の品質を確保し、金型の構造を簡素化し、その技術的・経済的メリットを十分に引き出すためには、鋳物構造の初期分析を行い、合理的な鋳造プロセスを確立しなければならない。
金型鋳造構造のプロセス設計の品質は、鋳造品質を確保し、金型鋳造の利点を活用するための前提条件である。合理的な鋳造構造は、以下の原則に従うべきである：
(1) 鋳造構造は、脱型や収縮の妨げにならないようにする；
(2)大きな温度差が鋳物の引け巣やポロシティの原因となるのを避けるため、厚みのばらつきはあまり大きくならないようにする；
(3) 金型鋳造品の最小肉厚は制限されるべきである。
さらに、鋳物の非加工面の精度と平滑性も適切に要求されるべきである。
鋳物の注湯位置は、中子とパーティング面の数、液体金属の導入位置、押し湯の供給効果、排気の平滑度、金型の複雑さに直接関係する。
注ぐ位置を選ぶ原則は以下の通り：
1.充填中に金属液がスムーズに流れるようにし、ガス抜きを容易にし、空気の巻き込みや金属の酸化を防ぐ；
2.逐次凝固と良好な収縮を促進し、緻密な構造の鋳物の獲得を確実にする；
3.コアの数は最小限にし、配置しやすく、安定していて、脱型しやすいものにする；
4.金属の簡素化を促進する 金型構造 そして、鋳物の脱型のしやすさ。
パーティング面の形状は、垂直、水平、複合（垂直、水平混合パーティング、曲線パーティング）が一般的である。パーティング面の選択の原則は以下の通りである：
1.金型構造を簡素化し、鋳造精度を向上させるために、より単純な鋳物の形状を半金型内に配置するか、その大部分を半金型内に配置する；
2.鋳物の美観を確保し、脱型や中子の配置を容易にするため、パーティング面の数は最小限にすべきである；
3.選択されたパーティング面は、ゲーティングとライザーの設定が便利で、充填中のスムーズなメタルフローを可能にし、金型キャビティからのガス排出を容易にするものでなければならない；
4.加工基準面上でパーティング面を選択してはならない；
5.分解部品や可動金型部品の数を減らすため、パーティング面の曲面はできるだけ避ける。
金型鋳造の特殊な特性により、鋳造システムを設計する際には以下の要因を考慮する必要がある：金型鋳造の速度は速く、砂型を約20%上回る。
さらに、金型キャビティ内のガスは、液体金属が金型に充満したときにスムーズに排出される必要があります。その流れ方向は、液体の流れ方向とできるだけ一致させ、効果的に気体を押し湯またはベント押し湯に向かって押し出すようにする。
さらに、充填工程で液体金属がスムーズに流れ、乱流を起こしたり、金型の壁や中子に衝突したり、飛散したりしないように注意する必要がある。
金型の鋳造方式は一般的に、トップゲーティング、ボトムゲーティング、サイドゲーティングの3つに分類される。
(1) トップゲーティング：この方法は合理的な熱分布を持ち、順次凝固に有利で、液体金属の消費量を減らすことができる。しかし、溶湯の流れが不安定で、介在物が発生しやすい。鋳造高さが高い場合、鋳型の底や中子に衝撃を与える可能性がある。アルミ合金部品の鋳造に使用する場合は、一般的に高さが100ミリメートル以下の単純な部品にのみ適している。
(2) ボトムゲーティング：液体金属はよりスムーズに流れ、ベントには有益である。しかし、温度分布は合理的でなく、鋳物のスムーズな凝固につながらない。
(3) サイドゲーティング：この方法は、前述の2つの方法の利点を併せ持つ。溶銑がスムーズに流れるため、スラグの回収やベントが容易である。しかし、溶銑の消費量が多く、ゲート清掃の作業負担が大きい。
金型鋳造システムの構造は、基本的に砂型鋳造と似ている。
しかし、金型壁は通気性がなく、熱伝導率が高いため、鋳造システムの構造は、液体金属の流速の低減を容易にし、スムーズな流れを確保し、金型壁への影響を低減する必要がある。
金型キャビティ内のガスが排出される十分な時間を確保するだけでなく、充填プロセス中に飛散が起こらないようにしなければならない。
金型を使用して鉄系金属を鋳造する場合、鋳造の冷却速度が速く、液流の粘度が急激に上昇するため、密閉ゲートシステムが使用されることが多い。その各部の断面積の比はF_inner : F_transverse : F_vertical = 1 : 1.15 : 1.25
金型鋳造における押湯は、砂型鋳造における押湯と同じ機能を果たす。すなわち、収縮を補い、スラグを集め、ガス抜きをする。金型の押湯の設計原則は、砂型の押湯の設計原則と同じです。
金型は冷却が速く、ライザーには断熱コーティングや砂の層が使われることが多いため、金型のライザーのサイズは砂型のものより小さくなることがある。
編集部金型鋳造のプロセスパラメータ
金型プロセスの特性により、その鋳物のプロセスパラメーターは砂型鋳物とは若干異なる。
金型鋳物の線収縮率は、合金の線収縮率だけでなく、鋳物組織、金型内の収縮障害、鋳物の脱型温度、加熱後の金型の膨張や寸法変化等にも関係します。また、その値は、試鋳中に寸法を修正する余地を残すことも考慮する必要がある。
金型の中子と鋳物を取り外すためには、中子の取り外し方向と鋳物の脱型方向に適切な抜き勾配をとる必要があります。各種合金鋳物の抜き勾配については、関連マニュアルを参照してください。
金型鋳物の精度は一般的に砂型鋳物よりも高いため、加工代は小さくすることができ、一般的には0.5～4mmである。
鋳造工程パラメータを決定した後、金型鋳造の工程図を描くことができる。この図面は基本的に砂型鋳物の工程図と同じである。
鋳造工程図が描かれた後、金型の設計が進められる。設計では主に、金型の構造、寸法、中子、排気装置、排出機構などを決定する。
金型の設計は、構造が単純であること、加工が容易であること、適切であることを目指すべきである。 材料選択そして安全性と信頼性を確保する。
金型の構造は、鋳物の形状や大きさ、パーティング面の数、合金の種類、生産量によって異なります。パーティング面の位置に基づいて、金型構造にはいくつかの形態があります：
1.一体型金型：この金型はパーティング面がなく、シンプルな構造で、パーティング面のない単純な形状の鋳物に適しています。
2.横型パーティング金型：この金型は薄肉のホイール鋳物に適しています。
3.縦型パーティング金型：このタイプの金型は、ゲートと排気システムを確立するのに便利で、開閉が容易で、機械化生産に適しています。単純な小型鋳物の生産によく使われる。
4.複合パーティング金型：2つ以上のパーティング面、あるいは可動ブロックから構成され、一般に複雑な鋳物の製造に使用される。操作が便利で、生産に広く使われている。
金型の本体とは、鋳型のキャビティを形成する部分を指し、鋳物の外形を形成するために使用されます。本体の構造は、鋳物の大きさ、鋳型内の注湯位置、パーティング面、合金の種類に関係します。
設計では、金型キャビティの正確な寸法、ゲートや排気システムの設置の容易さ、鋳物の排出の容易さ、十分な強度と剛性を追求する必要があります。
鋳造の複雑さや合金の種類によって、鋳型の中子にはさまざまな材料を使用できる。
一般に、砂中子は薄肉の複雑な部品や高融点合金（ステンレス鋼、鋳鉄など）の鋳造に用いられ、金属中子は低融点合金（アルミニウム、マグネシウム合金など）の鋳造に用いられることが多い。砂中子と金属中子は、同じ鋳物で併用することもできます。
金型を設計する場合、排気システムは不可欠です。排気には次のような方法がある：
(1)金型キャビティのパーティング面または合わせ面の隙間を排気に利用する。
(2) 金型キャビティのパーティング面または合わせ面、コアシート、エジェクターロッドの表面に排気溝を設ける。
(3) 一般的に金型の最も高い位置にある排気孔を設置する。
(4) 排気プラグは金型によく使われる。
金型キャビティの凹凸部が鋳物の収縮を妨げ、脱型時に抵抗となる。エジェクター機構を用いて鋳物を排出する必要がある。
エジェクター機構を設計する際に注意すべき点は、鋳物の破損を防ぐこと、すなわちエジェクションによって鋳物が変形したりへこんだりするのを防ぐこと、エジェクターロッドが動かなくなるのを防ぐことである。
エジェクターロッドとエジェクターホールのクリアランスは適切でなければならない。クリアランスが大きすぎると金属が入りやすくなり、小さすぎると詰まりの原因になる。経験上、D4/DC4のレベル合わせを使用することをお勧めする。
金型を組み立てる際には、2つの金型の正確な位置決めが必要である。これは一般に、ピン位置決めと「ストップ」位置決めの2つの方法で達成される。円形のパーティングサーフェスを持つ垂直パーティングでは、「ストップ」位置決めを使用することができますが、長方形のパーティングサーフェスでは、ピン位置決めが主に使用されます。
位置決めピンはパーティング面の輪郭内に配置する。金型自体が大きくて重い場合、金型の開閉時に便利な位置決めを確保するために、ガイド形式を採用することができる。
金型が破損する原因の分析から、金型の製造に使用される材料は、耐熱性と熱伝導性が良好であること、繰り返し加熱しても変形や破損がないこと、一定の強度、靭性、耐摩耗性があること、機械加工性が良好であること、などの要件を満たす必要がある。
鋳鉄は金型の材料として最も一般的に使われている。切削性がよく、安価で、一般の工場で自作できる。また、耐熱性、耐摩耗性にも優れており、金型材料として適している。炭素鋼や低合金鋼は、高い要求が必要な場合にのみ使用される。
を使用している。 アルミニウム合金 が海外で注目されている。アルミニウム金型の表面は陽極酸化処理を受けることで、Al2O3とAl2O3-H2Oからなる酸化皮膜を形成することができる。
この皮膜は融点と硬度が高く、耐熱性、耐摩耗性に優れている。このようなアルミ金型は、水冷対策を施すことで、次のような効果が得られると報告されている。 鋳造アルミニウム や銅の部品だけでなく、鉄系金属鋳物の鋳造にも使用できる。
MachineMFGの創設者として、私は10年以上のキャリアを金属加工業界に捧げてきました。豊富な経験により、板金加工、機械加工、機械工学、金属用工作機械の分野の専門家になることができました。私は常にこれらのテーマについて考え、読み、執筆し、常にこの分野の最前線にいようと努力しています。私の知識と専門知識をあなたのビジネスの財産にしてください。
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