砂型鋳造はどのように機能するのでしょうか?プロセスと部品の説明

砂型鋳造は、目的のパーツのパターンの周りに砂の混合物を詰め、パターンを除去してキャビティを残し、そのキャビティに溶融金属を注ぎ、金属が固まったら砂型を取り除きます。 これは世界最古で最も広く使用されている金属鋳造プロセスであり、重量で世界中で生産されるすべての金属鋳造品の約 70% を占めています。砂型鋳造では、他の鋳造方法と比較して最小限の工具コストで、ほぼあらゆる金属で数グラムから 100 トンを超える部品を製造できます。トレードオフは、寸法公差と表面仕上げです。砂型鋳造部品の公差は通常、1 インチあたり ±0.03 ～ ±0.06 インチ、表面粗さの値は 250 ～ 500 Ra (μin) です。これは、ダイカストやインベストメント鋳造よりも粗いですが、広範な構造的および機械的用途には完全に十分です。

砂型鋳造プロセス: ステップバイステップ

砂型鋳造では、生の砂と溶融金属を完成部品に変える反復可能な一連のステップに従います。各ステップには、最終的な鋳造品の品質を決定する特定の技術要件があります。

1. パターンメイキング: パターン (金属に応じて 1 ～ 2.5% の収縮許容値を許容してオーバーサイズされる、目的の部品の正確なレプリカ) は、木材、プラスチック、アルミニウム、またはウレタンフォームから製造されます。パターンには抜き勾配 (通常は片側あたり 1 ～ 3 度) が含まれており、金型キャビティの壁を乱すことなく砂からきれいに除去できます。
2. 金型の準備: パターンは、フラスコと呼ばれる 2 つの部分からなるボックス (上部にコープ、下部にドラッグ) に配置されます。各半分のパターンの周りに砂がしっかりと詰められています。最も一般的な方法である生砂鋳造の場合、砂混合物は 85 ～ 95% の珪砂、バインダーとして 4 ～ 10% のベントナイト粘土、および 2 ～ 5% の水です。粘土と水は可塑性を生み出し、パターンが引き抜かれたときに型の形状を保持します。
3. パターンの削除: フラスコの半分を慎重に分離し、パターンを描き出すと、砂の中に部品の形状の正確な陰影が残ります。打ち込み前にパターンに離型剤を塗布すると、除去時の砂の付着を防ぎます。
4. コア設定 (必要な場合): 中空管、エンジンポート、中抜き穴などの内部キャビティのある部品の場合、あらかじめ形成された砂中子が型を閉じる前に金型キャビティに配置されます。中子は、化学的に結合した砂（非ベーク、シェル、またはコールドボックスプロセス）とは別に作られ、コアプリント（コアの端が置かれる金型の壁に凹部を作るパターン上の突起）によって支えられています。
5. ゲートシステムの作成: 砂に切断または形成されたチャネル (ゲート システムと呼ばれます) は、溶融金属を注湯カップからスプルー (垂直チャネル) を通ってランナー (水平チャネル) に沿って導き、インゲートを通って金型キャビティに導きます。ライザー (余分な金属のリザーバー) も厚い部分に配置されており、凝固中に収縮するときに溶融金属を成形品に供給し、収縮気孔を防ぎます。
6. 金型の組み立てと注入: コープとドラグは再組み立てされ、注湯中に溶融金属の静水圧によってコープが浮き上がるのを防ぐためにクランプまたは重りを付けられます。金属は適切な温度で注入されます — 通常、鋳鉄の場合は 1,250 ～ 1,500 °C、アルミニウム合金の場合は 650 ～ 750 °C — ガスを閉じ込めたり、金型の壁を侵食したりする可能性のある乱流を避けるために、スムーズかつ継続的に流します。
7. 冷却固化： 充填された金型は、金属が冷えるまでそのまま放置されます。冷却時間は、小さなアルミニウム部品の場合は数分から、大きな鉄や鋼の鋳造品の場合は何時間にも及びます。早期の乱れは、高温の裂け目、歪み、または不完全な固化を引き起こします。
8. シェイクアウト: 十分に冷却されると、砂型はシェイクアウト スクリーン上で機械的に振動させながら砕かれ、鋳物が解放されます。砂は収集され、新鮮な粘土と水を加えて再調整され、生産にリサイクルされます。 大量の鋳造工場では、生砂の 90 ～ 95% が回収され、再利用されます。
9. 洗浄と仕上げ: 生の鋳造品は、ショット ブラストまたはタンブリングによって付着した砂を除去して洗浄され、その後、ゲート システム (スプルー、ランナー、ライザー) が切断され、面一に研磨されます。最終ステップには、用途に応じて熱処理、公差までの機械加工、表面処理が含まれる場合があります。

砂型鋳造の主要部品とその機能

砂型鋳造セットアップの個々のコンポーネントを理解すると、プロセスが金属の流れ、熱分布、最終部品の品質をどのように制御するかが明確になります。各砂型鋳造部品は、特定のエンジニアリング目的を果たします。

砂型鋳造プロセスの種類

「砂型鋳造」という用語には、さまざまな生産量、部品の複雑さ、精度要件に適したいくつかの異なるプロセスのバリエーションが含まれます。適切なプロセス タイプを選択することは、鋳造設計自体と同じくらい重要です。

グリーンサンドキャスティング

最も一般的で低コストの砂型鋳造法。 「緑色」は色ではなく、砂の水分含有量を指します。通常、2 ～ 5% の水がベントナイト粘土結合剤を活性化します。 生砂鋳造は、ねずみ鋳鉄およびダクタイル鋳鉄の大量生産のデフォルトのプロセスです 、多くの自動車鋳造工場では、完全に自動化された生砂ラインを稼働させて、1 日に数千個の鋳物を生産しています。砂はシェイクアウト後すぐにリサイクル可能です。制限としては、化学結合プロセスよりも寸法精度が低いこと、金型の水分が制御されていない場合、水分に関連したガス欠陥が発生する可能性があることが挙げられます。

無焼成（エアセット）砂型鋳造

砂は、熱や湿気ではなく、室温で化学反応によって硬化する 2 成分の化学結合剤 (フラン樹脂やフェノール ウレタンなど) と混合されます。ノーベーク型は生砂型よりも硬く、寸法安定性が高いため、歩留まりが向上します。 公差は生砂よりも約 25 ～ 50% 厳しい 。このプロセスは、寸法精度によりバインダーのコストが高く、金型の準備時間が長くなることが正当化される、工業用ポンプ ハウジング、大型のバルブ本体、工作機械のコンポーネントなど、大型で複雑な部品に適しています。

シェルモールド（クローニング工程）

熱硬化性フェノール樹脂でコーティングされた細かい珪砂を、加熱した金属パターン（175 ～ 370 °C）上に滴下または吹き付けて、厚さ 10 ～ 20 mm の薄いシェルを形成し、10 ～ 30 秒で硬化します。 2 つのシェルの半分を接着剤で接着して、完全な型を形成します。シェル成形では、125 ～ 250 Ra (μインチ) の表面仕上げと ±0.010 インチの寸法公差が得られ、生砂よりも大幅に優れています。自動車のカムシャフト、クランクシャフト、コンロッド、その他の中量精密部品によく使用されます。

ロストフォーム鋳造（フルモールド製法）

発泡ポリスチレン (EPS) フォームのパターン (最終部品と同じ) が、ゆるくて結合していない乾燥した砂の中に埋められます。溶けた金属が注がれると、泡が蒸発し、正確な形状が得られます。型を除去する必要がなく、従来の砂型鋳造では複数のコアが必要となる内部特徴を備えた複雑な形状を単一の発泡パターンとして製造できます。 ロストフォーム鋳造は、アルミニウムシリンダーヘッド、インテークマニホールド、複雑な鉄製エンジンブロックに広く使用されています。 — ゼネラルモーターズは、このプロセスを使用して 1,500 万個を超えるシリンダー ヘッドを製造しました。

真空（Vプロセス）鋳造

乾燥した未結合の砂は、化学結合剤ではなく真空圧によって、パターンの上にかぶせられた薄いプラスチックフィルムに対して所定の位置に保持されます。注いで固まった後、真空が解除され、砂は自由に流れていきます。シェイクアウトは必要ありません。 V プロセス鋳造は、150 ～ 300 Ra の表面仕上げと優れた寸法再現性を実現し、さらに注入中に廃ガスがほとんど発生しないという利点もあり、環境に最もクリーンな砂型鋳造法の 1 つです。

砂型鋳造可能な材質

競合するプロセスに対する砂型鋳造の最も重要な利点の 1 つは、その材料の多用途性です。 砂型鋳造は、ほぼすべての鋳造可能な金属および合金と互換性があります。 、永久的な金型を破壊する高融点のものを含みます。

砂型鋳造の一般的な欠陥とその防止方法

砂型鋳造の欠陥は、経営が良好な鋳造工場では生産量の 5 ～ 10% と推定され、管理が不十分な鋳造工場では最大 20 ～ 30% を占めます。欠陥の原因を理解することは、スクラップ率を最小限に抑えるプロセス制御を設計するために不可欠です。

気孔率（ガスと収縮）

気孔は砂型鋳造の最も一般的な欠陥です 、凝固した金属内の空隙として現れます。凝固する前に、水素または水分によって生成された蒸気が溶融物中に閉じ込められると、ガスの多孔性が形成されます。収縮気孔は、溶融金属が凝固する際に収縮し、ギャップを埋めるのに利用できる液体金属が不足すると形成されます。予防には、砂の水分含有量を 4% 未満に制御すること、窒素またはアルゴンパージによる溶融物の脱気、ライザーのサイズと位置を正しく設定することが含まれます。

砂の混入とコールドシャット

砂の混入は、金型または中子の表面から浸食された緩い砂が金属の乱流によって鋳物に持ち込まれるときに発生します。コールド シャットは、金属の 2 つの流れが金型内で合流し、適切に融合できないときに形成されます。通常、キャビティを満たす前に金属が冷却されすぎたか、流れの分割が不十分なゲート システムが原因で発生します。充填速度を制御した適切なゲート設計 (鉄の場合は注入口で 0.5 m/s 以下)、アルミニウムの場合は適切な金型の予熱、および十分に圧縮された砂はすべて、これらの欠陥を軽減します。

熱い涙と歪み

高温亀裂は、凝固中に鋳型または中子によって熱収縮が拘束されたときに鋳造品に形成される亀裂です。これらは、厚い部分に隣接する薄い部分、およびアルミニウム青銅のような凝固範囲が広い金属で最も一般的です。設計ソリューションには、セクションの移行部でのフィレット (最小半径 3 ～ 5 mm) の追加、コアの崩壊性の向上、チルまたはライザーの配置による凝固順序の調整などが含まれます。

砂型鋳造公差、表面仕上げ、および寸法能力

砂型鋳造に着手する前に現実的な寸法の期待値を設定しておくことで、コストのかかる再設計を防ぐことができます。このプロセスには、プロセスの種類、金属、部品のサイズによって異なる十分に確立された能力制限があります。

参考までに、 インベストメント鋳造は通常、1 インチあたり ±0.005 インチおよび 63 ～ 125 Ra を達成します。 一方、高圧ダイカストでは 1 インチあたり ±0.002 ～ 0.005 インチに達しますが、どちらも工具コストが大幅に高くなります。砂型鋳造公差は、いずれにしても重要な境界面の機械加工が必要なほとんどの構造部品、ハウジング、ブラケットに十分に適しています。

砂型鋳造と他の鋳造プロセス: 砂を選択する場合

砂型鋳造は常に最適なプロセスの選択であるとは限りません。代替手段と比較してどこが優れており、どこが劣っているのかを理解することで、コストのかかるプロセス選択の間違いを防ぐことができます。

砂型鋳造の利点

• あらゆる鋳造プロセスの中で最も低い工具コスト: 緑の砂を鋳造するための簡単な木製またはプラスチックのパターンは、500 ～ 5,000 ドルで作成できます。同等のダイカスト金型の価格は 20,000 ～ 200,000 ドルです。このため、試作数量、短期間 (500 個未満の部品)、および金型工具が実用的ではない非常に大きな部品の場合、砂型鋳造が唯一の経済的な選択肢となります。
• 実際のサイズ制限はありません: 砂型鋳造では、どのプロセスでも最大の金属鋳物が製造されます。単一の最大の砂型鋳物（水力発電タービン、船のプロペラ、プレスフレーム用の巨大なフレーム）は重量が 100 トンを超え、他の方法では製造できませんでした。
• すべての鋳造可能な合金と互換性があります: これには、アルミニウムまたは亜鉛のダイカスト工具を一撃で腐食または破壊する高融点の鉄合金 (鋼、ステンレス鋼、高クロム鉄) が含まれます。
• コアを介した複雑な内部形状: 砂中子を使用すると、永久的な金型からは抽出できない内部通路、空洞、および形状を作成できます。これは、エンジン ブロック、バルブ本体、油圧マニホールドにとって重要です。

別のプロセスを選択する場合

• 大量の厳しい耐性の薄肉 → ダイカスト: 数量が 10,000 ～ 50,000 個を超え、肉厚が 2mm 未満で公差が ±0.010 インチより厳しいアルミニウムまたは亜鉛部品の場合、高圧ダイカストは、工具投資が高額であるにもかかわらず、部品あたりのコストが低くなります。
• 複雑な形状の微細表面仕上げ → インベストメント鋳造： 薄肉、微細なディテール、ニアネットシェイプの要件（ほとんどの機械加工が不要）を備えた部品には、1 個あたりのコストが高くなりますが、インベストメント鋳造の方が適しています。
• 簡易回転部品→遠心鋳造： パイプ、チューブ、リング、および円筒形ブッシュは、砂型鋳造よりも遠心鋳造の方が経済的に、また優れた機械的特性（遠心分離による）で製造されます。

砂型鋳造に依存する産業と製品

砂型鋳造は、複数の主要産業の製造サプライ チェーンに深く組み込まれています。毎日完成品に登場する多くの部品は、砂型鋳造から始まりました。

自動車産業

自動車産業は世界の砂鋳物の最大の消費者です 、重量で鋳造総生産量の約 35 ～ 40% を占めます。 1 つの内燃エンジンには、エンジン ブロック、シリンダー ヘッド、吸気マニホールド、排気マニホールド、クランク シャフト (多くのデザイン)、ディファレンシャル ハウジング、トランスミッション ケース、ブレーキ キャリパー、ホイール ハブなど、数十もの砂型鋳造コンポーネントが含まれています。一般的な乗用車には、150 ～ 250 ポンドの鉄とアルミニウムの砂型鋳物が含まれています。

産業機械・ポンプ

工作機械のベース、ポンプ ケーシング、コンプレッサー ハウジング、バルブ本体、インペラ、油圧マニホールドは、広範囲にわたって鋳鉄、鋼、青銅で砂鋳造されています。複雑な内部形状 (ポンプ ボリュート、バルブ チャンバー)、大型サイズ、低から中程度の生産量の組み合わせにより、砂型鋳造は大部分の工業用流体取り扱い装置にとって最適なプロセスとなっています。

航空宇宙と防衛

航空宇宙用の精密部品ではインベストメント鋳造や機械加工鍛造品が使用されることが多いですが、砂型鋳造では多くの構造用機体部品、ギアボックス ハウジング、ナセル構造、地上支援機器部品がアルミニウムやマグネシウム合金で製造されています。砂型鋳造は、部品サイズや合金の要件がインベストメント鋳造の能力を超える大型砲兵部品、車両装甲ブラケット、海軍ハードウェアの主要なプロセスでもあります。

建設、鉱業、エネルギー

クラッシャージョー、ミルライナー、掘削機の歯、パイプライン継手、マンホールカバー、風力タービンハブなどは、これらの産業で使用される高摩耗性、高強度の砂型鋳造部品です。 単一の風力タービン ハブ (通常はダクタイル鋳鉄から鋳造される) の重量は 15 ～ 30 トンにもなる また、寸法安定性と内部健全性が必要であり、この規模で確実に実現できるのは、よく設計された非焼成砂型鋳造プロセスだけです。