インベストメント鋳造: プロセス、部品、産業用途

インベストメント鋳造は、セラミックでコーティングされたワックス パターンを使用して、厳しい公差 (通常 ±0.1mm) と優れた表面仕上げの複雑な金属部品を製造する精密製造プロセスです。 これは、現在も産業的に使用されている最古の金属加工技術の 1 つであり、現在では精度と再現性が交渉の余地のない航空宇宙、医療、自動車、エネルギー分野で使用されています。

インベストメント鋳造とは何ですか?

インベストメント鋳造 - インベストメント鋳造とも呼ばれます ロストワックス鋳造 — 目的の部品の使い捨てワックスモデルを作成し、それをセラミックシェルで囲み、ワックスを溶かして、残ったキャビティに溶けた金属を注ぎ込むことによって機能します。金属が固まると、セラミックが取り除かれ、最終部分が現れます。

「インベストメント」という用語は、ワックスパターンを包み込む、または「インベストメント」するセラミック材料を指します。砂型鋳造やダイカストとは異なり、インベストメント鋳造は細部や薄肉（厚さのような薄さ）を再現できます。 0.75mm ）、抜き勾配を必要とせずにアンダーカットが可能です。

ステップバイステップ: インベストメント鋳造プロセスの仕組み

1. ワックスパターンの作成: ワックスをアルミニウムの金型に注入して、最終部品の正確なレプリカを形成します。
2. 組み立て: 複数のワックス パターンが中央のワックス スプルー (ランナー システム) に取り付けられ、「ツリー」を形成します。
3. シェルの構築: ワックスアセンブリはセラミックスラリーに繰り返し浸漬され、細かい砂でコーティングされます。通常、数日間にわたって 5 ～ 7 層を塗布します。
4. 脱蝋： セラミックシェルは、次の温度でオートクレーブまたはフラッシュファイア炉に入れられます。 150～175℃ 、ワックスを溶かして排出します。
5. 予熱と注入: シェルは約100℃まで加熱されます。 1000℃ 熱衝撃を防ぐため、溶融金属を流し込みます。
6. シェルの除去: 冷却後、セラミックは振動、ウォーターブラスト、または機械的ノックアウトによって除去されます。
7. 仕上げ: 部品はスプルーから切断され、研削され、熱処理され、図面仕様に従って検査されます。

インベストメント鋳造に使用される材料

インベストメント鋳造は幅広い合金をサポートします。このプロセスは、機械加工や鍛造が難しい材料に特に有利です。一般的な材料には次のものがあります。

インベストメント鋳造で作られる部品は何ですか?

インベストメント鋳造部品 膨大な範囲の複雑さと規模にまたがります。 2グラムのサージカルクリップ に 150キログラムの構造用機体ブラケット 。決定的な特徴は、これらの部品が幾何学的複雑さ、正確な寸法、または他の方法では経済的に達成できない表面品質を必要とすることです。

航空宇宙用インベストメント鋳造部品

航空宇宙産業は、インベストメント鋳造の最も生産量が多く、最も要求の厳しい用途です。典型的な部品には次のようなものがあります。

• タービンブレードおよびベーン（高温耐性を備えた単結晶鋳造品）
• 燃焼室コンポーネント
• 機体構造用ブラケットとフィッティング
• 燃料システムのノズルとマニホールド

たとえば、単一の GE90 ジェット エンジンには、 インベストメント鋳造超合金タービンブレード 100 枚 、それぞれが次の温度を超える温度で動作します。 1,500℃ .

医療および歯科用インベストメント鋳造部品

チタンやコバルトクロムなどの材料の生体適合性とインベストメント鋳造の精度の組み合わせにより、以下の製品を製造するための主要な方法となっています。

• 整形外科用インプラント (股関節ステム、膝コンポーネント)
• 歯冠、ブリッジ、フレームワーク
• 手術器具のハンドルと鉗子
• 脊椎固定ケージと骨プレート

自動車インベストメント鋳造部品

自動車の大量生産ではダイカストが好まれることが多いですが、形状や合金の要件がコストに見合った場合にはインベストメント鋳造が使用されます。

• ターボチャージャーのホイールとハウジング
• ロッカーアームおよびカムシャフト部品
• スロットルボディとインテークマニホールドインサート
• ステアリングおよびサスペンションナックル (高性能車両)

産業およびエネルギー分野の部品

• 石油およびガス用のポンプ インペラおよびハウジング
• バルブボディおよびゲートバルブ (ASME 定格圧力サービス)
• 風力タービンのピッチ制御コンポーネント
• 低い気孔率を必要とする原子炉ハードウェア

競合プロセスに対するインベストメント鋳造の主な利点

制限とコストに関する考慮事項

インベストメント鋳造は、一般的に最良の選択というわけではありません。その主な制約には次のものがあります。

• 少量では部品あたりのコストが高くなる 棒材から単純な形状を機械加工する場合と比較して。
• サイズ制限: ほとんどの鋳造工場は以下の部品を扱います 30～50kg ;非常に大きな部品は砂型鋳造に適しています。
• リードタイム: 新しいワックス金型用の工具の製作には、通常、次のような時間がかかります。 3～6週間 、機械加工されたプロトタイプよりも長くなります。
• 気孔率のリスク: 不適切な砲弾の発火や金属の注入により、表面下に空洞が生じ、構造の完全性が損なわれる可能性があるため、X 線または CT 検査が必要になります。

小規模から中規模の複雑性の高い部品の場合 - 通常 年間50～10,000台 — インベストメント鋳造は、品質、材料の自由度、総コストの最適なバランスを実現します。

インベストメント鋳造部品の品質基準と検査

重要な産業におけるインベストメント鋳造部品は、特定の基準を満たす必要があります。一般的な管理仕様には次のものが含まれます。

• ASTM A732 – 一般用鋼のインベストメント鋳造品
• AMS 2175 – 航空宇宙向けの鋳物の分類と検査
• ISO 8062-3 – 鋳物の寸法許容差
• NADCAP認定 – 航空宇宙および防衛鋳造サプライヤーに必須

日常的に使用される検査方法には、三次元測定機 (CMM) 検証、染料浸透検査 (PT)、X 線検査 (X 線または CT スキャン)、および材料仕様に基づく機械検査が含まれます。

部品にインベストメント鋳造を選択する場合

部品が次の基準のほとんどを満たしている場合、インベストメント鋳造は正しい選択です。

• 形状には、機械加工が不可能な内部通路、薄壁、またはアンダーカットが含まれています
• 合金は超合金、ステンレス鋼、またはチタンなどの反応性金属です。
• 表面仕上げの要件は次の範囲にあります。 Ra 1.6 ～ 6.3 μm 二次研削なし
• 年間生産量は100～数千個
• 高価な硬質合金の機械加工を最小限に抑えるには、ニアネットシェイプが必要です

これらの条件が揃うと、インベストメント鋳造は通常、部品の総コストを次のように削減します。 20～40% ソリッドビレットからの機械加工と比較して、途切れのない結晶粒構造により優れた構造的完全性を実現します。