鋳造材料101

金属鋳造の簡単なガイド

  • 金属鋳造プロセスは、製造に使用される7、000年以上の歴史があります。これは、溶融金属を目的の形状の中空キャビティを含む金型に注入するプロセスとして定義されます。
  • 金属鋳造は、金型設計の基本的な性質によって2つのグループに分けることができます。つまり、消耗型の型と永久型の鋳造品です。パターン素材に応じて、さらにグループに細分化することができます。
  • 高度に設計された鋳物は、自動車、トラック、航空宇宙、列車、鉱業および建設設備、油井、電化製品、パイプ、給水栓、風力タービン、原子力発電所、医療機器、防衛製品、おもちゃ、およびもっと。

ねずみ鋳鉄は、工業生産で最も頻繁に使用される鋳造材料の1つです。鋳造供給市場の大部分を占める、それは強力で用途の広い物質です。ねずみ鋳鉄は、簡単に機械加工でき、破壊的な方法を使用せずに品質をテストでき、特定のアプリケーション要件を満たすように配合されており、大量生産で費用対効果が高くなります。

鋳鋼は、並外れた摩耗、衝撃、または重い負荷にさらされる部品に最適な丈夫な鋳造材料です。水性環境での耐食性や高温を伴う用途に役立ちます。鋼は、耐食性や耐熱性をさらに向上させるために、クロム、鉄、ニッケルと混合されることがよくあります。

アルミニウム鋳造の最も重要な利点の1つは、他の鋳造合金よりも多くの表面仕上げオプションを備えた、より軽い部品を作成できることです。さらに、鋳造アルミニウムは用途が広く、耐食性があり、薄い壁で高い寸法安定性を維持し、ほとんどすべての産業で使用できます。

鋳造銅合金は、引張強度と圧縮強度が高く、金属同士の接触による摩耗性が高く、機械加工が容易で、熱伝導率と電気伝導率が高く、製品性能を最大化するための高い耐食性を備えています。それは美術分野で最も使用されています。

鋳造材料を選択する際の考慮事項


特定のプロジェクトに適切な鋳造および金型材料を選択することは、重要な懸念事項になる可能性があります。キャスティングを決定する際に考慮すべき要素には、次のものがあります。

これらの要因により、コンポーネントの鋳造に使用できる金属合金の可能なセットが決まります。また、最も適切な合金を特定すると、この初期段階であっても、利用可能な鋳造プロセスの一部が除外される可能性があります。たとえば、鋳造ステンレス鋼または鋳鉄のいずれかが最も適切な合金であると決定された場合、これはダイカストの使用を排除します。

さらに、設計者は、選択する適切な材料に関して他のパラメータ内で作業する必要があります。これらには、材料費、製造費、最終製品の重量、製品のサイズ、および選択した材料が保持できる温度範囲が含まれる可能性があります。

鋳鉄は、炭素含有量が2%〜4%の鉄-炭素合金のグループであり、さまざまな量のシリコンとマンガン、および硫黄やリンなどの微量の不純物が含まれています。その有用性は、比較的低い溶融温度に由来します。合金成分は、破砕時に色に影響を与えます。白い鋳鉄には、亀裂をまっすぐに通過させる炭化物不純物があり、ねずみ鋳鉄には、通過する亀裂を偏向させ、材料が破損すると無数の新しい亀裂を開始するグラファイトフレークがあり、ダクタイル鋳鉄には球状があります。亀裂の進行を防ぐグラファイトの「小塊」。

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鋳鉄

鋼と鋳鉄はどちらも微量の炭素を含み、類似しているように見えますが、2つの金属の間には大きな違いがあります。鋼の炭素含有量は2%未満であるため、最終製品を単一の微結晶構造に固化させることができます。鋳鉄の炭素含有量が高いということは、鋳鉄が不均一合金として固化することを意味し、したがって、材料に複数の微結晶構造が存在することを意味します。

ねずみ鋳鉄 金属が破砕されると、グラファイトフレークに沿って破砕が発生し、破砕された金属の表面が灰色になります。ねずみ鋳鉄という名前は、この特徴に由来しています。
ねずみ鋳鉄は他の鋳鉄ほど延性がなく、引張強度も低くなります。ただし、それはより優れた熱伝導体であり、より高いレベルの振動減衰を備えています。鋼の20〜25倍の減衰能力があり、他のすべての鋳鉄よりも優れています。ねずみ鋳鉄は、他の鋳鉄よりも機械加工が容易であり、その耐摩耗性により、最も大量の鋳鉄製品の1つになっています。
白鉄 白鉄をせん断すると、グラファイトがないため、破断面が白く見えます。セメンタイトの微結晶構造は硬くて脆く、高い圧縮強度と優れた耐摩耗性を備えています。特定の特殊な用途では、製品の表面に白鉄を付けることが望ましい。これは、金型の一部を作るために優れた熱伝導体を使用することによって達成できます。これにより、溶融金属からその特定の領域から急速に熱が奪われ、残りの鋳造物はより遅い速度で冷却されます。
白鉄の最も人気のあるグレードの1つはNi-HardIronです。クロムおよびニッケル合金の添加により、この製品は衝撃の少ない滑り摩耗用途に優れた特性を示します。
可鍛鋳鉄 白鉄は、熱処理の過程でさらに可鍛鋳鉄に加工することができます。加熱と冷却の拡張プログラムにより、炭化鉄分子が分解され、遊離のグラファイト分子が鉄に放出されます。さまざまな冷却速度と合金の添加により、微結晶構造の可鍛鋳鉄が生成されます。
ダクタイル鋳鉄(ノジュラーアイアン) ダクタイル鋳鉄、または球状黒鉛鋳鉄は、合金にマグネシウムを添加することでその特殊な特性を獲得します。マグネシウムの存在により、ねずみ鋳鉄のフレークとは対照的に、グラファイトが回転楕円体の形状に形成されます。組成管理は製造工程において非常に重要です。硫黄や酸素などの少量の不純物がマグネシウムと反応し、グラファイト分子の形状に影響を与えます。グラファイト回転楕円体の周りの微結晶構造を操作することにより、さまざまなグレードのダクタイル鋳鉄が形成されます。これは、下流の処理ステップとして、鋳造プロセスまたは熱処理によって実現されます。

鋳鋼の化学組成は、性能特性に大きく影響し、鋼の分類や標準的な指定によく使用されます。鋳鋼は、炭素鋳鋼と合金鋳鋼の2つの大きなカテゴリに分類できます。

  • 炭素鋳鋼は、炭素含有量によって分類できます。低炭素鋳鋼(0.2%炭素)は比較的柔らかく、熱処理が容易ではありません。中炭素鋳鋼(0.2〜0.5%炭素)はやや硬く、熱処理による強化に適しています。最高の硬度と耐摩耗性が望まれる場合は、高炭素鋳鋼(0.5%炭素)が使用されます。
  • Alloy steel is categorized as either low or high-alloy. Low-alloy cast steel (≤ 8% alloy content) behaves similarly to normal carbon steel, but with higher hardenability. High-alloy cast steel (> 8% alloy content) is designed to produce a specific property, such as corrosion resistance, heat resistance, or wear resistance.
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合金鋼(ステンレス鋼を含む)

非鉄合金は優れた機械加工性を備えており、ほとんどが鉄族よりも軽量ですが、多くの厳しい用途に必要な強度と靭性を備えていません。

Common high-alloy steels include stainless steel (> 10.5% chromium) and Hadfield’s manganese steel (11–15% manganese). The addition of chromium, which forms a passivation layer of chromium oxide when exposed to oxygen, gives stainless steel excellent corrosion resistance. The manganese content in Hadfield’s steel provides high strength and resistance to abrasion upon hard working.

304 Ni含有量が8%を超えるオーステナイト系ステンレス鋼、食品グレードの合金は、家庭用および商業用の両方の用途でステンレス鋼部品を鋳造するために使用できます。最も広く使用されているステンレス鋼の鋳造材料です。 304ステンレス鋼の鋳物は、空気の腐食性が低い環境で使用できます。
316 また、Ni含有量が10%を超えるオーステナイト系ステンレス鋼。 Ni含有量が高いため、316ステンレス鋼鋳物は304ステンレス鋼鋳物よりも優れた耐食性を備えています。このようなステンレス鋼の鋳物は、比較的過酷な空気条件や化学物質に接触する必要がある海洋環境により適しています。
304L / 316L 機械的特性は304および316材料の特性に近いです。 Lは炭素含有量が少ないことを表します。これにより、材料の延性が高まり、溶接性能が向上し、耐食性が向上します。同じグレードの素材よりも値段が高いです。
410 & 416 シリーズ400は、高強度、良好な加工性能、高熱処理硬度を特徴とし、Niを含まないマルテンサイト系ステンレス鋼に属しているため、耐食性が弱い。
17-4 PH 17-4は、Ni含有量が3%〜5%で耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼に属しています。ステンレス鋼シリーズの中で最高の強度を持ち、通常、変形しにくい製品や部品に使用されます。
2205 二相ステンレス鋼2205は、22%のクロム、2.5%のモリブデン、4.5%のニッケル-窒素からなる複合ステンレス鋼であり、高強度、優れた衝撃靭性、および全体的および局所的な応力腐食に対する優れた耐性を備えています。

アルミニウム

アルミニウム鋳造の最も重要な利点の1つは、他の鋳造合金よりも多くの表面仕上げオプションを備えた、より軽い部品を作成できることです。もちろん、材料は機械加工や切断が簡単であるため、多くのエンジニアがそれを選択します。さらに、鋳造アルミニウムは用途が広く、耐食性があります。薄い壁で高い寸法安定性を維持し、ほとんどすべての産業で使用できます。

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アルミニウム合金

1から8まで番号が付けられている8つの異なるアルミニウム合金があります。最初の3つの数字は、アルミニウムが組み合わされた合金を示しています。鋳造合金の場合、小数は3桁目と4桁目の間に置かれ、4番目の数字は製品の形状を示します。追加の指標として、各合金には1から5までの亀裂、腐食、仕上げ、および接合の数が与えられ、1つが最良で、5つが最悪です。 1000シリーズの合金の評価はすべてのカテゴリで1ですが、シリーズ8000の評価はすべてのカテゴリで5です。

1000シリーズ 1000シリーズは、アルミニウム含有量が99%の最も純粋な合金です。柔らかく延性があり、作業性に優れています。 1000シリーズはゆっくり硬化するため、極端な成形に耐えることができます。それは容易に溶接可能であり、処理中に良好に機能します。
2000シリーズ 2000シリーズは、2%から10%の銅を含み、他の元素を少量添加した銅と合金化されています。銅はアルミニウムの強度と硬度を高めますが、延性と耐食性を低下させます。シリーズ2000は溶接が困難ですが、熱処理が可能です。
3000シリーズ シリーズ3000の主要な合金元素はマンガンです。マンガンとアルミニウムの組み合わせは、優れた耐食性を備えていますが、適度に強力です。熱処理を施した非強化アルミ合金です。シリーズ3000の主な利点は、その低密度、優れた可塑性と溶接性、耐食性、延性、および非常に滑らかな仕上げ面です。
4000シリーズ 4000シリーズはシリコンと合金化されているため、合金の融点が低くなり、流動性が向上します。溶融状態での成形が容易なため、最も人気のある鋳造合金の1つです。 4000シリーズは溶接およびろう付けフィラーとして使用されます。
5000シリーズ 5000シリーズはマグネシウムと合金化されているため、優れた引張強度と成形性が得られます。溶接性の高い高強度シート・プレート合金に分類されます。板金用途での5000シリーズの好みは、酸およびアルカリ腐食に対する耐性によるものです。これらの特性により、5000シリーズは過酷な敵対的な環境に適応できます。
6000シリーズ 6000シリーズはマグネシウムとシリコンで合金化されており、合金の強度、機械的特性、および耐食性を提供します。 6000シリーズの一部のバージョンは、シリーズ4000および5000と組み合わせて、6000シリーズのプロパティを強化しています。 6000シリーズの処理には、複雑で高価な特殊な技術的に高度な機器が必要です。その優れた耐食性と酸化性に加えて、コーティングと処理のしやすさ、および作業性があります。
7000シリーズ 7000シリーズのアルミニウム合金は、工業用グレードのA3鋼の3分の2の強度係数を持つ合金の中で最も強く、最も弾力性があります。 7000シリーズは硬度が高いため、優れた耐摩耗性、優れた機械的特性、およびアノード反応を備えています。航空機部品など、大きな応力に耐える必要のある部品の鋳造に最適です。亜鉛は7000アルミニウムの合金であり、モース硬度ではアルミニウムと同じ硬度ですが、硬度を上げるのに役立ちます。
8000シリーズ 8000シリーズの主な合金は、少量の銅とニッケルを含むスズです。この合金は強度が低いですが、機械加工性と耐摩耗性に優れています。 8000シリーズの合金の構成は、製造される製品の使用方法によって異なります。その構成によって、金属の温度性能、密度、および剛性が決まります。

鋳造銅合金は、引張強度と圧縮強度が高く、金属同士の接触による摩耗性が高く、機械加工が容易で、熱伝導率と電気伝導率が高く、製品性能を最大化するための高い耐食性を備えています。それは美術分野で最も使用されています。

鋳造が容易で、長い使用実績があり、さまざまな供給元から容易に入手でき、さまざまな物理的および機械的特性を実現でき、機械加工、ろう付け、はんだ付け、研磨、またはメッキが容易です。

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銅合金の鋳造

純銅は鋳造が非常に困難であるだけでなく、表面のひび割れ、多孔性の問題、および内部空洞の形成を起こしやすい。ベリリウム、シリコン、ニッケル、スズ、亜鉛、クロム、銀などの元素を少量添加することで、銅の鋳造特性を向上させることができます。

鋳造銅合金は、ベアリング、ブッシング、ギア、フィッティング、バルブボディ、および化学処理産業向けのその他のコンポーネントなどのアプリケーションに使用されます。これらの合金は、砂、シェル、投資、永久型、化学砂、遠心鋳造、ダイカストなど、さまざまな種類の鋳造品に注入されます。

真ちゅう 真ちゅうは銅合金であり、亜鉛が主な合金添加物です。
真ちゅうには、特定の量の鉛、スズ、マンガン、シリコンが含まれている場合もあります。
銅-スズ-(鉛)-亜鉛合金の亜鉛含有量が低いほど、銅に似た、つまり「赤」に見えます。
ブロンズ 「青銅」という用語は、もともとスズが主要な合金元素である合金を指していました。
錫青銅は、優れた耐食性、適度に高い強度、および優れた耐摩耗性を提供します。スリーブベアリングに使用され、特に鋼に対してよく摩耗します。
モネル/キュプロニッケル ニッケル-スズ青銅は、特に水性媒体において、適度な強度と非常に優れた耐食性を特徴としています。このファミリの1つのメンバーであるC94700は、75 ksi(517 MPa)までの典型的な引張強度に加齢硬化させることができます。特に耐摩耗性に優れています。スズ青銅と同様に、ニッケル-スズ青銅がベアリングに使用されますが、これらの用途の広い合金は、バルブおよびポンプコンポーネント、ギア、シフターフォーク、サーキットブレーカー部品としてより頻繁に使用されます。