平成23年 機械・知能系 ５セメスター

4.成形加工 鋳造 Forming processes: casting

機械創成学Ｉ Creation and Production I

主な材料加工法 Manufacturing processes

成形加工 除去加工 付加加工

塑性加工

粉末・射出成形

切削加工

研削加工

特殊加工

接合・溶接

表面改質・処理

鋳造

めっき、蒸着

Forming processes Removal processing Joining processes

Casting

Plastic forming

Powder processing Injection molding

Cutting

Grinding

Advanced processes

Bonding and welding

Surface treatment, modification

鋳造とは？ Casting processes

鋳造：( )させ、 鋳型の空洞と同じ形状の製品を得る ( ) to form a solid piece that has the same shape as mold cavity. （a） 金属材料を加熱溶融し、組成を調合 Metallic materials are melted and composition is adjusted. （b） 製品形状を砂または金属製の鋳型（mold）に造型 A sand or metallic mold is formed based on product shape. （c） 溶融金属を鋳型に鋳込み、管理しながら凝固させる Molten metal is casted in a mold and solidified.

Melting process Preparation of casting mold Casting/solidification process

鋳造製品 Casting products

Transmission valve body

Hub rotor with disk-brake cylinder

Transmission housing

Digital camera With die-cast, high-purity magnesium case

S. Kalpakjian and S. Schmid, Manufacturing Engineering and Technology (6th edition),Prentice Hall (2010).

自動車に使われる各種鋳造製品 Casting products used in automobiles

材質 materials 組成 composition 主な部品名 products

２％以上のCを添加したFe合金

Fe alloy with > 2.0% C

シリンダーブロック，カムシャフト cylinder block, camshaft

黒鉛を球状にする接種剤（希土類元素やMgなど）の添加

Additive: inoculant

クランクシャフト，ピストンリング

clank shaft, piston ring

Fe,C,Siに加えCu,Cr, Mo, Ni, Sn, Pなどを適宜添加

Additive: Cu, Cr, Mo, Ni, Sn, P

カムシャフト，シリンダーヘッド，シリンダーブロック camshaft, cylinder head, cylinder block

Al-Cu-Si合金など

e.g.) Al-Cu-Si alloy

ピストン

piston

鋳造法の特徴 Characteristics of casting process

●長所 Advantage ・( )も比較的容易に加工できる。

Ability to produce ( )

・製品形状の複雑さの他に、( )、小さな製品から

大きい部品まで広い範囲にわたって運用可能である。

( )

・溶解するとき、( )ので、多種多様な合金成分を使い分けて

製品に必要な性質を組成の調合で作り出せる。

( ); material (alloy) composition can be easily controlled

by melting wide variety of metals.

・( )が容易であるので、他の加工方法に比べて

材料の廃棄が極めて少なく、貴重な資源の有効利用が図れる。

Materials are ( ); less amounts of wasted materials compared

with other processes

鋳造法の特徴 Characteristics of casting process

●短所 Disadvantage ・凝固時に鋳造品が収縮するために、( )。

( ) caused by shrinkage during solidification

・( )が発生すると製品の強度および延性が

低下するとともに、これらのばらつきが大きくなって信頼性が低くなる。

( )

⇒Decreased strength and ductility and low reliability caused by increased variation

of strength and ductility

・鍛造のような加工による微細欠陥の消滅や組織の微細化による( )

は期待できない。

No ( ) due to an extinction of micro-defect and refinement of

material structure

鋳造品の材料特性 Material property of casting products

鋳造品では，溶融金属の冷却による凝固の進展に伴って特徴的な組織が形成される。

(1) 型面付近：急速に冷却され微細な結晶粒が形成 される．（ ） ( ): fine crystal grain formed near the molding surface due to rapid cooling (2) 冷却に伴って凝固が進行し、結晶は型面から 鋳造品内部に向かって成長する。（ ） ( ) growing from the molding surface to the inner part of the product (3) 内部は高温で、ゆっくり凝固するため、大きな 結晶粒となる。（ ） ( ): large crystal grain formed due to slow solidification

表面

内部

( )が鋳造品の主役 ( ) is main part of casting product.

→粒径により強度・延性、微小欠陥の発生、クラック発生が異なる Grain size affects strength, ductility, generation of micro defect and cracks.

Surface

Inner

鋳造欠陥 Casting defects

凝固収縮に対する溶湯不足が主因 Caused by a shortage of molten metals. 凝固が局部的に遅れるところに多く発生する。 Frequently generates at local area with a slow solidification. ⇒ 湯流れ、押湯圧力の調整 Control of fluidity and pressure

溶湯に含まれるガス、または巻き込んだ空気が主因： Caused by gas included in molten metal or involution air ・ピンホール（粟粒より小さい） Pinhole: smaller than grain of millet ・ブローホール（ピンホールより大きい） Blowhole: larger than pinhole ⇒ 周囲の圧力を下げる、溶湯圧力を上げる Reduce surrounding pressure and molten metal pressure

A. ( )

( )

( )

Shrinkage cavity

鋳造欠陥 Casting defects

凝固・冷却過程で生ずる不均一な収縮変形が要因 Caused by heterogeneous shrinkage during cooling and solidification processes 不純物による熱間割れ Hot cracking caused by impurities ⇒ 不純物除去、鋳造品の形状変更 Removal of impurities and change in product shape 不均一変形による冷間割れ Cold cracking caused by heterogeneous deformation ⇒ 鋳造品の形状変更 Change in product shape

B. ( )

熱間：( )以上 Hot : > ( ) 冷間：( )以下 Cold : < ( )

Cracks

鋳造 Casting processes

溶湯を型に流し込んで凝固させる. Molten metal is solidified in a mold.

型：使い捨てExpendable pattern and mold

型：使い捨て，繰り返し使用 Expendable mold, permanent pattern

型：繰り返し使用 Permanent mold

焼き流し鋳造 ロストワックス 単結晶鋳造 融解紡糸

砂型鋳造 シェル型鋳造 セラミック型鋳造

金型鋳造 ダイキャスト 遠心鋳造 溶湯鍛造

S. Kalpakjian and S. Schmid, Manufacturing Engineering and Technology (6th edition),Prentice Hall (2010).

砂型鋳造 Sand casting

鋳造用の型：鋳型

鋳型を作る：造型

鋳型には力学的・ 機械的強さが必要。

造型方法：

◆伝統的かつ最も基本的な鋳造の方法 The traditional method of casting metal

and most prevalent form of casting.

鋳物砂 Sand

模型 Pattern

溶解 Melting of metal

注湯 (鋳込み) Pouring

into mold

解枠 Shakeout

熱処理 Heat

treatment

除砂・仕上げ加工

Cleaning and finishing

検査 Inspection

模型

空気圧

圧搾板

鋳枠 鋳物砂

模型

Pattern

油圧

Ram Force

圧搾板

Pressure pate

鋳枠

Box 鋳物砂

圧搾板

Pressure pate

鋳(砂)型の構造 Structure of sand mold

鋳造用の型：鋳型

鋳型を作る：造型

鋳型には力学的・ 機械的強さが必要。

造型方法：

受け口

ベント

押湯

上型

下型

鋳枠

湯口

鋳砂

鋳砂

中子

湯道

ゲート 堰

中子

中子を使った中空品の鋳造

Core

上型

下型

Cope

Drag

Braking of core

消失模型鋳造 Expendable pattern casting process

模型の造形

プラスチック Plastics (PE,PP,PS, etc.)

クラスタの作製 耐火スラリーでコーティング

砂の中に入れる

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消失模型鋳造の長所 Advantages of expendable pattern casting process： ・模型を抜き出す必要がない Not necessary to extract patterns

・( ) No need to use ( )

・鋳型が一体成形なのでバリがでない． Less burr

・プラスチックでの成形なので，均質品 が量産できる． Uniform parts can be cranked out by using plastic patterns that are cranked out by injection molding.

消失模型鋳造 Expendable pattern casting process

Marine engine 船舶用エンジン

S. Kalpakjian and S. Schmid, Manufacturing Engineering and Technology (6th edition),Prentice Hall (2010).

ロストワックス Lost-wax process

ワックス型を射出成形 ワックス型を取り出し ツリーを作製 セラミックスラリーを塗布 しっくいを塗布

ワックスを加熱溶融し、型から取り出す

鋳込み 取り出し 鋳造品

ダイキャスト（金型鋳造）Die-casting process

・溶融金属に30-100MPaの高圧力→( )に高速で鋳込む

Molten metal is injected into ( ) with high speed and high pressure (30-100MPa).

砂型鋳造法とほぼ同じ・・・違いは( )

・型の開閉，中子の引き抜き， 製品の取り出しの( ) ( ) of opening

and closing of mold, extrusion of core, and product ejection

・( ) が可能 Casting with

( )

押出しピン Extrusion pin

鋳型 Mold cavity

アルミ溶湯 Molten aluminum

射出シリンダ Injection cylinder

( )

ダイキャスト（金型鋳造）Die-casting process

●長所 Advantages： ・精密で、鋳肌がなめらか Precise dimension and smooth surface ・( ) ( ) ・薄膜化が可能，軽量化容易 Thinned and lightened products ●欠点 Disadvantages： ・( ) に限られる・・・金属金型のため Limited to materials with ( ) because of using metallic mold ・少量生産に向かない（金属金型コスト） Unfit for small production because od high cost of metallic mold ・( ) に向かない Unfit for ( ) products

スクイズキャスティング（溶湯鍛造） Squeeze casting

もろさの原因となる( ) ( ) that cause brittleness ; press after casting 金属金型使用（高圧耐性）・・・材料に制限あり Usage of metallic die : limitation of molten metal

金型

押出しピン

溶湯を金型に注湯

ダイスで押込み加圧 鋳造品を取り出し⇒注湯

⇒再度加圧の繰り返し S. Kalpakjian and S. Schmid, Manufacturing Engineering and Technology (6th edition),Prentice Hall (2010).

遠心鋳造 Centrifugal casting

高速回転している鋳型容器に溶湯を流し込み、( ) Pour molten metal into the mold vessel that rotating; casting by use of ( )

・管・リング状の鋳造 （シリンダライナー，ベアリングレース，各種パイプ）

Casting of pipes and rings such as cylinder liner and bearing race, etc. ・小径から大径、短尺から長尺まで均一な肉厚

Uniform thickness S. Kalpakjian and S. Schmid, Manufacturing Engineering and Technology (6th edition),Prentice Hall (2010).

本日のまとめ Today’s summary

●鋳造(Casting)：模型を用いて鋳型内にキャビティをつくり、

溶融金属を充填させて、凝固によりキャビティを転写して製品

をつくる方法。

Pouring molten metal into a mold cavity. Upon solidification, the

metal takes the shape of the cavity

＜主な鋳造方法＞

・砂型鋳造，消失模型鋳造，ロストワックス，ダイキャスト

スクイズキャスティング，遠心鋳造 Sand casting, expendable-pattern casting, lost-wax, die-casting, squeeze casting, centrifugal casting

◆中空構造など複雑な構造物を作ることが可能 Hollow structure can be formed. ◆柱状晶が主役 Columnar crystal is main part of casting product. ◆鋳造欠陥（ポロシティー、割れ）の抑制が重要 Prevention of casting defect such as porosity and cracks is important.