鋳造用アルミニウム：総合ガイド

鋳造は、最も古く、最も汎用性の高い金属加工プロセスの一つであり、製造業者は最高精度の複雑な形状を製造することができます。軽量、耐食性、高熱伝導性といった鋳造用アルミニウムの優れた特性により、鋳造に使用される様々な金属の中でも、鋳造用アルミニウムは特別な存在です。この記事では、鋳造用アルミニウムの使用、その利点、種類、用途、技術について説明します。鋳造で最も一般的に使用される金属は、主にアルミニウムの重量特性、優れた耐食性、高い熱伝導性によるものです。希望の形状に仕上げるため、アルミニウムを溶かし、鋳型に流し込んだり、注入したりします。鋳造には、砂型鋳造、ダイカスト鋳造、インベストメント鋳造、永久鋳型鋳造など、用途に応じていくつかの主要な方法があります。鋳造方法の決定は、必要とされる精密さ、機械的特性、生産量を必要とする部品のサイズに基づいて行われます。

アルミ鋳造合金の組成選択は、アルミ鋳造品の製造において最も重要な決定の1つです。一般的なアルミ鋳造合金には、A356、319、380や、様々な用途に異なる強度、延性、耐食性を提供できる7075があります。ポロシティや引け巣の少ない高品質のアルミ鋳物の製造には、温度制御、圧力のかけ方、冷却速度、欠陥の軽減も大きく影響します。真空アシスト鋳造、セミソリッド金属加工、鋳型の3D印刷を含む鋳造技術の最近の進歩は、アルミ鋳造の精度、効率、持続可能性の面で大きな改善をもたらしました。さらに、産業界は、同じレベルの性能を維持しながら環境への影響を減らすために、アルミニウムのリサイクルにさらに力を入れています。

温度、圧力制御、機械的・化学的特性、欠陥防止、合金選択などの重要な要素を網羅した、鋳造用アルミに関する最も包括的なガイドです。これらの側面に関する知識により、エンジニアや製造業者は生産性の高いアルミ鋳造プロセスを行うことができ、より良い製品品質を生み出し、より良い生産効果を得ることができます。

鋳造にアルミニウムを使う理由

アルミニウムの優れた特性は、鋳造産業での使用を正当化し、そのため、様々な分野で働く製造業者にとって適切な金属選択となっています。アルミ鋳造を選択する主な理由がいくつかあります。

1.軽量でありながら強い： ご想像の通り、アルミニウムは他の金属に比べて非常に軽量であるため、自動車や航空機の製造など軽量化が重要な産業で使用するのに理想的です。

2.アルミニウムは優れた耐食性を提供します： 鋳造部品は、錆に対するバリアとなり、鋳造部品の寿命を延ばすのに役立つ自然酸化膜の恩恵を受けている。

3.高い熱伝導性と電気伝導性：  このため、アルミニウムは熱交換器、電子機器筐体、エンジン部品に非常に適している。

4.アルミニウム鋳物 - 優れた加工性： 鋳造アルミニウムは、高精度のアプリケーションのために、機械加工、研磨、仕上げが容易です。

5.安価：  アルミニウムは他の金属に比べてはるかに安価で、リサイクル可能なため環境に優しい。

鋳造に使用されるアルミニウムの種類

鋳造にはいくつかの異なるアルミニウム合金が使用され、異なる用途に適した特性を持っています。鋳造に最もよく使われるアルミニウム合金はどれですか？

1.アルミニウム-シリコン合金 (Al-Si)

• しかし、これらの合金は優れた鋳造性、耐食性、耐摩耗性を有している。
• 自動車のエンジン部品（シリンダーヘッドなど）やポンプハウジングによく使われている。

2.アルミニウム-銅合金 (Al-Cu)

• 高い強度と優れた加工性。
• このような耐久性が必要とされる航空宇宙や軍事用途で使用されている。

3.アルミニウム-マグネシウム合金 (Al-Mg)

• 軽量で耐食性に優れ、船舶用途に最適。
• 構造部品や航空宇宙産業で一般的。

4.アルミニウム-亜鉛合金 (Al-Zn)

• 強度は高いが耐食性は低い。
• 高い耐摩耗性が要求される場合、例えばギアやベアリングがこれらの条件を満たさなければならない用途で使用される。

ダイカスト用アルミニウム合金  

ダイカストの製造工程は非常に効率的で、精密な金型を使って溶けたアルミニウムを高圧で注入する。これは、耐久性があり、軽量で、寸法精度の高い複雑な金属部品を製造するためのよく知られた方法となっています。アルミニウムは密度が低く、耐食性に優れ、熱伝導性に優れているため、ダイカストに適した素材です。

様々な用途に機械的・物理的特性を提供するため、ダイカスト用に特別に配合されたアルミニウム合金がいくつかあります。最も消費されるアルミダイカスト合金を以下に説明します。

1.アルミニウム合金 380 (A380)

アルミニウム合金A380は、その汎用性と優れた鋳造特性から、ダイカスト鋳造に使用される最も一般的なアルミニウム合金です。

主要物件

• 高流動性（複雑な形状や薄い壁の成形が可能）である。
• 耐食性に優れ、屋外での使用に最適。
• 優れた強度対重量比により、過酷な条件下でも耐久性を発揮する。
• また、機械加工性に優れ、鋳造後の加工コストを削減できる。

一般的なアプリケーション

これらの特性により、A380は、強度重量比、鋳造性、コスト効率が要求される自動車、航空宇宙、家電用途で広く使用されている。

2.アルミニウム合金 383 (A383)

A380に代わる、より優れた耐食性と高温条件下での性能はA383である。

主要物件

• 熱安定性が向上し、加熱部品への使用に適している。
• 鋳造時の高温割れに対する耐性が向上。
• A380より強度は低いが、ホットチャンバーダイカストには適している。

一般的なアプリケーション

寸法安定性と耐熱性を必要とする電気ハウジング、エンクロージャー、産業機械部品に適用可能。

3.アルミニウム合金 360 (A360)

しかし、A360は高い強度と延性といった優れた機械的特性を持つことが知られている。

主要物件

• 超耐食性なので、海洋や屋外での使用に適している。
• A380やA383よりも高い引張強度がある。
• 耐摩耗性に優れ、経時的な表面劣化を低減する素材。

一般的なアプリケーション

例えば、自動車のトランスミッションケース、エンジンハウジング、航空宇宙、高い機械的完全性を必要とする部品には、A360がよく使用される。

4.アルミニウム合金 413 (A413)

A413は、高い流動性と圧力に対する気密性のために設計された高圧材料である。

主要物件

• 複雑で薄肉な設計でも優れた鋳造性を発揮。
• とはいえ、深い圧力（一般に100以上）には耐えられないので、生のまま密封された製品には適さない。
• 熱伝導率が高く、放熱部品に有効。

一般的なアプリケーション

油圧部品、ポンプ・ハウジング、熱交換器などによく使用され、漏れ防止と高強度が要求される部品の製造に用いられる。

5.アルミニウム合金 390 (A390)

A390は、高荷重と極度の耐摩耗性のために設計されています。

主要物件

• 摩擦を伴う部品としては、非常に高い硬度を持つ。
• 高い寸法安定性により、永続的な信頼性を保証します。
• 耐食性に優れ、特にエネルギーを必要とする環境に適している。

一般的なアプリケーション

A390は、耐摩耗性と使用温度での強度が重視される自動車エンジンブロック、高性能ピストン、メカニカルギアによく使用される。

6.アルミニウム合金 356 (A356)

高純度 アルミニウム A356は優れた鋳造性と優れた機械的強度を有する。

主要物件

• 伸びと耐衝撃性に優れ、構造部品に使用される。
• 簡単な組み立てで溶接性を高めた。
• 耐疲労性に関して非常に優れており、長期的な耐久性を保証する。

一般的なアプリケーション

自動車用サスペンションや航空宇宙部品、高強度工業用鋳物にはA356が使用されている。

7.アルミニウム合金319 (A319)

A319は、鋳造性、耐食性、熱伝導性に優れた中強度合金である。

主要物件

• 耐摩耗性に優れ、鋳造部品の寿命が延びる。
• 適度な強度と延性を併せ持ち、汎用性が高い。
• 高温用途で機能し、材料の劣化を抑えることができる。

一般的なアプリケーション

A319は、信頼性の高い熱性能と適度な強度が要求される自動車用シリンダーヘッド、トランスミッションケース、航空機部品として広く使用されている。

ダイカスト用アルミ合金の選択について

いくつかの要因によって、ダイカスト用の適切なアルミ合金を選択する必要があります。

1.機械的要件： 強度、硬度、延性、耐摩耗性。

2.耐食性： 屋外や高湿度の環境に適している。

3.熱伝導率： 熱交換器やエンジン部品に不可欠。

4.複雑な金型設計に欠陥なく充填しやすい。

5.コストを考慮する： 例えば、材料費と加工効率の関係などである。

どのアルミ合金も、最高の効率、耐久性、手頃な価格で、与えられた産業用途に適合する特定の利点をもたらします。

アルミニウム鋳造の方法 

アルミニウムの鋳造は、特定の製造ニーズに応じていくつかの技法を用いることができます。最も一般的な方法は以下の通りです：

1.砂型鋳造

• 最も古い鋳造法のひとつは、砂型に溶けたアルミニウムを流し込む方法である。
• エンジンブロックや機械構造部品など、大型で複雑な部品に適用。
• 少量生産やカスタムデザインに最適です。

2.ダイカスト

• これは、鋼鉄製の金型に溶融アルミニウムを加圧注入する方法である。
• 滑らかな表面を持つ、非常に詳細で精密な部品を製造。
• 自動車、エレクトロニクス、電化製品産業で使用されている。

3.インベストメント鋳造（ロストワックス鋳造）

• これは、（a）ワックス模型にセラミックをコーティングし、（a）ワックスを溶かして（a）アルミニウム用の型を残すという詳細なプロセスである。
• 航空宇宙部品や医療部品など、複雑で高精度な部品に最適。

4.永久鋳型鋳造

• 再利用可能な金属型を使用し、寸法精度と耐久性を高めている。
• 砂型鋳造よりも強度が高く、船舶や自動車産業で使用されている。

5.連続鋳造

• 工業用にアルミニウムの長尺板や棒を製造する際に用いられる工程である。
• 安定した品質と素材特性を維持する。

鋳造用アルミニウムの工業ガイド

アルミニウム鋳造は、アルミニウムが軽量で耐食性に優れ、熱伝導率が高いため、工業的に広く使用されているプロセスです。アルミニウム鋳造は、アルミニウム金属の詳細な熱、圧力、時間、化学的、物理的パラメータによって挑戦されます。

アルミニウム鋳造における温度に関する考察

プロセスが成功するように温度を選択することが重要である。鋳造用アルミの主な温度関連要因は以下の通りです：

1.アルミニウムの溶解温度

純アルミニウムは660.3℃で溶ける。

アルミニウム合金の融点は、その組成によってわずかに異なる。 

• Al-Si合金（A356など）：577-635°C (1070-1175°F)
• Al-Cu合金（319など）：510-635°C (950-1175°F)
• Al-Mg合金（518など）：570-650°C (1060-1200°F)

2.注湯温度

• 鋳造用アルミニウムは、良好な流動性と鋳型への充填性を得るため、通常680～750℃の溶融状態で鋳造される。
• 注湯温度が高いほど、例えば酸化、ガスポロシティ、バーンイン欠陥が発生しやすくなる。

3.凝固温度範囲 

• アルミニウム 合金は組成によって凝固範囲が異なる。
• Eutecticaluminiumm silicon aluminiumm silicon eutectic, e.g. such as A356] can be solidified at a narrow range, for example, around 577°C (1070°F) and are well suitable for precision casting.

4.金型予熱温度

• さらに、熱衝撃を緩和し、鋳造品質を向上させるために、通常は約150～250℃（300～480°F）に予熱する必要がある。
• ダイカストでは一般に、永久金型を200～300℃（390～570°F）に予熱する。

アルミニウム鋳造における圧力要件

圧力のレベルはアルミ鋳造工程によって異なる。

1.重力鋳造（砂型鋳造および永久鋳型鋳造）

• 重力の自然な力を利用して型を埋める傾向がある。
• 外圧を加えることはなく、溶融金属の静水圧のみである。

2.低圧ダイカスト(LPDC)

• 溶融アルミニウムは、0.2～0.5MPa（2～5バール）の圧力をかけて金型に押し込まれる。
• 高品質で多孔性の低い成分を生産。

3.高圧ダイカスト(HPDC)

• 溶融アルミニウムは、10～150MPa（100～1500バール）の超高圧を使い、高速で金型に注入される。
• 細かいディテールが得られるが、多孔性の問題も生じる可能性がある。

4.スクイズ鋳造（液体金属鍛造）

• 30～150MPa（300～1500バール）の圧力を使って溶融金属を金型に圧縮する。
• 高強度、低孔質部品を生産。

アルミニウム鋳造における時間的考察

アルミニウム鋳造サイクルの各段階で費やされる時間は、最終的な品質と生産効果に影響します。

1.溶解時間

• アルミニウムの溶解時間に対する要求は、炉のタイプや容量によって異なる。
• 誘導炉：アルミ500kgで30～90分
• ガス燃焼式るつぼ炉：500 kg で 60-120 分。

2.注湯時間

• 通常、ほとんどの鋳物は酸化が起こる前に5～15秒以内に注湯できる。
• 後者は、高圧ダイカスト（ダイカストまたはダイキャスト）の場合、10～50ミリ秒以内に溶融アルミニウムを成形する。

3.凝固と冷却時間

• 薄肉ダイカスト部品の凝固時間は、熱抽出が速いため1～5秒である。
• 砂型鋳造は部品の厚さによって決まり、5～60分かかる。
• 投資用鋳物の場合、完全に冷却する時間は30分から数時間である。

4.熱処理時間

溶液熱処理： 525～550℃（980～1020°F）で8～12時間。

老化のプロセス： 4～16時間、150～200℃（300～400°F）で強度を出す。

鋳造用アルミニウムの化学的および物理的特性

1.一般的なアルミニウム鋳造合金の化学組成

2.アルミニウム合金の物理的性質

アルミニウム鋳造プロセスの最適化

鋳造用アルミニウムの効率と品質を高めるために採用すべきベストプラクティスを以下に示す：

1.適切なアルミニウム合金を選択する： 特定の用途に適したタイプのアルミ合金を入手することが重要です。

2.注湯温度の最適化： これは、金属が酸素と接触して気孔が発生するのを避けるためである。

3.冷却速度の制御：  大型部品は薄肉部品に比べて冷却速度が遅いはずだ。

4.熱処理： 加熱と冷却のプロセスを通じて機械的特性を高める。

5.溶けたアルミニウムにドーガをかける： これは、アルゴンや窒素の脱気によって水素ガスの気孔率を下げるのに役立つ。

6.適切な圧力を選択する： 金型に加える圧力は、要求される精度と強度に応じて選択されるべきである。

鋳造用アルミニウムの用途

アルミニウムは、以下のようないくつかの分野で幅広く使用されている非常に有用な素材である：

1.自動車産業

• エンジンブロック、トランスミッションハウジング、ホイールリムなどは、強度が高く軽いアルミニウムを使った鋳造で生産される。
• 燃費を向上させる車両重量の軽減。

2.航空宇宙産業

• 航空機の構造、タービンブレード、着陸装置などに採用されている。
• アルミニウムは腐食に強いため、高地での使用に適している。

3.建設と建築

• アルミは窓枠、手すりの支柱、欄干や手すりなどの装飾に使用される。
• 構造物の耐久性を保証すると同時に、軽量化も実現する。

4.電子工学と電気応用

• アルミニウムの用途には、その熱伝導性の高さから、電子機器の筐体、ヒートシンク、コネクターなどがある。
• 送電システムの冷却を強化。

5.海洋・造船

• 船体、甲板の金具、エンジンの部品は、錆びを避け、重量を最小限にするためにアルミニウムで作られている。

アルミニウム鋳造の課題

しかし、アルミニウムを鋳造に使用する場合、いくつかの問題が発生する：

1.気孔率の問題： ガスポケットの形成は、最終製品の全体的な強度を損なう可能性が高い。適切な脱ガス方法は、気孔率の低減に役立つ。

2.冷却中の収縮： アルミニウムは冷却過程で収縮するため、このような欠陥を避けるためには金型を適切に設計しなければならない。

3.ダイカストのイニシャルコストが高い： ダイカストは精度が高いが、金型の初期コストが高い。

4.耐久性が低い：  アルミニウムは、特に高温では、鋼や鉄ほど強くない。

アルミニウム鋳造の品質を向上させる方法

高品質のアルミ鋳造品を得るためには、製造業者は次のような慣行に従うべきである：

1.高品質の合金を選ぶ：  耐久性と効率を保証するためには、適切な用途に適切なアルミ合金を使用することが重要です。

2.金型設計の強化： 金型の設計は、欠陥の発生を抑え、生産性を向上させる方法で行われるべきである。

3.冷却速度の制御： 収縮やその他の応力亀裂の可能性を減らすために、冷却速度を遅くするように調節すべきである。

4.熱処理の実施:熱処理には、鋳造アルミの機械的特性を向上させる焼きなましや焼き戻しがあります。

5.品質保証： X線検査などの技術は、製品にダメージを与えることなく、欠陥を特定するのに役立つ。

アルミニウム鋳造の未来

しかし、製造技術の向上と持続可能性の目標に伴い、アルミ鋳造の需要は拡大する必要がある。アルミ鋳造の将来を切り開くトレンドは以下の通りである：

自動化とAIの統合： 最新の鋳造工場では、より優れた精度と効率を確保するために、ロボット工学やAIを活用した品質管理が行われている。

リサイクル利用の増加： 環境への影響を軽減するために、アルミニウムを使用。

アディティブ・マニュファクチャリング（3Dプリンティング）： 鋳造をベースとした3Dプリンティング技術を活用し、迅速なプロトタイピングを提供するとともに、より複雑なデザインを短期間で実現する。

アルミニウム合金 より強く、より軽く： より優れた性能を持つアルミニウム合金の研究。

結論 

アルミニウム鋳造は、多くの産業において、軽量で長持ちし、実質的な性能を持つ部品を製造するのに不可欠な製造方法として成長してきました。アルミニウムは、優れた機械的特性、耐食性、加工のしやすさを持っており、自動車、航空宇宙、産業、消費者向けの用途で非常に好まれて使用されています。適切な鋳造方法と、強度、耐久性、熱性能の仕様を最も満たす合金成分の組み合わせを選択することが不可欠です。砂型鋳造はダイカスト鋳造から、インベストメント鋳造は砂型鋳造から、といったように。一方、鋳造品質は、溶解温度や加圧力の制御、冷却速度の制御により、欠陥を最小限に抑えることで最適化されます。

さらに、アルミ鋳造の効率と持続可能性を高めるために、真空アシストダイカスト、自動化、AIベースのプロセスモニタリングの利用が進歩した。リサイクルアルミニウムもまた、競技場での速度を上げており、性能を犠牲にすることなくカーボンフットプリントを小さくしている。産業界における効率性と革新性への要求が高まる中、高品質で信頼性の高い鋳物を低コストかつ持続可能な方法で製造するためには、アルミ鋳造の基礎を習得する必要がある。適切な材料、適切な技術、適切な工程管理を注意深く扱えば、製造業者は、現代のエンジニアリングと製造に対応する高精度のアルミ鋳物を手に入れることができます。

よくある質問 (FAQ) 

1.アルミニウムが鋳造に好まれる理由は何ですか？

アルミ鋳造が好まれるのは、アルミが軽量で耐食性に優れ、コスト効率が高く、リサイクル可能だからです。

2.鋳造用の一般的なアルミ合金は何ですか？

A356、319、380、7075、518は、特定の特性を有する一般的に使用されるアルミニウム鋳造合金の一部です。

3.主なアルミ鋳造法として知られているものは？

アルミニウム鋳造は、砂型鋳造、ダイカスト鋳造、インベストメント鋳造、永久鋳型鋳造、連続鋳造などの方法で行われる。

4.アルミ鋳造で直面する主な困難にはどのようなものがありますか？

の問題 アルミ鋳造 は、多孔性、収縮、初期コストの増加、他の金属よりも低い耐熱性など、他の金属と同様である。

5.アルミ鋳造、どうなる？

アルミ鋳造の未来には、自動化、AIの統合、3Dプリンティング、より強く、より軽くできるアルミ合金も含まれる。