鋳造と鍛造：主要な製造工程を理解する

鋳造と鍛造は、最も一般的に使用される2つの金属加工方法であり、どちらも製造部門で異なる用途を持っています。このような技術は、自動車、航空宇宙、防衛、巨大機械産業で多様化する金属部品の製造に不可欠である。どちらも金属を成形して機能的な部品を作ることを目的としているが、最終的には決定的に異なる方法でその目標を達成し、異なる材料特性と用途を生み出している。

鋳造は、金属を溶かして型に流し込み、恒久的な形状にするプロセスを利用する。他の機械では困難な複雑な形状の製造に適している。大量生産、特に同一の部品を大量に生産する場合に非常に有効である。鋳造は非常に柔軟で、膨大な数の金属や合金を使用することができるため、航空宇宙、自動車、美術品など、高品質なデザインが重要な産業で使用することができます。

一方、鍛造は圧縮力によって金属を成形するプロセスであり、通常、材料が高温にあるときに行われる。この工程は、金属の結晶粒構造をまっすぐにすることで金属を強くし、部品をより強く耐久性のあるものにします。鍛造の特別な利点は、自動車産業、航空宇宙産業、防衛産業のように、硬化させたり、高い応力を含む過酷な条件にさらしたりする必要がある部品の製造に非常に適していることである。

この記事では、鋳造と鍛造に関する主な違い、それぞれの利点と欠点、現代の製造業における応用分野、そしてそれぞれの工程がどのような役割を担っているかについて説明する。

キャスティングとは？

鋳造で保存される製造工程では、液体材料（通常は金属）を鋳型に流し込んで固め、鋳型の空洞の形状を獲得する。材料が溶かされ、特殊な形状に流し込まれ、冷却されるところから始まる。この材料が固まった後、型が取り除かれ、型の形状をほぼ完全にコピーした固形物が残る。

鍛造とは何か？

鍛造は圧縮力を利用する金属加工プロセスで、金属は通常高温に加熱される。金属は叩かれるか、プレスされるか、必要な形状に圧延される。鍛造は一般的に高温で行われ、その時点で金属は可鍛性になり、加工しやすくなる。鍛造は、堅牢で摩耗しにくい部品を作るために採用されることが多く、自動車、航空宇宙、重機などの産業で広く採用されている。

鋳造プロセス

キャスティングにはいくつかの大きなステップがある：

• パターン作成： 通常、溶融金属の熱に耐えられる素材（典型的には砂や金属）で、対象物のパターンが作られる。
• 金型成形： ポストは成形用メディウム（砂、金属、セラミック）の中に入れられ、形状を保持するために一緒にプレス機にかけられる。
• 溶ける： 金属または材料を加熱して液状にし、型に流し込む。
• 冷却と凝固：液体金属は冷却され、金型内でその形状に凝固する。
• カビの除去： 材料が固まった後、鋳型を取り外して鋳物を露出させる。

鍛造プロセス

鍛造は製造工程がそれほど複雑ではないが、温度と圧力をより細かく制御しなければならない：

• 素材の選択： 完成品に何を求めるか（強度か柔軟性か）によって、金属が選ばれる。
• 暖房： 金属が軟化する程度まで加熱する。
• シェイピング： 加熱された金属は金型内で成形され、ハンマーやプレス機で押される。鍛造には、開放型鍛造、密閉型鍛造、リングローリングなどがある。
• 冷却： 部品が成形されると、鍛造部品は冷却され、場合によってはさらなる熱処理が施される。

鋳造と鍛造の長所

キャスティングの利点：

• 複雑な形： 鋳造は、他の方法では製造が困難な、あるいはむしろ不可能な、複雑で複雑な形状の部品を製造するのに便利です。鋳造は、微細な特徴や詳細なデザインを可能にするため、航空宇宙産業、自動車産業、美術品などに利用されている。
• 大量生産： 鋳型は、大量生産の非常に効果的な手段として鋳造につながるものであり、同じ部品を大きな板で一貫して複製することができる。これは、大量生産に使用される労働力や原材料を削減する上で費用対効果が高い。
• 費用対効果： 鋳造は、大量の部品を生産するのに非常に経済的である。最初の金型製作のコストは高いが、大規模生産では1個あたりのコストは非常に低いため、自動車や消費財などの用途に最適である。
• 素材の多様性： 鋳造できる材料や合金の数はかなり多く、アルミニウムや鉄などの一般的な材料や特殊合金が含まれる。このため、製造業者は製品に必要な特性に応じて材料を選択することができます。
• 無駄が少ない： 鋳造では、他の工程に比べて廃材が少ない。鋳型を満たすのに必要なだけの材料を使用するため、廃材の発生が抑えられ、持続可能性に特に有利である。
• デザインの柔軟性： また、鋳造は設計に柔軟性があるため、冷却チャネルや凝ったデザインの中空部など、複雑な内部形状を鋳造部品に追加することもできる。その結果、溶接しなければならない部品を1つの鋳物で作ることができるため、組み立てのコストを下げることができる。

鍛造の利点：

• 強度と耐久性： 鍛造部品は、鍛造工程で材料の結晶粒構造が整列されるため、一般的に鋳造部品よりも強度が高く、応力、疲労、機械的負荷に対する抵抗力が高まります。このため、高性能な用途に適しています。
• 素材特性の向上： 製品の材料特性は、より優れた内部構造、つまり均質で気孔などの欠陥が生じにくい材料に関して改善される。これは、より優れた機械的特性を持ち、品質が高いため長持ちし、過酷な環境でも性能を発揮する、より高品質な部品の設計につながる。
• 高精度： 鍛造は、完成品に高い精度や厳しい公差を作り出すことができる。航空宇宙産業や自動車産業など、厳しい要求が求められる場合に最適です。
• 高いタフネス： 鍛造部品は強靭である。この強化された結晶粒構造により、衝撃荷重や過酷な環境にも耐えることができるため、航空宇宙、自動車、軍事産業などに適している。

鋳造と鍛造の短所

キャスティングの不利：

• 気孔率と欠陥： 鋳造部品は、冷却プロセスのために、気孔、亀裂、その他の内部欠陥のような欠陥が発生する可能性があります。このような欠陥は、最終製品の強度と完全性を損なう可能性があり、さらなる検査と品質管理が要求されます。
• 素材強度にも限界がある： 複雑な形状を鋳造することは可能だが、鍛造材に比べ材料強度が劣る可能性がある。このため、鋳造部品は、特に応力の大きい場所など、卓越した強度と耐久性が重要な場所には不向きである。
• 金型費用： 鋳造するための高品質な造型コストの開発は、特に複雑な部品や少量の場合、作成に非常に高価になることがあります。そのため、鋳造プロセス全体の価格が上昇する可能性があり、少量生産にはあまり適していません。

鍛造の欠点

• 制限された形状： 鍛造は単純な形状の部品に適しており、幾何学的に複雑な形状を作るには最も適した方法ではない。この製法は、強度は必要だが複雑ではない部品に適している。
• 小ロットでの出費の増加： 大量生産と比較すると、小ロットの鍛造では、金型や工具の準備にコストがかかるため、高いコストが発生する。
• 素材の選択の狭さ： 鍛造は、鋼鉄、アルミニウム、チタンのような高温に耐えられる金属にしかできない。必要な温度で鍛造するのが難しい素材に適しているという点では、汎用性は低い。

鋳造および鍛造材料

鋳造材料

この鋳造プロセスは多様なプロセスであり、用途の必要性に応じて様々な材料を使用することができる。一般的に使用される金属 鋳物はアルミニウム鋼鉄、鉄、青銅、真鍮など、さまざまな産業で利用される独自の特性を備えている。他の例として、アルミニウムは軽量で耐食性に優れており、自動車や航空宇宙市場に最適である。鋼鉄と鉄は、耐久性と強度があるためより好まれ、通常は重機や産業の部品に使用される。ブロンズと真鍮は、強度の要素が必要な場合に金属を使用する際に見られるが、装飾品や船舶の装備品のように、耐腐食性と見た目の美しさも考慮する必要がある。

これらの一般的な金属以外に、マグネシウム合金、亜鉛合金、銅基合金などの特殊な合金も鋳造に使用されることがあります。マグネシウム合金の例は、軽量部品を必要とする産業で採用され、もう一つの例は亜鉛合金で、磨耗や破損に弱い部品を鋳造する必要がある様々な産業で適用される可能性があります。このような銅合金は、耐腐食性と電気伝導性が高いため、電気や配管工事で支配的です。鋳造ではさまざまな金属や合金を使うことができるので、製造業者はその用途に最適なように部品を変更することができます。

鍛造材料

鍛造品に使用される材料は、通常、応力や耐圧性の面で強度が高いものが選ばれる。炭素鋼、ステンレス鋼、工具鋼からなる合金鋼は、鍛造で最も頻繁に使用される材料である。炭素鋼は強度が高く硬いため、構造物や重機の部品に使われる。ステンレス鋼の利点は腐食しにくいことで、自動車産業や医療産業のように、部品が人を寄せ付けない場所に最適です。工具鋼は特に耐摩耗性に優れているため、工具や金型など高性能機械の部品に使用される。

鋳造と鍛造の用途

鋳造と鍛造は、異なる産業においてより類似した用途があり、どのタイプも最終製品のニーズに合わせて特化されている。鋳造や鍛造の種類は、強度、複雑さ、使用材料の特性、最終用途によって決定されます。主な用途は以下の通りである。

キャスティングの用途

鋳造はまた、複雑な形状や大量の部品を製造する際にも便利であることが証明されている。産業界における最も重要な用途には、次のようなものがある：

• 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、エキゾーストマニホールドなどは鋳造で作られる部品のひとつである。これらの部品の形状は通常複雑で、鋳造する数量も多いため、鋳造は効率的な方法です。さらに、鋳造は、自動車の燃費を向上させるために必要なアルミニウム合金のような、軽量だが強度のある材料の利用を可能にする。
• 航空宇宙 航空宇宙産業もまた、タービンハウジング、翼構造、エンジン部品のような高度な構造の製造を可能にするため、鋳造に大きく依存する産業である。チタンとアルミニウム合金は、広く使用されている他の鋳造材料であり、航空機の性能と燃費にとって最も重要な強度と軽量化を提供します。
• 海洋産業： 海洋産業では、プロペラ、エンジン部品、その他の重要な船舶部品のような要素が鋳造されます。これらの部品のほとんどは、海水による腐食に耐えることが要求されるため、青銅、黄銅、特殊合金などの合金を鋳造することができます。このプロセスは、そのような部品が人を寄せ付けない海洋条件に耐えることを保証します。
• 美術と彫刻： 鋳造は、美術品や彫刻の制作においても大きな役割を果たしている。鋳型の精細な機能により、芸術家はブロンズやアルミニウムなど、他の金属素材に何の変哲もないパターンを作り出すことができる。鋳造は、歴史を通じて、また現代美術において、多目的な表現媒体を作り出すために使用することができる。

鍛造の用途

鍛造。最終製品に高い強度、耐久性、材料の完全性が要求される場合、その工程は鍛造によって行われます。これらは、鍛造が重要である一般的な産業や部品です：

• 自動車産業： 自動車産業もまた、自動車の生産に鍛造を活用している。この業界では、鍛造はエンジン内部など、低応力と高応力の部分に適用される。鍛造が使用される高応力部品には、クランクシャフト、コネクティングロッド、サスペンション部品などがあります。これらの部品には大きな力がかかり、過酷な使用環境にさらされるため、鍛造工程の強度と耐久性は、これらの部品の成功と寿命に非常に重要です。
• 航空宇宙 航空宇宙産業では、着陸装置、タービンディスク、構造部品などの高強度部品の製造においても鍛造に依存しています。これらの鋳造部品は、高温・高荷重下で使用される必要があり、鍛造で得られる結晶粒組織の増大は、航空機産業における安全性と信頼性を保証し、必要な機械的特性を供給します。
• 石油・ガス 石油・ガス分野では、バルブ、継手、ポンプ部品などの部品が大きな圧力や腐食にさらされるため、鍛造は最も重要な分野の1つです。鍛造合金には、高圧、高温、化学腐食、ガス腐食などの過酷な条件に対応できる部品が含まれます。
• 防衛と重機 防衛産業や重機産業では、鍛造で作られた部品がよく使われている。ブルドーザーや掘削機などの自動車部品、戦車で作られた様々な軍用機器は、その使用過程で通常よりも大きな応力に耐えるため、鋳造されたもののような力と剛性で作られています。鍛造はまた、これらの部品に完全性を与え、信頼性の高い方法で高荷重を扱うことを可能にする。

鍛造と鋳造の主な違い

鋳造と鍛造はよく似た製造技術ですが、特定のケースでどちらが最適かを見極めるには、それぞれの主な特徴を理解することが重要です：

鋳造と鍛造の問題点

鋳造は明らかに有利だが、欠点もある。鋳造では品質管理が大きな問題となることがあります。鋳造品に欠陥がないことを保証するために、特殊な技術を採用し、細心の注意を払うことがしばしば必要になることがあり、収縮、気孔、亀裂の問題は通常、期待を裏切りません。精度が要求される産業では、高品質の決定が非常に重要である。それとともに、鋳造は多くのエネルギーを必要とするプロセスであり、金属を溶かして高温に温めるためのエネルギーが必要であるため、環境問題や排出物も発生する。実際の 金型製造特に、複雑で複雑な経路を伴うものは、生産される部品の数量が少ない場合、コスト高になることもある。これに加えて、イニシャル・コストが高くなるという事実もある。

逆に、鍛造には金型の課題がある。鍛造では、優れた金型とハイエンドの機械を利用する必要があり、ほとんどの場合、このような大規模な投資が必要になる。このため、経済性という点では、少量生産は減少する。鍛造はまた、複雑な形状の製造の柔軟性に関しても制約がある。複雑な形状を作ることができる鋳造とは対照的に、鍛造はより単純な構造や形状を作ることができるため、制約も多い。また、鍛造工程では、金属が成形される際にトリミングが必要な小片が見つかるのが一般的であるため、材料の無駄が生じる。このような無駄は生産コストにつながり、プロセスの効率に影響する。

産業界の調整方法

技術の変化に伴い、鋳造・鍛造業界にも変化が生じている。最近の進歩は以下のようなものである：

鋳造：3Dプリンターによる金型や鋳物の製作は一般的になりつつあり、より迅速なプロトタイピングや複雑な形状の試作が可能になった。アディティブ・マニュファクチャリングは鋳造プロセスにも採用され、より多くの部品をより少ない欠陥と手間で作成することができます。

鍛造：自動化された鍛造ラインやロボット機器を使用することで、精度と価格が向上している。また、新しい熱処理によって鍛造部品の特性が向上し、極端な状況ではさらに優れた性能を達成することができます。

鋳造と鍛造は未来だ

鋳造と鍛造の両技術は、効率とその能力をさらに向上させるために、技術の進歩を経験している：

• キャスティング： 3Dプリンティングのような、より高度な鋳型製造技術は、より複雑で複雑な鋳型をより安価に開発するために応用されている。また、材料や鋳造プロセスもアップグレードが続いており、鋳造欠陥の少ない、より良い鋳造品が生み出されている。
• 鍛造： 鍛造の次の段階は、自動化システムとコンピュータ・ロット制御された工程であり、その結果、より高い精度と低コストを実現する。また、新しい材料や熱処理の使用は、航空宇宙産業やエネルギー産業などのビジネスに鍛造部品の適用範囲を広げるでしょう。

結論

鋳造と鍛造はどちらも重要な製造工程であり、それぞれに長所と短所がある。鋳造は、複雑な形状や大量の部品を低コストで作るのに適している。部品の強度や耐久性が最大でない場合に適している。一方、鍛造は高い強度と耐応力を必要とする部品の製造に適している。性能と信頼性が最も重要な重要部品の場合に最も適している。

鋳造にするか鍛造にするかは、設計と部品の目的によって決定される。複雑な設計や大量生産、費用対効果が重視される場合は鋳造が適しています。高性能で過酷な条件下では、材料強度の高い鍛造で成形します。

産業の変化に伴い、この2つのプロセスは技術革新の恩恵を受けている。鋳造における3Dプリンティングのような技術革新の利用における自動化は、鋳造をより正確で効率的なものにしている。あるプロジェクトのニーズを区別できることで、メーカーは適切なプロセスを選択することができ、この戦略は最終製品が品質、性能、価格に関するすべての要求を満たすことができることを保証する。

よくある質問

1.鋳造と鍛造の大きな違いは？

金属の形状が主な違いである。鋳造は、金属を溶かして型に流し込み、目的の構造になるようにするプロセスである。これに対して鍛造は、金属の構造を変える高温状態の高圧材料に高い圧力をかけて金属を曲げる。鋳造はデザインが精巧な場合に適しており、一方、鍛造は耐久性のある要素を生み出す。

2.どのような条件下では、鍛造の代わりに鋳造を行うべきですか？

鋳造は、複雑な形状を作る必要がある場合や、複雑な形状の部品を大量に必要とする場合に適しています。他の方法では作るのが面倒だったり、コストがかかったりする部品、主に正確な特殊性や大量生産が必要な場合に最適です。また、薄肉部品や複雑な形状の部品については、鋳造の方が安価です。

3.鋳造できる材料は、鍛造できる材料と同じですか？

いいえ、鋳造と鍛造では材料が異なります。鋳造では何十種類もの金属や合金、アルミニウム、鉄、青銅、マグネシウムや亜鉛のようなエキゾチックな材料を使うことがあります。しかし、鍛造は通常、高温でも脆くならない金属、例えば鋼合金、アルミニウム／チタン／銅合金に行われます。

4.鋳造と鍛造の欠点は？

鋳造では気孔や亀裂が発生し、材料の強度は鍛造品に比べて鋳造品では通常低くなる。また、高価な特注金型が必要なため、特に複雑な製造や少量生産では高価な工程となる。しかし、より強く耐久性のある部品を作ることはできるが、より単純な形状にしか対応できず、鋳造と同様、鍛造品は特に少量生産の場合、セットアップにコストがかかる。

5.鋳造と鍛造が最も有利な産業は？

自動車製造、航空宇宙産業、海洋産業、美術産業など、繊細な形状や部品を大量に製造する必要がある製造業では、大部分が鋳造を必要とする。他のプロセスよりも鍛造を好む分野には、自動車、航空宇宙、防衛、石油・ガス製造業などがあり、クランクシャフト、タービンブレード、構造部品などの重要部品の強度、靭性、耐久性が重要な要素となる。