アルミニウム鋳造の説明-アルミニウム鋳造について知っておくべきすべて

アルミニウム鋳造は、高強度、優れた耐食性、機械加工のしやすさなどの利点を備えているため、自動車、航空宇宙、電子機器、消費財などの業界全体で好まれています。この記事では、アルミニウム鋳物の組成、製造工程、特性、用途、品質管理、新たな動向について説明します。

アルミ鋳造とは？

鋳造アルミニウム合金は、アルミニウムを主成分とする合金で、何らかの鋳造プロセスによって成形されます。圧延や押出のような機械的工程で成形される鍛造アルミニウムとは異なり、鋳造アルミニウムは溶かして型に流し込み、冷却して目的の形状に成形します。鋳造プロセスでは、他の方法では困難な非常に複雑な形状を作り出すことができます。

鋳造アルミニウム合金の組成

鋳造アルミニウム合金は、主にアルミニウム（Al）と、ケイ素（Si）、銅（Cu）、マグネシウム（Mg）、亜鉛（Zn）、マンガン（Mn）などの1種類以上の合金元素から構成されています。

これらの元素は、特定の特性を高めるために合金元素として添加される。

エレメント	効果
ケイ素 (Si)	流動性を向上させ、収縮を抑え、耐摩耗性を高める。
銅（Cu）	強度と硬度は増すが、耐食性が低下する可能性がある。
マグネシウム (Mg)	特に海洋環境において、強度と耐食性を高める。
亜鉛	鋳造性と強度を向上させ、高強度合金によく使用される。
マンガン(Mn)	靭性と耐クラック性を向上させる。

アルミニウム鋳物の種類

鋳造アルミニウム合金の分類は、主に主要な合金元素の元素的性質に基づいており、これらは合金の特性に決定的な影響を与えます。4つの主要なカテゴリーがあります：A1-Si、Al-Mg、Al-Cu、Al-Znです。それぞれに特徴があり、いくつかの産業における様々な仕事に適しています。

アルミニウム-シリコン合金（Al-Si）

アルミニウム-シリコン合金は、その優れた鋳造特性と良好な耐摩耗性のため、製造業で最も頻繁に使用される鋳造アルミニウム合金の一部です。これらの合金は10%から25%のケイ素を含み、密度が低く、熱膨張係数が低く、比強度が高い。これらの特性により、エンジンブロック、シリンダーヘッド、ホイールなどの部品に適していた。

グレードの例A356、A360、A413

アルミニウム-マグネシウム合金 (Al-Mg)

Al-Mg合金は、その耐食性、中程度の高強度、および良好な溶接性により、依然として重要である。マグネシウム含有量は通常0.5-12%の間で変化し、これらの合金によって強化された機械的特性が示され、海洋構造物、航空機着陸装置、食品・飲料包装などの高強度・軽量材料を求める航空宇宙用途で使用されている。

アルミニウム-銅合金 (Al-Cu)

AI-Cu合金は、一般的に2-10%の銅含有量に対して良好な強度と優れた被削性を有する。主な用途は、航空宇宙、自動車、構造工学などである。

グレードの例A295

アルミニウム-亜鉛合金 (Al-Zn)

AI-Zn合金は、特に熱処理した場合の強度が高いことで知られています。その高い性能から、Al-Zn合金は航空宇宙製造用途に広く使用されています。

グレードの例A712.2

一般的な鋳造アルミニウム合金

A356: 延性と強度に優れた自動車・航空宇宙用材料。

A360: 鋳造性、強度、耐食性で知られ、ホイールやエンジン部品などの自動車部品によく使用されている。

A380: 流体と圧力に強いことが評価され、ダイカスト用として多く使用されている。

A390: 高強度、高硬度、耐食性に優れた万能材料。

A413: 良好な鋳造性と優れた気密性を持つ合金で、A380に代わる。

ADC12： アジアで広く使用されているダイカスト用合金で、機械的特性と鋳造性に優れている。

アルミニウム鋳造のプロセス

溶解作業は、鋳造アルミニウムの製造における最初のステップである。これには、原料、一般的には一次アルミニウム、再生アルミニウム、合金元素の溶解が含まれる。溶解プロセスは700℃から800℃の炉で行われます。溶解中の主な考慮事項は以下の通りです：

酸化防止。アルミニウムは空気に触れると容易に酸化し、酸化アルミニウム（Al2O3）の層を形成する。酸化を抑えるために、不活性ガスやフラックス剤が使用される。

合金の均一性。合金元素の適切な混合方法を用いることで、均一な組成と特性が得られます。

アルミニウム鋳造部品の製造には数多くの鋳造方法があり、それぞれに長所と短所があります。

砂型鋳造

この砂型鋳造法は、アルミニウム鋳造の中で最も古く、最も汎用性の高い鋳造法のひとつである。砂を混ぜて永久鋳型を作り、この鋳型に溶けた金属を流し込むことによって行われます。この方法は、大型で複雑なアルミニウム部品に非常に適しており、部品のサイズや形状に関して柔軟性があります。

利点低コスト、大型で複雑な部品に適している、柔軟な設計オプション。

短所他の方法に比べ、寸法精度と表面仕上げが低い。

ダイカスト

ダイカスト鋳造は、スピードと効率に優れた方法です。このプロセスでは、非常に高い圧力の下で、溶けたアルミニウムを金型に直接注入します。

利点高い生産率、優れた寸法精度、滑らかな表面仕上げ。

短所初期金型費用が高く、小型鋳造に限定される。

インベストメント鋳造

インベストメント鋳造では、ワックスパターンをセラミックスラリーでコーティングして鋳型を作り、加熱してワックスを溶かし、溶融アルミニウムを充填します。薄肉アルミニウム鋳造部品の製造に適しており、最小肉厚は0.40mmである。

利点高精度、優れた表面仕上げ、複雑な形状の生成の可能性。

デメリットコストと時間のかかるプロセス。

永久鋳型鋳造

永久鋳型鋳造法では、再利用可能な金型を使用する。このプロセスは、重力または低圧を利用して永久鋳型に溶融アルミニウムを流し込むことから成っています。この方法は、中程度の量のアルミ鋳造部品に適しています。

利点砂型鋳造に比べ、表面仕上げが良く、正確な寸法が得られ、生産時間が短縮される。

欠点：工具が高価になり、単純な形状に限定される。

アルミニウム鋳物の特性と利点

機械的性質

鋳造アルミニウム合金は、その組成と一般的な熱処理に基づき、様々な機械的特性を持っています。

引張強さ	降伏強度	伸び	硬度	密度
100-565 MPa	30-525 MPa	0.5-28%	25-170 HB	2.57-2.95 g/cm³

軽量

軽量であることもアルミ鋳造の大きな特徴で、重量は約2.57～2.95g/cm³で、次のような素材に比べて軽量です。鋳鉄とスチールを使用している。この軽量化により、高い強度対重量比を実現し、強度と軽量の両方が要求される場合に有効である。

耐食性

鋳造アルミニウム合金は、表面が酸化皮膜で覆われており、これが保護シールドを形成し、これらの合金に優れた耐食性を与えている。このため、船舶や自動車部品のような腐食性の強い過酷な環境での用途に使用されています。

高い熱伝導性と電気伝導性

アルミニウムは熱伝導率や電気伝導率が高いという特徴もあるため、熱交換器や電子機器筐体、電気部品にはアルミニウム鋳物が適している。

熱伝導率: 87-233 W/m-K

導電率: 21-45 %

高品質

鋳造アルミニウム合金は、優れた寸法精度と表面仕上げを提供します。寸法公差は通常IT6からIT7の範囲で、場合によってはIT4に達することもあります。表面粗さは一般的にRa 5からRa 8の範囲であり、さらなる後加工の必要性を低減します。鋳造アルミニウム合金は、砂型鋳造部品よりも高い強度と硬度を提供し、強度は通常25%～30%以上向上し、伸びは約70%減少することにも留意すべきである。伸びは低下しますが、機械的特性は多くの用途に適しています。さらに、アルミニウム鋳造は、最小肉厚0.3mmの亜鉛合金鋳造品や最小0.5mmのアルミニウム鋳造品のような薄肉で複雑な部品を成形することができ、製造には最小直径0.7mmの鋳造穴があり、最小ピッチ0.75mmのねじ山があります。

経済効果

その精度の高さと表面仕上げアルミニウム鋳造部品の場合、一般的に追加的な機械加工は必要ないか、わずかに必要なだけである。このような改善は、金属の利用、大規模な機械加工設備の削減、労働力の節約に関係します。その上、アルミニウム鋳造部品は、鋳造プロセスの効率性により、比較的安価です。

アルミニウム鋳物製造における品質管理

欠陥検出

気孔、引け、亀裂、介在物などは、アルミニウム鋳造中に発生する可能性のある欠陥の一部です。欠陥を検出する方法には様々なものがあります：

目視検査：表面の欠陥を観察すること。
X線とCTスキャン：内部欠陥の検出
超音波検査：内部の健全性と厚さを測定する。
染料浸透探傷検査：表面のひび割れを明らかにするもの。

寸法精度

鋳造における精度は、基本的に正しい機能とフィッティングのために非常に重要である。寸法精度を保証するために、座標測定機（CMM）やレーザースキャニングシステムなどの様々な技術が使用されます。

表面仕上げ

表面仕上げは、陽極酸化処理、研磨、コーティングによって行われる。陽極酸化処理は、耐食性を高め、外観を向上させる一般的に使用される表面処理である。

アルミニウム鋳物製造の将来動向

アディティブ・マニュファクチャリング

金属3Dプリンティングは、材料をほとんど無駄にすることなく、複雑な形状を効率的かつ迅速に構築する方法を提供し、速いペースで人気を集めている。プロトタイピングや小ロット生産に非常に適している。

持続可能な製造

金属の寿命ははるかに長く、アルミニウムのリサイクル工程に必要なエネルギーはわずか5%程度であるため、より環境に優しいと言える。産業界は、廃棄物を最小限に抑えるためのクローズド・ループ・リサイクル・システムに重点を置き、成功を収めている。

先進合金

より高い引張強さ、改善された熱伝導性、耐食性などの優れた特性を持つ新しい鋳造アルミニウム合金を合成するための研究はまだ進行中である。

結論

アルミニウム鋳物は、現代の製造業において最も重要な材料の1つであり、多くの産業が求める軽さ、強度、汎用性を兼ね備えています。アルミニウム鋳物の組成、製造工程、特性、および用途を理解することで、メーカーは革新的で高性能な製品の製造に適した方法でアルミニウム鋳物を利用することができます。業界の進化に伴い、軽量化も進んでいます、アディティブ・マニュファクチャリングそして持続可能性は、アルミニウム鋳造の視野をさらに広げるでしょう。このガイドは、アルミニウム鋳造とその製造環境における位置づけについて、より深い知識を得たいと願うすべての人のための情報の宝庫となっています。