2.1 凝固と収縮

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2.1 凝固と収縮

ほとんどの純金属、合金は凝固時に収縮します。その収縮は3段階に分かれます。まず最初は、溶融段階での液体の状態での収縮(liquid contraction)があります。次に、鋳込み後に鋳型内で凝固する際に収縮(solidification shrinkage)し、最後に、鋳物が室温まで冷却する間に固体収縮(solid shrinkage)をします。
図2.1.1は、純鉄および炭素鋼が溶融状態から室温まで冷却される過程での容積変化を示します。

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収縮率の値は純金属、合金の種類によってあまり相違はありません。しかし、凝固収縮率は種類によって異なります。したがって凝固収縮率の大きい材料では、鋳物体積を十分満たすだけの注湯量を供給しないと、鋳物欠陥の発生要因になります。
図2.1.2(a)に、鋳物の体積と溶湯量とが等量で、溶湯の補給が無い場合の凝固状態の一例を示します。この場合、鋳型の壁から熱が放出されて、等温線(isothermal line)に沿って凝固が進行します。したがって、上部表面には、大きな収縮管もしくはひけ巣を生じます。また、鋳物が最終的に凝固する部分では、溶融金属量が不足して凝固収縮により鋳物の内部に二次収縮空孔(shrinkage void)が生じます。

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実際の鋳物製品では、肉厚に変化が無い凝固収縮が一様な場所と、厚肉部や交差部などの凝固速度の異なる場所が混在しているので、凝固が遅い場所ではさまざまな形状、大きさの収縮空孔が生じます。
対策として、凝固の遅い個所に冷し金(chill)を埋め込んで、凝固速度を一様にして凝固収縮による欠陥を防止する例を、図2.1.2(b)に示します。

あるいは、薄肉部のような冷却速度が高い場所に、保温性の高い鋳型材料を用いたり、溶湯によって燃焼反応する自己発熱材料を鋳型に用いて凝固を遅らせる方法も考えられますが、凝固までの時間が長い、組織の粗大化が生じるなどの問題があります。
一方、凝固が急速に進むと、発生するガスが放出されずに、内部にピンホール(pin hole)となって残留してしまいます。
大きな収縮空孔は、凝固速度を一様にすることにより防止できますが、凝固の最終段階において、デンドライト組織の樹脂間で、液相が不足する場所で、微細な空孔(microporosity)が発生します。
また、アルミニウム合金鋳物では、局所的な凝固収縮により、鋳物表面に凹みが生じる、外ひけ(depression)が起こることがあります。

これらの凝固欠陥の可能性を避けるために、鋳物の設計段階で以下のような注意が必要になります。
(1) 溶湯を十分に補給するための湯口系を設計する。
(2) 凝固時間が遅い部分に外圧を付加しながら溶湯を補給するために押湯を設ける。
などの、総合的な鋳造方案(casting plan)が必要となります。

1. 湯口の設計

図2.1.3に鋳型各部の名称を示します。

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湯口系は、受け口(pouring cup)で注湯された溶湯が湯口(downsprue)、湯道(runner)、せき(ingate)を経て鋳型内へ流れ込むのを直接規制するものです。各所の設計は流体力学的な因子を考慮しながら、滓やガスの巻込み、鋳型のすくわれ(scab)、絞られ(buckle)などの現象も考慮する必要があります。
湯口系を設計する際には、あらかじめ以下のようなことを考慮する必要があります。
(1) 鋳物は、下部の方が上部より組織が緻密で、鋳巣や巻込み滓等の欠陥が少ないので、仕上げ面や強度を必要とする重要な面は下部になるようにします。
(2) 溶湯は、下方から満たされます。溶湯で密閉される場所では、空気が圧縮されるので鋳型が破損したり、ピンホールの発生の原因となります。したがって、溶湯が最後に充満する場所には、ガス抜き(gas vent)を設けます。
(3) ガス抜きの位置は、なるべく上向きにします。
(4) 溶湯は、鋳型内を速やかに満たすようにして、なるべく溶湯の流れが衝突しないように設計します。
(5) 湯口の高さや、湯道、滓だめ(runner extension)などを工夫して、溶湯が静かに、かつ最後まで勢いよく流れるようにします。

鋳型への湯流れは、各せきからの入り方によって変化します。受け口から注がれた溶湯は、湯口、湯道、せきを経由して鋳型に流入するので、これらがすべて関連します。それぞれの断面積比(湯口:湯道:せき)を湯口比
(gating ratio)といい、湯口系の設計に重要な値になります。せきが複数ある場合は、それらを合計した面積で計算します。
一般的には、湯口比は鋳型内の溶湯の流れが層流になるように考慮して設計します。
普通鋳鉄では、湯口:湯道:せき=1.0:0.8:0.5 程度、
可鍛鋳鉄では、湯口:湯道:せき=1.0:0.5:2.0 程度とされています。

溶湯流れは、表層部の酸化被膜を破らない程度の乱流では問題とはなりませんが、この場合、溶湯の粘性、レイノルズ数、表面張力などが関係するので、合金の種類によって湯口比は異なります。
一般に、アルミニウムやマグネシウムなどの非鉄合金鋳物の湯口比は、せきの段面積の比を大きく取って、アルミニウム合金鋳物では、湯口:湯道:せき=1:4:4 程度で設計されています。
せきの大きさが決まると、湯口比から各湯口系の大きさが設定できます。せきの大きさは、例えば普通鋳鉄について次式に示す経験式が古くから使用されています。

daum_equation_1478689170612          (式2.1.1)

ここで、
A: せき総断面面積

W: 鋳物の体積    

H: 鋳込み高さ

K1,K2: 定数

また、せきは湯道に流れ込む流速を緩やかにするために、湯口絞りを設けることがあります。
図2.1.4に、普通鋳鉄について、絞りを設けて湯口比を、湯口:湯道:せき=1:3:2とした場合の、湯口設計例を示します。

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2. 押湯の設計

押湯(riser,feeder)は、鋳型内に流入した湯(溶融金属)が凝固収縮して、鋳型内に充満するために不足する分を補充する役割とともに、鋳型内の溶湯を湯の重みで圧力を加えて、これによって溶湯の流れを促進する役割があります。さらに、溶湯内に停滞しているガスや滓を排除する目的もあります。
押湯を設置する場所は、製品とは全く別な部分ですので、効率のよい大きさや設置位置を考慮する必要があります。

押湯の方法としては、
(1) 直下押湯(top riser):製品部に直接設置します。
(2) 側面押湯(side riser):製品の側面から補給します。
(3) コンノール型(connor top gate)または、ちょい掛け押湯(lap gate):押湯の一部が製品にかかります。
(4) 湯口兼用押湯:押湯と湯口を兼ねています。
(5) 全面押湯:製品上部の全面を押湯にします。
があります。
図2.1.5に、各種押湯方法を示します。

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押湯の大きさは、湯の凝固収縮量に依存します。そのため、製品の体積とその表面積から求める方法が提案されています。
図2.1.6は、高抗張力鋳鉄について、乾燥鋳型を用いた場合の押湯の大きさを決定するための線図を示します。

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この線図の押湯は、鋳物全体の凝固収縮を補給するために設ける場合に適用されます。

しかし、製品形状によっては、部分的に溶湯不足になって、ひけ巣を生じる場合があります。例えば、L字部や十字部では、熱の放散が遅れるので、直線方向の凝固収縮により、ひけ巣が生じやすくなります。

図2.1.7に、当肉厚の場合の、L字、T字、十字、Y字部での面積比から、凝固時間が遅れる程度を示します
面積比が大きいほどひけ巣の危険性が高くなるので、このような場所には押湯を設ける必要があります。

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参考文献
機械工学便覧 第6版 β03-02章

引用図表
図2.1.1  各種炭素鋼の冷却過程における収縮量変化  機械工学便覧 第6版 β03-02章
図2.1.2  凝固収縮によるひけ巣や収縮空孔の発生   機械工学便覧 第6版 β03-02章
図2.1.3  鋳型の各部の名称             機械工学便覧 第6版 β03-02章
図2.1.4  鋳鉄の湯口系の例             機械工学便覧 第6版 β03-02章
図2.1.5  各種押湯方法               機械工学便覧 第6版 β03-02章
図2.1.6  乾燥鋳型における押湯の大きさの決定    機械工学便覧 第6版 β03-02章
図2.1.7  溶湯流れの交差部における冷却速度の比較例 機械工学便覧 第6版 β03-02章

 

2016/11/3
本稿(初稿)は、筆者の興味と復習を兼ねているため、参考文献からの引用が主たるものになっています。第2稿ではより内容を絞り、かつより広範囲なデータに基づく記述を企図しております。