金属材料は身近な材料であり、自動車、鉄道、建設など高い強度が求められる機械や構造物には欠かせない材料です。金属材料の種類は鉄鋼、ステンレス鋼、非鉄金属など多岐にわたります。
そのため適切に機械部品、構造材料として使用するためには金属材料の基礎知識が必要になります。また金属材料は加工や熱処理によって強度が変わる性質があります。機械構造物の破壊事故は、何らかの疲労損傷によると言われます。比較的小さな荷重が繰返し負荷されることによって生じる疲労破壊は、前兆を捕らえることが難しく、壊滅的な破壊事故を起こす危険性があります。
金属材料の加工には溶接、鍛造、めっきなどがあります。鋳造は溶解した金属を型に流し込み凝固させる工法です。そしてこの時出来た製品を鋳物と言います。はじめにるつぼと呼ばれる容器の中で金属を温度を上げて溶解し、鋳型に流し込み製品を作ります。金属製品の多くは溶解鋳造から作られています。加工方法や鋳型の種類などによって鋳造は分類されます。
鋳造に関連しては、鋳塊：インゴット、鋳鉄、鋳物、ダイカスト鋳造などの関連用語がありますが、今回は、砂型鋳造に的を絞って解説します。
1.「砂型鋳造」とは
鋳造とは、金属を融点より高い温度で溶かしていき、作成したいものと同じ形状の空洞を持つ型に流し込んで、冷却して固める加工法です。
鋳造に使用していく鋳型には、金型と砂型の二種類があります。
砂型鋳造とは、砂を材料とした砂型で行う鋳造方法のことをいいます。
砂型は毎回、造型を作る必要があり、鋳造が終わると、鋳物を取り出すために、型を破壊する必要性が出てきます。
また、砂型は砂への添加剤や硬化方法にさまざまな種類があります。
砂型のメリット
- 安価で用意できるため、コストが削減できる。
- 試作期間が短くて済む。
- 小ロット製品に対応可能。
- 複雑な形状にも対応可能。
- 鋳型のコストが安く済む。
- 短納期に対応が可能である。
砂型のデメリット
- 寸法精度が金型に比べると、劣ってしまう
- 鋳肌が荒い出来になってしまう。
- 量産に対応できない。
- 冷却速度が遅いことが原因になり、組織が粗大になり、機械的性質で劣ってしまう。
2.「砂型鋳造」の種類
砂型鋳造には以下の種類があります。
生砂型
生砂型とは、ケイ砂に7％から15％程度のベントナイト、3％から4％程度の水分、でん粉、石炭粉などを添加して作る方法のことをいいます。
鋳造は、高温の溶湯を鋳込むので、溶湯の圧力や温度に耐えることのできる特徴を持つ材料である必要があります。
自硬性鋳造
自硬性鋳造は、造型後に外部から加熱や触媒ガスなどの通気などを行わず、常温で放置して、自然に硬化させる鋳造法です。
熱硬化性鋳型（シエルモールド）
熱硬化性鋳型の材料には、レジンコーテッドサンドを使用しますが、レジンコーテッドサンドは、ケイ砂に熱硬化性樹脂と硬化剤を被覆して製作します。
3.「砂型鋳造」と金型鋳型の違い
金型鋳造とは、...
金型鋳造には、砂型鋳造と比較して、以下の違いがあります。
- 砂型鋳造に比べて、金属金型を作成しないといけないため、コストが高くなる。
- 砂型鋳造に比べて、寸法精度の高さや鋳肌が得られるなどの品質面が安定している。
- 同じ用途の製品の大量生産に適している。
- 大量生産となった際には、1個辺りの生産のコストが砂型よりも安くなる。
金型鋳造のメリット
- 砂型と比べて、量産に対応できる。
- 冷却速度が早いため、組織が精密で機械的性質に優れた鋳物を製造可能である。
- 鋳肌面が綺麗に仕上がり、寸法精度も非常に良いものができる。