アルミニウム合金の焼き蝋鋳造 

アルミニウム合金からの焼蝋鋳造技術：プロセスの完全な分析

アルミニウム合金からの焼成ワックス鋳造は、依然として重要な部品を後から機械加工することなく、表面粗さが Ra 1.6 ～ 3.2 μm の複雑な形状の部品を製造できる唯一の工業的方法です。砂型やコークス型の鋳造とは異なり、この技術ではモデルが高温で蒸発するだけなので、内部の空洞に中子を成形する必要がありません。当社は 15 年以上このプロセスに取り組んでおり、部品に 3 mm 未満の薄肉や複雑な内部冷却チャネルがある場合、従来の鋳造方法では 40% のケースで欠陥が発生しますが、失われたモデルによって構造の完全性が保証されると言えます。

この方法の主な利点は、AK7ch (AlSi7Mg) や AK9ch (AlSi9Cu3) などの合金を使用して、高圧下で動作するコンポーネントを作成できることです。寸法精度は ISO 8062-3 に準拠したクラス CT4 ～ CT5 に達しており、調整なしでアセンブリを組み立てることができます。しかし、多くの購入者は、単純なブラケットや巨大なスラブにこの技術を選択するという間違いを犯します。ここでは、ワックス装置のコストが高いため、経済効率が低下します。当社の実践によれば、収益性は複雑な部品の場合は 50 個のバッチから始まり、平均的な複雑さの要素の場合は 500 個のバッチから始まります。

鋳物生産の段階的な技術プロセス

プロセスは金属を溶かすことから始まるのではなく、基準となるマスターモデルの作成から始まります。この段階でのエラーは致命的です。金型の形状に誤差があると、アルミニウムの収縮係数 (シルミンの場合は約 1.3%) が乗算されます。 CNC機械で0.01mmの精度で製造されたアルミニウムまたはスチールの金型を使用します。大量生産の場合は、複数の金型を使用することをお勧めします。これにより、1 つのワックス モデルのコストが 35% 削減されます。理解することが重要です。熱変形を補償するには、マスター モデルの材料は最終鋳造品の材料にできるだけ近い熱膨張係数を持たなければなりません。

1. ワックス模型作り。溶けたワックスを4～6MPaの圧力で金型に注入します。ワックスの温度は 65 ～ 70°C の範囲で厳密に管理されます。過熱すると粘度が変化し、寸法安定性が失われます。冷却後、モデルを取り外し、充填欠陥がないか目視検査します。この段階では、金型の温度が正しくないことによる欠陥がよく見られます。ワックスの表面が鈍くなり、硬化が早まっていることを示します。
2. クラスター (ツリー) の組み立て。個々のワックス パターンは、加熱ツールを使用して中央のゲート システムに溶接されます。ゲート システムの形状はパーツごとに個別に計算されます。チャネルが狭すぎると冷接点が発生し、幅が広すぎると金属の過剰な消費と切断時の困難が生じます。接合にはモデル本体と同じ温度で溶ける特殊なワックスロッドを使用しています。スプルー接続角度が 5 度を超えて違反すると、注湯中に金属の流れに乱流が発生します。
3. セラミックシェルの成型。クラスターは、耐火性充填剤 (エレクトロコランダムまたはジルコン) と結合剤 (ケイ酸エチルまたはコロイダルシリカ) の懸濁液に浸漬されます。各層の後に砂が適用されます。シェルの厚さが 6 ～ 8 mm になるまで、このプロセスを 7 ～ 9 回繰り返します。室内の湿度 (60% 以下) と温度 (20 ～ 22°C) を管理することが重要です。層の乾燥が速すぎると、微小亀裂が形成され、注入時に金属がそこを突き破ってしまいます (「ブレークスルー」)。
4. ワックスを燃やして型を焼成します。完成した金型はオートクレーブに入れられ、圧力 0.3 ～ 0.5 MPa、温度 160 ～ 170°C の蒸気がワックスを溶かして洗い流します。残った痕跡は、850 ～ 950°C のオーブンで 2 ～ 4 時間焼成して除去されます。このステップは重要です。か焼温度が不十分だと炭素質の残留物が残り、これが溶融アルミニウムと接触するとガスの多孔性を引き起こします。注ぐ直前に型をオーブンから出して、少なくとも 600°C の温度を維持する必要があります。
5. 充填と冷却。溶融アルミニウム合金（温度720～740℃）を遠心力または真空の影響下で金型に流し込みます。真空鋳造は金属中の水素含有量を減らすため、重要な部品には好ましいです。硬化時間は袋の重量によって異なります。小さな部品の場合は 10 ～ 15 分、大きな部品の場合は最大 1 時間かかります。水による急速冷却は禁止されています。これは熱衝撃を引き起こし、鋳物とともにセラミックシェルの破壊を引き起こします。

冷却後、油圧ハンマーまたは振動ユニットを使用してセラミックシェルを破壊します。ゲート システムは、機械的 (鋸を使用) または高い精度が必要な場合は電気浸食によって分離されます。最終操作はショットブラストでセラミック残留物を除去し、表面の外観を改善します。理想的な鋳物であっても、溶解中の装入物の清浄度が維持されていない場合は、管理段階で不合格になる可能性があることを覚えておいてください。

アルミニウム合金の選択とそれが製品の特性に与える影響

すべてのアルミニウム合金がインベストメント鋳造プロセスで同様に良好に機能するわけではありません。ブランドの選択は、最終製品の使用条件によって決まります。私たちの診療で最も一般的なのはシルミン、つまりAl-Si系の合金です。優れた流動性を備えており、ワックスモデルの薄い部分を充填するのに重要です。

合金 AK7ch (GOST 1583-93 に準拠した AL9)。シリコン含有量が約7%の共晶合金です。密閉ハウジング、ポンプ部品、圧力部品に最適です。この合金は、ナトリウムまたはストロンチウムによる改質後の細粒構造により、高い延性と耐食性を示します。ただし、引張強さは 200 ～ 220 MPa に制限されます。部品が衝撃荷重を受ける場合、これでは十分ではない可能性があります。

合金AK9ch（AK9pch）。最大 9% のシリコンと銅の添加物が含まれています。銅の存在により強度は 250 ～ 280 MPa に増加しますが、耐食性が低下し、高温亀裂が発生しやすいため鋳造プロセスが複雑になります。この合金は、乾燥した環境で動作する部品、または塗装コーティングで保護されている部品にのみ推奨されます。 AK9ch を鋳造する場合は、冷却速度を厳密に制御する必要があります。急速な凝固により銅が偏析し、粒界に沿って脆性相が形成されます。

合金AK8ch(AL34)。マグネシウムと銅を添加した万能合金。良好な強度（最大 240 MPa）と満足のいく鋳造流動性を兼ね備えています。自動車業界のサスペンション ブラケットやトランスミッション部品によく使用されます。この合金の特別な特徴は、熱処理 (硬化 + 時効) によって硬化する可能性があり、硬度が 90 ～ 100 HB に増加します。ただし、熱処理により薄肉部品の反りが生じる可能性があるため、変形の可能性を考慮して加工余裕を設計してください。

鋳物を注文する際は、必要な強度クラスと使用条件を必ず指定してください。間違った合金の使用は、製品の早期故障の最も一般的な原因です。たとえば、高荷重レバーに AK8ch の代わりに AK7ch 合金を使用しようとすると、設計上の 200,000 荷重サイクルではなく 50,000 荷重サイクル後に疲労破壊が発生します。

品質管理と典型的な鋳造欠陥

すべての技術に従ったとしても、アルミニウム合金からの焼成ワックスモデルを使用した鋳造には特有の欠陥が発生します。その性質を理解することで、設計段階で不具合を防ぐことができます。欠陥の主な種類は、表面的欠陥と内部的欠陥に分類できます。

ガスの多孔性。金属内部または破断面にある丸い空洞のように見えます。その理由は、溶融物が水素で飽和するためです。アルミニウムは溶解中に水素を積極的に吸収し、結晶化中に放出されて気泡を形成します。解決策: 塩素含有塩のタブレットを使用した溶融精製を使用するか、注入前に不活性ガス (アルゴン) でパージします。当社では、各製錬前に簡易法（密度試験）を使用した水素含有量の監視を義務付けています。

冷接点。2 つの金属の流れが合流するが融合しない、鋳物の表面上の線または継ぎ目。金型や金属の温度が低い場合や、注入が遅すぎる場合に発生します。視覚的には亀裂に似ていますが、機械的応力では開きません。これらに対処するには、注入温度を 740 ～ 750°C に上げるか、ゲート システムの設計を最適化して充填を高速化する必要があります。

収縮シェル。質量が集中する場所 (リブ接合部) に隠れた空隙。それらは結晶化方向の違反によって形成されます。金属は不均一に硬化し、中心の液相はゲートから栄養を受け取りません。これに対処する唯一の方法は、冷蔵庫を金型内に正しく配置し、部品の形状を変更することです (壁の厚さを平らにするために技術的な突起を追加します)。

セラミックの内包物。金属に閉じ込められたシェル粒子。注湯中に型が破壊された場合、またはシェル層の接着不良により発生します。このような欠陥は応力集中源として機能するため、非常に危険です。当社では、溶融物が砂と接触するのを防ぐために、最初の層と純ジルコンの仕上げ層に強化メッシュを備えた多層システムを使用しています。

当社の品質管理部門は、放射線検査 (GOST R 50.05.01) を使用して、重要なバッチの内部欠陥を特定します。鋳物の各バッチについて、主要バッチと一緒に鋳造された目撃サンプルの化学組成のスペクトル分析と機械的試験を実施します。これにより、宣言された特性への準拠を保証できます。

経済性と生産時間

潜在的な顧客の多くは、アルミニウム合金からのワックス鋳造が他の方法よりも常に高価であると誤って信じています。これは単純な部品を大量生産する場合にのみ当てはまります。付加価値の高い複雑なコンポーネントの場合、この技術は機械加工の削減から恩恵を受けることがよくあります。

例として、複雑な内部チャネルを備えたギアボックス ハウジングの製造について考えてみましょう。砂型鋳造では、4 ～ 5 本の金属棒の製造、型の組み立て、鋳造後の棒の取り外しと溝の深い機械加工が必要になります。加工コストは完成部品の価格の最大 60% になる場合があります。ロストモデルを使用する場合、チャネルはすぐに形成され、加工代は最小限に抑えられます (4 ～ 5 mm ではなく 1 ～ 2 mm)。金属加工の節約により、100 個のバッチでもワックスとセラミックのコストをカバーできます。

最初のバッチ (プロトタイプ) の生産時間は通常 15 ～ 20 営業日です。このうち、3Dモデルの開発とCNCによるマスターモデルの作成に5〜7日、パイロットワックス型の作成に3〜4日、試溶解と鋳物の取得に5〜7日かかります。量産の場合は、主要な設備がすでに準備されているため、サイクルは 7 ～ 10 日に短縮されます。輸出配送の輸送ロジスティクスと通関のために、さらに 3 ～ 5 日間のバッファーを確保しておくことをお勧めします。

重要なコスト要因は、ゲート システムの重量です。場合によっては、ゲートの重量が使用可能な鋳物の重量の 2 ～ 3 倍を超えることもあります。クラスターの最適化により、金属の消費量を 15 ～ 20% 削減することができ、これは最終製品の 1 キログラムあたりの価格に直接影響します。当社のエンジニアは、ワックスモデルを物理的に作成する前に、金型充填シミュレーション ソフトウェア (Magmasoft または ProCAST) を使用して、スプルーの体積を最小限に抑えます。

さまざまな業界での応用

この技術は、金属 1 キログラムの価格よりも信頼性と精度が重要な場合に広く応用されています。航空業界では、計器ハウジング、制御システムの要素、エンジン ブラケットはロストワックス モデルを使用してアルミニウム合金から作られています。このような部品の要件は、ASTM B26 シリーズ規格またはロシアの GOST R 53472 によって規制されています。ここでは微細な気孔さえも許容できないため、各バッチは 100% X 線検査を受けます。

自動車産業では、この方法はターボチャージャーのコンポーネント、インテークマニホールド、高級サスペンション部品の製造に使用されています。例: 層流に最適化された複雑な形状のインテークマニホールド。射出成形では、チャネル内の金型パーティング ラインなしではこの形状を作成することはできず、空気力学を損なうことになります。失われたモデルは滑らかな壁を備えたモノリシック構造を与え、エンジン効率を2〜3％向上させます。

食品業界や製薬業界でもポンプやバルブなどの鋳物が積極的に使用されています。滑らかな表面 (Ra研磨後 < 1.6 μm) はバクテリアの蓄積を防ぎ、洗浄を容易にします。 AK7ch タイプの合金は、有毒元素 (鉛、カドミウム) を含まず、食品との接触に対して認定されています。当社は、衛生要件が特に厳しい飲料充填装置のメーカーにこのようなコンポーネントを供給しています。

機器に対する要件が最も厳しいエネルギーおよび石油化学部門には特に注意を払う必要があります。これらは当社が事業を展開している業界です。無錫開勝電力石油化学設備有限公司は、チタンシェルアンドチューブ熱交換器、ASME ユニット、空気冷却器などの高負荷システムの設計と製造を専門としています。同社の製品の主な材料は、多くの場合、ステンレス鋼 (316、321)、C46400 マリン真鍮、C70600 銅ニッケル合金、または N06625 ニッケル合金ですが、インベストメント鋳造で使用される精密製造と品質管理の原則は、信頼性の高い管板や複雑な伝熱装置アセンブリを作成するための基礎です。無錫開盛製品は、PED および ASME 規格の認証を受けており、高い耐食性と、石油精製、海水淡水化、造船にとって重要な極端な圧力と温度下で動作する能力を実証しています。高度な鋳造技術と電力機器製造の経験の相乗効果により、当社は世界中の産業施設の安定した稼働を保証するカスタマイズされたソリューションを作成することができます。

当社の顧客の 1 つである医療機器メーカーは、センサー モジュール ホルダーの振動の問題に遭遇しました。この部品は単一の部品からフライス加工によって製造されており、特性に異方性があり、特定の周波数で共振しました。インベストメント鋳造への切り替えにより、内部粒子構造を変更し、経済的に機械加工することは不可能だった減衰補強材を追加することが可能になりました。その結果、振動レベルが 40% 低減され、センサーの寿命が延長されました。

よくある質問

1つのキャストの最大重量はどれくらいですか?

技術的には最大 50 ～ 70 kg の部品を鋳造することが可能ですが、経済的に実現可能な限界は 10 ～ 15 kg です。質量が増加すると、収縮欠陥のリスクが急激に増加し、溶解および注入のためのより強力な装置が必要になります。重量のあるユニットの場合、私たちは組み合わせたオプションを提供することがよくあります。主な動力要素はいくつかの小さな鋳物から溶接されています。

着色された鋳物を炉から直接得ることは可能ですか?

いいえ。鋳造後のアルミニウム鋳物の色はシルバーグレーですが、酸化物により黄色がかった色になる可能性があります。装飾コーティング（陽極酸化処理、粉体塗装）は、機械洗浄と脱脂後にのみ適用されます。アルミニウム合金の焼成ワックス鋳造は、表面仕上げが優れているため、陽極酸化の優れた下地となりますが、鋳造プロセス自体は金属の色を変えません。

受け付ける最小注文 (MOQ) はいくらですか?

独自の金型の製造を伴う新規プロジェクトの場合、最小数量は通常 50 個です。これは設備費の減価償却によるものです。既製のワックスモデルまたは型をすでにお持ちの場合は、10 個の注文に対応する準備ができていますが、ラインの設備変更に伴う間接費のため、生産単位あたりのコストは大幅に高くなります。

材料証明書は提供されますか?

はい、鋳造品の各バッチにスペクトル分析と機械試験の結果を記載した品質証明書を添付します。必要に応じて、認定試験所で独立した試験を実施することが可能です。当社のすべての生産プロセスは ISO 9001 認証を取得しており、バッチから最終製品に至るまでのあらゆる熱のトレーサビリティを保証します。

結論と次のステップ

アルミニウム合金からのワックス鋳造は、ワークピースを得る単なる方法ではなく、エンジニアリングの最適化ツールです。これにより、複数の部品を 1 つに結合し、薄壁による構造の重量を軽減し、高価な機械加工を不要にすることができます。ただし、プロジェクトの成功は、非常に早い段階で設計の製造可能性を正しく評価できるかどうかにかかっています。

このテクノロジーへのアップグレードを検討している場合、または既存のプロジェクトの信頼できるパートナーを探している場合は、設計ドキュメントの監査を先延ばしにしないでください。当社のエンジニアは、図面の無料分析を実施し、長期的に予算を節約できる鋳造の最適化オプションを提供します。

あなたのプロジェクトについて話し合うために、今すぐお問い合わせください。 3D モデルまたは図面をお送りいただければ、24 時間以内にコストと製作時間の事前見積もりをお送りします。当社は GOST、DIN、ASTM 規格に準拠しており、世界市場で認められる品質を保証しています。

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