グラビティ鋳造における金型鋳造と砂型鋳造の比較

金型重力鋳造と砂型重力鋳造の鋳造工程は次のようなものになります。

当たり前ですが、砂型鋳造は砂でできた鋳型を用い、金型鋳造は鋼でできた鋳型を使います。砂型鋳造では、注湯後に鋳型を壊して鋳物を取り出します。このため、砂型鋳造では鋳物を１個作るごとに、鋳型（砂型）を１個造型する必要があります。一方、金型鋳造は連続的に注湯、鋳物取出しができるため生産性に優れます。

また、金型の寿命は製品にもよりますが１型で数万個を製造することができます。一方、木型も繰り返して使用することができますが、何個か造型すると木型の摩耗や割れが生じるため、あるタイミングで木型の更新が必要となります。これも製品によりますが、木型の寿命は数百～千個程度になります。

型の製作、修正のリードタイムは、砂型の方が製作期間が短く、形状修正も容易です。したがって、短期間で少量の鋳物を製作する試作品などは砂型鋳造の方が適しています。

鋳物の凝固速度は鋳物の肉厚によっても異なりますが、砂型<金型<ダイカストの順に凝固速度が速くなります。鋳物の凝固速度とＤＡＳの関係を図３．に示します。凝固速度が速いほどＤＡＳ（デンドライトアーム間隔）は小さくなります。ＤＡＳはＡｌーＳｉ合金のアルミ結晶（初晶デンドライト）の２次の枝の間隔で、通常の金属の結晶粒径と同様に、結晶の大きさを表します。特にダイカストは金型内部を水冷するため、凝固速度が速く、組織（ＤＡＳ）が小さくなります。

砂型と金型の熱伝導度を比較しますと、砂（珪砂）の熱伝導度は約0.3W/m・℃で、鋼材の約45W/m・℃に比べて、桁違いに小さい値です。熱伝導度の違いだけをみると、砂型鋳物と金型鋳物の凝固速度、組織粗さは大きな差が出るはずです。しかし図４．に示しますように、t=3mmの大物砂型鋳物の組織は比較的細かな組織となっています。これは、砂型鋳造は室温の鋳型に注湯しますが、金型鋳造は金型を予熱や捨て打ちをして、型温を高くしてから注湯するためです。この結果、高温の金型の熱伝導度は小さくなり、室温の砂型との差が小さくなります。もちろん、鋳物の肉厚によってＤＡＳは影響を受けます。同じ肉厚であれば金型に比べ砂型は組織粗さが粗くなります。

図５．にＡＣ４ＣＨ－Ｔ６材のＤＡＳと機械的性質の関係を示します。ＪＩＳ舟金型と丸棒砂型を用いてＤＡＳを変化させて試験した結果です。ＤＡＳが大きい（凝固速度が遅い）ほど、機械的性質、特に伸び、衝撃値、疲れ強さ、が低下することがわかります。同じ肉厚であれば砂型鋳物よりも金型鋳物の方が機械的性質は高くなります。ただし、砂型鋳物では局部的に「冷し金」というものを鋳型に設置して組織を微細化し、機械的性質を向上させることも可能です。

グラビティ鋳造は、砂型、金型ともに押湯（前述図２中の赤枠）を設けて引け巣の発生を防止します。一般的に砂型のグラビティ鋳造は水平の見切り面で、上型と下型で構成されます。金型のグラビティ鋳造は縦見切りで、左右の金型で構成されます。砂型は鋳物を取り出す時に鋳型を壊すため、押湯は上型のどの部位にも設置できます。一方、金型の押湯は縦の見切り面上にしか設置できません。この結果、引け巣防止のための押湯設置は砂型の方が設置自由度が高くなります。また、砂型では冷し金を使用することで、指向性凝固による引け巣防止が可能です。押湯による引け巣の防止については、砂型の方が対策の自由度が高くなります。

今回は、「グラビティ鋳造における金型鋳造と砂型鋳造の比較」について紹介させて頂きました。「グラビティ鋳造（重力鋳造）」の委託先を探している皆様、お気軽に当社にご相談ください。

この記事の執筆者

株式会社マルサン木型製作所 技術顧問 林 壮一

1977年にトヨタ自動車工業株式会社に入社し、アルミ材料・部品の開発や生産技術開発に従事。2016年にトヨタ自動車株式会社を退職後、マルサン木型製作所に技術顧問として入社。現在は、培ったアルミ材料に関する知見と豊富な経験をもとに、お客様の難題解決を実現する提案を行っている。公益社団法人 日本鋳造工学会をはじめとした団体で、多数の講師実績を持つ。