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鋳造設計における金属の特性と組成
溶かすことのできる固体の金属はすべて鋳造することができます。
金属と鋳造法はお互いに影響し合います。ある製品に最適な鋳造法は、その金属が溶融状態、冷却状態、固体状態でどのように振る舞うかに影響されます。 このような関係から、どのような製品を作るかは、鋳造所の得意分野が決め手になります。
鉄を含む金属を「鉄系金属」、含まない金属を「非鉄系金属」といいます。
専門性を大きく分けると、鉄を扱うか、非鉄を扱うか、あるいはその両方を扱うかということになります。 鉄の定義は、鉄を含む金属で、非鉄金属は含まれません。 全世界の金属生産量の約90％を占めるのが鉄系金属である。 鋳物工場で鋳造される金属としては、ねずみ鋳鉄が最も一般的である。
砂型鋳造のような一般的な鋳造法を専門とする鋳物工場では、溶解・注型のしやすさ、鋳型内での細部の再現性、冷却時の予測可能な挙動、機械加工や仕上げへの対応など、特定の品質を持つ金属を使用します。
鉄とその性質
鉄の特徴は、密度が高く、炭素と混ざると強くなり、量が多くて精製しやすく、腐食しにくく、磁性があることです。
鉄を他の元素と異なる比率で合金化することで、これらの要素の1つまたは複数を緩和または排除することができます。
鉄系の合金は何百種類もあり、それぞれの元素の配合比率や、溶解・加工の方向性などが決められています。
鉄系の合金は何百種類も知られていますが、これらは構成する各元素の割合と、溶解や仕上げの方法によって規定されています。 これらの金属は通常、その機械的特性によって選ばれます。 エンジニアや設計者は、降伏強さ、靭性、延性、溶接性、弾性、せん断、熱膨張など、特定のストレス下での材料の挙動に関心を持つでしょう。
鉄のこれらの特徴的な側面は、鉄と他の元素を混ぜた合金で変えることができます。
鉄のこれらの特徴的な側面は、鉄と他の元素を混合した合金で変化します。 金属が鉄かどうかを判断する一般的な方法は、磁石を当てることである。合金に含まれる鉄によって磁石がくっつくからだ。しかし、ステンレス製の冷蔵庫に磁石をくっつけようとしたことのある人は、これが確実なテストではないことを知っている。 しかし、ステンレスの冷蔵庫に磁石をくっつけてみたことがある人は、これが確実なテストではないことを知っている。 ステンレススチールは錆びることがありますが、他のタイプの鉄合金よりもはるかに耐腐食性に優れています。 これは、クロムが添加されているためです。
鉄系金属では、鉄と鋼が最も一般的な鋳造材料です。
鉄
鋳鉄は、炭素含有量が2%以上の鉄合金の一種です。 比較的安価で、密度の高い鉄です。 鉄に比べて低温での流動性が高いため、複雑な金型への流し込みや充填が効率的に行えます。
基本的な鋳鉄は、圧縮特性は良いのですが、曲げたり歪めたりする前に破壊されてしまう脆さがあります。
灰色鉄は、現在生産されている鋳鉄の中で最も一般的なもので、マンホールの蓋や自動車のディスクブレーキなどに使用されています。 その名の由来は、破壊されたときの色が、炭素添加物である黒鉛の存在によって灰色になることです。 ねずみ鋳鉄は、炭素が2.5〜4％、さらに黒鉛を安定させるためのケイ素が1〜3％含まれている。 安価で、鉄に比べて溶融時の流動性が高いなど、基本的な鋳鉄の特性を備えているが、黒鉛が含まれていることで、鉄のもろさが緩和され、加工しやすくなる。
ダクタイル鋳鉄とは、球状（ノジュール状）の黒鉛を添加した鋳鉄のことです。 ダクタイル鋳鉄は通常、重量比で炭素が3.2～3.6％で、ケイ素などの元素を含んでいます。 フェライトが多いと、加工時に切削工具に蓄積されるため、主に鋳造品の製造に使われることが多く、流動性が非常に高いため、細かい作業に適している。 また、ダクタイル鋳鉄は黒鉛の球状化により、鋳鉄やねずみ鋳鉄に比べて耐衝撃性や引張強度が高く、細かい部分のデザインが可能である。 ダクタイル鋳鉄が発見されたのは1943年のことで、鋳鉄の中では比較的新しい部類に入る。
鉄鋼
各種の鉄鋼も鋳造されることがある。 一般に鋼は、炭素含有量が2.14重量％以下で、他の元素と合金化されていることが多い。 鋼は鋳鉄に比べて機械的性質が強いのですが、強靭さの分だけ流動性が損なわれます。 細かい鋳型に流し込むためには、鉄よりもはるかに高温の溶鋼が必要であり、鉄を扱うために必要な高温は管理が難しく、鋳型から出てくる物体のデザインや仕上がりに支障をきたすことがある。
このような課題があるため、鋼はうまく鋳造するためには非常に手間がかかります。
このような課題があるため、鋼はうまく鋳造するためには非常に手間がかかり、製造のすべての段階で専門家の注意が必要です。
その他の鉄合金
これらの一般的な種類以外にも、その他の鉄合金が存在し、その機械的挙動が有用な特定の用途に使用されています。 例えば、エリンバーはニッケルと鉄の合金で、熱による膨張や収縮がなく、時計などの精密機器の非常に小さな部品に使われています。
非鉄金属とその用途
非鉄金属とは、鉄を含まないすべての金属や合金を指します。 一般的な非鉄金属の短いリストには以下のものが含まれます。
- 銀、プラチナ、金などの貴金属
- 銅とその合金である青銅、真鍮
- ニッケル、パラジウム、プラチナ
- チタン
- アルミニウム
- 錫。 鉛
- 錫
- 亜鉛
このように幅広い材料が含まれているため、鉄を推奨する機械的特性の多くは、非鉄金属にも見出すことができます。 例えば、アルミニウムやチタンの合金は、コストがかからなければ、多くの場合、鉄の代わりに使用することができます。
しかし、非鉄金属はコストが高いため、鉄のように振る舞うことができるかどうかではなく、独自の特性で選ばれる傾向があります。 軽量であること、導電性があること、耐食性があること、非磁性があること、伝統があること、装飾性があることなどが、非鉄金属を選ぶ理由として挙げられます。 中には、希少だからこそ珍重される金属もあります。アルミニウムの製造が普及する前は、アルミニウムは高級食器に使われる高級金属でした。
青銅器時代に人類が初めて鋳造した金属であり、現在も砂型鋳造されている銅合金である青銅と真鍮。 鉄系の材料に比べてはるかに低い温度で溶解し、細部までよく鋳込まれるので、彫像などの装飾品によく使われています。 青銅や真鍮は鉄よりも柔らかいが、塩分を含んでいても腐食しにくいため、船の継手など一般的な船舶用に使われている。 真鍮は、金属同士が擦れ合う「かじり」にも強いため、船舶のプロペラなどの機械部品に鋳造されたり、ベアリングやファスナーなどに機械加工されたりします。
アルミニウム
アルミニウムは鉄よりもはるかに密度の低い金属であり、航空宇宙産業のように軽量でありながら強度を必要とする用途には欠かせない素材である。
アルミニウムは、ステンレス鋼のように、酸化に反応して金属酸化物の殻を作り、それを保護するため、耐食性があります。
鋳物の素材を考える
鋳物を設計するとき、価値と形のバランスをとるために最適な金属を見つけることは、芸術であり科学でもあります。
鋳造品として最も一般的なのは鉄系の金属で、コスト効率や機械的特性を考慮して選ばれます。 強度ではなく、重さや耐腐食性、非磁性などの特性を考慮して選択することもあります。
エンジニアと相談することで、デザイナーはプロジェクトのさまざまな側面の調和を見つけ、用途と予算の両方を尊重するために最適な金属を選ぶことができます。