アルミ鋳物 砂型鋳造+精密加工の(株)オミゴウキンです。

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鋳物の品質 鋳物品質の検証方法と工程内検査についての取り組みです。
ACE&APK 弊社の鋳造ラインです。AC4CHで素形材部品を鋳造しています。
アルミデータ アルミニウム&アルミ鋳物・鋳造についてのデータです。
Q&A よくあるご質問です。

アルミニウムの特性

  1. 密度が小さい
    アルミニウムの密度は約2.70g/cm3で、実用金属材料中Mg(1.74g/cm3)に次いで軽く、Fe(7.83g/cm3)、Cu(8.96g/cm3)のおよそ1/3で、構造用に使用される金属としては最も軽い金属に属する。

  2. 比強度が大きい (弊社使用材として-AC4CH-
    用途に応じてアルミニウムに種々の元素を添付し、加工あるいは熱処理を施すことにより、大きな比強度を持つ合金が得られる。

  3. 材質が多い
    合金の種類、質別によって、引張強さが約60〜600N/mm2と大きく変わるので、用途に応じた材質を選ぶことができる。

  4. 耐食性が良好
    アルミニウムは空気に触れると表面に薄い緻密な酸化被膜を生じ、この酸化被膜がアルミニウムを腐食から保護する。一部の科学薬品を除いて強い耐食性を示す。化学的処理、陽極酸化処理(アルマイト処理)等の表面処理を施すと更に耐食性が向上する。

  5. 加工性が良い
    展延性に富み、種々の形状の製品を製造することができ、加工性、成形性が優れている。特に押出加工によって複雑な断面の形状が容易に得られる。

  6. 接合が容易
    ろう付やガス、アルゴン並びに抵抗溶接が容易にできる。

  7. 低温脆性がない
    低温におけるぜい性破壊やじん性の低下がなく、低温ではむしろ強さ、伸びともに大きくなる。

  8. 電気伝導率及び熱伝導率が高い
    アルミニウムは銅についで電気及び熱の電導率が高い。99.6%純度以上のアルミニウムの電気伝導率は、銅の約62%で、導体として用いられる。

  9. 光や熱の反射率が大きい
    白色光線及び輻射熱の反射が大きく、電気研摩面で、可視光線の80〜90%、赤外線の95%を反射する。

  10. 非磁性である (計測機器等に最適)
    アルミニウムは磁性をほとんど帯びない。

  11. リサイクルが容易である (弊社使用材-AC4CH-はリサイクルアルミです。)
    スクラップから再生される二次地金の生産に必要なエネルギ−量は、新地金生産時の1/27、わずか3.7%にすぎない。

鋳物用アルミ合金の種類と特性

JISによりアルミニウム合金は、展伸用と鋳物用に大きくわかれる。当社は鋳物の会社なので鋳物用アルミニウム合金について詳しく述べる。

・合金の種類と特性

  1. AC1A,AC1B(Al-Cu,Al-Cu-Mg系)
    高強度だが鋳造性が悪く、耐食性も良くない。
    架線用部品、自転車部品、航空機用油圧部品、電装部品などの高い強さを必要とする構造材に用いられる。

  2. AC2A,AC2B(Al-Cu-Si系)
    Al-Cu系の鋳造性を改善した合金で、流動性、被削性、溶接性が良好
    AC2Aは自動車のシリンダ−ヘッド、マニホ−ルド、デフキャリア、ポンプボディ、足回り部品などに用いられる。
    AC2Bはクランクケ−ス、バルブボディ、クラッチハウジングなどに用いられる。

  3. AC3A(Al-Si系)
      流動性が良く、薄肉で大型鋳物、形状が複雑な鋳物に用いられる。非熱処理型合金で、比較的強度が低く、機械的特質、被削性が劣るが、溶接性、耐食性は良い。
    ケ−ス、カバ−、ハウジング類、カ−テンウォ−ルなどに用いられる。

  4. AC4A,AC4C,AC4CH(Al-Si-Mg系)  当社が-ACE,APK- で使用している材料
    Al-Si系合金に少量のMgを加えたもので、熱処理効果を与え、機械的性質と被削性を改善した合金。耐食性が良い。
    AC4Aはミッションケ−ス、クランクケ−ス、ブレ−キドラム、ギヤボックスに用いられる。
    AC4Cは油圧部品、ミッションケ−ス、フライホイ−ルハウジング、ブラケット、水冷シリンダ−ブロック、ハンドル、カ−テンウォ−ルなど非常に多くに用いられている。
    AC4CHは自動車用ホイ−ル、架線金具、航空機用エンジンなどに用いられる。

  5. AC4B(Al-Si-Cu系)
    比較的高い強度を持ち、流動性、耐鋳造割れ性、被削性、溶接性が良好
    クランクケ−ス、シリンダ−ヘッド、マニホ−ルド、航空機用電装部品などに広く用いられている。

  6. AC4D(Al-Si-Mg-Cu系)
    Al-Si系の熱処理硬化性を改善して、強度とじん性を高めた合金で、耐食性、耐熱性が良好
    シリンダ−ヘッド、シリンダ−ブロック、クランクケ−ス、ギアハウジング、油圧部品などに用いられる。

  7. AC5B(Al-Cu-Ni-Mg系)
    高温での機械的性質が特に優れるほか、被削性が良好
    シリンダ−ヘッド、シリンダ−ブロック、油圧部品などに用いられる。

  8. AC7A(Al-Mg系)
    特に耐食性に優れた合金で、強さ、伸び、じん性が良好。陽極酸化もしやすい。
    食料用器具、化学用部品、住宅や建築物の装飾、事務機器、ドア金具などに用いられる。

  9. AC8A,AC8B,AC8C(Al-Si-Cu-Ni-Mg系)
    熱膨張係数が小さく、耐摩耗性に優れる。高温強さ、鋳造性が良好
    ガソリン及びディ−ゼルエンジン用ピストン合金として多く用いられる。

  10. AC9A,AC9B(Al-Si-Cu-Mg-Ni系)
    熱膨張係数が最も小さく、耐摩耗性に優れる。高温強さ、硬さが良好
    二輪車用空冷ピストンシリンダ、ディ−ゼルエンジン用ピストンなどに用いられる。

◇合金の化学成分ついての表 (JIS H5202より)
種類
Cu
Si
Mg
Zn
Fe
Mn
Ni
Ti
Pb
Sn
Cr
Al
AC1A
4.2〜5.0
1.2以下
0.20以下
0.30以下
0.50以下
0.30以下
0.50以下
0.25以下
0.05以下
0.05以下
0.05以下
残部
AC1B
4.2〜5.0
0.20以下
0.15〜0.35
0.10以下
0.35以下
0.10以下
0.05以下
0.05〜0.30
0.05以下
0.05以下
0.05以下
残部
AC2A
3.0〜4.5
3.0〜4.5
0.25以下
0.55以下
0.8以下
0.55以下
0.30以下
0.20以下
0.15以下
0.05以下
0.15以下
残部
AC2B
2.0〜4.0
5.0〜7.0
0.50以下
1.0以下
1.0以下
0.50以下
0.35以下
0.20以下
0.20以下
0.10以下
0.20以下
残部
AC3A
0.25以下
10.0〜13.0
0.15以下
0.30以下
0.8以下
0.35以下
0.10以下
0.20以下
0.10以下
0.10以下
0.15以下
残部
AC4A
0.25以下
8.0〜10.0
0.30〜0.6
0.25以下
0.55以下
0.30〜0.6
0.10以下
0.20以下
0.10以下
0.05以下
0.15以下
残部
AC4B
2.0〜4.0
7.0〜10.0
0.50以下
1.0以下
1.0以下
0.50以下
0.35以下
0.20以下
0.20以下
0.10以下
0.20以下
残部
AC4C
0.25以下
6.5〜7.5
0.20〜0.45
0.35以下
0.55以下
0.35以下
0.10以下
0.20以下
0.10以下
0.05以下
0.10以下
残部
AC4CH
0.20以下
6.5〜7.5
0.25〜0.45
0.10以下
0.20以下
0.10以下
0.05以下
0.20以下
0.05以下
0.05以下
0.05以下
残部
AC4D
1.0〜1.5
4.5〜5.5
0.40〜0.6
0.30以下
0.6以下
0.50以下
0.20以下
0.20以下
0.10以下
0.05以下
0.15以下
残部
AC5A
3.5〜4.5
0.60以下
1.2〜1.8
0.15以下
0.8以下
0.35以下
1.7〜2.3
0.20以下
0.05以下
0.05以下
0.15以下
残部
AC7A
0.10以下
0.20以下
3.5〜5.5
0.15以下
0.30以下
0.6以下
0.05以下
0.20以下
0.05以下
0.05以下
0.15以下
残部
AC8A
0.8〜1.3
11.0〜13.0
0.7〜1.3
0.15以下
0.8以下
0.15以下
0.8〜1.5
0.20以下
0.05以下
0.05以下
0.10以下
残部
AC8B
2.0〜4.5
8.5〜10.5
0.50〜1.5
0.50以下
1.0以下
0.05以下
0.10〜1.0
0.20以下
0.10以下
0.10以下
0.10以下
残部
AC8C
2.0〜4.5
8.5〜10.5
0.50〜1.5
0.50以下
1.0以下
0.05以下
0.05以下
0.20以下
0.10以下
0.10以下
0.10以下
残部
AC9A
0.50〜1.5
22〜24
0.50〜1.5
0.20以下
0.8以下
0.05以下
0.50〜1.5
0.20以下
0.10以下
0.10以下
0.10以下
残部
AC9B
0.50〜1.5
18〜20
0.50〜1.5
0.20以下
0.8以下
0.05以下
0.50〜1.5
0.20以下
0.10以下
0.10以下
0.10以下
残部

◇合金[砂型]の機械的性質、熱処理条件についての表 (砂型用AC4CH)(JIS H5202より)
*溶体化処理=焼入れ、時効効果処理=焼もどし
種類
質別
記号
引張強さ
(N/mm2)
伸び(%)
ブリネル硬度
(H/B)
焼きなまし
(温度K)
焼きなまし
(時間H)
溶体化処理
(温度K)
溶体化処理
(時間H)
時効効果処理
(温度K)
時効効果処理
(時間H)
AC4CH
鋳造のまま
AC4CH-F
140以上
2以上
約50
時効効果処理
AC4CH-T5
150以上
2以上
約60
約498
約5
溶体化処理後
時効効果処理
AC4CH-T6
230以上
2以上
約75
約808
約8
約428
約6

アルミ合金鋳造法の種類と特徴
ボ−キサイトから作られるアルミナを還元して得られるアルミニウム地金を加工する方法には、圧延、押し出し、鍛造、鋳造等があるが、当社は鋳物の会社なので鋳造法について詳しく述べる。

  1. 砂型鋳造
    砂型はけい砂を主体として造形する方法で、粘結剤によって粘土、ベントナイトを使う生砂型、乾燥砂型、水ガラスを用いる炭酸ガス型、熱硬化性樹脂を用いるシェル砂型、ウレタンやフェノ−ル樹脂、フラン樹脂などの有機樹脂と硬化剤を混合した自硬性砂型、硬化触媒としてトリエチルアミンあるいはSO2ガスを吹き込んで硬化させるコ−ルドボックス型がある。
    砂型鋳物は金型鋳物に比べて機械的性質が低く、鋳肌、寸法精度も悪いが、鋳物の形状、大きさに制限されず、多品種少量生産で複雑な中子をもつ鋳物の製造に適している。一般には、大物の少量生産には炭酸ガス型、自硬性砂型が、小物で数量が多いものには生砂型、シェル砂型が適用される。鋳造可能な鋳物の最小肉厚は、合金の種類によって多少異なるが、3mm以上を必要とする。
    ※弊社砂型製品は金型と同等との評価を得ています。

  2. 金型鋳造
    鋳型が繰り返し使用できる金型製で、耐熱鋼あるいは鋳鉄で作製される。型の寿命は製品形状によるが、数千回〜2,3万回である。金型鋳造は中程度の多量生産方式で、砂中子を使えるので多少複雑な中子がある場合でもかなり大きな鋳物にも適用できる。金型鋳造は鋳造組織が微細で、砂型鋳物に比べて欠陥が少なく、耐圧性がよく、強度も高い。鋳造装置には、金型を手動で開閉する簡単な装置から、油圧シリンダを用いた大型の自動装置があり、砂中子が使用され、金型を使う他の鋳造法である低圧鋳造やダイカストより鋳物の設計に自由度があり、生産性は高い。

  3. 精密鋳造
    インベストメント鋳造と石膏鋳造は、高い寸法精度が得られる精密鋳造に適用される。インベストメント鋳造は、まず、ろうを用いて湯口を付けたろう模型を作り、これを砂と粘結剤のエチルシリケ−トを混合した泥状微細粉末耐火材(スラリ−)中に浸漬し、ついで耐火砂粒をまぶし乾燥する。この工程を繰り返して厚い殻を造り、十分乾燥後焼成し、それと同時にろう模型を溶融流失し、型に割面のない鋳型を作製する。この空間に溶湯を鋳造する。
    石膏鋳造ではスラリ−に石膏を用いる。これらの鋳造方法は寸法精度がよく鋳肌がきれいで、最もニアネットシェイプを得る鋳造法であり、特に精密かつ複雑な形状の製品で、ほかの工法では鋳造・加工ができないか、あるいは加工費がかかるものに有効である。鋳込み可能な最小肉厚は0.75mm程度で、重力鋳造後減圧吸引あるいは圧力付加により達成される。インベストメント鋳造は小物で、多品種多量生産方式で生産性は低い。石膏鋳造は小物から中物も可能であり、比較的中量生産方式で生産性は低い。

  4. 低圧鋳造
    密閉したるつぼ上部に金型を設置し、るつぼ内の溶湯と金型とをスト−ク(導管)で連結して、10〜60Paの空気圧を溶湯表面に加えて溶湯を押上げ、スト−クを通して鋳型内へ圧入、充填する方法である。溶湯はスト−クと接続した湯口を通り鋳型空間の下部からむくりあげ式で静かに上方へ充満していく。るつぼ側が高温で、湯口から遠い部位が低温であり、指向性凝固が行われやすく、更に下方からの圧力により押湯効果があり、健全性の高い鋳物が鋳造される。湯口部まで凝固した時点で加圧を中止すると押湯となっているスト−ク内の溶湯はるつぼへ戻るため、製品の鋳造歩留りが非常に高く、重力金型鋳造の40〜70%に対して95%前後である。シェル砂や乾燥砂の中子が使用でき、複雑な鋳物の鋳造が可能である。ダイカストに比べると生産性は低いが、自動化が進んでおり、安定した品質が得られる鋳造法である。

  5. 溶湯鋳造
    金型内に鋳造した溶湯の表面をプランジャ−で加圧することにより、40〜100N/mm2の高圧下で凝固させる鋳造方式である。圧力が溶湯に作用し続けるため、凝固収縮に対する溶湯補給が十分に行われやすく、金型とのエアギャップもなく、引けやガスによるポロシティ欠陥が極めて少なくて、最も健全性が高い鋳物がえられる。鋳型と鋳物との密着性がよく、鋳肌と寸法精度が優れ、凝固組織が微細で、強度とじん性が高い。一方.この凝固様式では合金の正偏析が助長されやすいので注意を要する.金型の精度要求が厳しく、装置は高価である。また、この鋳造法はセラミックのウィスカや粒子を混合・分散させる複合材料の製造にもよく利用される。

  6. ダイカスト
    溶湯を圧入プランジャ−により高速(20〜60m/s)、高圧(30〜150N/mm2)で金型内へ射出、充填し急速に凝固させる鋳造方式である。薄肉鋳物の製造が可能で、最低肉厚は1mmである。寸法精度、鋳肌が優秀で、生産性が最も高い。装置及び金型が高価なため、生産数量が多くないと経済的でない。溶湯の射出速度が速く充填時間が約0.3sと短いため、金型キャビティ内の空気や反応ガスを巻き込みやすい。したがって、ポロシティの発生を抑制することは難しく、加熱するとふくれが生じるため熱処理や溶接は行わないのが一般的である。かれらの品質の改善のため、射出速度を1m/s以下にする低速充填ダイカスト法、厚肉部での引けをなくすため時間差で2段加圧するアキュラッド法、時間差をつけて厚肉部を局部的に加圧する局部スクイズ法、金型内を減圧する真空ダイカスト法、金型内を酸素雰囲気にしてガスとしての巻き込みを防ぐPFダイカスト法などが開発され、ガス含有量が少なく、熱処理可能なダイカスト技術の開発が進んでいる。

◇鋳造法の分類表
重力鋳造
砂型鋳造
生砂型-ACE,APK-・乾燥砂型鋳造
シェル砂型鋳造
炭酸ガス型鋳造
自硬性型鋳造
コ−ルドボックス型鋳造
 
金型鋳造
 
消失模型鋳造
 
精密鋳造
インベストメント鋳造
石こう鋳造
加圧鋳造
低圧鋳造
 
差圧鋳造
 
溶湯鋳造
 
遠心鋳造
 
ダイカスト
 
減圧鋳造
Vプロセス鋳造
 
吸引鋳造
 
真空鋳造
 

◇鋳造法の比較表

鋳造法
最適製品重量
寸法精度
表面荒さ
最小抜け勾配
最小肉厚
最適生産数
型費&設備費
リ−ドタイム
砂型鋳造
1Kg〜∞
+3mm&-3mm?
200-550RMS
1〜5°
5mm
1〜∞
8〜80万円
サンプル:2〜6週間
製品:2〜6週間
金型鋳造
1〜50Kg
+1.5mm&-1.5mm
150-300RMS
2〜5°
4mm
500以上
50〜250万円
サンプル:8〜20週間
製品:10〜12週間
石こう型鋳造
1〜20Kg
+0.7mm&-0.7mm
63-125RMS
0.5〜2°
2mm
1〜250
30〜150万円
サンプル:2〜10週間
製品:4〜8週間
インベストメント鋳造
(Lost Wax)
1〜10Kg
+0.5mm&-0.5mm
63-125RMS
1.5mm
1000以下
30〜200万円
サンプル:8〜10週間
製品:5〜12週間
ダイカスト
1〜8Kg
+0.3mm&-0.3mm
32-63RMS
1〜3°
1〜1.5mm
2500以上
100〜1000万円
サンプル:12〜22週間
製品:8〜14週間
*引用・参考文献 軽合金鋳物・ダイカストの生産技術 新版・非鉄金属材料選択のポイント

鋳物の品質 鋳物品質の検証方法と工程内検査についての取り組みです。
ACE&APK 弊社の鋳造ラインです。AC4CHで素形材部品を鋳造しています。
アルミデータ アルミニウム&アルミ鋳物・鋳造についてのデータです。
Q&A よくあるご質問です。

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