鋳物の表面品質に影響を与える要因

鋳物の表面品質は、パターンに触れるすべてのステップの関数です, 金型と金属 — 金型/パターンの状態およびパターン材料のレオロジーからシェル/フェイスコートの準備まで, 脱蝋と砲弾の焼成, 溶けるまで, 注ぐ, 冷却と最終処理.

表面粗さの制御 (ra) ミクロスケールの不規則性を回避するには、工具に細心の注意を払う必要があります, 材料, プロセスパラメータとキャスト後の処理.

この記事では主な要因を分析します, 可能な場合は実際の制御範囲を定量化します, 実用的なプロセスと検査に関する推奨事項を提供します.

1. カビ関連要因

金型は基礎として機能します 投資キャスティング, その品質はワックスパターンの形状と表面状態を直接決定するため、, 最終的には最終鋳造に転送されます.

ワックスパターンの表面品質に対する金型の影響は、3 つの側面から詳しく説明できます。:

金型構造設計と表面品質

無理な金型構造設計は、多くの場合、 傷やかじり ワックスパターンの脱型中. 修復されたワックスパターンの表面は必然的に元のものより劣ります, これらの欠陥は鋳造表面に直接再現されます。.

例えば, 鋭い角 (フィレなし R<0.3mm), ドラフト角度が不十分です (<1° 複雑な空洞の場合), 金型構造内のパーティング面が不均一であると、ワックス パターンと金型キャビティの間の摩擦が増加します。, 脱型時に表面損傷を引き起こす.

金型の表面粗さはワックスパターンの表面品質の決定的な要素です. 金型表面粗さがRa3.2μmしかない場合, 得られるワックスパターンの表面品質はさらに低下します。 (Ra4.0～5.0μm), それがキャストにダイレクトに伝わる.

実際の経験から、金型の最適な表面粗さを制御する必要があることがわかります。 Ra0.8μm以内; 過度の滑らかさ (例えば。, Ra0.2μm) ワックスパターンの品質は大幅には向上しませんが、金型加工コストが 30% ～ 50% 増加します。.

金型温度制御

金型の温度はワックスの流動性と複製精度に大きな影響を与えます。. 中温ワックス系用, 最適な金型温度は 45–55℃.

金型温度が低すぎる場合 (<35℃), ワックス材料の流動性が急激に低下する, ワックスパターンの表面複製が不十分になる, フローマークとコールドシャットを伴う.

もっと批判的に言えば, 金型温度が水の露点以下に下がった場合 (作業場では通常 15 ～ 20℃), 金型表面に無数の水滴が形成されます.

これらの液滴は、注入中にワックス材料の空間を占めます。, 不均一なワックスパターン表面につながる - 過剰な離型剤によっても引き起こされる欠陥 (スプレーの厚さ >5μm).

適切な金型温度を維持することが不可欠です. 金型温度を適切に上昇させる (50～55℃まで) と射出圧力 (～0.3～0.5MPa) ワックス材料の流動性を効果的に改善できます。, 金型表面のワックスパターンの複製能力を向上させます。, したがって、間接的に鋳肌の品質が向上します。.

しかし, 金型温度が高すぎる (>60℃) ワックス素材が冷えて固まるのが遅すぎる可能性があります, ワックスパターンの変形につながる (寸法偏差 >0.5mm) 生産サイクルタイムの増加, 品質と効率のバランスが必要.

ワックス注入ゲートサイズ

ワックス射出ゲートのサイズは、射出圧力とワックスの充填速度に直接影響します。.

小型鋳物用 (重さ <500g), 最適なゲート径は**φ8～φ10mm**です; 大型鋳物用 (重さ >500g), ゲート径を大きくすることができます φ10～φ12mm.

ゲート サイズを適切に大きくすると、ワックスの射出圧力を高めることができます。, 金型キャビティを完全に充填することを保証する, ワックスパターン上の充填不足やフローマークなどの表面欠陥を軽減します。.

薄肉の複雑な鋳物用 (<2mm), マルチゲート設計 (2–4ゲート) 充填の均一性をさらに向上させるために推奨されます.

2. ワックス素材の影響

ワックス素材の種類と性能は、ワックスパターンの表面品質を決定する重要な要素です, 異なるワックス材料は異なる結晶化および凝固挙動を示すため.

テーブル 1 インベストメント鋳造用の一般的なワックス材料の主要な性能パラメーターと表面品質への影響をまとめています。.

テーブル 1: インベストメント鋳造用一般的なワックス材の性能比較

低温ワックス (パラフィンステアリン酸ワックス)

低温ワックス, パラフィンで構成されている (60%–70％) とステアリン酸 (30%–40％), 表面品質が最も悪いワックスパターンを生成します.

クリスタリンワックスとして, 結晶化温度範囲が狭く、ステアリン酸粒子が粗大です。 (穀物サイズ >50μm).

凝固中, 粒子間の隙間を埋める液体ワックスが不十分です, ワックスパターンの表面が粗くなる.

射出圧力を上げたり、プロセスパラメータを調整したりしても, 低温ワックスで作られたワックスパターンの表面品質を大幅に改善することはできません, 高精度鋳造への応用が限定される.

中温ワックス

中温ワックス, マイクロクリスタリンワックスを含む複数成分の混合物, 樹脂, および可塑剤, 固定融点がなく、低温ワックスに比べて固化温度範囲が広い.

凝固中, 成分の凝固温度が異なるため, 液相は固相間の隙間を完全に埋めることができます, その結果、表面品質が大幅に向上したワックスパターンが得られます。.

しかし, 中温ワックスの性能はメーカーによって異なります。; 樹脂含有量5%～8%のワックスは、流動性と表面平滑性のバランスが最も優れています。.

充填ワックス

充填ワックス, セラミックパウダーで強化 (5%–10％) またはグラスファイバー (3%–5％), 最高の表面品質のワックスパターンを生成します.

フィラーの添加により、ワックスマトリックスの結晶化挙動が最適化されます。, 凝固収縮を低減する (から 2.0% 0.8%～1.2%まで), ワックスパターンの表面硬度と耐摩耗性を向上させます。.

これにより、ワックスパターンの表面平滑性が向上するだけでなく、保管や輸送時の変形も軽減されます。 (変形率 <0.2% 24時間以内に), 鋳物への表面品質の安定した転写を確保.

ワックスパターンの洗浄と表面のエッチング

ワックスパターンの洗浄は、単に表面から離型剤を除去するだけであると誤解されることがよくあります, しかし、その最も重要な機能は 表面エッチング.

中温ワックスパターン用, 最適な洗浄プロセスでは中性のエッチング剤を使用します。 (濃度 5% ～ 8%) pH値6.5～7.5, 浸す時間は1～2分, その後、脱イオン水ですすぎ、40 ～ 50℃で 10 ～ 15 分間乾燥させます。.

洗浄プロセス中, ワックスパターン表面にマイルドなエッチング効果が形成されます。, ワックスパターンの表面粗さをミクロスケールで増加させます。 (Ra 1.6μm ～ 2.0～2.5μm) 後続の表面コーティングの濡れ性と密着性を向上させます。.

適切なエッチングにより「微細な粗さ」の表面が作成され、コーティングがより強固に付着できるようになります。, 乾燥・焙煎時の塗装剥がれや厚みムラを回避.

これは、鋳物の表面の平滑性を向上させるために特に重要です。, 密着性の高いコーティングはワックスパターンの表面を効果的に再現し、砂の侵入による欠陥を防ぎます。.

4. 表面コーティングの要素

表面コーティングは (一次塗装) ワックスパターンと直接接触しています, そしてその性能と用途パラメータは鋳造表面の品質に決定的な影響を与えます。.

表面コーティング材の特性

表面の粉や砂が表面品質に与える影響は広く知られていますが、, コーティングの重要な成分であるシリカゾルが表面品質に及ぼす影響はあまり理解されていません。.

高品質シリカゾル (輸入品でも国産品でも) 均一なコロイド粒子サイズ (10-20nm) そして粘度が低い (2−5mPa・s（25℃）) 優れたパフォーマンスを発揮します.

同じフローカップ粘度の下で (フォードカップ #4: 20-25秒), このようなシリカゾルは、より高い粉液比を達成することができます (2.5:1–3.0:1 ジルコン粉末スラリー用), より緻密な一次コーティングが得られます.

より緻密なコーティングにより表面の多孔性が減少します (気孔率 <5%) ワックスパターンの表面を再現する能力が向上します。, より滑らかな鋳肌につながります (低品質シリカゾルを使用した場合と比較してRaが0.4～0.8μm減少).

表面コーティングの厚さ

ジルコン粉末スラリー用 (ジルコン粉末粒径 325 ～ 400 メッシュ), 一次コーティングの最適な厚さは次のとおりです。 0.08–0.1mm. 厚さが過剰でも不十分でも、鋳肌の品質に悪影響を及ぼします。:

• 厚みが足りない (<0.08mm): 「キュウリのとげ」のような鋭い欠陥を引き起こしやすい, 針状の突起物 (高さ0.1～0.3mm) 砂の侵入や塗装ムラによる鋳肌の汚れ.
• 厚すぎる (>0.1mm): さまざまな形の欠陥が発生する.
  乾燥・焙煎時の収縮により (収縮率 3%～5%), 厚いコーティングがワックスパターンの表面から部分的に剥がれる場合があります, 粗い形成, 丸みを帯びた凸状粒子 (直径0.2～0.5mm) 鋳物の表面に.

コーティングの厚さを制御するには、スラリーの粘度を正確に調整する必要があります (フォードカップ #4: 20-25秒), 浸漬時間 (5–10秒), そして乾燥条件 (気温25～30℃, 湿度40%～60%, 乾燥時間 2～4時間) 均一な厚さと良好な接着性を確保するため.

5. 脱ロウ工程

脱蝋の目的は、シェルモールドからワックスを完全に除去することです。.

中温ワックス用, 最適な脱蝋プロセスでは、次の圧力の蒸気脱蝋ケトルを使用します。 0.6-0.8MPa と温度 120－130℃, の脱蝋時間 15–25分 (シェルサイズに応じて調整).

シェル内にワックスが残っている (質量分率 >0.5%), 焙煎中に完全に燃焼していない場合, カーボンブラックやその他の不純物が生成されます, これは鋳物の表面に付着し、表面の品質を低下させます。この点については焙煎セクションで詳しく説明します。.

しかし, 完全な脱蝋は、長時間の脱蝋を意味するものではありません. 確実にワックスを除去することを前提としています (残留ワックス <0.5%), 脱蝋時間は最小限に抑える必要があります.

脱ロウ釜内の温度は一般的な急速脱水装置の温度を上回ります。, ワックスを高温に長期間さらすこと (>130℃ >30 分) ワックスの老化を促進する.

老化したワックスは流動性が低下します (粘度が20%～30%増加) そして、脆弱性を高めました, これはその後のワックスのリサイクルに影響を及ぼし、新しいワックスのパターンに欠陥が生じるリスクを高める可能性があります。.

6. シェルモールド保管

シェルモールドの保管方法は工場の清浄度に依存します, シェルキャビティへの異物の侵入を最小限に抑えるか防ぐことを主な目標としています.

テーブル 2 脱蝋後のシェルモールドの最適な保管パラメータをリストします。.

テーブル 2: 脱蝋シェルモールドの最適な保管パラメータ

多くのメーカーは、スプルーカップを下に向けてシェルを設置すれば安全が確保できると誤解しています。, しかし、常にそうとは限りません.

砲弾が砂粒子やその他の破片で汚染された地面または鉄枠に直接置かれた場合, 取り扱い中に異物がキャビティに入る可能性があります, 鋳物に混入物が発生する.

このような介在物は研削と溶接による修理が必要です, 鋳肌の品質に重大なダメージを与えます (補修後Raが2.0～3.0μm増加).

7. シェルモールド焙煎

炭素質の残留物を避けるために、シェルモールドに残ったワックスは焙煎中に完全に燃焼させる必要があります。. ジルコンベースのシェルの最適な焙煎プロセスは次のとおりです。:

1. 加熱ステージ: 室温から500℃までの速度で加熱します。 5–10℃/分 (殻の割れを防ぐためにゆっくりと加熱します).
2. 絶縁ステージ 1: 500℃で保持 30 残りのワックスを燃やすのに数分.
3. 加熱ステージ 2: 500℃～～ 900–1100℃ 10～15℃/minの速度で.
4. 絶縁ステージ 2: 900～1100℃で保持 2–3時間 シェルの強度を向上させ、残留水分を除去するため.

残留ワックスを確実に燃焼させるため, 焙煎炉内の酸素含有量は次の値に達する必要があります。 12% (ハイエンド機器の酸素センサーによって監視).

酸素含有量がちょうど周囲にあるとき 6%, 約800℃で濃い黒煙が出ます, 避けるべきもの.

酸素供給機能のない機器の場合, 炉のドアを部分的に開ける (隙間5～10cm) 吸気量を増やすと酸素レベルが向上し、ワックスの完全燃焼が促進されます。.

適切な焙煎により殻の強度も高まります (圧縮強度 >20MPA) 表面の多孔性を低減します, 鋳肌品質のさらなる最適化.

8. 溶融, 金属の清潔さと注ぎ方

溶解と注入の実践は表面の酸化に影響を与えます, 反応性と表面の膜の形成.

主な影響

• 帯電およびスラグの制御: 装入材料が汚染され、フラックス処理が不十分な場合、表面に多くの介在物が発生したり、表面近くの粗さを閉じ込める酸化膜が生じたりします。.
• 注湯温度と注湯速度: 注湯温度が高すぎると、酸化やシェルとの過剰な反応が促進される可能性があります。; 温度が低すぎると、充填が不完全になり、早期凍結による粗さが生じる可能性があります。.
• 注湯後の冷却方法: 冷却速度の制御と表面の再酸化の回避 (例えば。, 注ぐボックス/カバーの使用) 表面上の口論を最小限に抑えるのに役立つ.

実践的なコントロール

• 炉の装入量を厳密に制御, 効果的な脱酸素とクリーンなフラックス/スラグの実践.
• 層流を促進する注湯温度ウィンドウとゲート スキームを定義する, 乱流のない充填によりガスの閉じ込めや表面膜の形成を軽減.
• 初期凝固中の酸化性雰囲気への曝露を最小限に抑える (例えば。, 必要に応じてカバー付き金型を使用する).

9. 仕上げ後の段階

多くの鋳物は、注湯直後は許容できる表面品質を示しますが、後仕上げ後に深刻な損傷を受けます。この段階が、多くのメーカーにおいて表面品質低下の主な原因となっています。.

2 つの重要な問題が際立っています: 衝突によるダメージとショットブラスト.

衝突被害防止

を実装します。 機密保管および輸送システム: 柔らかいパッドが付いたプラスチック製のトレイを使用する (EVAフォームの厚さ5～10mm) 小型鋳物用; 大型鋳物には専用治具を使用し、鋳物同士の直接接触を避ける. これにより、衝突被害率をさらに減らすことができます。 80%.

ショットブラストプロセスの最適化

ショットブラストは表面の酸化物や砂を除去するために使用されます, そしてそのプロセスパラメータは鋳造表面の品質に直接影響します. ステンレス鋼鋳物に最適なショットブラストパラメータは次のとおりです。:

• スチールショット仕様: 鋳鋼ショット, 直径0.3～0.5mm, 硬度 HRC 40 ～ 50.
• ショットブラスト圧力: 0.4–0.6MPa.
• ショットブラスト時間: 10–1サイクルあたり15分 (以上ではありません 15 分).
• 機器要件: 均一な投影システムを備えたショットブラスターを使用する (投影均一性 ≥90%) 安定した電流制御 (電流変動 <5%).

ショット ブラスト時間は厳密に制御する必要があります。 15 1サイクルあたりの分数. 表面が十分に清掃されていない場合, 過剰な表面浸食を避けるため、長時間の単一サイクルのブラストよりも短いサイクルを複数回行うことをお勧めします。 (オーバーブラスト後、Raが1.0～2.0μm増加).

10. 結論

鋳物の表面品質は多分野にわたる結果です: 冶金, セラミック加工, 熱工学と機械的取り扱いはすべて貢献します.

表面仕上げをプロセスに不可欠な品質属性として扱い、数値目標を定義する, 重要なパラメータの監視 (ツールRa, スラリー粘度, フェイスコートの厚さ, 脱蝋酸素レベル, ウィンドウを溶かす/注入する) 検査チェックポイントの組み込み - ファウンドリは一貫してスムーズな生産を実現できます, 予測可能な製造可能性と低い再加工コストを備えた高品質の鋳造品.