鋳造とは、鋳型に溶けた金属を流し込んで成型する手法です。鋳造でできた製品を鋳物と呼びます。
鋳物は、鋳鉄・鋳鋼・アルミニウムなど対応する材料が多く、用途に応じて使い分けることが可能です。溶かした金属を利用して成型を行うため、鍛造や切削加工に比べて複雑な形状の製品を安く量産できます。
鋳造には、砂型鋳造・ダイカスト・ロストワックス鋳造・消失模型鋳造など、さまざまな製造法がありますが、今回は砂型鋳造の基本知識について解説します。
参考：【鍛造と鋳造の違いとは？】工程や製品の比較でわかりやすく解説
砂型鋳造とは
砂型鋳造とは、砂を材料とした型である「砂型」を使った鋳造方法です。砂型は、「原型」と呼ばれる、砂型を作るための木型や金型の模型と、砂型を収めるための「型枠」を使って用意します。
砂型は上と下の型に分かれており、それらを組み合わせて鋳型を作ります。そのため、原型となる模型も、基本的に上と下型で別々に用意している場合がほとんどです。
模型は一度用意すれば繰り返し使用可能で、同じ形状の製品を作る場合は、再利用されます。一方で砂型は、一度使って製品を作ると、中身の鋳物を取り出すために壊さなければなりません。そのため砂型鋳造では、同じ形状の製品を作るたびに、模型を繰り返し使って新しく鋳型を用意する必要があります。
砂型鋳造で用いる材料は、溶解できる金属であれば使用できます。鉄系の材料の場合は、炭素量の違いにより鋳鋼と鋳鉄に分類されます。
鋳鋼は、炭素量が2.1％以下と少ない材料で、耐食性、耐熱性、耐摩耗性に優れています。鋳鋼はさらに細かく分けると「合金鋼鋳鋼」「炭素鋼鋳鋼」があります。
鋳鉄は、鉄・炭素・ケイ素を主成分とした材料で、炭素を2.1％以上含みます。鋳鉄は鋳造性や強度に優れているのが特徴です。
砂型鋳造のメリット・デメリット
メリット
●木型の模型だとコストが安く済む
鋳造は原型を作るのにコストがかかりますが、砂型鋳造で用いる木型は金型に比べてコストが安く済ませられます。
●複雑な形状の製品でも成型できる
砂型鋳造は、溶かした金属を鋳型に流して固める手法のため、複雑な形状の製品でも成型が可能です。製品に空洞がある場合でも、「中子」とよばれる砂型部品を使えば成型できます。
上図は牛乳ビンのような形状の製品を鋳造している例です。中子を用いると、中子の部分に溶かした金属が充填されなくなり、牛乳ビンのような中空のある製品でも成型できるようになります。砂型をばらした際、中子も一緒に破壊することで空洞の部分ができあがります。
●大きな形状の製品にも対応できる
砂型鋳造は、対応する設備さえあれば、大きな製品にも対応が可能なので、製品形状の自由度が高い特徴があります。
デメリット
●寸法精度に乏しい
砂型鋳造は型枠に砂を込めて固める手法ですが、上下の型を組み合わせた際に、型同士のズレが発生したり、溶かした鋳鉄が凝固した際に収縮したりするため、寸法精度に乏しいデメリットがあります。また、鋳肌は梨地のように粗いので、綺麗な面を得たい場合は機械加工する必要があります。ただし後述するシェルモールドでの鋳造では、寸法精度が得られます。
●木型の模型が耐久性に乏しい
木型は繰り返し利用することができますが、耐久性が乏しく、何度も使用していると摩耗したり傷が付いたりして、製品に悪影響を及ぼしてしまいます。生産数の多い製品の場合は、耐久性の高い金属製の模型を使う場合があります。
●鋳巣や湯回り不良などのトラブルがある
鋳造では、ガスや空気の巻き込みにより、製品内部に穴ができてしまう「鋳巣」や、溶けた金属が鋳型の中に充填しきれずに欠けや薄肉ができてしまう「湯回り不良」などのトラブルが発生する場合があります。
●ランニングコストが高い
砂型鋳造は、ひとつの製品を作るごとに毎回砂型を破壊しなければならないため、ランニングコストが高い傾向にあります。
砂型鋳造の工程・手順
引用元：アイアール技術者教育研究所 【生産技術のツボ】砂型鋳造の基本を速習！鋳造工程、砂型の種類（生型/シェルモールド）などを解説
ここでは、生型を使った砂型鋳造の工程について、順を追って解説します。
1.模型製作
砂型鋳造のうち生型と呼ばれる種類は、主に木型を使って模型を作ります。ただし製法の種類や用途によっては、金属製の模型を作る場合もあります。主に1つの製品を作るには、模型を上型と下型用で別個用意する必要があります。
2.鋳込み
模型を底盤にセットして型枠で囲み、鋳物砂を鋳込んで固めます。
3.模型の取り出し
木型の模型を砂型から取り出します。木型は再び砂型鋳造する際、繰り返し使用できます。
4.砂型の組付け
砂型は、上型と下型で別々に作られますが、鋳造をするにはそれらを組付ける必要があります。製品内部に空洞のある製品は、中子も一緒に組付けます。
5.溶湯の流し込み
組付けた砂型にある湯口に溶湯を流し込んで成型します。溶かした金属は「溶湯（湯）」とは溶かした金属のことで、「湯口」は溶湯を流し込む専用の穴のことを指します。
6.冷却・凝固
砂型の内部で溶湯を溶かします。
7.砂型のばらし
砂型をばらして鋳物を取り出します。
8.不要部をカット
砂型から鋳物を取り出した際に出る、湯口・ガス抜き口などにある不要部や、上型と下型の接続部などに出るバリを除去します。
砂型の種類
砂型鋳造は、複数の製造法がありますが、ここでは代表的な種類である「生型」と「シェルモールド」の2つについてご紹介します。
生型
生型は、「砂型鋳造の工程・手順」にて解説したような手順で鋳造する手法を指します。鋳物砂を乾燥させず、生のまま鋳造する手法から「生型」と呼ばれています。
生型で用いる鋳物砂は、骨材としてのケイ砂、粘結剤のベントナイト、その他の添加物などから構成されています。
ケイ砂は、天然産出で優れた耐熱性を有しており、入手が比較的簡単なことから、鋳物作りにおいて古くから利用されています。ベントナイトは粘度岩の一種で、水を加えることで粘結力が得られます。
模型は木型が採用されていることが多いですが、成型することの多い製品では、模型の耐久性が求められるため、金属製の型を用いる場合もあります。
シェルモールド
シェルモールドは、加熱した金型の上にレジンサンド（細かいケイ砂に熱硬化性のフェノール樹脂の粉末を5%程度混ぜた砂）を粘結剤とした鋳物砂を吹き込み、硬化させる手法を指します。シェルモールドで作られた鋳型は、薄くて貝殻状であることから、「シェルモールド」と呼ばれています。
シェルモールドは、生型に比べて寸法精度が高く、小型や薄肉の製品を作るのに適しています。また、中子を使った複雑な形状の成型にもぴったりです。
砂型鋳造の製品例
砂型鋳造は、自動車部品・各種構造物・建設機械部品・鉄蓋・グレーチング・車止めなど、幅広い分野で採用されています。砂型鋳造は金属材料を使い分けることで、複雑な形状でありながらも、各種類の特性を活かした製品を成型できるのが強みです。
