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アルミニウム鋳造のアイデア: 方法、合金、デザイン、仕上げ

直接の答え: アルミニウム鋳造のアイデアをどこから始めるべきか

最も作業性の高い アルミニウム鋳物 アイデアは 4 つの実用的なグループに分類されます。装飾的なハードウェアと、引き出しの取っ手、家番号のプレート、手すりブラケットなどの建築用金具です。バルブカバー、インテークフィッティング、取付ブラケットなどのエンジンや機械の機能交換部品。治具、治具プレート、アライメントブロックなどの工具を販売します。メダリオン、植物マーカー、小さな彫像などの彫刻または展示品。最初のプロジェクトでは、 A356アルミニウム合金 それが最も寛容な出発点です。 A356 は、およそ 705 ~ 760 ℃ の快適な注入温度範囲を持ち、薄い部分をよく充填し、T6 熱処理を経るときれいに機械加工されます。

耐火物またはセラミックブランケットライニングを備えた鋼管シェルで構築されたプロパン燃焼炉は、2 ~ 5 キログラムのきれいなアルミニウムスクラップまたはインゴットを溶かすことができます。 25~40分 、きれいな充填に必要な 700 度を超える注入温度に快適に到達します。これが、950 ~ 1000 ℃の温度を必要とする青銅や 1370 ℃以上で動作する鋳鉄と比較して、アルミニウム鋳物のアイデアが非常に理解しやすい主な理由です。熱処理後の鋼の 3 分の 1 に近い強度重量比と組み合わせることで、アルミニウム鋳物は、純粋に装飾的ではなく、真に役立つものになります。

アルミニウムが鋳造プロジェクトのデフォルトの金属である理由

プロジェクトに取り組む前に、アルミニウムを鋳造可能で耐久性のあるものにする特定の材料特性を知っておくと役立ちます。以下の図は、エンジン ブロックから額縁、庭の装飾品に至るまで、あらゆるものにアルミニウムが使用される理由を説明しています。

低融点、広いプロセスウィンドウ

純粋なアルミニウムは 660.3 ℃で溶解し、一般的な鋳造合金はシリコンと銅の含有量に応じておよそ 555 ~ 650 ℃の範囲で溶解します。この範囲は、プロパン、天然ガス、さらには炭火炉でも十分に届く範囲内にありますが、銅ベースの合金や鋳鉄には当てはまりません。

薄肉セクションの流動性

A356 や A380 などのアルミニウム - シリコン合金は、非常に薄い壁部分を埋めるのに十分な長さの流動性を維持します。 2.5~3mm 砂型で1mm程度まで圧力ダイカストで鋳造します。これが、薄い装飾パネル、グリル、ハウジングを固体素材から機械加工するのではなく鋳造できる理由です。

熱処理後の強度増加

鋳放しの A356 の引張強度は 159 MPa 近くです。 T6 熱処理、つまり約 540 ℃ での溶体化処理とそれに続く水焼入れおよび約 155 ℃ で 4 ~ 6 時間の時効処理により、この熱処理は約 262MPa 5~7パーセントの伸びがあります。

リサイクル可能性と予測可能な材料コスト

アルミニウムは繰り返し再溶解でき、1 サイクルあたりの酸化損失はわずか 5 ~ 8% です。ホイール、押出成形品、エンジン部品からのアルミニウムのスクラップは通常、1 ポンドあたり 1.50 ~ 3.00 米ドルですが、新しいインゴットの場合は 1 ポンドあたり 2.50 ~ 4.00 米ドルなので、繰り返しのプロジェクトでも材料コストが予測可能です。

プロジェクトに合わせたキャスティングプロセス

同じアルミニウム鋳造のアイデアは、いくつかの異なるプロセスを通じて実行できます。選択によって、工具のコスト、達成可能な表面仕上げ、および 1 回の実行で経済的に合理的な部品の数が変わります。

アルミニウム鋳造のアイデアに関するプロセス選択ガイド。金型への投資と実行サイズおよび仕上げ品質を比較します。
プロセス 一般的な実行サイズ 表面仕上げ 許容範囲 工具コスト 最適な用途
砂型鋳造 1~50個 250 ~ 500 マイクロインチ Ra 25mmあたりプラスマイナス1.5mm 20~150ドルのパターン ブラケット、プラーク、ワンオフプロトタイプ
パーマネントモールド(重力) 100~10,000個 100 ~ 200 マイクロインチ Ra プラスマイナス0.5mm 500~3,000ドルの金型 ホイール、ハウジング、リピートハードウェア
投資(ロストワックス) 1~1,000個 Ra 60 ~ 125 マイクロインチ 25mmあたり±0.13mm 1パターンあたり50~500ドル 詳細な彫刻、メダリオン、ジュエリースケールのパーツ
高圧ダイカスト 10,000 個以上 Ra 32 ~ 63 マイクロインチ プラスマイナス0.1mm 10,000 ~ 100,000 米ドルの工具 量産ハウジング、自動車用ブラケット

構築する価値のある 12 のアルミニウム鋳造プロジェクトのアイデア

以下のリストは、単純な装飾部品から機能的な機械部品へと移行しており、パターンの複雑さと許容差の要求が増加する順に大まかに順序付けされています。各アイデアには合金や壁の厚さに関する実践的なメモが含まれているため、プロジェクトはアイデアからパターンに直接進むことができます。

  1. カスタム引き出しの取っ手とキャビネットのハードウェア - 4 ~ 6 mm の仕上げ壁を備えた A356 で鋳造し、研磨または陽極酸化処理して、キッチンやワークショップ全体で一貫した外観を実現します。
  2. 家番号が刻まれたプレート - 約 150 x 100 x 6 mm のフラットバック鋳物。砂型で鋳造し、80 グリットのメディアでサンドブラストしてマットな耐候性の表面を実現します。
  3. ツールハンドルのオーバーレイと人間工学に基づいたグリップ - 曲面での滑らかな研磨応答のために選択された 535.0 合金を使用して、スチールコアインサートの周りに鋳造されています。
  4. トレーラーヒッチカバーとトウポイントキャップ - 3 ~ 5 mm の壁を持つ永久鋳型重力鋳造によって製造され、長期の耐紫外線性のために粉体塗装が施されています。
  5. オートバイおよび ATV のバルブ カバー - 複雑な冷却フィン パターンは、約 200 ℃ までの連続使用に耐える定格の A356-T6 を使用した、コア付きの砂型鋳造に適しています。
  6. 庭の装飾品と植物マーカー - 約 2 ~ 3 mm の薄肉鋳物、鋳造のまま、または透明な保護ラッカーで仕上げたもの。
  7. 照明器具のハウジングとランプベース - 注入後に内部コアが除去され、配線チャネル用に機械加工された中空コア砂型鋳物。
  8. 家具の脚とテーブルの脚ブラケット - 応力上昇を避けるために少なくとも 3 mm の内部フィレットが必要な耐荷重部品は、A356-T6 で鋳造されます。
  9. ベルトのバックルと賞のメダリオン - インベストメント鋳造は、約 0.5 mm までの微細なレリーフのディテールをキャプチャし、彫刻されたロゴやテキストに最適です。
  10. ヴィンテージエンジン用の交換用インテークおよびフロートボウル部品 - A380 合金は、ねじ付きポートに優れた耐燃料性と機械加工性を提供します。
  11. カスタムホイールセンターキャップ - 永久金型ツールにより、圧入に必要な再現可能な直径公差が得られ、鏡面研磨されます。
  12. ショップ治具プレートと位置合わせ治具 - A356-T6 で鋳造された機能的な工具で、下側はリブ付きで、質量を追加することなく剛性を高めます。

注湯失敗を防ぐパターンと金型の設計ルール

3 つの設計習慣により、きれいな注入と、亀裂、空洞、または未充填の隅がいっぱいの鋳物とが区別されます。肉厚、抜き勾配、フィレット半径はすべてアルミニウムの固化に影響し、パターンの段階ではそれぞれを修正するのは簡単ですが、後で修正するには費用がかかります。

壁の厚さ: 砂型鋳造では壁を最低 3 mm に保つ必要がありますが、薄い部分は金属が完全に充填される前に冷えて固まるため、構造部品の場合は 4 ~ 6 mm の方がはるかに信頼性が高くなります。永久鋳型鋳造では、鋼製鋳型がより速く熱を奪い、金属自体の凝固フロントに対してより長く金属を移動させ続けるため、1.5 ~ 2 mm まで薄くすることができます。

抜き勾配角度: 砂型鋳造パターンの垂直面には、砂を引き裂くことなくパターンがきれいに浮き上がるように、片側あたり 1 ~ 3 度の抜き勾配が必要です。永久的な金型ツールでは、研磨されたスチール表面が詰められた砂よりも簡単に剥離できるため、0.5 ~ 1.5 度の浅い角度を使用できます。

フィレット半径: すべての内側のコーナーには、局所的な壁の厚さ以上のフィレット半径が必要であり、実用的な最小値は 3 mm です。鋭い内部コーナーは、鋳物が冷えて収縮するときに応力を集中させ、熱による裂け目の最も一般的な開始点となります。

収縮許容値とパターンがオーバーサイズになる理由

アルミニウムは液体から冷たい固体になる際に 3 段階で収縮します。液体収縮は体積で約 3.5 ~ 6 パーセント、凝固収縮は合金によって異なりますが約 3.0 ~ 8.5 パーセント、固体状態の冷却収縮は約 3 です。 1.3% リニア A356 の場合、固相線温度と室温の間。パターンメーカーは、収縮ルールを使用してパターンをオーバーサイズにカットすることで最終段階を補います。通常は 1 フィートあたり約 5/32 インチで、これは A356 の 1.3% の数字に近いです。実際の例として、A356 の仕上がり寸法 300 mm は、300 に 1.013 を掛けて計算される約 303.9 mm のパターン寸法として開始されます。

一般的なアルミニウム鋳造合金のパターンに追加されたおおよその線収縮許容値。
合金 線収縮代 パターンメーカーのおおよそのルール
A356.0 1.3パーセント 1フィートあたり5/32インチ
A380.0 1.6パーセント 1フィートあたり3/16インチ
443.0 1.3パーセント 1フィートあたり5/32インチ
535.0 1.4パーセント 1 フィートあたり 5/32 ~ 3/16 インチ

作業に適したアルミニウム合金の選択

合金の選択は、注入中の流動性、熱処理後の強度、耐食性、機械加工性、および研磨や陽極酸化に対する表面の反応性に影響します。以下の表は、構造ブラケットから高光沢の装飾金具に至るまで、ほとんどのアルミニウム鋳造のアイデアをカバーする 4 つの合金を比較しています。

一般的なアルミニウム鋳造合金の組成、強度、最適な用途による比較。
合金 主要な合金元素 引張強さ 伸び 最適な用途
A356.0 (T6) シリコン 7%、マグネシウム 0.35% 262MPa 5~7パーセント 構造用鋳物、ホイール、ブラケット
A380.0 シリコン 8.5%、銅 3.5% 324MPa 3パーセント ダイカスト、ハウジング、燃料系部品
443.0 シリコン 5.2% 130MPa 9パーセント 船舶用ハードウェア、耐食継手
535.0 (アルマグ 35) マグネシウム 6.8% 241MPa 9パーセント ハイポリッシュ装飾パーツ、アルマイト処理されたハードウェア

シリコン含有量が高いと流動性が向上し、高温引裂きが減少します。そのため、A380 および A356 は薄肉または複雑なセクションに好まれますが、同じシリコン粒子により切削工具の摩耗が促進されるため、これらの合金の加工には超硬工具が推奨されます。対照的に、535.0 はシリコンを含まず、標準の高速度鋼工具できれいに機械加工できます。これが、機械研磨に対する強力な応答性と相まって、鏡面仕上げの装飾鋳物で依然として人気がある理由です。

粗鋳造から完成品まで: 表面処理オプション

型から取り出したばかりの鋳物には、粗い、砂状、またはテクスチャーのある表面と鋭いゲート スタブがあり、部品が意図したとおりに見えたり機能したりする前に、これらを除去する必要があります。以下の 5 つの処理は、簡単な掃除から鏡面研磨のショーピースまで、ほとんどのアルミニウム鋳造のアイデアをカバーします。

フェトリングとバリ取り

ゲート、ライザー、バリは、アングル グラインダー、バンドソー、または手動ヤスリを使用して除去されます。小さな部品のバッチの場合、セラミックメディアを使用した振動タンブリング 4~8時間 各ピースを手作業で仕上げることなく、エッジを丸め、パーティングラインのバリを取り除きます。

サンドブラストによる均一なマット仕上げ

60 ~ 100 グリットの範囲のガラス ビーズ メディアを 80 ~ 100 PSI で塗布すると、一貫したサテンの質感が得られ、表面の小さな多孔性を隠すのにも役立ちます。これは、屋外用ブラケット、植物マーカー、および工具器具の一般的な仕上げです。

機械研磨

80、120、240、400、600、1200 グリットの研磨剤を使用し、その後バフ研磨ホイールと研磨剤を使用すると、A356 または 535.0 をおおよその時間で鏡面仕上げにすることができます。 小さな部品1個あたり30~45分 。 A380 などの高級シリコン合金は、シリコン粒子の耐摩耗性が周囲のアルミニウム マトリックスとは異なるため、均一に研磨されません。

色と耐摩耗性を高める陽極酸化処理

タイプ II 硫酸陽極酸化処理は、アルミニウム表面に直接厚さ約 5 ~ 25 ミクロンの酸化物層を構築します。この酸化物層は染料の色を受け入れることができ、表面硬度を裸のアルミニウムの約 75 ~ 90 HV から陽極酸化層の約 300 ~ 400 HV まで高めます。

屋外耐久性を備えた粉体塗装

粉末は静電的に塗布され、190 ~ 205 ℃で 10 ~ 20 分間硬化され、庭の装飾品、ヒッチ カバー、および屋外にあるその他の部品に適した、紫外線に安定した耐欠け性の仕上げが得られます。

よくある鋳造上の欠陥とそれを早期に発見する方法

アルミニウム鋳造の問題のほとんどは 6 つの原因のいずれかに遡り、それぞれの原因が完成した部品に認識可能な痕跡を残します。仕上げに時間を費やす前にこれらをチェックすることで、絶対に耐えられなかった部品の研磨作業を大幅に節約できます。

アルミニウム鋳造の一般的な 6 つの欠陥、その原因、およびそれらを防止する設計またはプロセスの修正。
欠陥 典型的な原因 見分ける方法 予防
ガス気孔率 表面水分から溶融物中に溶解した水素 断面に点在する小さな丸いボイド 注ぐ前に、溶融物を脱気し、ツールと金型を完全に乾燥させます。
収縮気孔率 厚い部分が最後に凝固するため、供給金属が不十分です ライザーまたは厚いセクションの接合部付近の不規則な空隙 ライザーのサイズをフィードセクションより大きくし、最高点に配置します
コールドシャット 2 つの金属の流れは、多くの場合、低い注入温度により融合することなく合流します。 表面に目に見える継ぎ目や亀裂のような線がある 注ぐ温度を上げてゲート速度を向上させます
ミスラン 金型キャビティが完全に充填される前に金属が固化する エッジが丸く充填されていない不完全な鋳物 注ぐ温度を上げる、ゲートを拡大する、または金型を予熱する
ホットティアリング 鋳物は高温で収縮しながら金型に拘束されます セクション移行部のギザギザの亀裂 フィレットを追加し、セクションの急激な変更を避け、折りたたみ可能なコアを使用します。
内包物 金型キャビティ内に砂、酸化皮膜、ドロスが持ち込まれる 加工に耐える硬い部分や表面の斑点 注ぐ前にゲートシステムを濾過し、ドロスを取り除きます

アルミニウム鋳造プロジェクトの時間、材料、エネルギーの予算を立てる

通常、炉のシェル、るつぼ、吊りトング、注ぎ鍋、保護具を含む、趣味規模のプロパン炉の基本的なセットアップが実行されます。 300~800ドル 2~5kgの装薬を溶かすことができます。金型用の生砂は、注入の間に少量の添加剤を補充するだけで数百回のサイクルで再利用できるため、部品ごとの材料コストは成形メディアではなくアルミニウム自体によって支配されます。

700~760℃

A356 の典型的な注入温度。過度の酸化物を生成せずにきれいに充填するには十分な温度です。

25~40分

プロパン炉内で 5 kg の装入物をコールド スタートから注入温度に達するまでの溶解時間。

1.3パーセント

A356 パターンには、注入温度と室温の間の線形収縮許容値が組み込まれています。

5~8パーセント

アルミニウムのスクラップまたはランナーとライザーを再利用する場合の、サイクルごとの酸化による再溶解損失。

時間計画としては、ある程度詳細なパーツのパターン作成には、木彫りか、機械加工か、3D プリントかに応じて 2 ~ 8 時間かかります。完成したパターンから生砂型を打ち込むには、1 つの型に対して 1 ~ 3 時間かかります。炉のウォームアップを含む溶解と注入の段階には 1 ~ 2 時間かかり、シェイクアウト前の冷却には、小さな薄い部品の場合は 30 分、より重い部品の場合は 2 時間かかります。選択した表面処理に応じて、フェトリングと仕上げにはさらに 1 ~ 4 時間かかります。まとめると、単一の適度に複雑なアルミニウム鋳造のアイデアは、パターンの準備ができたら 1 営業日以内にスケッチから完成部品まで移行できます。その時間のほとんどは、流し込みそのものではなく、型の準備と仕上げに費やされます。