インベストメント鋳造とは
いんべすとめんとちゅうぞう
ろうの模型を耐火物で覆って固め、ろうを溶かし出した鋳型に注湯する精密鋳造法。ロストワックス法ともいい、タービンブレードなどに使う。
「インベストメント鋳造」は、1分野の1問の練習問題に出てきます(材料の加工と接合など)。
この用語の分野: 材料の加工と接合
工程の流れ
インベストメント鋳造では、まず金型にろうを射出して製品と同じ形の模型をつくり、湯道になるろうの棒に多数を付けてツリーにします。これを耐火物の微粉を含むスラリーに浸し、表面に耐火物の粗い粒をまぶして乾かす操作を何回も繰り返して、殻(シェル)をつくります。次に蒸気の圧力釜などでろうを溶かし出し、シェルを高温で焼いて強くし、残ったろうを燃やします。焼いたシェルが熱いうちに溶湯を注ぎ、凝固後にシェルを壊して製品を取り出し、湯道から切り離して仕上げます。
精度と形状の自由度
模型を溶かして抜くので鋳型を分割する必要がなく、型から抜けない形、細かな溝、薄い羽根のような形状も一体でつくれます。微粉の耐火物が模型の表面を写すので、表面がなめらかで寸法精度もよく、機械加工の量を大きく減らせます。ろうを射出する金型にセラミックスの中子を置いて模型の中に埋め込み、鋳造後に薬品で溶かして除くと、内部に複雑な冷却の通路をもつ中空の部品もつくれます。一方、模型とシェルを1個ずつつくるので工程が長く、1個あたりの費用は高くなり、大きな部品をつくるのも砂型鋳造より難しくなります。
似た鋳造法との違い
消える模型を使う点では、発泡ポリスチレンの模型を砂に埋めて溶湯を注ぎ、溶湯の熱で模型を消失させる消失模型鋳造(フルモールド法)も似ていますが、模型を先に除いてから注湯するインベストメント鋳造のほうが、表面と寸法の精度は高くなります。宝飾品や歯科の鋳造では模型を石こう系の埋没材の中に埋め込む方法が使われ、工業用の部品ではセラミックスのシェルを使うのが主流です。ダイカストは金型に高圧で注入する方法で量産性に優れますが、融点の高い合金や複雑な中空形状には向きません。
タービンブレードと新しい使い方
ジェットエンジンやガスタービンのタービンブレードは、Ni基超合金をインベストメント鋳造でつくる代表例です。シェルを加熱炉から少しずつ引き下げて下から上へ凝固させると柱状晶のそろった一方向凝固の翼になり、途中に結晶を1つだけ選ぶ細い通路を設けると単結晶の翼になります。高温のクリープで弱点になる、荷重に垂直な粒界をなくすのが目的です。最近は、ろうや樹脂の模型を3Dプリンターでつくり、金型なしで試作品や少量の部品を鋳造する方法も広がっています。医療用のインプラントやゴルフクラブのヘッドなどにも使われています。
インベストメント鋳造の練習問題に挑戦
ろう(ワックス)で製品と同じ形の模型をつくり、そのまわりを耐火物のスラリーで何層も覆って固めたあと、加熱してろうを溶かし出し、できた鋳型に溶湯を注ぐ鋳造法はどれか。
- Aダイカスト(高圧鋳造)
- B砂型鋳造(生砂型)
- Cインベストメント鋳造
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正解：C. インベストメント鋳造
インベストメント鋳造(ロストワックス法)では、模型を溶かし出すので鋳型を割らずに抜く必要がなく、複雑な形状を寸法精度よく、なめらかな表面でつくれます。耐火物の鋳型は高温に耐えるので、ジェットエンジンのタービンブレードのようなNi基超合金の精密部品にも使われ、一方向凝固や単結晶の翼もこの方法でつくります。ダイカストは、アルミニウムやマグネシウムなどの溶湯を金型に高圧で注入する方法で、生産性が高く薄肉品に向きますが、融点の高い鋼には向きません。砂型鋳造は、木型などの模型で砂の鋳型をつくり、模型を抜き取る方法で、大型品をつくれますが表面は粗くなります。
よくある質問
インベストメント鋳造とロストワックス法は同じものですか?
ほぼ同じ意味で使われます。ロストワックス法は、ろうの模型を溶かして失わせることに注目した呼び方で、インベストメント鋳造は、模型を耐火物で包む(インベストする)ことに注目した呼び方です。工業ではインベストメント鋳造、美術工芸ではロストワックスと呼ぶことが多いです。
インベストメント鋳造に向く材料は何ですか?
耐火物のシェルが高温に耐えるので、鋼、ステンレス鋼、Ni基やCo基の超合金、チタン合金など、融点の高い合金にも使えます。チタンは溶湯が反応しやすいので、シェルの内面にイットリアなどの反応しにくい耐火物を使い、真空中で溶かして鋳造します。アルミニウム合金や銅合金にも使われます。
なぜ精密鋳造と呼ばれるのですか?
金型でつくった寸法のそろった模型を微粉の耐火物で写し取るので、ほかの鋳造法より寸法精度が高く、表面もなめらかだからです。そのまま使える面が多く、機械加工を減らせます。ただし、ろうや金属の収縮を見込んで金型の寸法を決める必要があり、大きな部品ほど精度を保つのは難しくなります。
解説の中の「インベストメント鋳造」
インベストメント鋳造(ロストワックス法)では、模型を溶かし出すので鋳型を割らずに抜く必要がなく、複雑な形状を寸法精度よく、なめらかな表面でつくれます。
ろう(ワックス)で製品と同じ形の模型をつくり、そのまわりを耐火物のスラリーで何層も覆って固めたあと、加熱してろうを溶か…