ダイカスト品質をロストフォームで実現？砂流動化が拓くアルミニウム鋳造の新境地
本技術概要は、P. Kaliuzhnyi氏によって執筆され、ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING (2020年) に掲載された学術論文「Influence of Sand Fluidization on Structure and Properties of Aluminum Lost Foam Casting」に基づいています。技術専門家のためにCASTMANが分析・要約しました。
キーワード
- 主要キーワード: ロストフォーム鋳造の特性改善
- 副次キーワード: アルミニウム合金, AlSi9, 機械的特性, 組織微細化, 二次デンドライトアーム間隔 (SDAS), 砂流動化
エグゼクティブサマリー
- 課題: ロストフォーム鋳造（LFC）法で製造されたアルミニウム合金鋳物は、金型鋳造品に比べて機械的特性が劣るという根本的な問題を抱えています。
- 手法: 鋳物の凝固・冷却段階で、鋳型内の乾燥砂に圧縮空気を送り込み「流動化」させることで、冷却速度を劇的に向上させました。
- 重要なブレークスルー: 砂流動化により、二次デンドライトアーム間隔（SDAS）や鉄系金属間化合物などの鋳造組織が大幅に微細化され、引張強度が最大50%、硬度が約20%向上しました。
- 結論: この技術は、ロストフォーム鋳造品の機械的特性を金型鋳造（グラビティダイカスト）のレベルまで引き上げる可能性を示し、複雑形状部品の製造において、より高コストなダイカストの代替となり得ます。
課題：なぜこの研究がHPDC専門家にとって重要なのか
自動車産業をはじめとする多くの分野で、軽量化と経済性を両立させるためにアルミニウム合金鋳物が広く採用されています。一般的に、金型を用いて製造された鋳物は、砂型で製造されたものよりも高い機械的特性を持つことが知られています。しかし、グラビティダイカストなどの金型鋳造法は、金型コストが高い、複雑形状の製造が困難であるといった制約を抱えています。
これに対し、ロストフォーム鋳造（LFC）は、中子を使わずに複雑形状の鋳物を高い寸法精度で製造できる革新的なプロセスです。しかし、LFCには「アルミニウム合金の機械的特性が金型鋳造に劣る」という決定的な欠点がありました。このため、近年の研究はLFC製アルミニウム鋳物の特性をいかにして向上させるかに焦点が当てられてきました。本研究は、この長年の課題に対し、「砂流動化」というユニークなアプローチで解決策を提示し、LFCの適用範囲を大きく広げる可能性を秘めている点で非常に重要です。
アプローチ：研究手法の解明
本研究では、AlSi9アルミニウム合金（DSTU 2839-94規格）を使用し、肉厚の異なる部位を持つ重量0.95kgの工業用鋳物「ボディ」を製造しました。実験の核心となるのは、鋳型充填材である乾燥けい砂の「流動化」です。
- 実験装置: 実験には、底部に多孔質のガス分配グリッドを持つ金属製コンテナ（190x190x500 mm）が使用されました（図2参照）。このグリッドを介して、真空引きまたは圧縮空気の供給が可能です。
- 鋳型製作: 発泡ポリスチレン（密度25 kg/m³）製のパターンを組み立て、耐火塗料を塗布した後、コンテナ内に設置し、平均粒径0.16mmのけい砂で充填・振動固めを行いました。
- 鋳造と冷却: 溶解したAlSi9合金（湯温730±5 °C）を、0.035 MPaの減圧下で鋳込みました。鋳造後、以下の3つの異なるモードで冷却を実施しました。
- モードA（従来法）: 特別の操作を行わず、静的な砂の中で自然冷却。
- モードB: 鋳造60秒後、圧縮空気を流量0.064 m/sで180秒間供給し、砂を流動化（流動化数1.2）。
- モードC: 同様に、圧縮空気の流量を0.080 m/sに上げて砂を流動化（流動化数1.5）。
この実験設計により、砂流動化が鋳物の組織と機械的特性に与える影響を定量的に評価することが可能となりました。
ブレークスルー：主要な研究結果とデータ
砂流動化は、鋳物の冷却速度を劇的に高め、組織と特性に顕著な改善をもたらしました。
発見1：劇的な組織の微細化
砂流動化を適用した鋳物は、従来法（モードA）と比較して、あらゆる肉厚部で鋳造組織が著しく微細化されました（図3参照）。
- 二次デンドライトアーム間隔（SDAS）の縮小: 冷却速度の指標であるSDASは、特に厚肉部で大きな改善が見られました。表2に示す通り、肉厚40mmの部位では、SDASが従来法の66.9 µmからモードCでは31.3 µmへと半分以下に減少しました。
- 鉄系金属間化合物（Al₅FeSi）の微細化: 鋳物の脆化要因となる針状のAl₅FeSi晶出物が大幅に短くなりました。肉厚40mm部において、その長さは従来法の268.8 µmからモードCでは150 µmへと約44%減少しました。
- 共晶シリコンの微細化: 同様に、共晶シリコン粒子も微細化され、肉厚40mm部では従来法の70.3 µmからモードCでは39.8 µmへとサイズが減少しました。
これらの組織変化は、砂流動化による冷却速度の向上が、凝固プロセスを根本的に変えたことを示しています。
発見2：機械的特性の飛躍的向上
組織の微細化は、機械的特性の大幅な向上に直結しました。
- 引張強度と伸びの増加: 表3によると、従来法（LFC）の引張強度が148 MPaであったのに対し、モードBでは198 MPa、モードCでは223 MPaへと、それぞれ34%、50%も向上しました。 伸びも0.8%から1.2%へと改善されています。
- 硬度の上昇: ブリネル硬度（HB）は、従来法の69からモードCでは82へと約19%上昇しました。
特筆すべきは、モードCで得られた機械的特性（引張強度223 MPa、硬度82 HB）が、グラビティダイカスト（GDC）にT1熱処理を施した場合の規格値（引張強度≥196 MPa、硬度≥70 HB）を上回っている点です。これは、LFCが熱処理なしで金型鋳造品に匹敵する、あるいはそれを超える性能を達成できる可能性を示唆しています。
実務への示唆：R&Dと製造現場へのインパクト
本研究の結果は、鋳造プロセスの各担当者に新たな視点を提供します。
- プロセスエンジニアへ: 砂流動化時の空気流量が、組織と機械的特性を制御する重要なパラメータであることが示唆されます。流量を最適化することで、特定の性能要件を満たす鋳物の製造が可能になるかもしれません。
- 品質管理チームへ: 論文の表2（組織サイズ）と表3（機械的特性）のデータは、微細組織と最終製品の性能との間に明確な相関関係があることを示しています。これは、高性能が要求されるLFC部品に対する新しい品質検査基準を策定する上で有益な情報となり得ます。
- 設計エンジニアへ: この研究は、40mmのような厚肉部においても大幅な特性向上が可能であることを示しました。これにより、従来はダイカストでしか実現できなかった複雑形状・高性能部品を、より設計自由度の高いLFCで製造できる可能性が広がります。
論文詳細
Influence of Sand Fluidization on Structure and Properties of Aluminum Lost Foam Casting
1. 概要:
- 論文名: Influence of Sand Fluidization on Structure and Properties of Aluminum Lost Foam Casting
- 著者: P. Kaliuzhnyi
- 発行年: 2020
- 掲載誌/学会: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING, Volume 20, Issue 1/2020
- キーワード: Innovative foundry technologies, Lost foam casting, Aluminum alloy, Sand fluidization
2. 論文要旨:
本稿は、AlSi9アルミニウム合金の組織と機械的特性に及ぼす砂流動化の影響に関する調査結果を示す。鋳物はロストフォーム鋳造法により、凝固・冷却段階で鋳型内の砂を流動化させて製造された。砂流動化は、鋳造コンテナ内で圧縮空気を砂層に吹き込むことで達成された。金属組織学的調査は、鋳物の異なる断面から切り出したサンプルで行われた。機械的特性は、鋳物サンプルから作製した試験片で測定された。微細組織分析の結果、砂流動化は冷却速度を増加させ、その結果として合金の主要な微細組織構成要素であるSDAS、共晶シリコン、鉄リッチ相の針状晶が減少することが示された。さらに、鋳物の異なる断面において組織がより均一になった。空気流量の増加に伴い、より大きな組織の微細化が観察された。砂流動化の使用を通じて、LFCアルミニウム合金の機械的特性はグラビティダイカスト鋳物のレベルまで向上した。
3. 緒言:
アルミニウム合金鋳物は自動車産業で広く使用されており、軽量で経済的な自動車のために重い鋼鉄や鋳鉄部品の代替となることが多い。金型で得られるアルミニウム合金鋳物の特性は、砂型で鋳造されたものよりも高いことがよく知られている。グラビティダイカストは、金型コストの高さや複雑形状の鋳物製造が不可能であるなどの欠点があり、より先進的な鋳造法に取って代わられつつある。その一つがロストフォーム鋳造（LFC）である。LFCは、中子を使用せずに複雑形状の鋳物が得られ、高い幾何学的精度と低い鋳肌粗さといった利点を持つ一方で、アルミニウム合金の機械的特性が金型鋳造よりも低いという欠点がある。このため、近年の多くの研究は、LFCで得られるアルミニウム鋳物の特性を改善する方法の開発を目的としている。
4. 研究概要:
研究トピックの背景:
ロストフォーム鋳造（LFC）は複雑形状部品の製造に優れるが、機械的特性が金型鋳造に劣るという課題がある。
従来研究の状況:
凝固中の金属への加圧や振動印加、あるいはそれらの同時適用により、Al-Si合金の引張強度、伸び、硬度を向上させ、鋳巣を減少させる効果が報告されている。また、バインダーレスの乾燥砂を用いるLFCの特徴を活かし、上方からの気流によって砂層を流動状態にすることで、鋳物の凝固・冷却プロセスを加速させる手法が提案されている。シリカサンドの流動層は静止状態に比べて20倍も高い冷却速度を持つことが示されている。
研究の目的:
Al-Si合金は冷却速度に敏感であるため、本研究の目的は、LFCで得られるアルミニウム鋳物の組織と機械的特性に対する砂流動化の影響の法則を確立することであった。
研究の核心:
LFCプロセスにおける凝固・冷却段階で、鋳型内の砂を圧縮空気で流動化させ、冷却速度を制御する。これにより、鋳造組織を微細化し、機械的特性を金型鋳造のレベルまで向上させることを目指した。
5. 研究方法
研究デザイン:
AlSi9合金を用い、3つの異なる冷却条件（A: 従来LFC、B: 低流量での砂流動化、C: 高流量での砂流動化）で鋳物を製造し、それらの微細組織と機械的特性を比較評価した。
データ収集・分析方法:
- 微細組織評価: 鋳物の肉厚10, 20, 40 mmの部位からサンプルを切り出し、研磨、2%フッ化水素酸水溶液でのエッチング後、光学顕微鏡で観察した。二次デンドライトアーム間隔（SDAS）、Al₅FeSi針状晶の長さ、共晶シリコンのサイズを測定した。
- 機械的特性評価: 鋳物サンプルから切り出した試験片（各モード3本）を用いて、DSTU EN 10002-1: 2006規格に準拠した引張試験を実施した。硬度はDSTU ISO 6506-1: 2007規格に基づきブリネル硬度を測定した。
研究対象と範囲:
- 対象合金: AlSi9 (DSTU 2839-94)
- 対象鋳物: 重量0.95kgの工業用鋳物「ボディ」
- 評価項目: 微細組織（SDAS、Al₅FeSi、共晶Si）、機械的特性（引張強度、伸び、硬度）
6. 主要な結果:
主要な結果:
- 砂流動化は鋳物の冷却速度を増加させ、SDASを1.5～1.8倍、共晶シリコンを1.3～1.6倍、鉄系金属間化合物の針状晶を1.4～1.8倍減少させた。
- 砂流動化により、鋳物の異なる断面における組織がより均一になった。
- LFC鋳物の強度は25～40%、延性と硬度は10～20%向上した。
- 砂流動化を適用したLFC鋳物の機械的特性は、グラビティダイカスト鋳物と同等のレベルに達した。
図の名称リスト:
- Fig. 1. Casting "body"
- Fig. 2. Container with pattern block
- Fig. 3. Microstructure of different wall thickness of castings obtained by conventional LFC technology (a), technology with sand fluidization mode B (b) and mode C (c)
7. 結論:
- 鋳造段階での鋳型内における砂流動化は、アルミニウム合金の冷却速度を増加させる。その結果、SDASのサイズは1.5～1.8倍、共晶シリコンのサイズは1.3～1.6倍、鉄系金属間化合物の針状晶の長さは1.4～1.8倍減少する。砂流動化はまた、鋳物の異なる断面におけるより均一な組織形成に寄与する。
- 砂流動化により、アルミニウムLFCの強度は25～40%、延性と硬度は10～20%向上した。これにより、より高価なダイカスト鋳物の代わりにこのような鋳物を使用することが可能になる。
- 本研究の結果は、LFC技術がアルミニウム合金の特性を改善するポテンシャルを持っていることを示した。
8. 参考文献:
- [1] Totten, G.E., MacKenzie, D.S. (Eds.). (2003). Handbook of Aluminum: Vol. 1: Physical Metallurgy and Processes. New York: Marcel Dekker Inc.
- [2] Niakan, A.A., Idris, M.H., Karimian, M. & Ourdjini, A. (2012). Effect of Pressure on Structure and Properties of Lost Foam Casting of Al-11Si Cast Alloy. Applied Mechanics and Materials. 110-116, 639-643. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.110-116.639.
- [3] Jiang, W., Chen, X., Wang, B., Fan, Z. & Wu, H. (2016). Effects of vibration frequency on microstructure, mechanical properties, and fracture behavior of A356 aluminum alloy obtained by expendable pattern shell casting. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 83, 167-175. DOI: 83. 10.1007/s00170-015-7586-0.
- [4] Zhao, Z. & Fan, T. (2014). Influence on the Microstructures and Properties of A356 with Vibration Pressure in Lost Form Casting. Applied Mechanics and Materials. 685, 7-10. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.685.7.
- [5] Kaliuzhnyi, P., Holofaiev, A. & Hutko, Y. (2015). UA Patent No. 97151. Kyiv.
- [6] Ragab, Kh. A., Samuel, A.M., Al-Ahmari, A.M.A., Samuel, F.H. & Doty, H.W. (2011). Influence of fluidized sand bed heat treatment on the performance of Al-Si cast alloys. Material and Design. 32, 1177-1193. DOI: 10.1016/j.matdes.2010.10.023.
- [7] Shalevska, I. & Kaliuzhnyi, P. (2015). Fluidized bed application in technological process of casting production in vacuumized molds. Metal and casting of Ukraine. 4, 19-21. (In Russian).
- [8] Hren, I., Svobodova, J., Michna, Š. (2018). Influence of Al5FeSi Phases on the Cracking of Castings at Al-Si Alloys. Archives of Foundry Engineering. 18(4), 120-124. DOI: 10.24425/afe.2018.125180.
専門家Q&A：技術者の疑問に答える
Q1: なぜこの実験で使用された合金は、砂型鋳造の基準を超えるほど高い鉄（Fe）含有量だったのですか？
A1: 論文では、調査対象の合金が規格上限に近い高い鉄含有量（0.94%）であることを指摘しています（表1参照）。その理由については明記されていませんが、この高い鉄含有量が従来法（LFC）の特性を標準以下にした一因であると示唆しています。重要なのは、このような悪条件下であっても、砂流動化が特性を劇的に改善した点です。これは、本技術が材料のばらつきに対して堅牢であることを示している可能性があります。
Q2: 砂流動化は、具体的にどのようにして冷却速度をこれほど劇的に高めるのですか？
A2: 論文では、「砂流動化に伴い、熱交換メカニズムが変化し、砂層の熱伝導率が著しく増加する」と説明しています。静止した砂層では粒子間の接触が点となり、断熱性の高い空気層が多く存在します。しかし、流動化すると砂粒子が激しく動き回り、高温の鋳物表面と接触・離脱を繰り返すことで、対流熱伝達が支配的になります。これにより、鋳物からの熱が効率的に砂全体へ、そして外部へと除去され、冷却速度が飛躍的に向上します。
Q3: この研究ではグラビティダイカスト（GDC）と比較していますが、砂流動化LFC（モードC）で得られた最終的な特性は、GDCの規格と比べてどうだったのでしょうか？
A3: 非常に良好な結果です。表3によると、モードCで得られた引張強度は223 MPa、ブリネル硬度は82 HBでした。これは、ウクライナの国家規格DSTU 2839で定められたGDCにT1熱処理（人工時効硬化）を施した場合の要求値（引張強度≥196 MPa、硬度≥70 HB）を明確に上回っています。つまり、熱処理なしのLFCが、熱処理ありのGDCに匹敵する、あるいはそれ以上の性能を達成したことを意味します。
Q4: 針状のAl₅FeSi晶出物の長さを短くすることの技術的な意義は何ですか？
A4: 論文の3.1節で述べられている通り、この針状のβ相（Al₅FeSi）は応力集中点として作用し、特にAl-Si合金の塑性（延性）を著しく低下させる原因となります。砂流動化によってこの針状晶が短く微細になることで、応力集中が緩和され、鋳物全体の靭性や延性が改善されます。これは、特に衝撃荷重がかかる部品の信頼性向上に直接的に寄与します。
Q5: 流動化プロセス中に、鋳物が動いたり損傷したりするリスクはないのでしょうか？
A5: そのリスクは考慮され、対策が講じられています。論文の研究方法のセクションには、「鋳物がガス分配グリッドまで落下するのを防ぐためのサポートグリッドがコンテナに追加装備されている」と記載されています。これにより、砂が流動しても鋳物の位置は安定し、プロセス中の損傷を防ぐことができます。これは、この技術を工業的に応用する上で重要な設計要素です。
結論：高品質と高生産性への道を拓く
本研究は、ロストフォーム鋳造（LFC）が抱える「機械的特性の低さ」という長年の課題に対し、「砂流動化」というシンプルかつ効果的な解決策を提示しました。凝固・冷却段階で鋳型内の砂を流動させるだけで、鋳造組織は劇的に微細化され、引張強度や硬度は金型鋳造に匹敵するレベルまで向上します。
このロストフォーム鋳造の特性改善技術は、これまでダイカストでしか製造できなかった複雑形状・高性能なアルミニウム部品を、より低コストで設計自由度の高いLFCで実現する可能性を秘めています。これは、自動車、航空宇宙、エレクトロニクス分野における部品製造の常識を覆すかもしれません。
CASTMANでは、業界の最新研究を応用し、お客様の生産性と品質の向上を支援することに全力を注いでいます。本稿で議論された課題がお客様の事業目標と合致する場合、これらの原理がお客様の部品にどのように実装できるか、ぜひ当社のエンジニアリングチームにご相談ください。
著作権情報
- このコンテンツは、P. Kaliuzhnyi氏による論文「Influence of Sand Fluidization on Structure and Properties of Aluminum Lost Foam Casting」に基づく要約および分析です。
- 出典: https://doi.org/10.24425/afe.2020.131293
本資料は情報提供のみを目的としています。無断での商業利用は禁じられています。 Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.