気孔と収縮気孔：重要な鋳造欠陥の識別

要点まとめ

気孔および収縮孔は、それぞれ異なる原因と外観を持つ一般的な鋳造欠陥です。気孔は凝固中に捕らえられたガスが原因で発生し、滑らかで球状の空洞を形成します。一方、収縮孔は、鋳物が冷却される際に体積収縮を補うための溶融金属が不足することによって生じ、粗く角ばった空洞を形成します。これらの原因と形態における基本的な違いを理解することは、金属鋳物の欠陥を診断し、防止するために不可欠です。

気孔の理解：原因と特徴

ガス偏析は金属鋳造において一般的な欠陥であり、凝固する金属内部に捕らえられた気体によって空洞が形成されることが特徴です。溶融金属が冷却されるにつれて、アルミニウム合金中の水素などの溶解気体を保持する能力は著しく低下します。この過剰な気体は溶液から排除され、気泡として形成され、周囲の金属が凝固することでその中に閉じ込められます。このような欠陥は、最終製品の構造的完全性や耐圧性を損なう可能性があるため、高性能用途においてはその防止が不可欠です。

ガス偏析の外観は、その最も特徴的な兆候の一つです。空洞は通常、球状または細長く、滑らかで、しばしば光沢のある内壁を持っています。この形態は、気泡が液体または半液体の金属内部で形成されるため生じ、周囲の構造が固まる前に表面張力によって低エネルギーの球状に引き寄せられるからです。これらの孔は、皮下のブローホール、鋳造物表面の膨れ（ブラスター）、あるいは鋳物の上部に多く見られる微細で分散したピンホールなど、さまざまな形で現れます。

ガス偏析の原因はさまざまであるものの、ほとんど常に溶融および鋳造プロセス中にガスを発生させる物質または条件が導入されることに関係しています。正確な診断を行うには、製造工程全体を注意深く検討する必要があります。主な原因としては以下のものが挙げられます：

• 溶融金属に溶解したガス： 溶けた金属は大気や湿った,または汚染された電荷材料からのガスを吸収することができます. 水素は多くの非鉄合金で主要な原因です
• 流し 流し 流し 流し 流し 流し 模具を高速に満たすとき 熱気は溶けた金属の中に閉じ込められ 穴が開く
• 湿度と汚染物質 鋳造物 に 閉じ込め られ て いる 蒸気 を 作り出す こと が でき ます. 潤滑剤や結合剤も分解してガスを放出します
• 低透性 模具やコア材料が 穴に存在するガスを 十分に排気できない場合 固化金属に 捕らわれやすいのです

収縮 孔隙 性 を 理解 する: 原因 と 特徴

収縮孔は、根本的に異なるメカニズムに起因するものである。すなわち、金属が液体から固体へと相変化する際に体積が収縮することである。ほとんどの金属は固体状態で密度が高くなるため、占有する体積が小さくなる。最後に凝固する領域に、いわゆる湯道金属（フィード金属）が継続的に供給されない場合、材料の収縮により空洞が生じる。このような欠陥は、凝固の最終段階において湯道の流れが遮断されたことによって直接生じるものである。

気孔の滑らかな空洞とは異なり、収縮気孔は角ばったギザギザの形状と粗い内面が特徴です。これは、凝固中に成長する枝状結晶（デンドライト）同士が互いにかみ合った構造の間にある複雑で狭い空間に空洞が形成されるためです。結果として生じる空洞は泡ではなく、これらの枝晶間領域の複雑で破砕されたパターンに沿ったものになります。収縮欠陥は、表面に現れる大きな開放性の空洞（パイプ状）や、内部に存在する微細な亀裂の相互接続ネットワーク（スポンジ状またはフィラメント状収縮）として現れることがあります。

収縮気孔の主な原因は、凝固プロセスを適切に管理できていないことです。鋳物が凝固する際、理想的には液相金属の供給源から最も遠い点から順に方向性を持ち、リーザーまたは供給システムに向かって段階的に凍結することが求められます。このプロセスが妨げられると収縮気孔が発生します。主な要因には以下のようなものがあります：

• 不適切な給湯システム： 小さすぎるリーザーは主な鋳造物よりも先に凝固するため、収縮を補うために必要な溶融金属を供給できません。
• ホットスポット： 鋳物の厚い部分は、隣接する薄い部分よりもゆっくりと冷却されます。このような「ホットスポット」は孤立した溶融金属の塊となり得ます。そしてこれらが最終的に凝固・収縮する際、補給用の金属が流れる経路がないため空洞が生じます。
• 不十分な温度勾配： 金型全体の温度分布が不適切である場合、方向性凝固が妨げられ、孤立した液体領域ができて収縮欠陥が発生しやすくなります。
• 鋳造形状： 断面厚さの急激な変化を伴う複雑な設計は、本質的にホットスポットや収縮欠陥が発生しやすくなります。

ガス気孔と収縮気孔の直接比較：

ガス孔と収縮孔の区別をつけることは、鋳造欠陥のトラブルシューティングにおいて最初の重要なステップです。両方とも最終製品の強度を低下させますが、それぞれ異なる原因を持つため、対策も異なります。識別の最も信頼性の高い方法は、気孔の形態を視覚的に検査することです。ガスによる空洞は一般的に球形で内壁が滑らかであるのに対し、収縮によるものは角があり粗い形状をしています。詳細な比較により、それらの発生メカニズムや発生位置におけるさらなる違いが明らかになります。

以下の表は、この2つの一般的な鋳造欠陥を区別するための主な特徴を直接比較したものです。

それらが形成される時期は、重要な違いとなります。ガス偏析孔は、金属の温度が下がってガス溶解度が低下するにつれて、比較的早い段階でペースト状領域（ムーシーゾーン）内で形成されることがあります。これらの気孔は、まだ液体または半液体の環境の中で気泡として発生します。一方、収縮偏析孔は最終段階での欠陥であり、樹枝状結晶ネットワークが十分に発達し密度が高くなったムーシーゾーンの深部で発生します。この状態では、残っている液体金属が最後に凝固する領域へ流動・供給することが困難になります。この違いにより、ガス孔は滑らかで丸みを帯びた形状となるのに対し、収縮孔は樹枝状結晶間の複雑な隙間に沿った不規則な形状をとります。

鋳造時の気孔防止および対策

気孔の発生を効果的に防止するには、特定された欠陥の種類に応じた的を絞ったアプローチが必要です。ガス気孔対策はガス源の管理に重点を置く一方で、収縮気孔対策は凝固および補給の管理を中心に進めます。包括的な品質管理戦略では、両者に対処することが求められます。

ガス気孔の防止

ガス気孔を最小限に抑えるには、溶融金属へのガスの混入や吸収を防ぐため、材料および工程に対する厳格な管理が不可欠です。主な予防措置には以下が含まれます：

1. 溶体処理： 回転脱ガス法やフラックス処理などの脱ガス技術を用いて、鋳造前の溶融金属中に溶解した水素および他のガスを除去します。
2. 材料および工具の準備： 充填材、工具、るつぼ、金型などすべての部材を十分に乾燥および予熱し、水分の発生源を完全に排除します。また、充填材は清潔で腐食や油分が付着していないことを確認します。
3. ゲート系および注湯の最適化： 金型キャビティへの金属の流れが滑らかで乱流にならないようにゲートシステムを設計してください。これにより、充填時の空気の物理的巻き込みを最小限に抑えることができます。
4. 適切な金型ベント: 金型およびすべてのコアには、溶融金属でキャビティが充填される際に空気やその他のガスが逃げられる十分なベントを設けてください。

収縮孔の防止

収縮を防ぐ鍵は、凝固が完了するまで鋳造品のすべての部分に液体の供給金属が継続的に供給されることを確保することです。これは、慎重な設計と工程管理によって実現されます:

1. 効果的なリザーバーおよびゲート設計: リザーバーは、供給対象の鋳造部よりも長く溶融状態を保てるように十分な大きさで設計してください。ゲートシステムは、鋳造物がリザーバーに向かって段階的に凝固するような方向性凝固を促進すべきです。
2. チャイルやスリーブによる凝固制御: 厚い部分の冷却を加速し、ホットスポットを防止するために、チル（金属インサート）を使用してください。リサイヤには断熱または発熱性スリーブを使用して、溶融状態をより長く維持できます。
3. 幾何学的修正： 可能であれば、肉厚の急激な変化を避け、より滑らかな遷移となるように部品設計を変更し、ホットスポットの発生を低減します。

自動車業界など、部品の故障が許されない産業では、高度な金属成形技術を持つ専門企業と提携することが重要です。例えば、 シャオイ (寧波) メタルテクノロジー は金型設計から量産まで、欠陥のない部品を製造するために必要な精密エンジニアリングとプロセス管理のレベルを、自動車用鍛造分野で示しています。こうした品質への取り組みは、気孔などの欠陥を軽減し、重要な用途における信頼性を確保するために不可欠です。

よく 聞かれる 質問

1. 気孔と収縮の違いは何ですか？

主な違いはその原因と外観にあります。気孔（ガス気孔）は捕獲されたガスが原因で発生し、滑らかで丸い空洞を形成します。収縮（または収縮気孔）は金属が冷却される際に体積が収縮するものの、液相金属が空洞を埋めるために供給されないことで発生し、粗く角ばった空洞を形成します。

2. 収縮気孔の原因は何ですか？

収縮気孔は、金属が凝固する際に体積が収縮することによって引き起こされます。鋳造物の一部が完全に凝固する前に溶融金属の流れが遮断されると、この収縮により空洞が生じます。これは通常、リザーバー（ライザー）からの十分な供給が行われていないこと、または厚肉部に孤立した高温部（ホットスポット）が形成されることに起因します。

3. ガス気孔の定義は何ですか？

ガス気孔とは、金属鋳造物内部に形成される空洞で、ガス泡が捕らえられることによって生じます。このガスは、溶融中に溶解していたガスが冷却過程で析出すること、乱流による注湯中に混入した空気、または高温の金属と接触した際に蒸発する水分やその他の不純物に由来します。

4. 鋳造品内の空洞が気孔によるものか収縮によるものかをどのように見分けることができますか？

これらを見分ける最も効果的な方法は、空洞の形態を視覚的に検査することです。ガス気孔の空洞は通常、内部壁面が滑らかな球状で、泡のような形状をしています。一方、収縮気孔の空洞は角ばっており、凝固中のデンドライト間にできる隙間に形成されるため、粗い結晶質の表面を持ちます。