ダイカストにおける気孔防止のための必須戦略

要点まとめ

気孔（ガスの巻き込みや金属の収縮によって生じる欠陥）を防止するには、体系的なアプローチが必要です。効果的な防止策には、金型およびゲート設計の最適化、適切な金型ベントの確保、および鋳造プロセス中の圧力と温度の正確な制御が含まれます。すでに影響を受けた部品については、 真空含浸処理が信頼性の高い後工程の方法であり 内部の空洞を永久的に密封して部品を救済できます。

気孔発生の根本原因の理解

気孔率、つまり完成した鋳造品に小さな空隙や穴が存在する現象は、ダイカストにおいて最も頻繁に発生する課題の一つです。これは部品の構造的完全性、耐圧性および表面仕上げを損ないます。この欠陥を効果的に防止するには、まずその主な二つの形態である「ガス気孔」と「収縮気孔」を明確に理解することが不可欠です。それぞれのタイプは異なる原因と特徴を持っており、どちらの気孔が発生しているかを正確に特定することが、適切な対策を講じるための第一歩となります。

ガス偏析は、溶融金属が凝固する際にガスが内部に閉じ込められることで発生します。このガスはいくつかの原因から生じます。高速充填工程中にショットスリーブや金型キャビティ内に閉じ込められた空気、過剰または水分で汚染された金型潤滑剤（離型剤）から発生する蒸気、あるいは特にアルミニウム鋳造物において溶融合金自体から放出される水素などです。こうして生じる空洞は、通常、丸みを帯びた滑らかな壁面を持ち、内部表面が光沢を帯びており、小さな気泡のように見えることがあります。その位置はランダムであることが多いですが、浮力の影響で鋳物の上面付近に現れやすい傾向があります。

一方、収縮による気孔は、金属が液体から固体に移行する際に自然に体積が減少することに起因します。鋳物の特定の部分（通常は肉厚な領域）が周囲の領域よりも遅く冷却・凝固する場合、それらの部分は完全に固化する前に溶融金属の流れから孤立してしまうことがあります。この孤立した液体部分がさらに冷却されて収縮を続けると、内部で引き裂かれ、ギザギザした線状または亀裂状の空洞が生じます。ガス気孔の滑らかな泡とは異なり、収縮欠陥は角ばっており、凝固した金属の枝晶組織に沿った形状になることが多いです。

気孔の種類を診断することは、効果的なトラブルシューティングのために不可欠です。顕微鏡などによる拡大観察を含む注意深い検査により、空洞の形状や性質を明らかにすることができます。根本原因が凝固中に捕らえられたガスであるか、あるいは凝固過程における不十分な供給であるかを理解することで、解決策がベントや射出パラメータの改善にあるのか、それとも部品の幾何学的形状や熱管理の再設計にあるのかが決まります。以下の表は、これら2つの基本的な欠陥タイプの明確な比較を示しています。

設計および運転時の主要な防止戦略

気孔を防ぐ最も効果的な方法は、発生自体を未然に防ぐことです。これには、部品および金型設計の工夫と運転パラメータの厳密な制御を統合した多面的なアプローチが必要です。完成品の欠陥を後から修正しようとするよりも、設計および鋳造段階で積極的に対策を講じる方がはるかにコスト効率が良いです。

主な防御手段の一つは、金型およびゲートシステムの最適化です。ランナーおよびゲートは、溶融金属がダイ cavity に滑らかで乱流のない流れで流入するように設計されるべきです。 FLOW-3D のガイドによると、不適切なランナー設計は空気を巻き込むような乱流を引き起こし、それが製品内部に注入されてしまう可能性があります。収縮気孔を防ぐためにも、鋳造品の肉厚を均一に保つことは極めて重要です。鋭い角は金属の流れを妨げ、応力集中点となるため避けるべきです。

適切な排気は、ガス気孔を防ぐために同様に重要です。排気用ベントは金型内に加工された小さな通路であり、溶融金属が流入する際にキャビティ内の空気が逃げるためのものです。排気が不十分である場合、空気の逃げ場がなくなり、鋳造品内部に閉じ込められてしまいます。Lethiguel USAの専門家が指摘しているように、ベントブロックなどの適切なサイズの排気エリアを使用することは、効率的な空気排出のために不可欠です。ベントの位置決めはそのサイズと同様に重要であり、最後に充填される箇所や、空気がたまりやすい深いポケット部分に設ける必要があります。

温度と圧力の制御は、2種類の気孔を最小限に抑える上で基本です。金型温度は凝固パターンに影響を与え、これを管理することでゲートの早期凝固を防ぎ、より厚い部分への適切な供給を確保できます。射出時および射出後の圧力は、収縮に対する強力な手段です。Hill & Griffithが説明しているように、凝固中に高い増圧圧力をかけることで、収縮による空隙にさらに溶融金属を押し込むことができ、部品の密度を高めます。このようなプロセス制御のレベルは、高品位ダイカスト部品を専門とする企業が欠陥を防ぐために綿密な設計と品質保証に依存する自動車業界などの分野で極めて重要です。

一貫性を確保するため、オペレーターとエンジニアは生産開始前に体系的なチェックリストに従うことができます：

1. 金型設計の確認： ゲートおよびランナーシステムが層流を確保するように設計されており、かつ肉厚が可能な限り均一であることを確認してください。
2. ベントの点検： すべてのベントが清潔で、適切なサイズであり、充填の最後の位置に設置されていることを確認してください。
3. 材料の品質を確認してください： 水素や水分の混入を最小限に抑えるために、清潔で乾燥した合金インゴットを使用してください。
4. 機械パラメータのキャリブレーション： 工程仕様に従って、ショット速度、射出圧力、および増圧圧力を設定し、監視してください。
5. 温度管理： 生産開始前に、溶融金属および金型の両方が最適な作業温度にあることを確認してください。
6. 金型潤滑の制御： 製品の脱型を容易にするために必要な最小限の潤滑剤を塗布し、過剰塗布による蒸発やガス気孔の発生を避けてください。

高度な技術および鋳造後の対策

最も優れた予防措置を講じていても、特に複雑な部品においては、何らかの程度の微細気孔がダイカスト工程に本質的に伴うことがあります。完全な耐圧性が不可欠である用途、あるいは気孔を示す高価値部品を回復させる場合においては、高度な技術および鋳造後の処理が採用されます。その中で最も著名で効果的な方法が真空含浸（インピレグネーション）です。

真空含浸は、完成品に漏れパスを生じる可能性のある気孔を永久的に密封するためのプロセスです。このプロセスは構造的な強度を追加するものではありませんが、鋳造品を耐圧的にするには非常に効果的です。このプロセスにはいくつかの主要な工程があります。まず、気孔のある鋳物をチャンバー内に置き、内部の空洞から空気をすべて排出するために真空状態を作ります。次に、液体のシーラントをチャンバー内に導入し、圧力をかけて微細な気孔の奥深くまで押し込みます。その後、部品を取り出し、表面の余分なシーラントを洗浄し、気孔内部のシーラントを硬化（多くの場合加熱によって）させることで、固体の不活性ポリマーを形成し、漏れパスを永久的に密封します。この方法は、部品の寸法公差や外観を変更することなく密封できる点で高く評価されています。

鋳造プロセス自体に適用されるもう一つの高度な技術として、真空補助システムの使用があります。これは、金型に真空ポンプを接続し、溶融金属の注入直前および注入中にキャビティ内の空気を積極的に排出するものです。部分的な真空状態を作ることで、閉じ込められる空気量が大幅に減少し、気体による気孔が大きく低減されます。これは含浸処理のような後処理に対して予防的な対策です。真空補助システムと鋳造後の含浸処理の選択は、部品の特定の要件、生産量、コストの検討に応じて決まることがよくあります。

真空含浸処理などの鋳造後処理をいつ使用するかを決定する際には、その用途の重要度を考慮する必要があります。以下のケースを検討してください。

• 耐圧部品： 燃料システム部品、エンジンブロック、油圧バルブボディーなど、液体または気体を密閉しなければならない部品については、漏れの可能性がある経路を完全にシールすることが必須です。
• 高価値鋳物の救済： 複雑で高価な鋳造品が機械加工後に気孔を有していることが判明した場合、含浸処理を行うことで、その部品を廃棄せずにすむため、費用対効果の高い解決策となる可能性があります。
• めっきまたはコーティング品質の向上： 表面の盲孔を密封することで、前処理中に洗浄液や酸が孔内に残留するのを防ぎ、その後溶出することによる完成表面の汚れや膨れ（ブリスター）を未然に防止できます。

気孔率の許容基準の設定と測定

気孔率を最小限に抑えることが目標ではありますが、すべての鋳造物でゼロ気孔率を達成することは、技術的に不可能であり、経済的にも非現実的なことが多くあります。したがって、ダイカストにおける品質管理の重要な側面の一つは、明確かつ現実的な気孔許容基準を確立することです。これらの基準は、部品の用途や性能要件に基づいて、許容される気孔の量、大きさ、種類の上限を定義します。この実用的なアプローチにより、パーツが目的に適った性能を持つようにしつつ、絶対的な完全性を追求することによる過度なコストを回避することができます。

気孔の許容レベルは、部品の使用目的に大きく依存します。純粋に装飾的な目的で使用される部品は、高応力がかかる構造部品や圧力に対して密閉性が求められる油圧部品と比べて、内部の気孔率が高い程度まで許容できます。シール面、ねじ穴、大きな機械的負荷がかかる部分などの重要部位については、非重要部位と比べてはるかに厳しい基準が適用されます。品質エンジニアは設計者や顧客と連携し、部品上のこれらの領域を特定して、それぞれに適した受入基準を明確に定義します。

ASTMが参照するような業界標準は、レントゲン（X線）で観察される気孔の大きさや分布に基づいた気孔の分類フレームワークを提供しています。たとえば、ある規格では、アルミニウムダイカスト部品のシール領域において、単一の気孔の直径は0.5 mmを超えてはならないこと、連鎖状の気孔は禁止されることなどが規定されている場合があります。これに対して、同じ部品の非重要部位では、より大きな気孔や小さな気孔の高い密度を許容できる場合もあります。これにより、品質管理の取り組みが最も重要な箇所に集中されるようにします。

コストベネフィット分析はこの議論の中心です。ほぼゼロの気孔率を目指すには、より複雑な金型、遅いサイクルタイム、高品位な材料、および真空補助などの高度な工程を必要とし、結果として部品単価が上昇します。許容可能な基準を明確に定義することで、製造業者は生産コストと最終製品に求められる性能・信頼性とのバランスを取ることが可能になります。これは、関係者が共同でこれらの基準を部品図面や品質管理計画に明確に文書化し、メーカーと顧客双方が「許容できる部品」とは何であるかについて共通の理解を持つことを含みます。

ダイカスト気孔に関するよくある質問

1. 気孔なしで鋳造するにはどうすればよいですか？

完全に気孔のない鋳造物を得ることは極めて困難です。しかし、複数の対策を組み合わせることで、非常に高い品質に近づけることが可能です。これには、金属の流れをスムーズにするための製品および金型設計の最適化、空気を確実に排出できる十分で適切な位置に配置された金型ベントの確保、キャビティ内の空気を排出するための真空補助システムの使用、および射出速度、圧力、温度の正確な制御が含まれます。重要な用途では、鋳造後の真空含浸処理により、残存する微細な気孔を密封することが一般的です。

2. 気孔を低減する方法は？

気孔は体系的なアプローチにより大幅に低減できます。主な方法には、溶融金属を清浄に保ちガスを除去すること、乱流を低減するためのゲートおよびランナーシステムの最適化、閉じ込められた空気が逃げられるようベントを追加または拡大すること、収縮が生じやすい部位への供給を助けるために増圧圧力を高めること、および均一な凝固を促進するために金型温度および金属温度を制御することが含まれます。

3. 鋳造品に許容される気孔の程度はどのくらいですか？

許容される気孔の量は、部品の用途に完全に依存します。非重要で非構造的な部品は、ある程度の内部気孔を許容できます。しかし、気密性が必要な部品や大きな機械的負荷がかかる部品については、基準がはるかに厳しくなります。受入基準は、多くの場合産業規格によって定義されており、鋳造品の重要部位と非重要部位において許可される気孔の最大サイズ、数量および位置を明示しています。