鋳巣｜鋳造欠陥の種類から見る『鋳造品で失敗しがちな5つの原因』⑤

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鋳造欠陥とは、鋳造工程において起きる鋳造（鋳物）の不具合のことを指します。鋳物の割れや表面の荒れ、内部に空洞ができる鋳巣など、不良現象は様々です。鋳造欠陥はいくつかの種類に分類され、それぞれ異なった原因を持っています。また、鋳造工程はいくつかの鋳造前工程があり、その前工程での不備でも鋳造欠陥に繋がるため、鋳造欠陥の原因は1つとは限らない複雑なケースがあり実際には複合的な原因が少なくありません。

代表的な不具合は、大きく６個のカテゴリーに分類されます。今回は「鋳巣」の原因と対策から見ていきます。

鋳巣とは

鋳巣（す）とは鋳造物の内部に空洞が発生する現象で、その空洞が表層に現る代表的な鋳造欠陥のひとつです。

※元来の漢字は『巣（す）』。ここでは、動物の巣と分別するために表記では『鋳巣（す・ちゅうす）』とします。

鋳巣はなぜ発生するのか、その対策

鋳巣の原因はさまざまで、溶湯温度の高すぎ、低すぎ、ガスなどによって発生する場合があります。その際、湯道の取り付け方や鋳造条件、特に温度を見直す必要があります。

ところで、基本的なことですが、同じ地金を3回以上使いまわしていませんか？　一度鋳造した金属は、熱によりその組成が変わる場合が多くあります。なかには再利用をお勧めしない金属もあります。もちろん微量元素の添加や新材の投入で再使用できる合金もあります。建築用の鋼材などの一部では、製品製造の際にリターン材を入れないと期待される金属組成や特性が得られない場合もあると聞きます。

貴金属の場合では、当然押し湯などは再利用が前提となります。

※ヴァージンメタルとリターン材配合は、一度の溶解量を10として、Virgin 2/3：Recycle 1/3です。貴金属の場合では、地金が高価であるため1/2：1/2が実際的な比率になるでしょう。最大の譲歩でも1/3：2/3です。一部新材を投入した再生地金であっても、一度鋳造した地金を3回以上使い廻すのは、あまりお勧めできません。一方では、脅かすわけではありませんが、新しい地金でも場合によっては、合金強度やコストを優先させた合金自体の特性で鋳巣が発生しやすいこともあります。貴金属の場合ではJIS規格などの工業規格はありません。購入する地金で保証されているのは『純度』だけです。鋳造性をうたっている合金以外は、鋳造性について何も保証がありません。

専門的になりますが、可能であればその合金の状態図で固相線や液相線を確認する必要もあります。

※ヴァージンメタル：精錬された金属を指します。

消耗材料から見直してみる

以下に主な原因とその対策を4つ紹介していきます。

原因1　ガス鋳巣

地金が内包する過多の気体や、鋳造時に気体と溶湯の置換が円滑に行われないために、気体が鋳造物の内部に残留することで鋳巣が発生します。

単体で発生する場合と多孔質鋳巣として発生する場合があります。この多孔質鋳巣のガス鋳巣をブローホールと呼んでいます。しかし、ガス巣の原因は地金だけでなく鋳型の作り方や焼成、湯道の付け方などに起因している場合も少なくありません。

鋳造前の地金のガス抜きや溶解中に強制的にガス抜きを行います。溶解方法でも改善できる場合もあります。地金の脱ガス方法として、一度地金を溶解し、アケ型などに注ぎ入れ棒状のインゴットを作り、これをハンマーやローラーでつぶします。これによりガスの含有量を低減することができます。

また、地金の溶解時に各金属に合わせた脱酸材を溶湯に投入する方法もあります。脱酸材の種類によっては、入れすぎると溶解時の地金の流動性が変わったり、凝固後の靭性に影響を及ぼし脆性が高くなる場合があるので、心配な場合には母合金を作っておくのも一つの手段です。

ステンレスなどに代表されるガスを多く含む金属の鋳造は、湯道の取り付け場所や太さ、ワックスツリーの形状など見直し溶湯とガスの置換を改善したり、溶湯が層流に近くなるように工夫します。ワックスツリーや製品部に脱ガス用のベントを設けて対応しなければならない場合もあります。

鋳型の焼成カーブなども確認し、鋳型内に残渣がないことを確認します。鋳型の通気性に起因する場合もあるので、埋没材の種類にもよりますが、水やバインダーと埋没材の混水比や焼成温度勾配も確認しましょう。

原因2　ルツボから発生するガス鋳巣

ガス鋳巣は、鋳型内に残留するガスから地金に含まれるもの、あるいは材質によってルツボから発生するものもあります。

プラチナの場合、ルツボの中で再溶解することで脱ガスができる場合があります。鋳造機で溶解したプラチナをルツボ内で凝固させ、中央に膨らみがある地金にはガスが内在しているので、鋳造前に地金（Pｔ）を一度溶解してガスの含有がないかを調べることを強く推奨します。

原因3　巻き込み鋳巣

原因4　ゴマ鋳巣（デンドライト）

溶湯温度の不足で、溶湯が凝固する際に発生するデンドライトの状態で凝固が完了して発生する鋳巣のことです。鋳造物の表層全体に発生しますが、内部でどの程度の空洞になっているか分からないので、鋳巣の修正が困難な場合も多くあります。

鋳型の鋳造温度か地金の鋳造温度を高くします。ゴマ鋳巣が発生している状態により限定的な温度が変わりますが、50℃単位で試すことを推奨します。見え方によりガス鋳巣と見間違える場合があります。対処方法が変わるのでよく観察してガス鋳巣なのかゴマ鋳巣なのかを判断して下さい。

原因5　収縮鋳巣

鋳造物が凝固する際に指向性凝固が確保できず、金属の凝固収縮に見合う溶湯の供給が阻害され発生します。

一般的には鋳造品の肉厚な部分で発生します。高融点金属や収縮の激しい金属で収縮鋳巣のリスクが高く、例えば宝飾品でプラチナ合金では白金族の中でも収縮の大きなルテニウム割のプラチナで顕著に発生します。これは、加圧鋳造に多く見られる鋳巣です。

また、溶湯の交わる交差点（Ｔ字やＸ字など）の中央や角部で発生する『ホットスポット』で凝固の遅れが発生し収縮鋳巣の原因となります。砂型鋳造では、鋳造前の鋳型に鋳造地金と同じくさび状の金属を仕込み、ホットスポット部の溶湯の冷却を促進させる場合もあります。これを『冷まし金』と呼んでいます。

（ホットスポットについて詳しく見る→）

いずれにせよ、指向性凝固を念頭に湯道の取り付け方や太さなど堰の状態を確認することが必要です。場合により、『湯だまり』を設け、金属の収縮を補う溶湯の供給を図ってください。

鋳巣の対策まとめ

原因と対策を紹介してきましたが、鋳巣が起こった時の対処法をまとめていきます。

原因はひとつとは限りません。すべての項目をもう一度見直して様子をみてください。