堰や湯道の取り付けは製品の品質に直結するので、取り付け場所や太さなど充分な検討が必要です。
また、鋳造失敗の不安から余計な湯道が付けられていることを目にします。必要以上に数を増やすと、乱流が発生してマイナス効果です。
今回は、堰を取り付ける上での必須条件を解説していきます。
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堰とは
湯道と堰の定義は、それぞれの鋳造技法により若干定義が変わりますが、ここであえて表記する『堰』とは、湯道の中でも湯道と製品の結合部分を定義しています。
湯道の必須条件
別記事の堰の取り付けの基本｜鋳造で大事な湯道方案でも解説したように、湯道は通常1本ですが形状により複数本取り付けたり、太さや取り付け角度を変える場合があります。
また、堰の太さは製品部の肉厚部分の断面積に対して同等か2/3が基本です。
堰部は溶湯の流量に対して抵抗があると乱流が起きたり、ガスと溶湯が衝突する場所なのでガス鋳巣や、引け鋳巣が発生するリスクが高くなります。
鋳造欠陥を引き起こさないために、以下の3つの条件を満たす必要があります。
鋳込み時間が短いこと
鋳込み時間が長いと溶湯の温度が下がり、湯回り不良やゴマ鋳巣などの溶湯温度の不足に由来する鋳造欠陥が発生する確率が高くなります。
表にまとめた３つの方法で、鋳込み時間をできるだけ短くします。
- 湯道（堰）の太さを大きくする
- 湯道（堰）の長さを短くする
- 湯道（堰）の本数を増やす
静かに鋳込むこと
溶湯が製品部に流れ込む際はできるだけ抵抗が少ないように、場所や鋳込み角度で調整して湯道を取り付けます。
これを考慮しないと乱流が発生し、ガスの巻き込みなどが発生する可能性が高くなります。
凝固までに溶湯の供給ができること
堰より一番遠い場所から凝固が始まるようにして指向性凝固を確保します。つまり製品部の一番厚みがある場所に取り付けることが基本です。
必要であれば凝固を遅くしたい場所付近に湯だまりを取り付けます。
湯だまりの取り付け方は別記事の収縮鋳巣を防止する湯だまり｜鋳造で大事な湯道方案で詳しく解説しています。
湯道（堰）の断面形状
一般的な湯道の断面形状は〇（まる）ですが、□（しかく）にする場合もあります。
セラミックシェル法で湯道の断面を四角にする場合を見かけますが、これは空洞内の溶湯が張力により円形に流れるため、四角い湯道の四隅に空間ができ、鋳型の内在ガスと溶湯の置換がスムーズに行われる目的があります。
※赤の矢印：溶湯の流入方向 青の矢印：ガスの排出方向
湯道の太さと流量
大きな製品には太い湯道を取り付けることが基本です。これにより単位時間の溶湯の流量が増え、凝固がはじまるまでに鋳型内空洞を溶湯で満たすことが可能となります。
例えば、湯道の直径を２倍にすると断面積は４倍となるので、同じ製品形状で比べると溶湯の充填時間は1/4になります。
しかし、製品に対して湯道の太さには限界がありますし、堰部の製品の形状により乱流が発生する場合もあります。
また、埋没材の通気性によって異なりますが、単位時間の流量が多いとガスの背圧は相対的に高くなるので、実際には鋳込み時間の短縮には限界があり、計算通りには行かない部分もあります。
堰部形状の違いによる流量の変化
湯道の溶湯供給側と製品側の面積の違いにより単位時間内の溶湯の流速が変わります。
供給側をA、製品側をBとして4つのパターンに分け、それぞれの流量と乱流発生の違いを説明します。
AとBの太さが同じ場合
AとBの太さが同じ場合には、湯道を流れる溶湯の流量に変化はありませんが、製品部に流入した際に乱流が起きやすくなります。
AよりBの太さが細い場合
AよりBの太さが細い場合には、湯道を流れる溶湯の流量が製品部に近づくほど大きくなり、溶湯が製品部に流入した瞬間に飛び散るように拡散します。
また、流量が流速を超えると溶湯が堰部で停滞します。
製品部の厚みが堰部より薄い場合などは、指向性凝固を確保することができません。
AよりBの太さが太い場合
AよりBの太さが太い場合には、湯道を流れる溶湯の流量が製品部に近づくほど小さくなり、溶湯が製品部に流入したときの乱流が起きにくくなります。
また、製品部の厚みが堰部より厚い場合などは、指向性凝固が確保されやすくなります。
AとBの断面積が同じでバチ状にした場合
湯道の太さより製品部の厚みが薄い場合などは、堰部を楕円状にして湯道と製品との段差をなくします。
この場合には、『湯道断面』『堰部断面』『製品断面』が同じ断面積になるようにします。
これらの断面積が同じ場合には、ここを通過する溶湯の流量に差がなくなり、製品部での乱流もある程度軽減できます。
但し、楕円の厚みが薄くなりすぎると指向性凝固が確保しにくくなります。
