鉄系金属とは、主に鉄、鋼、鋳鉄など、色が濃い金属を指します。これらの金属は、そのほとんどが銀白色または濃い灰色をしており、優れた電気伝導性、熱伝導性、延性を備えており、製造業や建設業で広く使用されています。 非鉄金属とは、鉄、鋼、鋳鉄などの鉄系金属以外の金属を指します。これらの金属は一般的に様々な色を呈し、高い耐食性、電気伝導性、熱伝導性を備えており、産業、電子機器、化学分野などで広く利用されています。.
1. 鉄は鉄系金属の鍵となる
鉄系金属には鉄が含まれていますが、非鉄金属には含まれていません。鉄が含まれていることで、その金属はより高い電気伝導性を示します。また、この金属は優れた引張強度も備えており、高い応力がかかっても破損することなく耐えることができます。優れた機械的特性、強度、耐久性を備えた鉄系金属は、電気機器や高応力用途向けの部品の製造に使用されます。.
多くの鉄系金属は、鉄分を含んでいるため腐食を受けやすいという点に留意することが重要です。 大量の水、湿気、溶剤、油、その他の腐食性物質が関与する用途では、部品が摩耗し、最終的には故障に至る可能性があります。この問題に対処するため、鉄系金属の精錬工程においてクロムなどの添加物を加えることで、耐食性を高めることができます。これらの合金の特性を向上させることで、メーカーは 精密鋳造品 そのような過酷な環境に適しています。.
鉄系金属の種類には、鋼、鋳鉄、ステンレス鋼、炭素鋼などがあります。一般的に、鉄系金属は航空宇宙部品をはじめとするさまざまな分野で広く使用されているため、非鉄金属よりも安価です。.
2. 非鉄金属の一般的な耐食性
多くの非鉄金属は、鉄分を含まないため、腐食や錆びにくいという特徴があります。これらの金属は延性が高く軽量ですが、引張強度は低めです。また、磁性を帯びるものと帯びないものがあり、用途に応じて幅広い選択肢を提供します。.
非鉄金属の主な利点は、その熱伝導性と電気伝導性にあります。金属がこれらの特性を備えていると、抵抗を最小限に抑えながら電流や熱を容易に伝導させることができます。 電気・電子システムに使用される鋳物において、導電性のある金属は電流を通すと同時に、電流によって発生する熱を吸収・放散します。この特性により、システムの過熱を防ぎ、性能の低下や故障を回避することができます。.
3. 精密鋳造プロセスの主な相違点
の中心となるプロセスは インベストメント鋳造 その工程は、「蝋型製作 → シェルコーティング → 脱蝋 → 焼成 → 鋳込み → 洗浄」である。各段階におけるパラメータの選定や操作要件は、鉄系金属と非鉄金属の間で次のように大きく異なる：
3.1. ワックスモデルおよびモジュールの製作：異なる強度要件
ワックスモデルは、 インベストメント鋳造, 、その強度は、その後のシェルコーティングおよび取り扱い要件に適合していなければならない。鋳込み後の鋳物の重量や寸法が異なるため、2種類の金属ではワックスパターンの要件が異なる：
- 鉄系金属： 精密鋳造品 通常、厚み（3mm以上）があり、重量も（数キログラムから数十キログラム）重くなります。 そのため、ワックス原型には、より高い常温強度と高温安定性（シェルコーティング中の変形を防ぐため）が求められます。多くの場合、「パラフィン・ステアリン酸」複合ワックス（ステアリン酸の割合が高く、硬度が高くなる）が使用されるほか、ポリエチレンなどの補強成分が添加されることもあります。.
- 非鉄金属：インベストメント鋳造品は、主に薄肉部品（1mm未満、航空宇宙用アルミニウム合金部品など）であり、軽量です。ワックスモデルには、流動性と成形精度（精密歯車や装飾模様などの複雑な細部の再現）が重視されます。 純パラフィンワックス、あるいはステアリン酸含有率の低い複合ワックスがしばしば使用されます。一部の精密部品では、「低温ワックス」（融点40～60℃、脱蝋が容易で、きめ細かな仕上げが得られる）が使用されることもあります。.
3.2. シェルの準備：耐火物および被覆層の違い
シェルは、その「型」であり、 インベストメント鋳造, 、かつ溶融金属による高温侵食や化学的腐食に耐えなければならない。したがって、耐火材料の選定や被覆層の数は、その金属の融点に合わせて決定する必要がある：
| 処理手順：
|
鉄系金属（ステンレス鋼を例として）：
|
非鉄金属（アルミニウム合金を例として）：
|
| 耐火材料
|
内層（溶融金属と直接接触する部分）：コランダム（Al₂O₃）やムライト（3Al₂O₃・2SiO₂）などの高融点材料（1600℃以上の高温および溶融鋼による腐食に耐性がある）； 外層：低コストの珪砂＋シリカゾル（構造強度を付与）。.
|
内層：石英粉末やジルコン粉末など、融点が低～中程度の材料（1000℃以下の温度に耐え、低コスト）。外層：石英砂＋水ガラス（流動性が良く、コーティングしやすい）。 チタン合金の場合は特殊で、チタンとシリコンの反応を防ぐために高純度のコランダムが必要となります。. |
| コーティング層数
|
6～10層（高温および溶融金属の衝撃により、ひび割れを防ぐために厚い外殻が必要となるため）
|
3～6層（溶融金属の温度が低い場合や、薄肉部品では、放熱を確保し、部品の収縮空洞を防ぐために薄いシェルが必要となる） インベストメント鋳造)
|
| カビの乾燥
|
乾燥時間が長い（1層あたり8～12時間）ため、厳格な湿度管理が必要となる（シリカゾルシェルは湿度に敏感であり、強度の低下を防ぐため）。
|
乾燥時間が短く（1層あたり4～8時間）、水ガラスシェルは自然乾燥が可能であるため、効率が高くなります。.
|
3.3. 脱蝋および焼成：温度制御の違い
脱蝋処理では蝋型を取り除いて鋳型を形成し、焼成によって残留蝋をさらに除去するとともに、鋳殻の強度を向上させます。これら両工程の温度は、蝋型の融点および金属の特性に合わせて設定する必要があります。.
脱ロウ法：
- 鉄系金属：主に「蒸気脱蝋法」（100～120℃の飽和蒸気により、蝋型を素早く溶かす。高強度の蝋型に適している）が用いられる。一部の大型部品では、「温水脱蝋法」（80～90℃、低コスト）が用いられる。.
- 非鉄金属：低温用ワックスは、ワックスモデルの軟化や変形を防ぐため、60～80℃のお湯を用いて脱蝋処理を行います。一方、高温用ワックス（銅合金用ワックスなど）は、依然として蒸気による脱蝋処理が行われます。.
焼成温度：
- 鉄系金属：800～1100℃（残留ワックスを完全に燃焼させ、緻密な焼結シェルと溶鋼による侵食に対する耐性を確保するため）、焼成時間2～4時間。.
- 非鉄金属：アルミニウム合金／マグネシウム合金：400～600℃（シェルの過焼結を避けるため。過焼結は透磁率を低下させ、鋳物に気孔を生じさせる恐れがある）；銅合金：600～800℃； チタン合金：1000～1200℃（酸化を防ぐため、高真空焼成が必要）。.
3.4. 鋳造プロセス：温度、雰囲気、および流動性の制御
インベストメント鋳造 これは、溶融金属を鋳型に注入する工程の中核となるものです。融点や酸化性の違いにより、これら2種類の金属ではインベストメント鋳造のパラメータに大きな違いがあります：
鋳造温度：
- 鉄系金属：融点よりもかなり高い温度（例：炭素鋼の融点は1450℃、鋳造温度は1550～1650℃）。肉厚の鋳物を充填し、コールドシャットを防ぐためには、流動性の向上が必要となる。.
- 非鉄金属：融点に近い温度（例：アルミニウム合金の融点 660℃、鋳造温度 700～750℃）。温度が高すぎると、鋳物に酸化や収縮空洞が生じやすくなります。 チタン合金は特殊なケースであり（融点1668℃）、1800～1900℃での高温鋳造が必要となるほか、真空または不活性ガスによる保護も不可欠である（チタンは高温下で酸素や窒素と容易に反応する）。.
キャスティングの雰囲気：
- 鉄系金属：大気中で鋳造可能（鋼や鋳鉄の酸化皮膜は、その後の洗浄によって除去可能であり、厚肉部品への影響はごくわずかである）。.
- 非鉄金属：アルミニウムおよびマグネシウム合金は脱ガス処理が必要である（鋳造前に溶融金属から水素を除去し、気孔の発生を防ぐため、アルゴンまたはヘキサクロロエタンが使用される）。銅合金は大気中で鋳造できるが、酸化を防ぐためにフラックスで覆わなければならない。チタン合金は 真空鋳造 （絶対真空 < 10⁻³ Pa）。.
鋳造方法：
- 鉄系金属：大型部品には「ボトム鋳造」（溶融金属が金型に滑らかに充填され、金型外殻の侵食を防ぐ）が用いられ、小型部品には「トップ鋳造」（充填速度を高めるため）が用いられる。.
- 非鉄金属：薄肉部品には「圧力鋳造」（例えば、低圧ロストワックス鋳造など。溶融金属を金型キャビティに充填させることで、欠陥を低減する）が用いられ、精密部品には「真空鋳造」（密度を高めるため）が用いられる。.
3.5. 後処理：洗浄と熱処理の違い
後処理は、インベストメント鋳造品の最終的な性能と外観を決定づける。表面特性や性能要件の違いにより、これら2種類の金属における後処理工程には大きな違いがある：
表面の洗浄：
- 鉄系金属：金型外殻の硬度が高いため、残留した外殻はサンドブラスト（コランダム砂）またはショットブラスト（スチールショット）によって除去する必要があります。酸化スケールは酸洗い（塩酸＋硝酸）によって除去します。.
- 非鉄金属： 鋳型外殻は容易に剥離でき、サンドブラスト（石英砂を使用し、投資鋳造品の表面を傷つけないように注意）または化学的スケール除去（例：アルミニウム合金の場合、NaOH溶液で石英を溶解させる）によって除去できます。銅合金の場合は、酸洗い（硫酸＋過酸化水素）を行うことができます。.
熱処理：
- 鉄系金属：焼ならし＋焼き戻しが必要（硬度を調整し、内部応力を除去するため）。ステンレス鋼は溶体化処理が必要（耐食性を向上させるため）。.
- 非鉄金属：アルミニウム合金には時効処理（強度の向上）が必要であり、マグネシウム合金には焼鈍（応力の除去と変形の防止）が必要であり、銅合金には焼入れ＋焼戻し（靭性の向上）が必要である。.
4. 開発動向
鉄系金属：3Dプリントを用いたワックスインベストメント鋳造技術と組み合わせた、低収縮合金（例：高ニッケル鋼）の開発。.
非鉄金属：マグネシウム・チタン合金における真空溶解プロセスの普及が、航空宇宙分野における軽量化の進展を後押ししている。.
適切な材料の選定とプロセスの最適化により、インベストメント鋳造は、微小な宝飾品から大型のタービンブレードに至るまで、さまざまな分野のニーズに応えることができます。.
