金属の鋳造中に気泡が発生するのはなぜですか？

鋳造業界において最も一般的な欠陥の一つが「気孔」であり、これは切断時に鋳物に空気の穴が多数見られたり、表面に小さな凹みが生じたりする現象です。外観に影響を与えるだけでなく、気孔がひどい場合は、一見無傷に見える部品でも使用中に突然破損することがあります。.

これは製造上の問題なのか、それとも設計上の問題なのか？　それでもまだ使用可能なのか？　どうすれば回避できるのか？　購入者や品質管理担当者が抱くこうした疑問について、以下で解説する。.

1. 金属鋳造において、気孔はよく見られる現象ですか？

前述の通り、気孔は鋳造業界において最も一般的な欠陥です。ほぼすべての鋳造プロセスにおいて、これを完全に防ぐことはできません。適切なプロセス設計と運用によってのみ、許容範囲内に抑えることが可能です。.

すべての鋳造技術者は、どんなに精密なダイカストであっても、気孔を完全に排除した部品を製造することはできないという点で意見が一致しています。砂型鋳造における気孔の問題は、砂型に水分や有機結合剤が含まれており、これらが高温で金属と接触するとガスを発生させるため、より頻繁に発生します。.

業界では、気孔の分類、検出、および修復方法に関する標準化された枠組みが確立されています。気孔に関する基礎知識を理解すれば、問題を正確に把握できるほか、メーカーの説明の妥当性を評価することも可能になります。.

2. 金属の鋳造中に気泡が発生するのはなぜですか？

鋳造品における気孔は、ガス気孔と収縮気孔の2種類に分類される。.

この2つの原因はまったく異なります。見た目も異なり、解決策もまったく異なります。.

ガス空隙の原因：

溶融金属は、加圧された炭酸飲料のようなもので、高温の液体中ではガスの溶解度が高くなります。冷却・凝固後はガスの溶解度が急激に低下し、逃げきれないガスが金属内部に気泡を形成します。最も一般的なガスは水素です。アルミニウム合金の鋳造においては、液体のアルミニウムにおける水素ガスの溶解度が固体の数十倍にも達するため、この問題はより深刻になります。.

ガスはいくつかの発生源から出ている：

● 原材料に含まれる水分や油脂は、高温下で分解してガスを発生させる。.

● 砂型に含まれる水分は、溶融金属と接触すると水蒸気として蒸発する。.

● 溶融金属の乱流により、鋳込み工程中に金型キャビティ内に空気が混入してしまう。.

● 金型キャビティ内の排気が不十分なためにガスが閉じ込められた。.

収縮空孔の原因：

金属は液体状態から凝固する際に収縮します。アルミニウム合金の収縮率は約6%であるのに対し、鋼の収縮率は3～4%です。給湯システム（ライザーの設計など）が不十分な設計の場合、金属の凝固過程において最後に凝固する部分（通常、肉厚が最も厚い箇所や冷却が最も遅く行われる箇所）では、材料が不足するため穴が生じます。.

収縮の形状は、通常、不規則、樹枝状、あるいは不規則なくぼみとなります。これは、気孔と比較した際の外観上の違いです。.

「反応性多孔性」と呼ばれる別の特殊な状況があります。溶融金属が鋳型材料、コーティング、あるいは大気中の酸素や窒素と反応し、余分なガスを発生させます。例えば、溶融鋼は砂型中の有機物と反応して、COやCO2を発生させます。.

3. 気孔の特徴から、その原因をどのように特定できるでしょうか。

経験豊富な鋳造技術者であれば、気孔の特性に基づいて原因を特定し、それに応じて適切な対応をとることができます。.

滑らかな円形の気孔：ガス透過性

ガス孔の内壁は通常滑らかで、形状はほぼ円形または楕円形をしており、水中の気泡のように見えます。これは、液体金属中でガスが球形の気泡を形成するためである。円形的气孔が鋳物の表面またはその付近に集中している場合は、砂型内の水分や型内の通気に関する問題である可能性があるが、気孔が断面全体に分布している場合は、通常、原材料中のガス含有量が多すぎるか、脱ガス処理が不十分であることが原因である。.

不規則な鋸歯状の気孔：収縮多孔性

収縮孔の内壁は粗く、不規則な形状をしており、樹枝状あるいはギザギザした外観を呈している。通常、鋳物の断面中央、あるいは肉厚が急激に変化する箇所に位置しており、これが最も最後に凝固する領域である。.

気泡：表層付近の多孔性

鋳造表面に生じる膨らみは、ひび割れが生じた後に内部が空洞となるもので、表面付近にガスが蓄積することによって引き起こされます。砂型鋳造では、砂の透水性が不十分であるか、あるいは被覆層に水分が含まれていることが、この現象の一般的な原因として挙げられます。.

ピンホール：水素ガスによる気孔

アルミニウム合金の鋳物には、微細な気孔が密集して見られることがよくありますが、これは溶融アルミニウム中の水素含有量が高いためです。これは、脱ガスが不十分であるか、あるいは原材料に水分が含まれていることを示しています。.

ブローホール：砂型からの反応ガス

これはピンホールよりもはるかに大きなストーマであり、気泡が浮上するため、通常は鋳物の上部に生じます。これは、砂型鋳造において、砂型内の水分含有量が多すぎるか、透水性が不十分なことが原因で発生します。ブローホールの内壁に酸化による変色が見られる場合は、溶融金属と砂型との反応によるものと考えられます。.

4. それらの準備作業は、鋳造時の気孔の発生を防ぐことができますか？

気孔の発生防止は、鋳造工程管理における重要な課題の一つです。予防策を、製造工程の順序に従って以下に示します。.

原材料の準備段階：

予防策の第一は、原材料の含水率と清浄度です。すべての金属材料は、表面の水分や油分を除去するため、炉に入れる前に予熱および乾燥を行わなければなりません。再溶解されるスクラップ鋳物は不純物を持ち込みやすいため、その割合は総投入量の30～40%を超えてはなりません。.

アルミニウム合金の原料となるアルミニウムインゴットは、吸湿を防ぐため、乾燥した環境で保管する必要があります。.

精錬および脱ガス：

溶融温度は厳密に制御する必要があります。温度が高すぎるとガスの溶解度が増加する一方で、温度が低すぎると流動性や充填性に影響が出るためです。アルミニウム合金の鋳造では、脱ガス処理を行う必要があります。最も一般的な方法の一つは、窒素やアルゴンを導入して、不活性ガスの気泡を溶融金属中に上昇させ、溶解した水素とともに排出させることです。脱ガス後のガス含有量を確認し、規格を満たしていることを保証するために、回転式脱ガス装置が使用されます。.

砂型および鋳型の準備：

砂型に含まれる含水率は厳密に管理する必要があり、2～4%の範囲内に収める必要があります。特に湿度の高い天候時や連続作業の後には、鋳込み前に砂型を十分に乾燥させる必要があります。ガスが逃げ道がないと金属内部に閉じ込められてしまうため、型内の排気システムの設計は重要です。型コーティング（離型剤）の含水率も管理し、使用前に十分に乾燥していることを確認する必要があります。.

ゲーティングシステムの設計：

注湯速度は、気孔率および鋳造方法に直接影響を及ぼします。注湯速度が速すぎると溶湯の乱流が生じ、逆に遅すぎると早期凝固が起こる可能性があります。理想的なゲートシステムは、下から上へと安定して充填され、ガスが逃げる時間を確保できる層流となるよう設計されるべきです。.

給餌システムの設計：

ライザーとチル（冷却ブロック）を適切に設計することが、気孔の発生を防ぐための鍵となります。ライザーは金属を貯留するための余分な領域であり、鋳物の凝固収縮時に補充用の金属を供給する役割を果たします。チルとは、特定の箇所の冷却を促進する金属ブロックであり、これにより方向性凝固が促され、収縮が鋳造部品ではなくライザーに局在化されるようになります。.

後処理：

真空含浸は、特定の密閉性が求められる鋳物に対する標準的な補修方法です。ワークピースを特殊な樹脂に浸漬し、真空条件下ですべての微細な気孔を充填します。硬化後に気孔が密閉され、部品は通常の使用圧力に耐えることができます。この方法は、自動車用エンジン部品や油圧部品など、密閉性が求められる用途で広く採用されています。.

5. 気孔のある金属鋳物は使用できますか？

気孔があるからといって、必ずしもその部品を廃棄しなければならないわけではありませんが、気孔のある鋳物が使用可能かどうかは、用途や気孔の程度によって異なります。.

● 使用可能：外装部品の表面にある微細な気孔が強度や機能に影響を及ぼさない場合は、研磨および充填処理を行った上で使用可能です。非荷重部および非構造部品（ハウジングなど）の気孔に対する許容度は、機能部品よりも高くなっています。 ASTM E505などの標準化された気孔率評価表があり、買い手と売り手が事前に許容可能な気孔率レベルについて合意することで、トラブルを回避することができます。.

● 廃棄しなければならない状態：耐圧部品（ポンプケーシング、バルブボディ、油圧シリンダーなど）に気孔があると、漏れ経路が形成されます。気孔が相互につながり、その経路から流体やガスが漏れ出すと、完全な故障につながる可能性があります。航空宇宙部品や自動車の安全部品などの構造部品において、気孔は応力集中点となり、疲労により優先的に亀裂が生じます。また、気孔には電気めっき工程で化学物質が閉じ込められることがあり、熱膨張によってめっき層に膨れや剥離が生じる原因となります。.

全体的な寸法精度は良好であるが、気孔により欠陥が生じている部品については、真空含浸処理を検討することができます。真空含浸処理を施すことで、部品はシール要件を満たすことができ、一から作り直す場合に比べてコストを抑えることができます。これは、自動車業界において、問題が発見された後の是正措置というよりも、ダイカスト成形品の標準的な後処理として扱われています。.

6. ここでは、高品質な金属鋳物を製造しているおすすめの工場を5社ご紹介します

CFSファウンドリー（中国）	シリカゾルおよび水ガラスを用いたインベストメント鋳造を専門とする精密鋳造工場です。各ロットの気孔率を追跡可能な包括的な硬度試験報告書およびX線検査報告書を提供しており、認定された気孔率管理を伴う中～高精度を求めるバイヤーに適しています。.
ダワン・メタルズ（中国）	12万平方メートルの敷地を持つ3つの工場から構成されており、大量かつ安定した供給を求めるバイヤーに適しています。同社の製品は欧州、北米、アジアの市場に輸出されており、国際的な品質基準への準拠において豊富な経験を有しています。.
鋳造品質工業用（中国）	同社は、ロストワックス鋳造、砂型鋳造、ダイカストを提供しており、複数の要件を満たすことのできる数少ない工場のひとつです。気孔率の許容範囲に関するさまざまな要件に応じて、最適な製造方法を選択することができます。.
サンライズ・メタル（中国）	同社はアルミニウムダイカストを専門としており、完全な真空含浸設備を備えており、シール性が求められる自動車部品や電子部品に適しています。専門的な統計的工程管理（SPC）システムにより気孔率を管理することができ、ロットごとの気孔率データレポートを提供可能です。.
メタルテック・インターナショナル（米国）	同社は、高合金および耐熱金属の遠心鋳造、ロストワックス鋳造、砂型鋳造を主力としています。AS9100認証およびITAR登録を取得しており、気孔率に関して厳しい規制要件が課される防衛、航空宇宙、医療業界のバイヤーに適しています。.