遠心鋳造（Centrifugal Casting）とは？
遠心鋳造（Centrifugal Casting）の概要
遠心鋳造は、回転する金型内に溶融金属を注入し、円筒形または対称形状の部品を成形する金属鋳造プロセスです。遠心力によって金属が金型の内壁に均一に押し付けられ、高密度で微細な鋳造組織を持つ、優れた機械特性の鋳物が得られます。
このプロセスは、パイプ、ブッシュ、リング、高性能部品などの製造に広く用いられ、航空宇宙、自動車、発電、産業機械といった分野で活躍しています。
遠心鋳造の仕組み
プロセス原理
遠心鋳造では、金型は通常 300〜3000 RPM の高速で回転し、最大で 100 g に達する遠心力を発生させます。この回転中の金型に溶融金属を注入すると、遠心力によって金属は外側へ押し出されます。金型壁側から内側へ向かって凝固が進行することで、指向性凝固が促進され、重要部位での不純物が最小限に抑えられます。
遠心鋳造の種類
プロセスタイプ | 概要 | 主な用途 |
|---|---|---|
真の（水平）遠心鋳造 | 回転軸が水平 | パイプ、チューブ |
垂直遠心鋳造 | 回転軸が垂直 | リング、フランジ、ギアブランク |
遠心インベストメント鋳造（centrifuge casting） | 回転テーブル上に複数の小型金型を配置 | 精密宝飾品、歯科部品 |
代表的なプロセスパラメータ
パラメータ | 範囲 |
|---|---|
金型回転速度 | 300–3000 RPM |
金属注湯温度 | 700–1600°C（合金による） |
金型材質 | 鋼、黒鉛、セラミック |
金型予熱温度 | 150–500°C |
遠心鋳造のメリット
高い構造健全性
遠心力により、ガス気泡や非金属介在物が内径側・ボア側へ押しやられ、外層は高密度で空隙のほとんどない組織となります。その結果、部品は非常に高い機械的強度と疲労耐性を示します。
微細な金属組織
制御された凝固プロセスにより、粒径が微細な組織が形成され、優れた耐摩耗性と均一な材料特性が得られます。これは特に回転部品や圧力容器部品に有利です。
ニアネットシェイプによる効率
遠心鋳造はニアネットシェイプ部品を生み出すため、機械加工時間と材料ロスの削減につながります。特に中空・チューブ状部品では、鍛造や溶接工程を省略できる場合があります。
幅広い合金への対応力
遠心鋳造は以下のような幅広い合金に適用できます：
遠心鋳造の代表的な用途
航空宇宙部品
タービンリング
ジェットエンジンケーシング
ベアリングスリーブ
自動車部品
シリンダーライナー
ギアブランク
ブレーキドラム
産業機械
熱交換器チューブ
大型ポンプケーシング
製鉄用ロール
オイル & ガス
パイプフィッティング
圧力容器コンポーネント
遠心鋳造を活用することで、過酷な環境下で使用される重要部品に対して、厳しい性能・信頼性要件を満たすことができます。
他鋳造プロセスとの比較
特徴 | 遠心鋳造 | 砂型鋳造 | ロストワックス精密鋳造 | 圧力ダイカスト |
|---|---|---|---|---|
ポロシティ | 非常に低い | 中程度 | 低い | 中〜低 |
機械的特性 | 高い | 中程度 | 高い | 中程度 |
寸法精度 | ±0.3–0.5 mm | ±1–2 mm | ±0.1–0.3 mm | ±0.1–0.3 mm |
適した形状 | 回転対称形状 | 自由形状（複雑形状） | 自由形状（複雑形状） | 薄肉・複雑形状 |
典型的な生産量 | 少量〜中量 | 少量〜大量 | 少量〜中量 | 大量 |
遠心鋳造の課題
形状の制約
遠心鋳造は円筒・管・リングなどの回転対称形状の部品に最適ですが、複雑な内部形状や非対称の薄肉部品には適しません。
初期金型・設備セットアップ
高圧ダイカストと�較すると金型コストは低いものの、特に大径部品では、回転金型の設計やバランス取りに高い専門性が必要です。
プロセス制御
回転速度、注湯速度、金型温度を精密に制御することが極めて重要です。不適切な制御は、偏析バンドや介在物の巻き込みなどの欠陥につながります。
遠心鋳造の技術革新
ハイブリッドプロセス
真空支援や電磁撹拌と遠心鋳造を組み合わせることで、とくに航空宇宙グレード合金において冶金的特性がさらに向上します。
高度なシミュレーション
最新の数値流体解析（CFD）や凝固シミュレーションにより、溶湯流動、欠陥生成、結晶粒の成長挙動を高精度に予測でき、初回合格率（FPY）の向上に貢献します。
材料開発
遠心鋳造プロセスは、高性能な ニッケル合金 や チタン合金 さらにはセラミック−金属複合材への適用へと拡張されつつあり、次世代発電設備や先進推進システムでの新たな用途が開かれています。
結論
遠心鋳造は、高強度・欠陥の少ない・耐摩耗性に優れる部品を要求される産業向けの特殊プロセスです。機械的信頼性、耐久性、寸法精度が重要となる回転部品に対して、他に類を見ない性能を提供します。
材料開発とデジタル製造技術の進歩により、遠心鋳造は今後も航空宇宙、自動車、エネルギー、産業機械分野における高信頼性金属コンポーネントの重要な製造技術であり続けるでしょう。
