鋳造の難易度を示す指標：鋳造性（流動性、粘性、収縮性）の技術的解説

はじめに

製品設計や材料選定の段階において、鋳造加工の可否を判断する重要な基準が「鋳造性（Castability）」です。鋳造性とは、溶融金属が鋳型内を充填し、凝固する過程において、設計された形状・寸法をいかに正確かつ健全に形成できるかを示す指標となります。

今回は、4月に入り新入社員や異動により新しく勉強していく必要がある方に向けて
この鋳造性を構成する物理的要素と、銅合金における具体的な挙動についてＪマテの技術的な内容も一部盛り込みながら解説をします。
銅合金辞典は当社の新人の営業担当の目線で、分からないことをブログとして先輩から勉強をして作成しています。是非、他のブログ見て一緒に勉強していきましょう！

鋳造性を決定する3つの物理的要因

鋳造性は単一の性質ではなく、主に「流動性」「粘性」「収縮性」の相関によって決まります。

① 流動性（Fluidity）

溶融金属（溶湯）が鋳型の細部まで流れ込む能力を指します。この流動性が高いほど、薄肉形状や複雑な構造においても不良が発生しにくくなります。これは金属の種類だけでなく、鋳込み温度や鋳型の材質（抜熱速度）の要素もあり大きく依存します。

② 粘性（Viscosity）

溶湯の流れにくさ（流動抵抗）を示す指標です。金属溶湯の流動性は粘性だけでなく、表面張力や酸化被膜の影響も強く受けます。一般的に、金属の粘性自体は水と比較して必ずしも高いわけではありませんが、金属は非常に高い表面張力を持っています。

・水の表面張力（20℃）： 約72.8 dyn/cm

・銅の表面張力（1083℃）： 約1280 dyn/cm

このため、数値上は流れやすく見える場合でも、実際には鋳型の狭い隙間には流れ込みにくい性質があります。また、温度が低下すると粘性は上昇し、型壁面との摩擦や表面張力の影響も大きくなるため、流動は急激に低下します。

③ 収縮性（Shrinkage）

金属が液体から固体へ、また固体状態で冷却される際に体積が減少する性質です。この体積変化が大きい材料ほど、内部に空洞ができる「引け巣」が発生しやすく、寸法精度の維持に高度な方案設計が求められ、この部分が当社での開示できませんが巣が発生しない為の技術やノウハウが銅合金の鋳造メーカーである当社の強みとなります。

銅合金の種類と鋳造性の実態

材料の組成によって、鋳造の難易度は明確に分かれます。

青銅鋳物（CAC406 / 旧BC6）

銅合金の中でも非常に優れた鋳造性を持つ材料です。適度な凝固温度範囲を持ち、流動性と収縮特性のバランスが取れています。複雑な形状や気密性が要求される圧力容器（バルブやポンプ等）において、鋳造欠陥の発生リスクが低く、歩留まりの安定に寄与します。

アルミニウム青銅・高力黄銅

強度や耐食性には優れますが、鋳造性は比較的困難な部類に属します。凝固温度域での温度管理がシビアであり、溶湯表面に強固な酸化被膜を形成しやすいため、流動停止や巻き込み欠陥を防止するための高度な管理が必要です。

鋳造欠陥を防止するための温度管理

粘性および表面張力による流動低下を防ぐには、物理的性質に基づいた温度管理が不可欠です。溶湯が鋳型内に流入する際、型壁面への接触によって温度が低下し、固相温度（凝固が始まる温度）付近に達すると流動は停止しやすくなります。この際、表面に波状の模様ができる「湯皺（ゆじわ）」などの欠陥が生じます。これを防ぐため、現場では融点に対して一定の余熱（オーバーヒート）を付加します。

・融点1000℃前後の金属（銅合金等）： 融点 ＋ 50〜100℃

・融点1700℃以上の金属： 融点 ＋ 150〜200℃

この加温によって粘性および表面張力の影響を低減し、鋳型の隅々まで安定して充填することで当社の横型連続鋳造が成り立っています。

まとめ：鋳造性を考慮した材料選定の重要性

鋳造性は単なる製造上の都合ではなく、製品の品質とコストに直結する物理的特性です。

・寸法安定性と気密性を最優先する場合：鋳造特性に優れた青銅（CAC406等）がトータルでのバランスが良く有力な選択肢となります。

・高強度を求める場合： アルミニウム青銅等を選択肢に入れますが、鋳造難易度に伴う方案、設計の複雑化を考慮する必要があります。

各合金の「流れやすさ」や「縮み方」を物理的に理解することは、設計段階での不具合予測を可能にし、最終的な製品の信頼性向上につながります。
当社は銅合金の鋳造メーカーとして図面、用途に応じたご提案をすることが可能です。お気軽にお問い合わせください。
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