I．量産収縮による気孔率が40％に達し、ライザースリーブ拡大による修正が失敗

本事例研究では、QT600-10プラネットキャリアの鋳造品に焦点を当てています。この部品は、四隅にベアリングボスが配置され、中央に内歯穴を備えた正方形の形状をしています。伝動システムにおける重要なダクタイル鋳鉄部品であるため、厳格な内部密度が求められます。

試作生産段階では、内歯穴底面にわずかな収縮気孔が見られたのみで、手作業による選別で納期要件を満たすことができた。しかし、少量生産に移行したところ、欠陥が急増し、収縮気孔による不良率が40%にまで上昇した。多数の鋳造品において、機械加工後に内部空洞が発見され、欠陥検出にも失敗した。

技術チームはまず、供給能力を高めるために従来の業界是正策を採用した。彼らは、元のサイドライザースリーブの直径を90mmから105mmに拡大し、ゲートの進入方向を調整し、複数の範囲で注湯温度をテストした。1か月半にわたる現場での注湯試験とシミュレーション検証を繰り返したが、収縮気孔率に明らかな改善は見られなかった。さらに凝固流の中断が発生し、ホットスポットに溶銑が供給されなくなった。このプロジェクトは、顧客からのクレームや受注損失のリスクに直面した。

II. 欠陥の根本原因：ライザースリーブ容量不足が問題ではない。供給経路が事前に固化している。

凝固シミュレーションと鋳造品の分解分析に基づき、技術チームは炉心破損の原因を特定した。問題はライザースリーブに蓄えられた溶銑の不足ではなく、早期凝固と供給経路の閉塞であった。

鋳造品は、薄い部分が先に凝固し、厚いホットスポットが後から凝固するという法則に従って冷却されます。鋳型への充填が完了すると、薄い部分は熱をより速く放散し、優先的に固い殻を形成します。これにより、ライザースリーブとホットスポットを結ぶ経路が直接遮断されます。たとえ溶融鉄がライザースリーブ内に残っていても、厚いホットスポットに供給することができず、供給システムが完全に機能しなくなります。

1. 肉厚比によるリスク評価：肉厚比が1.5未満の場合、鋳造はほぼ同時に凝固し、収縮気孔のリスクは低くなります。1.5～3の場合は中程度のリスクを示し、供給経路の障害がないことを確保する必要があります。肉厚比が3を超えると、肉厚部分がまだ溶融金属を保持している間に薄肉部が完全に急速に凝固し、極めて高い収縮気孔リスクが生じます。チルまたはライザースリーブのレイアウトの再設計が必須となります。

2. 金属収縮の段階的特徴：液状収縮は1.5%～2%です。溶銑は良好な流動性を保ち、供給は容易です。凝固収縮は3%～4%に達し、収縮による気孔の主な原因となります。この段階では、溶銑は半固体となり、流動性が大幅に低下するため、供給が非常に困難になります。固体収縮は約1%です。鋳造品は完全に硬化し、供給はもはや不可能です。

3. 材料特性の違い：QT600-10ダクタイル鋳鉄はパーライト含有量が高く、黒鉛析出による体積膨張がQT500-7などの低品位ダクタイル鋳鉄よりも収縮を補償する力が弱い。そのため、この材料は供給経路の開通性や供給時間枠に対してより厳しい要求を課し、低品位ダクタイル鋳鉄の成熟したプロセスをそのまま適用することはできない。

III．側方ライザースリーブ拡大を廃止し、中央発熱ライザースリーブを採用する

技術チームは、ライザースリーブを単純に拡大するという従来の考え方を捨て、供給経路を再設計した。最適な解決策は、中央の内歯穴を埋め、中央に発熱性のライザースリーブを適用することである。

1. ライザースリーブは、溶銑の搬送距離を大幅に短縮し、熱損失を低減するために、高温箇所の真上に直接配置される。

2. 細長い側方供給経路を排除することで、供給チャネルの早期固化による詰まりを根本的に回避する。

3. 発熱性材料は継続的に熱を放出し、ライザースリーブ内の溶融鉄の保持時間を延長することで、凝固過程全体を通してホットスポットへの溶融鉄の継続的な供給を確保する。

シミュレーション結果は、このプロセスによって安定した逐次凝固が実現し、内歯穴底部の収縮空隙を完全に除去できることを実証している。その後の試作生産により、不良率を効果的に低減し、量産部品の内部品質を安定させることができる。

長年にわたり、多くの鋳造工場では、収縮気孔が発生するとライザースリーブを拡大する傾向がありました。この方法は溶銑の消費量を増加させるだけでなく、欠陥の除去にも失敗し、生産コストの上昇を招くことが少なくありません。収縮気孔に直面した場合、企業はまず供給経路が早期に凝固するかどうかを評価する必要があります。合理的な逐次凝固を目指し、ライザースリーブの位置調整、供給経路の短縮、チルの適切な使用によって、ライザースリーブをむやみに拡大するのではなく、工程の最適化を実現できます。この手法は、QT600-10のような高強度ダクタイル鋳鉄製の伝動部品に特に有効であり、試作材料の無駄を削減し、修正サイクルを短縮し、量産品質を安定させるのに役立ちます。