鋳造欠陥予測
理論：欠陥ごとに見る量が違う
概要
鋳造シミュレーションで「欠陥が出る」と表示されるのは、何を計算した結果なのですか？
欠陥そのものではなく、欠陥が出やすい条件を指標にしたものだ。鋳造の欠陥は大きく、湯を流し込むときにできるもの（湯回り不良、酸化膜や空気の巻き込み）と、固まるときにできるもの（引け巣、ざく巣、熱間割れ）、冷えた後の変形に分けられる。充填のときは湯の速度と温度を、凝固のときは「どこが最後に固まるか」「その場所に溶湯が補給され続けるか」を計算する。そのうえで、湯の表面速度、液相が固相に囲まれた孤立領域、Niyama指標のような温度勾配と冷却速度の組み合わせなどを欠陥の指標として表示している。指標は経験に基づくしきい値で判定するので、同じ合金・同じ鋳造法の試作と比べて調整することが前提になる。
3つの指標
v は落下で得る湯の速度、h は落下高さ、Ny はNiyama指標（G は温度勾配、Ṫ は冷却速度）、V_feed は凝固収縮を補うのに必要な溶湯の体積（β は凝固収縮率、m は鋳物の質量、ρ は密度）。
「湯をそっと注げ」の科学
湯を静かに注ぐべきだという経験則は古くからあったが、それを酸化膜の巻き込みという仕組みで説明し、0.5 m/s前後という具体的な速度の目安を示したのは、英国のJohn Campbellらの1990年代の研究だった。アルミ合金の表面にできる酸化膜は非常に薄いが、折り込まれると二重の膜（ビフィルム）となって内部に残り、気孔や割れの起点になる。この考え方は湯道設計を大きく変え、シミュレーションでも湯の表面速度が重要な指標になった。
計算例
Nyの単位は√(K·s)/mm。表のしきい値1は説明用の仮定で、普遍的な合否基準ではない。0.5 m/sも特定のアルミ鋳造条件での目安であり、酸化膜巻き込みの有無を速度だけで保証できない。補給量は仮定した体積収縮率の単純な掛け算。
例1：落下高さと湯の速度
| 落下高さ | 湯の速度 | アルミ合金の目安0.5 m/sとの比 |
|---|---|---|
| 12.7 mm | 0.50 m/s | 1.0 |
| 50 mm | 0.99 m/s | 2.0 |
| 100 mm | 1.40 m/s | 2.8 |
| 300 mm | 2.43 m/s | 4.9 |
わずか13 mmの落差で目安の速度に達する。湯口から鋳型の底へ数十〜数百mm落とす設計では、ほぼ確実に表面が乱れて酸化膜を巻き込む。
例2：Niyama指標（3つの位置）
| 位置 | 温度勾配 G | 冷却速度 | Ny | 判定（目安1） |
|---|---|---|---|---|
| A 薄肉部 | 3.0 K/mm | 4.0 K/s | 1.50 | 健全 |
| B 断面の中心 | 0.6 K/mm | 0.5 K/s | 0.85 | 要注意 |
| C ホットスポット | 0.2 K/mm | 0.3 K/s | 0.37 | ざく巣の危険 |
G と冷却速度は説明のための値。厚い部分の中心やホットスポットでは温度勾配が小さく、補給の通り道が早く閉じるため Ny が小さくなる。
例3：凝固収縮を補う溶湯の量
| 鋳物 | 体積 | 凝固収縮率 | 必要な補給量 |
|---|---|---|---|
| アルミ合金 1 kg | 370 cm³ | 6% | 22 cm³ |
| 鋼 10 kg | 1,282 cm³ | 3% | 38 cm³ |
収縮率は代表的な値。この量の溶湯が、固まる順序に沿って押湯から最後まで届けば引け巣はできない。押湯自体もこの量より十分大きく、製品より後に固まる必要がある。
シミュレーションでNiyama指標が全体に1以上なのに、試作でざく巣が出ました。何を疑えばよいですか？
しきい値と熱の条件の2つを疑おう。Niyama指標のしきい値はもともと鋼の実験から決められたもので、凝固範囲の広いアルミ合金などでは1よりずっと小さい値が使われることもあり、単位系（K/mmかK/cmか）でも数値が変わる。つまり「1以上なら安全」は合金と定義によっては成り立たない。もう一つは熱の条件で、鋳型と鋳物の間の熱伝達係数を一定にしていると、収縮で隙間が開いて熱が逃げにくくなる効果が入らず、温度勾配を実際より大きく見積もりやすい。また、溶湯中の水素が多いと、収縮が小さくてもガスが気孔を作るので、Niyama指標では見えない。試作の断面でざく巣の位置とNy の分布を重ね、その合金でのしきい値を決め直すのが近道だ。
実務での進め方
- 湯道・押湯を含めた形状と、合金・鋳型の温度依存の物性を用意する。
- 充填解析で湯の表面速度、湯回り、巻き込みの危険を確かめる。
- 凝固解析で孤立した液相、Niyama指標、最終凝固位置を確かめる。
- 湯道・押湯・冷やし金を見直し、指標が改善するまで繰り返す。
- 試作品のX線検査・断面と比べ、しきい値と熱伝達を合わせ込む。
「欠陥の位置は合うのに大きさが合わない」
シミュレーションの予測で引け巣の位置は試作と合うのに、大きさが2倍以上違う、ということはよくある。位置は主に形状と固まる順序で決まるので比較的当たりやすいが、大きさは収縮量、補給の経路、鋳型の膨張、気体の量など多くの要因に左右されるからだ。設計の判断には「どこに出るか」を使い、「どれだけ出るか」は試作との比較で補正した傾向として扱うのが現実的だ。
よくある間違い
間違いと対策
| 間違い | 起きること | 対策 |
|---|---|---|
| しきい値を他の合金から流用 | 欠陥の見逃し・過剰判定 | 試作で合わせ込む |
| 界面熱伝達を一定 | 温度勾配を過大評価 | 隙間の発生を考慮 |
| 充填を省いて凝固だけ | 初期温度分布が誤る | 充填から解析 |
| 湯の落下を許す湯道 | 酸化膜の巻き込み | 下から静かに充填 |
| ガスの影響を無視 | 気孔を見逃す | 溶湯の水素量を管理 |
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関連するページは鋳造充填解析、鋳造凝固解析、インベストメント鋳造シミュレーション、鋳造残留応力解析が参考になる。
よくある質問
鋳造シミュレーションではどんな欠陥を予測できますか？
代表的なのは、湯回り不良（充填しきる前に固まる）、酸化膜や空気の巻き込み、引け巣・ざく巣（凝固収縮の補給不足）、ガス気孔、熱間割れ、残留応力による変形です。充填解析で湯の流れと温度を、凝固解析で固まる順序と温度勾配を求め、欠陥ごとの指標で危険な場所を示します。
湯の速度はなぜ重要ですか？
湯の表面が速く動くと、表面の酸化膜が折り込まれて内部に巻き込まれ、亀裂の起点になるためです。アルミ合金ではおよそ0.5 m/sを超えないように湯道を設計するのが目安とされます。自由落下では12.7 mmの高さで0.5 m/sに達し、100 mm落ちると1.4 m/sになるので、湯口から下へ落とす設計は避け、下から静かに満たすようにします。
Niyama指標とは何ですか？
凝固の終わりごろの温度勾配Gを冷却速度の平方根で割った値で、小さいほど溶湯の補給が届きにくく、ざく巣（微細な引け巣）が出やすいことを示します。鋼では1前後（K·s）^0.5/mmが目安とされることが多く、例ではホットスポットで0.37と小さく、補給の改善が必要です。しきい値は合金や単位の定義で変わるため、試作との比較で決めます。
参考資料・検算の位置づけ
掲載値は本文の仮定に基づく教育用の参考計算。資料は理論・設定の参照先であり、本記事の数値を各ソフトで再現した証明ではない。設計・製造の判断には対象条件での検証が必要。
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