アルミインゴットとは何ですか？

アルミインゴットとは何ですか？

アルミニウムは銀白色の金属で、地殻において酸素とケイ素に次いで3番目に多く存在します。密度は比較的低く、鉄の34.61%、銅の30.33%に過ぎないため、軽金属とも呼ばれています。アルミニウムは非鉄金属であり、生産量と消費量は世界第2位で、鉄鋼に次ぐ規模です。軽量であることから、自動車、電車、地下鉄、船舶、飛行機、ロケット、宇宙船といった陸海空の乗り物の製造に、自重を軽減し、搭載量を増やすためによく使用されています。私たちの日常産業における原材料は、アルミニウムインゴットと呼ばれています。国家規格（GB/T 1196-2008）によれば、「再溶解用アルミニウムインゴット」と呼ばれるべきですが、一般的には「アルミニウムインゴット」と呼ばれています。アルミニウムは、アルミナ氷晶石を用いて電気分解によって生産されます。アルミニウムインゴットが工業用途に投入されると、鋳造アルミニウム合金と異形アルミニウム合金の2つの主要なカテゴリーに分類されます。鋳造アルミニウムとアルミニウム合金は鋳造法で製造されるアルミニウム鋳物であり、異形アルミニウムとアルミニウム合金は加圧加工法で製造されるアルミニウム加工製品であり、板、条、箔、管、棒、形鋼、線、鍛造品などがあります。国家規格によると、「再溶解アルミニウムインゴットは化学組成に基づいて8つの等級に分類され、Al99.90、Al99.85、Al99.70、Al99.60、Al99.50、Al99.00、Al99.7E、Al99.6E」（注：Alの後の数字はアルミニウム含有量）となっています。「A00」アルミニウムと呼ばれることもありますが、これは実際には純度99.7%のアルミニウムであり、ロンドン市場では「標準アルミニウム」と呼ばれています。我が国の1950年代の技術基準は、旧ソ連に由来しています。 「A00」はソ連の国家規格におけるロシアのブランドです。「A」はロシア語の文字であり、英語の「A」や中国語の音韻記号の「A」ではありません。国際規格に準拠している場合は、「標準アルミニウム」と呼ぶ方が正確です。標準アルミニウムとは、ロンドン市場に登録されている、アルミニウム含有量が99.7%のアルミニウムインゴットです。

アルミニウムインゴットはどのように作られるか
アルミニウムインゴットの鋳造工程では、溶融アルミニウムを鋳型に注入し、冷却後に鋳片状に取り出した後、この注入工程が製品の品質を左右する重要な工程となります。鋳造工程は、溶融アルミニウムを固体アルミニウムに結晶化させる物理的なプロセスでもあります。
アルミインゴット鋳造の工程フローは、おおよそ以下の通りです：アルミ出湯-スラグ採取-ピックアップ-原料-炉入-精錬-鋳造-再溶解用アルミインゴット-完成品検査-完成品検査-入庫アルミ出湯-スラグ採取-ピックアップ-原料-炉入-精錬-鋳造-合金インゴット-鋳造合金インゴット-完成品検査-完成品検査-入庫

一般的に使用される鋳造方法は、連続鋳造と垂直半連続鋳造に分けられます。

連続鋳造

連続鋳造は、混合炉鋳造と外部鋳造に分けられます。いずれも連続鋳造機を使用します。混合炉鋳造は、溶融アルミニウムを混合炉に流し込むプロセスで、主に再溶解および合金鋳造用のアルミニウムインゴットの製造に使用されます。外部鋳造は、取鍋から鋳造機まで直接行われます。これは主に、鋳造設備が生産要件を満たせない場合、または入ってくる材料の品質が悪くて炉に直接投入できない場合に使用されます。外部加熱源がないため、アルミニウムインゴットの外観を良くするために、取鍋の温度を一定に保つ必要があります。通常、夏は690℃〜740℃、冬は700℃〜760℃です。

混合炉で鋳造するには、まず材料を混合し、次に混合炉に注ぎ、均一に攪拌し、最後にフラックスを加えて精錬する必要があります。鋳造合金インゴットは30分以上清澄する必要があり、清澄後にスラグを鋳造することができます。鋳造中、混合炉の炉心は鋳造機の第2および第3の鋳型と一列に配置され、液体の流れが変わって鋳型が交換されるときに、ある程度の可動性を確保できます。炉心と鋳造機は樋で接続されています。樋は短い方がアルミニウムの酸化を減らし、渦や飛散を防ぐことができます。鋳造機を48時間以上停止する場合は、再起動する前に鋳型を4時間予熱する必要があります。溶融アルミニウムは樋を通って鋳型に流れ込み、溶融アルミニウムの表面の酸化膜はシャベルで除去されます。これをスラグ化といいます。一つの鋳型が満たされると、ランダーは次の鋳型に移動し、鋳造機は連続的に前進します。鋳型は順次前進し、溶融アルミニウムは徐々に冷却されます。鋳造機の中央に到達すると、溶融アルミニウムはアルミニウムインゴットに凝固しており、プリンターで溶融番号がマークされます。アルミニウムインゴットが鋳造機の上部に到達すると、完全に凝固してアルミニウムインゴットになります。このとき、鋳型は反転され、アルミニウムインゴットは鋳型から排出され、自動インゴット受取台車に落下します。インゴットはスタッカーによって自動的に積み重ねられ、束ねられ、完成したアルミニウムインゴットになります。鋳造機は散水によって冷却されますが、鋳造機が1回転した後に給水する必要があります。溶融アルミニウム1トンあたり約8〜10トンの水が消費され、夏には表面冷却のために送風機が必要です。インゴットは平鋳型鋳造であり、溶融アルミニウムの凝固方向は下から上へ向かっており、最終的に上部の中央が凝固し、溝状の収縮が残ります。アルミニウムインゴットの各部位の凝固時間と条件はそれぞれ異なるため、化学組成も異なりますが、全体としては規格に適合しています。

再溶解用アルミニウムインゴットの一般的な欠陥は次のとおりです。

① 気孔。主な原因は、鋳造温度が高すぎるため、溶融アルミニウムに含まれるガスが多くなり、アルミニウムインゴットの表面に多くの気孔（ピンホール）が発生し、表面が黒くなり、ひどい場合は熱間割れが発生することです。
② スラグの巻き込み。主な原因は、スラグの除去が不十分で、表面にスラグが巻き込まれることです。2番目の原因は、溶融アルミニウムの温度が低すぎるため、内部にスラグが巻き込まれることです。
③リップルとフラッシュ。主な原因は、操作が適切でなかったり、アルミニウムインゴットが大きすぎたり、鋳造機の稼働がスムーズでなかったりすることです。
④ 割れ。冷間割れは主に鋳造温度が低すぎる場合に発生し、アルミニウムインゴットの結晶密度が低下して緩みが生じ、ひび割れが発生することがあります。一方、熱間割れは鋳造温度が高い場合に発生します。
⑤ 成分の偏析。主に合金鋳造時の混合ムラにより発生します。

垂直半連続鋳造

垂直半連続鋳造は、主にアルミ線材、スラブ材、各種加工用異形合金の製造に用いられます。溶湯はバッチング後、混合炉に注ぎ込まれます。線材の特殊要求により、鋳造前に溶湯からチタンとバナジウム（線材）を除去するために、中間板Al-Bを添加しなければなりません。また、スラブにはAl-Ti-B合金（Ti5%B1%）を添加して精錬処理を施す必要があります。表面組織を細かくします。高マグネシウム合金に2#精錬剤を5%添加し、均一に攪拌します。30分間放置した後、スカムを取り除いてから鋳造します。鋳造前に鋳造機のシャーシを持ち上げ、圧縮空気でシャーシ上の水分を吹き飛ばします。次に、ベースプレートを晶析装置に上げ、晶析装置の内壁に潤滑油の層を塗布し、ウォータージャケットに冷却水を入れ、乾燥して予熱した分配プレート、自動調整プラグ、およびランダーを所定の位置に置き、分配プレートの各ポートが晶析装置の中心に位置するようにします。鋳造の開始時に、自動調整プラグを手で押してノズルをブロックし、混合炉の炉心を切り開き、ランダーからアルミニウム液を分配プレートに流入させます。分配プレート内のアルミニウム液が2/5に達したら、自動調整プラグを解除して、溶融アルミニウムが晶析装置に流入するように調整し、溶融アルミニウムをシャーシ上で冷却します。結晶装置内のアルミニウム液の高さが30mmに達すると、シャーシを下げることができ、冷却水が送られ始めます。自動調整プラグは、結晶装置へのアルミニウム液のバランスの取れた流れを制御し、結晶装置内のアルミニウム液の高さを変えないようにします。溶融アルミニウムの表面のスカムと酸化膜は、適時に除去する必要があります。アルミニウムインゴットの長さが約6mになったら、炉の目を塞ぎ、分配プレートを取り外し、アルミニウム液が完全に凝固した後に給水を止め、ウォータージャケットを取り外し、モノレールクレーンで鋳造されたアルミニウムインゴットを取り出し、必要なサイズに応じて鋸引き機に載せて切断し、次の鋳造の準備をします。鋳造中、混合炉内の溶融アルミニウムの温度は690〜710℃、分配プレート内の溶融アルミニウムの温度は685〜690℃に維持され、鋳造速度は190〜210mm / min、冷却水圧力は0.147〜0.196MPaです。

鋳造速度は、正方形断面を持つ直線状のインゴットに比例します。
VD=K、ここでVは鋳造速度（mm/分またはm/h）、Dはインゴット断面の辺の長さ（mmまたはm）、Kは定数（m2/h）、一般に1.2～1.5です。

垂直半連続鋳造は、逐次結晶化法です。溶融アルミニウムが鋳造孔に入ると、底板と鋳型の内壁で結晶化し始めます。中心部と側面の冷却条件が異なるため、結晶化は中低周縁部高の形状を形成します。シャーシは一定速度で下降します。同時に、上部には液体アルミニウムが連続的に注入されるため、固体アルミニウムと液体アルミニウムの間に半凝固領域が形成されます。アルミニウム液体は凝縮時に収縮し、結晶化装置の内壁には潤滑油の層があるため、シャーシが下降すると、凝固したアルミニウムが結晶化装置から出ます。結晶化装置の下部には円形の冷却水穴があり、冷却水が逃げるまで噴霧することができます。アルミニウムインゴットの表面は、線材全体が鋳造されるまで二次冷却されます。

逐次結晶化は比較的良好な凝固条件を確立することができ、結晶粒度、機械的特性、および電気伝導性に有利です。比較対象インゴットの高さ方向の機械的特性に差はなく、偏析も小さく、冷却速度も速く、非常に微細な結晶構造が得られます。

アルミ線インゴットの表面は平滑で、スラグ、ひび割れ、気孔などがなく、表面のひび割れの長さは1.5mmを超えてはなりません。表面のスラグや畝の深さは2mmを超えてはなりません。また、断面にはひび割れ、気孔、スラグ介在物があってはなりません。1mm未満のスラグ介在物は5個以下です。

アルミ線インゴットの主な欠陥は次のとおりです。

① 割れ。原因は、溶融アルミニウムの温度が高すぎる、速度が速すぎる、残留応力が大きくなる、溶融アルミニウム中のシリコン含有量が0.8％を超える、アルミニウムとシリコンの融液が形成される、そして一定量の遊離シリコンが生成され、金属の熱割れ性が高まる、などです。あるいは、冷却水の量が不足している、鋳型の表面が粗い、あるいは潤滑剤を使用していないなどの場合も、インゴットの表面や角に割れが生じます。

② スラグの巻き込み。アルミ線インゴット表面へのスラグの巻き込みは、溶融アルミニウムの変動、溶融アルミニウム表面の酸化膜の破裂、および表面のスラグがインゴット側面に侵入することによって引き起こされます。潤滑油がスラグを巻き込む場合もあります。内部へのスラグの巻き込みは、溶融アルミニウムの温度が低い、粘度が高い、スラグが適時に浮上しない、あるいは鋳造中に溶融アルミニウムの液面が頻繁に変化するなどの要因によって発生します。

③冷室。冷壁の形成は主に、鋳型内の溶融アルミニウムの液面レベルの過度な変動、鋳造温度の低さ、鋳造速度の遅さ、あるいは鋳造機の振動や落下の不均一性などによって引き起こされます。

④ 気孔。ここで言う気孔とは、直径1mm未満の小さな気孔を指します。これは、鋳造温度が高すぎて凝結が速すぎるため、アルミニウム溶湯に含まれるガスが時間内に逃げることができず、凝固後に小さな気泡が集まってインゴットに気孔を形成するためです。

⑤表面が粗い。晶析槽の内壁が滑らかでないため、潤滑効果が低く、ひどい場合には結晶表面にアルミニウムの腫瘍が形成されます。あるいは、鉄とシリコンの比率が高すぎるため、冷却ムラによる偏析現象が発生します。

⑥アルミニウムの漏洩と再分析。主な原因は操作上の問題ですが、深刻な場合は結節が発生することもあります。

鋳造アルミニウムシリコン（Al-Si）合金の応用
アルミニウム-シリコン（Al-Si）合金のSi含有量は、一般的に4%～22%です。Al-Si合金は、優れた流動性、優れた気密性、小さな収縮率、低い熱膨張性など、優れた鋳造特性を有しています。改質・熱処理後も、優れた機械的特性、物理的特性、耐食性、中程度の切削加工性を有します。これは、最も汎用性が高く、最も汎用性の高い鋳造アルミニウム合金です。以下に、最も一般的に使用されている合金の例をいくつか示します。

（1）ZL101（A）合金 ZL101合金は、気密性、流動性、耐熱亀裂性に優れ、適度な機械的性質、溶接性、耐食性を備え、組成が簡単で、鋳造が容易で、さまざまな鋳造方法に適しています。 ZL101合金は、航空機部品、計器、計器ハウジング、エンジン部品、自動車および船舶部品、シリンダーブロック、ポンプ本体、ブレーキドラム、電気部品など、中程度の荷重を支える複雑な部品に使用されています。 また、ZL101合金をベースに、不純物含有量を厳密に管理し、鋳造技術の改良により、より高い機械的特性を持つZL101A合金が得られています。 さまざまなシェル部品、航空機ポンプ本体、自動車のギアボックス、燃料油の鋳造に使用されています。 ボックスエルボ、航空機アクセサリ、その他の耐荷重部品。

（2）ZL102合金 ZL102合金は、耐熱亀裂性、気密性、流動性に優れ、熱処理による強化が困難で、引張強度が低いため、大型で薄肉の複雑な部品の鋳造に適しています。ダイカストに適しています。このタイプの合金は、主に各種機器ハウジング、自動車ケース、歯科機器、ピストンなど、複雑な形状の低荷重薄肉鋳物に耐えるために使用されます。

（3）ZL104合金 ZL104合金は、気密性、流動性、耐熱割れ性に優れ、強度、耐腐食性、溶接性、切削性に優れていますが、耐熱強度が低く、小さな気孔が発生しやすく、鋳造プロセスが複雑です。そのため、主にトランスミッションケース、シリンダーブロック、シリンダーヘッドバルブ、ベルトホイール、カバープレートツールボックスなどの航空機、船舶、自動車部品など、高荷重に耐える大型砂金鋳物の製造に使用されています。

（4）ZL105合金 ZL105合金は、高い機械的性質、良好な鋳造性能と溶接性能、ZL104合金よりも優れた切削性能と耐熱強度を備えていますが、塑性が低く、耐食性が低いです。様々な鋳造方法に適しています。このタイプの合金は主に、航空機、エンジン砂型、トランスミッションケース、シリンダーブロック、油圧ポンプハウジング、計器部品などの重荷重を支える金型鋳造部品、およびベアリングサポートなどの機械部品の製造に使用されます。

鋳造アルミニウム亜鉛（Al-Zn）合金の応用

Al-Zn合金は、Al中のZnの溶解度が高いため、質量分率10%以上のZnをAlに添加すると、合金の強度が大幅に向上します。この合金は自然時効性が高く、熱処理なしでも高い強度が得られますが、耐食性が低く、密度が高く、鋳造時に高温割れが発生しやすいという欠点があります。そのため、主にダイカスト機器ハウジング部品の製造に使用されています。

一般的な鋳造Al-Zn合金の特性と用途は次のとおりです。

（1）ZL401合金 ZL401合金は、鋳造性が中程度で、収縮巣や高温割れが小さく、溶接性と切削性が良好で、鋳放し状態での強度が高いが、塑性が低く、密度が高く、耐食性が悪い。ZL401合金は主に各種圧力鋳造部品に使用され、作業温度は200℃を超えず、自動車や航空機部品の構造と形状は複雑です。

（2）ZL402合金 ZL402合金は、鋳造性が中程度で、流動性が良好で、気密性が中程度で、耐熱亀裂性があり、切削性が良好で、鋳造ままの状態で高い機械的性質と衝撃靭性を持っていますが、密度が高く、製錬プロセスが複雑で、主に農業機械、工作機械、船舶鋳物、無線機器、酸素調整器、回転ホイール、空気圧縮機のピストンに使用されます。
鋳造アルミニウムマグネシウム（Al-Mg）合金の応用

Al-Mg合金中のMgの質量分率は4%～11%です。この合金は密度が低く、機械的特性が高く、耐食性に優れ、切削性も良好で、表面は明るく美しいという特徴があります。しかし、この合金は製錬と鋳造の工程が複雑なため、耐食合金としてだけでなく、装飾用合金としても使用されています。一般的な鋳造Al-Mg合金の特徴と用途は以下の通りです。

（1）ZL301合金 ZL301合金は、高強度、良好な伸び、優れた切削性、良好な溶接性、陽極酸化処理、振動耐性を備えています。欠点は、微視的に緩む傾向があり、鋳造が難しいことです。ZL301合金は、フレーム、サポート、ロッド、アクセサリなど、高荷重、150℃以下の作業温度、大気および海水中で作業する耐食性の高い部品の製造に使用されます。

（2）ZL303合金 ZL303合金は、耐食性、溶接性、切削性、研磨性、鋳造性などの特性に優れ、機械的性質は低く、熱処理による強化は困難で、ひけ巣が発生しやすいという欠点があります。ダイカストに広く用いられています。この合金は主に、腐食作用を受ける中荷重部品や、寒冷雰囲気下、動作温度が200℃を超えない部品、例えば船舶部品や機械シェルなどに使用されます。

（3）ZL305合金 ZL305合金は、Al-Mg合金をベースにZnを主成分とすることで、自然老化を抑制し、強度と耐応力腐食性を向上させ、優れた総合的な機械的特性を有し、合金の酸化、気孔率、気孔欠陥を低減します。このタイプの合金は、主に高荷重、100℃以下の動作温度、大気または海水中で使用される高腐食性部品、例えば船舶部品に使用されます。
アルミニウムインゴットの知識入門
再溶解用アルミニウムインゴット - 15kg、20kg（≤99.80%Al）：
T字型アルミニウムインゴット - 500kg、1000kg（≤99.80%Al）：
高純度アルミニウムインゴット 10kg、15kg（99.90%～99.999% Al）
アルミニウム合金インゴット - 10kg、15kg（Al-Si、Al-Cu、Al-Mg）
板インゴット--500～1000kg（製板用）
丸スピンドル-30～60kg（伸線用）。

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出典：インターネット
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