軽金属鋳造技術

2025-08-11

序論

アルミニウム（Al）、マグネシウム（Mg）、チタン（Ti）の軽合金は、エネルギー消費量と二酸化炭素排出量を削減するために、輸送および製造業でますます使用されています。図1（DuckerFrontier、2020）は、自動車分野におけるAlの使用量が著しく増加していることを示しています。1975年の1台あたり84ポンドから2020年には459ポンド、2030年には570ポンドと予測されており、Alの使用量の大部分は鋳物です。軽合金の製造のすべての分野が著しい成長を経験しており、特に金属鋳造業界が顕著です。

金属（金）の最初の鋳造は、実際には紀元前4000年頃に遡ることができますが、現在知られている最古の鋳造品は、紀元前3200年頃の銅のカエルです（Olsen、2020）。最新の鋳造技術は、あらゆる産業用途に部品を提供しており、凝固は、ダウンストリーム製造のためのすべての鍛造または粉末製品の出発点です。2019年の世界の金属鋳造の年間生産量は約1億900万メトリックトンで、そのうちアルミニウムは約17,205,447メトリックトン（MT）、マグネシウムは60,138 MTでした（Staff Report、2021）。上位5つの鋳造生産国は、中国、インド、米国、日本、ドイツです。金属鋳造業界は、事実上すべての製造活動の基盤となる柱であり、軽合金鋳造技術は、世界中の製造業と輸送業の持続可能性にとって不可欠です。

従来の鋳造Al、Mg、Ti合金、およびそれらの溶解および鋳造プロセスは、ASMハンドブック（Avedesian and Baker、1999、Viswanathan et al。、2008、Anderson et al。、2018）およびアルミニウム（Kaufman and Rooy、2004）、マグネシウム（Sahoo、2011）、チタン（Lütjering and Williams、2007）に関するいくつかのモノグラフで十分に文書化されています。鋳造合金の凝固の基本と従来の鋳造プロセス技術は、1960年代以降に発行されたいくつかの書籍（Chalmers、1964、Flemings、1974、Kurz and Fisher、1984、Stefanescu、2002、Dantzig and Rappaz、2009）で文書化されています。したがって、従来の鋳造合金と鋳造プロセス技術については、本論文ではレビューしません。Campbell（2020）による最近のレビューでは、鋳造プロセスにおける欠陥形成、特に鋳物中の二重膜と亀裂、およびそれらが鋳物の機械的特性に及ぼす悪影響に関して、さまざまな鋳造プロセスの重要な評価が提供されました。

ここでは、軽合金設計、鋳造技術、および新しい凝固ベースのプロセスにおける過去20年間に登場した開発と革新に関する包括的かつ重要なレビューを提供し、従来の鋳造プロセスにおける欠陥形成に関連するいくつかの基本的な問題を克服するためのプロセス改善に焦点を当てています。さらに、鋳造シミュレーション、マルチマテリアル設計と製造、付加製造、および合金設計、製造、製品開発における統合計算材料工学（ICME）の応用などの将来のトレンドをレビューします。

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