鋳造スチールシャフト：グレード、プロセス、熱処理、品質

とは何ですか 鋳造鋼シャフト ?

鋳造鋼シャフトは、鋼鋳造プロセスを通じて製造される回転または耐荷重の円筒形部品です。溶鋼は成形型に注入され、固化してから、寸法公差に合わせて仕上げ加工されます。固体ビレットからの圧縮力によって成形される鍛造シャフトとは異なり、鋳鋼シャフトは液体金属から直接形成されるため、棒材から鍛造または機械加工するのは非現実的または非経済的である複雑な形状、統合された特徴、および大きな断面が可能になります。

鋳造鋼シャフトは重工業のあらゆる場所で使用されています。 高トルク伝達、大きなラジアル荷重またはアキシアル荷重、および長寿命 を同時に達成しなければなりません。典型的な最終市場には、採掘装置、セメント工場、圧延機、船舶用推進システム、風力タービン、大型ポンプやコンプレッサーなどがあります。

鋳造シャフトに一般的に使用される鋼種

鋼グレードの選択により、シャフトの機械的性能、熱処理応答性、および機械加工性が決まります。いくつかの合金ファミリーが定期的に指定されています。

5トンを超える重量シャフトの場合、 低合金Cr-Mo鋼 は、大きな断面に不可欠な深い焼入れ性と、焼き入れ焼き戻し熱処理後の信頼性の高い靭性を兼ね備えているため、最も広く選択されています。

鋳造プロセスのオプションとそのトレードオフ

選択された鋳造ルートは、内部の健全性、寸法精度、表面仕上げ、生産リードタイムに影響を与えます。特にスチールシャフトの場合、次の 3 つのプロセスが最も関連します。

砂型鋳造

砂型鋳造は、大型スチールシャフト、特に重量が数百キログラムから数十トンのシャフトでは依然として主流の方法です。生砂またはフラン樹脂で結合した型は事実上無制限のサイズに対応でき、立ち上がりシステムは凝固収縮を効果的に与えるように設計できます。トレードオフは、鋳放しの表面が比較的粗く (Ra 12.5 ～ 25 μm)、寸法公差が ±1 ～ 3 mm であるため、後続の機械加工で修正する必要があります。

遠心鋳造

ロール本体やスリーブシャフトなどの中空または管状のシャフト形状の場合は、遠心鋳造が好ましい。回転する金型により、より高密度の金属が外壁に押し付けられ、非金属介在物や気孔が穴に向かって押し出され、穴は機械加工で除去されます。結果は、 よりきれいで密度の高い外皮 静的に鋳造された同等品と比較して優れた耐疲労性を備えています。遠心鋳造は、円筒対称の場合は費用対効果が高くなりますが、複雑な階段状のプロファイルの場合は実用的ではありません。

インベストメント鋳造

インベストメント (ロストワックス) 鋳造により、厳しい寸法公差 (CT4 ～ CT6) と良好な表面仕上げ (Ra 1.6 ～ 6.3 μm) を備えたニアネットシェイプのスチール シャフトが製造され、加工代が最小限に抑えられます。適度な量で生産される中型の精密シャフトには経済的ですが、工具コストとサイズ制限 (スチールの場合は通常 200 kg 以下) により、最大のシャフト部品への使用は制限されます。

鋳鋼シャフトの熱処理および表面処理

鋳放しの鋼の微細構造には、粗大な柱状粒子、偏析、残留鋳造応力が含まれており、完成したシャフトではどれも許容できません。したがって、熱処理はオプションではありません。これは、鋳造微細構造を均質で高性能な状態に変える必須のステップです。

• 正規化 上部臨界温度以上に加熱し空冷することにより、粒径を微細化し偏析を軽減します。多くの場合、これはさらに硬化する前の最初のステップです。
• 焼き入れ焼き戻し (Q&T) 指定された強度と靱性の組み合わせを達成するために、合金鋼シャフトに適用されます。 Cr-Mo グレードでは、水または油で急冷し、その後 550 ～ 650 °C で焼き戻しを行うのが一般的です。
• 歪取り焼鈍 荒加工後に 550 ～ 600 °C で加熱すると、その後の大型シャフトの仕上げ切削での歪みが軽減されます。
• 表面硬化 - ベアリングシートとジャーナルの高周波焼入れ、または摩耗が重要な表面の窒化 - は、強靱なコアを維持しながら 50 ～ 60 HRC のケース硬度を達成し、摩耗性または高接触応力の環境での耐用年数を大幅に延長します。

品質保証：鋳鋼シャフトの検査方法

鋳鋼シャフトの主な故障リスクは、引け巣、ガス多孔性、高温裂傷、介在物クラスターなどの表面下の欠陥です。特に安全性が重要な用途や高負荷の用途では、シャフトの使用開始前に厳格な検査体制が不可欠です。

• 超音波検査（UT） は主要な体積検査方法であり、大型鍛造品や鋳造品の平底穴相当直径 0.5 mm から内部の不連続性を検出できます。 ASTM A609 および EN 12680 は、鋳鋼の許容基準を定義しています。
• 磁粉検査（MPI） 機械加工後のフェライト鋼の表面近くの亀裂や継ぎ目、特にキー溝やフィレットなどの応力集中部分を明らかにします。
• 放射線検査（RT） 内部の健全性の永続的な画像記録を提供し、多くの場合、圧力機器または構造規定に基づく重要なシャフト鋳造品に対して指定されます。
• 機械的試験 添付のテスト クーポンから、引張、衝撃 (シャルピー)、および硬度から、熱処理が鋳物全体にわたって指定された特性範囲に達していることを確認します。

重要なドライブ用の鋳造スチール シャフトを指定する購入者は、ビューロー ベリタス、ロイズ レジスター、または TÜV などの公認機関による第三者の立会い検査と併せて、特定の鋳造熱番号まで追跡できる完全な材料試験報告書 (MTR) を要求する必要があります。

鋳造スチールシャフトと鍛造スチールシャフト: 鋳造が勝つのはいつですか?

鍛造は、依然として、鍛錬された鍛流線方向に整列した微細構造が疲労に顕著な利点をもたらす、大量の適度なサイズのシャフトにとって好ましい手段である。ただし、キャストは、特定のシナリオでは魅力的な利点を提供します。

• 非常に大きいサイズ: 30 ～ 50 トンを超える鍛造シャフト用の鋼インゴットの調達と加工は非常に困難になります。鋳造には固有のサイズの上限がありません。
• 複雑な統合ジオメトリ: フランジ、偏心穴、キー溝ボス、および取り付けラグは鋳造できるため、複数部品の製造や溶接接合が不要になります。
• プロトタイプや小規模バッチに対する工具投資の削減: 砂型鋳造パターンのコストは鍛造金型の数分の一であり、約 20 ～ 50 個未満の数量での鋳造がより経済的になります。
• 材料の利用: ニアネットシェイプ鋳造は、大型の鍛造ビレットからシャフトを機械加工する場合と比較してバイトゥフライレシオを低減し、高価な合金グレードの材料コストを削減します。

適切な立上げ、脱ガス、および鋳造後の熱処理を備えた適切な設計が行われている場合、 最新の鋳鋼シャフトは同等の鍛造品の疲労性能に近づくことができます。 - かつては要求の厳しいドライブ アプリケーションにおいてキャストが第 2 の選択肢となっていたギャップを埋めます。