鋳物の割れ・クラックの原因と対策

2025.12.16

鋳物について、鋳巣と並び多い鋳造欠陥の一つが、「割れ」です。割れを回避するためには、割れの種類や、どの鋳物材料が割れやすく割れにくいか、など鋳物全般に対する深い知見が求められます。

本稿では、鋳物が割れる原因とその対策について、鋳物切削加工のプロフェッショナルが解説します。

鋳物の割れの種類とそれぞれの原因・メカニズム

鋳物の割れとは、鋳造品が鋳造～熱処理～機械加工の一連の工程のどこかで、割れ又はクラックと呼ばれる亀裂・ひびが生じる鋳造欠陥の一つです。

鋳物が割れる現象は、製造工程のさまざまな段階で発生し、その種類とメカニズムは多岐にわたります。

凝固割れ（熱間割れ）

凝固割れは、溶けた金属が固まり始める際や、まだ高温で強度が低い状態のときに発生する割れです。鋳型や中子によって凝固中の収縮が拘束されることで、引張応力が生じ、金属が耐えきれずに裂けてしまいます。粒界割れ（後述）として現れることも多く、金属結晶の境界部分に沿って発生します。

引け割れ（常温割れ）

引け割れ（ひけ割れ）は、主に凝固後の冷却過程や常温になってから発生する割れです。鋳物内部の残留応力（特に形状が複雑な部分や肉厚の急激な変化がある部分）が、材料の強度を上回ることで生じます。収縮割れの一種とも言え、凝固・冷却による体積収縮が原因となります。

焼入れ割れ

焼入れ割れは、鋳物を急激に冷却する焼入れ処理の際に発生します。急冷によって、鋳物内部と外部の温度差や変態による体積変化の差が大きくなり、大きな熱応力や変態応力が生じて割れます。不均一な冷却が原因となることが多いです。

湯境による割れ

湯境とは、鋳型に注がれた溶湯が流れの終点で合流する際に、すでに冷え始めている部分と完全に溶け合わずにできる境界線のことです。この境界部分の強度が低くなるため、後工程の収縮応力などで割れが発生しやすくなります。ガス抜きが不十分な場合、発生しやすいとも言われます。

粒界割れ

粒界割れは、金属組織の粒界（結晶粒の境界）に沿って割れが進む現象の総称です。不純物の偏析や、凝固割れ、水素などのガスが原因で粒界の強度が低下することで発生し、上記のような様々な割れ現象の一因となります。

割れやすい/割れにくい鋳物材料

鋳物材料の割れやすさ/割れにくさは、材料によっても異なります。

鋳鉄

鋳鉄は、他の金属に比べて比較的割れにくい材料とされています。特にねずみ鋳鉄に含まれる片状の黒鉛が応力を分散させる作用を持つためです。ただし、ダクタイル鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄）は、引張強度が高く粘りもあるため、ある程度の応力には耐えますが、複雑な形状や肉厚変化が大きい部分では、凝固収縮が大きいために割れるリスクが増します。

アルミ鋳物

アルミ鋳物は、一般的に割れやすい材料に分類されます。アルミニウム合金は、凝固収縮率が大きく、凝固温度範囲も比較的広いため、凝固割れ（熱間割れ）が発生しやすい性質を持っています。そのため、鋳型設計の際に、いかに収縮をスムーズに行わせるかが重要になります。

鋳物割れへの対策

鋳物の割れを防ぐためには、材料、形状、鋳造条件のすべてを最適化することが必要です。

形状変更

鋳物の割れの発生源となりやすい応力集中を避けるためには、製品の形状変更が有効です。角部に必ず大きな隅Rを設け、肉厚の急激な変化を避けて、全体が均一に冷えるように工夫します。強度補強のためにリブを設ける場合も、応力集中を招かない設計が求められます。また、離型時の抵抗を下げるため、抜き勾配を適切に設定します。

鋳造条件の調整

溶湯の注入温度を適切に管理することで、不必要な熱応力を防ぎます。凝固時間をコントロールするために、部分的に冷却速度を変える工夫（冷やし金など）も有効です。溶湯が十分に合流し、湯境ができにくいよう、湯道の設計を見直すことも重要です。

鋳型・中子の工夫

凝固・冷却による鋳物の収縮を阻害しないよう、鋳型や中子の型ばらし性（崩れやすさ）を高めます。これにより、鋳物にかかる拘束応力を低減します。鋳型内の空気やガスが原因の欠陥を防ぐため、ガス抜きを適切に行うことも必須です。

熱処理

焼入れを行う際は、温度管理と冷却速度を厳密に制御し、焼入れ割れを防ぐようにします。また、焼なましや応力除去焼なましといった熱処理を行うことで、鋳物内部の残留応力を緩和し、引け割れなどの発生リスクを低減させます。

弊社における鋳物の高精度切削加工

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