鋳造と鍛造は何が違う？

鋳造と鍛造は、どちらも金属部品を製造する代表的な方法ですが、製品の形をつくる方法が大きく異なります。

鋳造は、金属を高温で溶かして液体の状態にし、鋳型へ流し込んで冷却・凝固させることで目的の形状をつくる製造方法です。

一方、鍛造は、固体の金属に圧力や衝撃を加えて塑性変形させることで、目的の形状をつくる製造方法です。

この製造方法の違いによって、つくることのできる形状だけでなく、材料内部の組織や機械的性質にも違いが生まれます。

一般に鍛造は、高い強度や靭性、疲労特性などが求められる部品に適しています。
一方、鋳造は、大型部品や複雑な形状、中空部などを一体で製造できることに大きな特徴があります。

この記事では、鋳造と鍛造の製造方法や材料特性、形状自由度、コストなどの違いを比較し、それぞれどのような部品に適しているのかをご紹介します。

鋳造は「溶かして形をつくる」製造方法

鋳造では、鉄やアルミニウムなどの金属を溶解し、液体となった金属を鋳型の内部へ流し込みます。

鋳型の内部には製品形状に対応した空間がつくられており、そこへ流れ込んだ金属が冷却・凝固することで、鋳型の形状が金属へ転写されます。

このため鋳造では、リブ、ボス、曲面、肉厚変化などを含む複雑な形状を一体で製造することができます。

また、中子を使用することで、製品内部に中空部や複雑な内部形状を設けることもできます。

数十kgから数t、さらにそれ以上の大型部品まで製造できることも鋳造の大きな特徴であり、工作機械や産業機械などの大型構造部品にも広く利用されています。

鍛造は「力を加えて形をつくる」製造方法

鍛造では、固体の金属に圧力や衝撃を加え、材料を塑性変形させることで目的の形状をつくります。

金属を加熱して加工する「熱間鍛造」や、常温に近い状態で加工する「冷間鍛造」などがあり、製品の材質、形状、大きさ、要求される性能などによって方法が選択されます。

また、金型を使用して形状をつくる型鍛造や、金型で材料を完全に囲まずに加工する自由鍛造など、鍛造にもさまざまな方法があります。

鍛造は、材料を大きく変形させながら目的の形状へ近づけていくため、鋳造とは異なる内部組織を持つ製品をつくることができます。

なぜ鍛造品は強いのか？

鍛造の代表的な特徴として、高い強度や靭性、疲労特性などが挙げられます。

その理由の一つが、金属を塑性変形させながら形をつくることにあります。

鍛造では、材料に圧力を加えることで内部組織を緻密化するとともに、加工の方向に沿った組織の流れを形成することができます。
この組織の流れは一般に「鍛流線（メタルフロー）」と呼ばれます。

適切な鍛造によって製品形状や荷重方向に沿った鍛流線を形成することで、高い機械的性質を活かすことができます。

このため鍛造は、大きな荷重や衝撃、繰り返し荷重を受ける部品に適した製造方法として利用されています。

シャフトやギアなどに鍛造が使われる理由

例えば、シャフト、ギア、クランクシャフトなどの部品には、使用中に大きな荷重や繰り返し荷重が加わります。

こうした部品では、単に一度の荷重で破壊しないことだけでなく、長期間にわたって繰り返される荷重に耐えることも重要です。

そのため、高い強度や靭性、疲労特性を活かすことのできる鍛造が有力な選択肢となります。

では、すべて鍛造にすれば強い製品になる？

鍛造によって高い機械的性質を得られるのであれば、「重要な機械部品はすべて鍛造でつくればよいのではないか」と考えることもできます。

しかし、鍛造にも製造できる形状や大きさ、必要な設備、金型などによる制約があります。

また、すべての機械部品に鍛造品ほどの強度や靭性が必要なわけではありません。

例えば工作機械のベッドのような大型構造部品では、シャフトのような高い疲労強度だけでなく、複雑な形状、振動特性、加工性、製造コストなども重要になります。

そのため、鍛造の高い機械的性質が必要な部品には鍛造を使用し、鋳造の形状自由度などが必要な部品には鋳造を使用するという、用途に応じた選択が必要です。

形状自由度では鋳造に大きな強みがあります

鋳造と鍛造の大きな違いの一つが、製造できる形状の自由度です。

鋳造では液体となった金属を鋳型内部へ流し込んで形状をつくるため、複雑な外形を持つ製品を一体で製造することができます。

さらに、中子を使用することで、外側から加工することが難しい中空部や内部形状を製品内部につくることができます。

リブ、ボス、曲面、肉厚変化などを一つの部品に組み込めることも、鋳造の特徴です。

一方、鍛造は固体の金属を塑性変形させて形状をつくるため、材料を流動させることのできる範囲や金型から製品を取り出すための条件などを考慮する必要があります。

そのため、複雑な中空構造や非常に入り組んだ形状などでは、鋳造の方が製造しやすい場合があります。

大型部品では鋳造の特徴を活かしやすい

鋳造は、小型部品だけでなく、数百kgから数t、さらにそれ以上の大型部品を一体で製造できることも大きな特徴です。

工作機械のベッドやコラム、産業機械のフレームなどでは、製品そのものが非常に大きく、さらにリブ、ボス、中空部、取付部などを含む複雑な形状を持つことがあります。

こうした大型・複雑形状では、鋳型によって製品形状をつくる鋳造の特徴を活かすことができます。

一方、鍛造でも大型部品を製造することは可能ですが、製品が大型になるほど、材料へ大きな力を加えるための大型設備が必要になります。

そのため、「大型部品だから必ず鋳造」というわけではありませんが、製品の大きさと形状によっては鋳造が合理的な製造方法となります。

材料歩留まりと機械加工量も製造方法によって変わる

金属部品の製造では、完成品の重量だけでなく、そこへ至るまでにどれだけの材料や機械加工を必要とするかも重要です。

鋳造では、鋳型によって完成形状に近い素材を製造することができます。
リブ、ボス、曲面、中空部なども鋳造時に形成できるため、形状によっては大きな素材からすべてを削り出す場合と比較して、機械加工量を抑えることができます。

鍛造でも、型鍛造などによって完成形状に近い素材を製造することができ、材料歩留まりや機械加工量を改善できる場合があります。

一方、自由鍛造では、比較的単純な形状の素材を製作した後、機械加工によって最終形状へ仕上げる場合があります。

このため、鋳造と鍛造のどちらが材料を効率よく使用できるかは、製品形状や鍛造方法、必要な機械加工量などによって異なります。

模型と金型、製造数量によってコストの考え方も変わる

鋳造と鍛造では、製品形状をつくるために必要な準備にも違いがあります。

砂型鋳造では、基本的に製品形状を鋳型へ転写するための模型が必要です。
模型を製作するための初期費用は必要になりますが、一度製作した模型は同じ形状の鋳型を繰り返し製作するために使用できます。

一方、型鍛造では製品形状に合わせた金型が必要になります。
金型には大きな荷重が加わるため、製品の大きさや形状によっては金型製作に大きな費用が必要になることがあります。

ただし、鍛造には金型を使用する型鍛造だけでなく、自由鍛造などもあるため、すべての鍛造品に専用金型が必要というわけではありません。

そのため、鋳造と鍛造のコストを単純に比較することはできません。

製品の大きさ、形状、材質、製造数量、模型や金型の費用、材料歩留まり、機械加工量などを含め、製品ごとに総合的に判断する必要があります。

製造上の注意点も大きく異なります

鋳造と鍛造では製造原理が異なるため、品質を確保するために注意すべき点も異なります。

鋳造では溶湯と凝固の管理が重要

鋳造では、溶かした金属を鋳型へ流し込み、冷却・凝固させることで製品をつくります。

そのため、溶湯の成分や温度、鋳型の状態、注湯方法、製品の肉厚や形状、冷却条件などが品質に影響します。

条件によっては、引け巣、ガス欠陥、介在物、湯回り不良などの鋳造欠陥が発生する可能性があるため、それぞれの製品に適した鋳造方案と工程管理が必要です。

鍛造では材料の流れや加工条件が重要

鍛造では、固体の金属へ大きな力を加えて塑性変形させるため、材料の温度、変形量、加工方向、加工速度などが製品の品質に影響します。

適切な条件で鍛造することで、内部組織を緻密化し、鍛流線を活かした優れた機械的性質を得ることができます。

一方、加工条件や材料の流れが適切でない場合には、割れや折れ込みなど、鍛造特有の不具合につながる可能性があります。

このように、鋳造と鍛造はどちらか一方が単純に製造しやすいというものではなく、それぞれ異なる技術と品質管理が必要です。

鋳造と鍛造はどんな部品に向いている？

鋳造が適している場合

• 大型・複雑な形状を一体で製造したい場合
• 中空部や複雑な内部形状が必要な場合
• リブ、ボス、曲面などを一体化したい場合
• 完成形状に近い素材を製造したい場合
• 鋳鉄の振動減衰性や切削加工性などを活かしたい場合

工作機械のベッドやコラムなど、大型で複雑な構造を持つ部品では、鋳造の形状自由度を活かすことができます。

鍛造が適している場合

• 高い強度や靭性が必要な場合
• 大きな衝撃荷重を受ける場合
• 繰り返し荷重に対する疲労特性が重要な場合
• 鍛流線を活かした機械的性質が必要な場合
• シャフトなど比較的鍛造しやすい形状の場合

シャフト、クランクシャフト、ギアなど、大きな荷重や繰り返し荷重を受ける重要部品では、鍛造の特徴を活かすことができます。

ただし、これらは一般的な傾向であり、実際の製造方法は材質、形状、要求性能、製造数量、コストなどを総合的に検討して決定する必要があります。

同じ「ギア」でも鋳鉄・FCD・鍛造鋼が使い分けられる

材料や製造方法が部品の名称だけで決まらない例として、ギアを考えてみます。

一口にギアといっても、回転速度、伝達するトルク、衝撃の有無、使用頻度、必要な寿命などによって要求される性能は異なります。

比較的負荷が小さく、振動や騒音、加工性などを重視する用途では、鋳鉄が選択肢となる場合があります。

より高い強度や靭性が必要な場合には、FCDが選択肢となります。
FCDは鋳造によって複雑な形状を製造できる特徴を持ちながら、FCより高い引張強さや伸びを持っています。

さらに、大きな荷重や衝撃、繰り返し荷重に耐える必要があり、高い疲労特性などが求められる場合には、鍛造鋼が選択されることがあります。

つまり、「ギアだからこの材料」という一つの答えがあるのではなく、
同じ種類の部品でも、要求される性能によって材料や製造方法は変わります。

工作機械のベッドを鍛造でつくらないのはなぜ？

鍛造品が高い機械的性質を持つのであれば、工作機械のベッドなども鍛造で製造すれば、より強い構造物になるように思えるかもしれません。

しかし、工作機械のベッドは、大きな引張荷重や繰り返し衝撃に耐えることだけを目的とした部品ではありません。

大型の構造体にリブ、中空部、取付部などの複雑な形状を設ける必要があり、さらに振動特性、剛性、切削加工性なども機械性能に関係します。

こうした大型で複雑な構造を鍛造によって一体で製造することは現実的でない場合が多く、仮に非常に高い強度を持たせることができても、その強度を十分に活かせる用途とは限りません。

一方、鋳造では鋳型と中子を利用して大型・複雑な形状を一体で製造でき、FCを使用すれば振動減衰性や切削加工性などの特徴も活かすことができます。

つまり、ここでも重要なのは「最も強い製造方法を選ぶこと」ではなく、
その部品に必要な性能を実現しやすい製造方法を選ぶことです。

鋳造と鍛造、どちらが優れているのか？

鋳造と鍛造は、どちらも長い歴史を持つ金属加工法ですが、それぞれ得意とする分野が異なります。

鍛造は、高い強度、靭性、疲労特性などが必要な部品に大きな強みがあります。

一方、鋳造は、大型・複雑な形状や中空構造などを一体で製造できる高い形状自由度を持っています。
また、使用する材質によっては、振動減衰性や切削加工性などの特徴を活かすこともできます。

そのため、「鋳造と鍛造のどちらが優れているか」という問いに、一つの答えがあるわけではありません。

部品に必要な強度、靭性、疲労特性、形状、大きさ、加工性、製造数量、コストなどを考え、その用途に適した製造方法を選択することが重要です。

高い機械的性質が必要な部品には鍛造を、大型・複雑な形状を一体で製造したい部品には鋳造を選択するなど、それぞれの特徴を理解して適材適所に使い分けることが合理的なものづくりにつながります。