工学

2006年10月19日

ブラスの鋳造は難しい

電気炉 ベリ銅とブラスとは何が違うのだろうか。
 
 ブラスは黄銅と呼ばれ、銅に亜鉛を混ぜたものである。快削性を持たせるには鉛を添加する。亜鉛の代わりにスズを入れると青銅になる。

 青銅と較べるとブラスの実用化はかなり遅い。ブラスが大量に用いられるようになったのはせいぜい300年くらい前からである。イギリスは亜鉛の製錬法を東洋から導入し、大英帝国の発展とともにブラスは世界中に広まった。

 なぜ亜鉛は製錬が難しかったのか。それは沸点が907℃と低いからである。融点は420℃である。還元炉の中で亜鉛が生成するのと沸騰するのは殆ど同時に起こりうるからだ。せっかく還元して生成した亜鉛は、煙とともに消え、煙突の上部で青い火を上げていたのだろう。

 金属が沸騰する様子を見たことがある人は少ないはずだ。亜鉛の兄弟元素の水銀は357℃でポコポコと音を立てて沸騰し、蒸気を冷やすと忽ち液化する。減圧下ではかなり低い温度で沸騰する。

 燃えさかる火の中に亜鉛のたくさんついた釘を入れると亜鉛は気化し、青い炎を上げて燃える。昔、暖炉の中でよくやったものだ。

 融けたブラスの温度が900℃に近くなると明らかに亜鉛が気化し始める。温度を上げないと粘り気が大きいし、上げると亜鉛が気化する。ぎりぎりの温度で鋳造するのだが、泡が入る可能性は否めない。特に真空鋳造では深刻な問題である。また、高温では埋没材と反応して表面が変化する。

 ベリ銅は全く泡が出ないので、温度をかなり高くできる。また、埋没材と反応することもないので、素人でも美しい鋳物ができることになる。O氏がおっしゃるには、「ブラスで良い鋳物を作ろうと思うのは、はっきり言って、無いものねだりだね。」

 写真は電気炉。煤けて黒くなっているのは脱ロウ後も多少残っているロウが燃えた時のもの。

2006年10月18日

ベリリウム銅

GTEL Clamps ベリリウム銅(以下ベリ銅と略す)をロストワックス鋳造に使うとよいと最初に教えてくれた人はBillの友人のRalphである。Ralphは本業(交響楽のフルート奏者)のかたわら、鉄道模型が趣味から仕事になってしまった人である。

 HOのディーテイル・パーツを作っていたUtah Pacificの社長であったと言えば、分かる方もおありだろう。彼の家には非常に細かくできたレイアウトがあった。どんなものも動くレイアウトである。車両のみならずストラクチュアも全てモータライズされている。彼は主席フルート奏者であったが演奏は夜が多く、昼間は少し練習するだけなので、その時間をロストワックス製造に充てることができたと言っている。

 Utah Pacificの部品のなかで赤い銅の色をしているものがあれば、それはベリ銅である。曲げてみると、妙に硬いはずだ。鋳肌はきれいである。
 
 ベリリウム銅は熱処理によって工具鋼と同等の硬さが得られる。磁性がないので、磁気を嫌う環境で用いられた。例えば、録音テープの編集用ハサミ、ピンセットなどをはじめとして、磁気機雷の除去に当たる掃海艇のエンジン、歯車、ボールベアリングなど、全てベリ銅製である。
 
 しかしベリリウムの酸化物などを吸い込むと、いわゆるベリリウム肺になる惧れがある。昔、蛍光灯の蛍光物質がベリリウム化合物だったことがあり、蛍光灯工場で患者が続出したらしい。そのせいもあって日本ではベリリウム銅の加工まで厳しく管理されるようになった。これは過剰反応で小さな鋳物にする程度のことでは、まず問題はない。

 ベリ銅は湯流れが極めてよく、細部まで再現される。Mother(母)型から作った鋳物をDaughter(娘)という。その娘から再度作った鋳物をGrand Daughter(孫娘)という。

 たくさんの部品を作らなければならないときは、20個の娘をベリ銅で作り、それをツリーにして、再度、型を採る。そうすれば一回に20×20個くらい孫娘の鋳造ができる。この方法では複製時の劣化がほとんどない。


 写真はその方法で作ったGTELの屋根上のクランプ(孫たち)。一部湯が廻っていない。湯流れの悪いブラスで作ったからである。

2006年10月17日

続 鋳込み

centrifugal casting machine 熔湯に圧力を掛ける方法は大きく分けて次の四つである。
_,慧鬚鬚垢襦
何らかの方法で湯の表面に高圧の気体を接触させる。
C魴燭領側から真空ポンプで吸う。
け鷽肝呂撚,傾む。

〕侏散眤阿禄鼎い里如⊃爾気20cmもあれば水柱で1.5mくらいに相当する。表面の印象が気にならない構造用のものなら、これでも十分である。

∋科で行われた義歯の鋳造法のひとつである。融けた金属の液面を覆うように作られた蓋の内側に、アスベスト等を湿らせて入れておき、押し付ける。高温であるから急速に水蒸気が発生し、その圧力で熔湯が押し込まれる。この蓋を圧迫蓋(あっぱくがい)という。

これが筆者の採用している方法で、硬化したinvestment(埋没材)の中を多少の空気が通過するので、熔融金属を流し込んで型の下側を真空タンクに直結すると熔湯は吸い込まれる。
大物に適する方法である。真空タンクの容量が大きくないとうまくいかない。

せ慘悗覆鼻⊂物に適する方法である。investmentを詰め込んだステンレスパイプ(フラスコと言う)の前に置いたるつぼ中で、アセチレンバーナを用いて熔湯を作り、ばね等などに蓄えたエネルギで回転させ、遠心力を与える。
 
 あまり大きなものは回転させられない。カウンタ・バランスを調整しておかないと、振動して、事故の元になる。
 
 また、加速度が大きくないと意味がないので、その構造にはいくつかの工夫がある。これを「大きな金だらい風の容器」の中で作動させる。たらいの役割は融けた金属が飛び散るのを防ぐためである。写真はかなり大型の遠心鋳造機である。腕が折れるのは加速時に熔湯が飛び散らない工夫である。ぜんまいばねは極めて強力である。重力加速度の数倍の加速度がかけられる。


2006年10月16日

鋳込み

casting design
 ワックス型がたくさん出来たら、鋳造方案を考え、それに従って配置し、いわゆるツリィを作る。
 ツリィとは、ちょうどクリスマス・ツリィのように、幹から枝が生えて、そこにいろんな物がぶら下がった形を表す。


 写真は失敗作であり、お見せするのは心苦しいが、良い鋳造方案が出来た時のものである。何が失敗かと言うと湯(溶けた金属)の量が足らなかったので半分しか出来なかったのである。

 放射状についているのはタービン電気機関車のテンダ台車枠であったが、ちょうど半分で終わっている。悲しい限りである。

 このときの湯はベリリウム銅(以下ベリ銅と略す)である。ベリ銅は湯流れがよく、硬くて加工がた易い。しかし、ベリリウムの酸化物は吸い込むと健康を害する恐れがあり、加工時の被曝時間が制限されていたりして、日本では扱いが難しい。

 私はベリ銅の鋳造はテキサスの友人に頼んでいる。彼の家の裏庭から次の家まで、50マイルあるそうなので、排気を撒き散らしても全く問題ないそうだ。鋳造方案を絵に描いてワックス型を送ってやれば作ってくれる。地金は会った時にインゴットで渡してある。
 始めは、私の鋳造方案を見て、ぶつぶつ言っていたが、「確かにうまくできる。自分の鋳造の時も真似をしたらうまくできた」と評価してくれている。この頃、大物の鋳造時は、鋳造方案の相談を持ちかけてくれるようになった。

 鋳込む時は金属の表面張力で細かい所に流れないので、圧力を掛ける必要がある。この表面張力はかなり大きい。ハンダを融かした時、あるいは体温計の水銀が転がる時を思い出して戴きたい。型の細かい部分にはそう簡単には入らない。

 圧力を掛ける方法は4つある。

2006年10月15日

鋳造方案

wax injector 鋳造方案(casting design) という言葉を御存知の方は少ないだろう。

 湯口から流し込まれた熔解金属は鋳型の末端まで融けたまま流し込まれて固まる。そのとき冷え方が急で、金属結晶が析出しながら流れると粗雑な鋳物になる。温度が高すぎると固まるときに縮んで皺が入ったりひびが入ったりする。

 理想的なのは、末端に入ったときは融けているがやがて固まり始め、続々と融けた金属が注ぎ込まれて、固まるときに体積が減った分だけ補充されるようにすることである。

途中に体積の多い空間(湯溜り)を作り、融けた金属がそこに十分にあれば凝固に伴う収縮を補償するという考え方もできるし、先端に行くほど細くなるようにすればよいという考え方もできる。

 簡単に言えばそうなるがこれは非常に難しい。このようなことを考慮して、よい鋳物を作るように湯口を決め、押し湯(融けた金属が高く注ぎ込まれて、圧力が掛かるようにすること)、湯溜りを決めることを鋳造方案という。

 現在でもこの鋳造方案の完全な決定法はない。鋳造現場の技術者が指示する。鋳造方案を考えるだけで一生を費やすほどの難しい仕事である。スーパーコンピュータがあっても解決することではないようだ。これはある程度の指針を出すソフトである。

このなかにタービン鋳造時の湯流れをシミュレイションする動画がある。これは押し湯を大きく取る工夫をしている。

 実際の湯流れはこのように単純ではないらしい。



 写真はワックスをゴム型に注入するときに用いる注型機である。保温しながら圧力を掛け、ゴム型を押し付けると瞬時に注入される。ノズルに工夫がある。

2006年10月14日

印象を採る

a74fd4bc.jpg 一言で印象を採るといっても、極端な格差がある。機械部品の場合は表面が多少粗雑でも問題ない、歯科の技工の場合は噛み合わせの問題があり精度が要求される。
 さらに高精度な印象採取に挑まれた方がある。

 N社の最高顧問のO氏である。O氏は25年ほど前、クライスラ社からの依頼でレザーそのものの感触を持つ自動車のステアリング・ホイールを作られた方である。また布地そのものを印象採取して、金型に転写し射出成形することができるようにされたのもこの方の業績である。また。当時出始めていた、ターボ・チャージャのタービンの鋳造も、この方の指導のもとでなされた。セラミック・タービンはO氏によって開発された。

 運のよいことに、御子息の紹介で弟子入りがかなった。シリコンゴムによる印象採取の基本的な理屈はこの方から教わった。また、高性能な電気炉を自ら設計製作される方で、それもお世話願った。熔解炉もO氏自ら作って下さったものである。

 O氏の下で1年ほど教えていただいた。その間見せて戴いたヴィデオの中に、ロストワックスがいかにに高精度に出来るかというデモンストレイションがあった。フランスのVTRである。ピストルを鋳造し、そのまま湯口が付いている状態で組み立てて、発射するというのがあった。これには驚嘆した。

 これは何を物語るか。
  |鮟未澆蓮∩瓦謄灰鵐肇蹇璽襪任る
  ▲優厳蠹まで全て鋳造で可能であること
  8λ瓩靴覆ても鋳肌そのものを平滑にすることが可能であること 

 模型用では専ら外装部品しか必要でないが、この技術が適用可能であるなら蒸気機関車のフレイムを一体鋳造することは不可能ではない。全てのネジ穴もネジが切ってある状態で鋳造することができれば面白い。本物の鋳鋼台枠を再現するのである。
 それにはかなりのリサーチが必要であるが、将来やってみたいことの一つである。

 熔解する温度、鋳型の温度管理が大切であるのは言うまでもないが、もう一つの困難がある。

2006年10月13日

原型からゴム型を作る

ea687956.jpg 原型は何で作っても良い時代になった。以前はハンダ付けでは駄目で銀ロウ付けをしなければならなかったが、技術革新で楽な時代になった。

 まずブラスなどで作りたいものの3%ほど大きい原型を作る。この3%は「鋳縮み」という。このとき湯口(融けた金属が通る道筋)をどこにするか決めるのだが、それにはかなり面倒なことを考えねばならない。鋳縮み量は形によるので、一概には言えない。

 それを生ゴムとともに箱に押し込み、圧力を掛けて160℃くらいに加熱する。すると生ゴムの「加硫」という現象が起き、柔らかい生ゴムが弾性体になる。この装置は電気アイロンとクランプで自作できる。それをナイフで切り開き、原型をつくる。切り開く時は、後でずれないよう、ジグザグに切る。

 加硫の温度が200℃であると、ハンダが融ける場合があるので、銀ロウ付けをしなければならない。そののちに、より低温で加硫できるようになり、ハンダ付けでもよいことになった。

 現在はRTVといって、室温(Room Temperature)で加硫(Vulcanize)できるシリコンゴムが主流になっている。これを使えば、相手がプラスチックでも印象をとることができる。いくつかのブランドが日本製にもあるが、筆者はフランス製のものを使っている。寸法変化が少ないのと弾力が桁違いに良いからである。

 そのゴム型を開いて空気抜きのパウダーを塗る。ゴム型からワックス注入時、空気が抜けやすくする。ゴムの隙間から空気が抜けるが、ロウは抜けない。このパウダーの塗り方にもいろいろなノウハウがあるようだ。

 ワックスを融かして圧力を掛け、ゴム型に注入する。このときゴム型が変形しないよう、うまく押さえ込みながら入れるわけである。この操作をWax Injectionといい、専用の機械がある。ノズルが非常にうまく出来ていて、押すと瞬時に注入される。ゴム型が冷たければロウは数秒で固まる。ロウはいろいろなタイプがあるが、固まったとき硬くなるタイプを用いると、プラスティックで出来ているかの如くパリパリのものができる。また、固まっても柔らかいものもある。ロウは何種類もある。
 
 中空のものを作る時は工夫して、中子(なかご)を抜くように作る。写真は、その中子の丸棒付きのゴム型である。灰色の台ごと外して、ロウ型を抜き取る。

2006年10月12日

ロストワックス鋳造法

Billの工房 錆について書き始めたら、読者数が3割以上も増えたので驚いている。また、いろいろな方からコメント、メイルを戴き、感謝している。

 取り挙げる内容についてはいくつかリクエストもあり、その順に書いていく。
 
 最初の頃のロストワックス鋳造の話を読まれた方から、もっと詳しく書くよう要請があったので、しばらくはその話をしたい。

 ロストワックスは熱によってロウを流し出して作った空隙に、融けた金属を流し込む鋳造法である。厳密にはinvestment鋳造法という。investmentとは詰めたものという意味である。ここでは石膏などの材料をいう。

 まず、このウェブサイトをご覧戴きたい。これは宝飾用銀製品を作る方法を示している。ただ、テクニックを紹介しているだけで、技術的なことは何も明らかにされていない。写真を見て判ることは、ピンクのロウを加工して造形し、埋没材(investment)に埋め、乾燥、加熱してロウを流し出す。焼成して熱いうちに融けた銀合金を何らかの方法で強制的に流し込み、その後、その鋳型ごと水中に投下して破砕する。磨いて出来上がりというだけである。

 技能的にはこれでよいが、技術的にはかなりの工夫が必要である。わが国では「技能」という言葉と「技術」という言葉が混同されている場合が多い。殆どの場合「技能」と言うべきところを「技術」と表現しているように感じている。

 「技能」は経験のあることを間違いなく実行する能力であり、「技術」は経験のないことまで、持っている知識を活用して演繹する能力である。いわば、科学的思考力を用いて見えない山の向こうを透視する能力であるとも言える。

 
 鋳造ほど難しいものはないと思う。筆者は3人の優れた鋳造技術者に出会った。
 最初はBillである。彼は「一応大学には行ったのだ。でもあそこで教えることは知っていることばかりで、意味がなかったからやめたよ。」と言っていた。確かに金属加工、鋳造、鍛造については大変な知識の持ち主で、新しい情報も雑誌で得ていた。何を聞いても、非常に筋の通った答が返ってきて、いつも感心した。
 プラスティックを使った鋳造法はかなり古くからやっていたようだ。

2006年10月06日

ダイナミック・ブレーキ

6afb4bf1.jpg ダイナミックブレーキについては9月5日の記事で少し触れたが、さらに詳しく書けという御要望を戴いている。

 下り坂をブレーキ無しで下るのは不可能だ。軸受けがローラベアリングになると摩擦がほとんどなく、空気抵抗だけといってもよい位の状態になる。機関車の後ろには1万トンの列車がある。抑速ブレーキが必要である。機械式(摩擦)ブレーキではすぐに焼けてしまう。

 幸い電気式ディーゼル機関車は各軸にモータが付いているので、それを発電機にすれば、電気ブレーキが効くことになる。このときモータの界磁には励磁電流が必要である。補助発電機で起こした電気で励磁して発電する。作られた電力はエンジンの上部に取り付けた抵抗グリッド(抵抗器でできたバーベキュー網状のもの)に通す。発生した熱は、ファンで大気中に放出される。

 そのファンはモータで発電された電力で廻る。GP9では1番と3番のモータで作られた電力で廻ると書いてある。すなわち、力行状態では止まっている。
 ダイナミック・ブレーキを作動させたときだけ廻る。その回転音はブレーキのノッチ切り替えによって変化する。
 ベアリングの寿命を考えると、止まっているときに衝撃があると痛みやすいようにも思うが、風でいつも少しずつは廻っているので、問題はないのだろう。

 どんな機関車にも付いているわけではなく、本線上に長大な勾配がある路線のみに採用されている。発注時に取り付けるかどうかを決める。

 ギヤ比もいくつかの組み合わせが用意されていて、旅客用・貨物用、線区の勾配などを考慮して発注できるようになっている。

 運転マニュアルを見ると冷却液の調合も指定されている。-60℃までのグラフがあるのはさすが大陸横断鉄道を持つ国である。

 筆者が体験した最低気温は、自宅裏庭で-37℃、標高3300mのスキー場で-57℃である。そのグラフはハッタリではない。

 写真はKemtron社製のロストワックス鋳物である。さすがに45年前のものなので少々古臭い。右は自作のWinterization Hatchである。 

2006年10月03日

放熱ファンのルーバー

e6c58f3c.jpg 内野氏と話した思い出の中に、放熱ファン・ルーバの放射状の部材がどうして少しねじれているかということがある。

 写真はGP7の放熱ファンである。この鋳物は誰が作ったものかは知らない。多分PSCの鋳物であろう。良い形をしている。完全な放射状ではなく、わずかにずれている。中心部が少々時計廻りに回転している。どうしてだろうか。

 何人かでわいわい話していた時だ。内野氏と筆者の見解が一致した。最近、伊藤剛氏に確認したところ、それでよいということであったので公表したい。

 放熱ファンに限らず、使用時に温度差があるときは、材料の伸縮を逃がす方策をとらねばならない。この場合、温度が上昇すると放射状の部材は膨張して長くなる。すると中心部がわずかに右廻りに回転することになる。

 このような設計法は、工場のいたるところで見られる。蒸気パイプが大きくΩ(オメガ)状に曲げられているのもそれである。

 当然のことながら、蒸気機関車のポイラの支えも伸びを逃がすようになっている。鉄橋の自由端の伸び縮みはとても無視できない量だ。最近はその伸縮を逃がす支えが、摩擦の少ない特殊樹脂で出来ていてローラは使われていないそうだ。

 そんな話から始まって、ありとあらゆる工業製品とその加工の話を伺ったのがつい昨日のような気がする。

 
 
 浮津信一朗氏からも内野氏の早すぎる死を悼むコメントが寄せられた。

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